Контроль деформации при сварке толстого алюминия

В аэрокосмической отрасли, судостроении, железнодорожном транспорте, при производстве специальной техники и крупногабаритного оборудования все чаще возникает потребность в легких конструкциях, отличающихся высокой прочностью, длительным сроком службы и коррозионной стойкостью. Алюминиевые сплавы являются важными конструкционными материалами, поскольку сочетают в себе высокую прочность, малый вес, хорошую пластичность и высокую коррозионную стойкость.

Исследования в США в области высокопрочных алюминиевых сплавов начались в 1940-х годах. В 1956 году был запущен пробный выпуск деформированной до предела прочности листов из сплава 5083 Al-Mg-Mn. Поскольку его комплексные эксплуатационные характеристики были ограниченными для некоторых областей применения, требующих высокой прочности, в начале 1960-х годов на смену ему пришёл термообрабатываемый сплав 7039 Al-Zn-Mg. Однако его высокая подверженность коррозионному растрескиванию под напряжением делала его непригодным для длительного воздействия морской воды или солевого тумана. В 1980-е годы в США, бывшем Советском Союзе и других странах было разработано новое поколение высокопрочных сплавов. Разработанный в США сплав 2519-T87 (Al-Cu) обладает высокой прочностью, сбалансированными механическими свойствами, стойкостью к коррозионному растрескиванию под напряжением и свариваемостью.

Высокопрочные сплавы нового поколения, в частности сплавы серии Al-Cu 2xxx, обеспечивают более высокую прочность конструкций и улучшенную стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением для крупных конструкций, эксплуатируемых в сложных условиях. Сварка по-прежнему приводит к размягчению шва и низкому коэффициенту прочности соединения. Кроме того, для крупных прецизионных конструкций необходимо, чтобы деформация от сварки не превышала одной трети от деформации, возникающей при традиционной сварке.

Проблемы, связанные с продукцией и технологическими процессами

Основные трудности заключаются в сильном размягчении соединений и низком коэффициенте прочности; образовании на поверхности огнеупорной пленки из Al₂O₃ с температурой плавления 2 060 °C; высокой потребности в энергии, обусловленной толщиной высокопрочного материала; склонности к образованию горячих трещин и пор; а также деформации, вызванной высокой теплопроводностью и большим коэффициентом линейного расширения. Деформацию становится особенно сложно контролировать при толщине свыше 20 мм, поэтому меры должны быть технически обоснованными и применимыми в условиях цехового производства.

Меры по контролю деформаций

1. Выберите метод сварки

Толстая алюминиевая пластина быстро проводит тепло и способствует осуществлению процесса с высокой удельной мощностью. В ходе испытаний одно- и двухпроволочной сварки MIG, электронно-лучевой сварки, сварки трением с перемешиванием и гибридной сварки «лазер-MIG» в качестве производственного процесса была выбрана двухпроволочная сварка.

При однопроволочном MIG-сварке использовались низкочастотные составные импульсы. Вибрация сварочной ванны усиливала перемешивание, способствовала гетерогенному зародышеобразованию в процессе затвердевания, улучшала структуру сварного шва и повышала прочность и пластичность за счет электромагнитного перемешивания. Шов соответствовал или превосходил заданные показатели прочности на разрыв. Испытания позволили определить оптимальное сочетание скорости продвижения, силы тока и низкочастотной модуляции импульса.

Высокоскоростная двухпроволочная сварка позволила получить высокопрочное соединение. Сравнение двухпроходной сварки MIG с высоким током и четырехпроходной сварки MIG с низким током привело к выбору параметров многопроходной сварки с высоким током, сочетающих преимущества обоих методов. Прочность соединения на разрыв составила 296 МПа, что соответствует 62% основного металла, а ударная вязкость — 13 Дж/см², что соответствует 42% основного металла.

Были сравнены три метода: традиционная сварка с Y-образной канавкой, сварка с X-образной канавкой и вибрационная сварка с X-образной канавкой. X-образная канавка позволила снизить деформацию до одной пятой от показателя, полученного при традиционной сварке, а вибрационная сварка снизила её ещё больше.

2. Расчет и оптимизация последовательности сварки

В случае крупной конструкции с большим количеством швов пронумеруйте каждый сварной шов и определите начальную последовательность исходя из конструктивных особенностей. Например, для конструкции с 16 основными сварными швами изначально использовались номера 1, 3, 4, 2, 5, 6, 7, …, 16. С помощью анализа методом конечных элементов можно сравнить возможные последовательности и выбрать ту, которая обеспечивает меньшую деформацию и более благоприятное распределение напряжений.

Сначала проанализируйте последовательность проходов в рамках отдельного многопроходного шва, поскольку она влияет как на величину, так и на распределение остаточных напряжений. Определение последовательности проходов с низким уровнем напряжений до начала сварки на производстве помогает ограничить конечные остаточные напряжения.

Затем необходимо оптимизировать общий порядок расположения швов. Изменение последовательности вскрытия с 1, 3, 4, 2 на 1, 3, 2, 4 существенно изменило распределение напряжений. Вторая последовательность позволила уменьшить площадь, в которой напряжение превышает 300 МПа, что может повысить стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением.

3. Использование вибрационной деформации для стабилизации напряжений и размеров

Динамическое напряжение является ключевым параметром при вибрационном снятии остаточных напряжений. Возбудитель создает динамическое напряжение, соответствующее циклической переменной нагрузке. Когда это напряжение сочетается с исходными остаточными напряжениями и вызывает локальную или общую пластическую деформацию, остаточные напряжения могут расслабиться, стать более равномерными и уменьшиться, в то время как металлическая матрица становится более устойчивой к деформации.

Общие критерии: σ_{динамический} + σ_{остаточный} ≥ σ_s, где σ_s — предел текучести, необходимый для распространения пластической деформации и возникновения макроскопической деформации; σ_{динамический}/σ_{остаточный} = 0,1–0,3; при этом амплитуда динамического напряжения должна составлять от одной трети до двух третей рабочего напряжения детали. В пределах подходящего диапазона более высокое динамическое напряжение вызывает большее деформирование и обеспечивает более эффективное снятие напряжений. Чрезмерное динамическое напряжение может привести к повреждению заготовки или сокращению усталостной долговечности.

В ходе испытаний использовался вибрационный аппарат для снятия остаточных напряжений модели WZ-86A, произведенный компанией Hailun Vibratory Stress Relief Equipment Co., Ltd. В результате данного процесса остаточные напряжения в сварном шве были удержаны в пределах 0,3σ._s.

В ходе испытаний были определены и внедрены параметры вибрационной отпуски, специфичные для данного изделия.

Результат проверки

Использование технологического процесса сварки, совместимого с серийным производством, проведение сравнительных испытаний форм пазов, параметров и последовательностей, а также вибрационная снятие напряжений позволили снизить остаточные напряжения и деформации без ущерба для механических характеристик и коррозионной стойкости. Оптимизированный процесс позволил ограничить деформации до одной трети от значений, характерных для традиционной сварки, что соответствует проектным и производственным требованиям к крупным высокопрочным конструкциям.

Помимо аэрокосмической отрасли, судостроения, железнодорожного транспорта и крупного машиностроения, данный метод может применяться для изготовления отдельных видов специальной техники, облегчённых защитных конструкций и других высокопрочных алюминиевых деталей.