Технологические особенности алюминиевых сплавов 1201 и 01570

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2014. Технические науки

никает при резком вбросе в парогазовый канал при ЭЛС жидкой фазы и происходит вскипание этой жидкой фазы с образованием наполнения пор парами самого свариваемого металла. Борьбой с этим дефектом является изменение конструкции свариваемых кромок. Например, такой стык когда шов выполняется через бурт [1].

Если зазор по бурту равен 0 или существует натяг, то сварка проходит нормально. Если зазор больше миллиметра, то теплоотвод в сопрягаемую деталь отсутствует и бурт расплавляется, резко наполняет сварочную ванну жидкой фазой. Оператор отслеживает режим по току коллектора, для обеспечения проплав-ления добавляет ток сварки и перегревает жидкий металл, который как бы вскипает в парогазовом канале, создавая огромное количество пор. То есть происходит нарушение технологии сборки.

Окисная плена - в сварных швах ЭЛС отсутствует, так как в процессе сварки происходит бурное перемешивание жидкого металла в вертикальной плоскости и по кругу всего парогазового канала. Если окисная плена находится в избытке, то она разламывается лучом и может служить только центраторами порообразования.

Корневые дефекты - присущи только электроннолучевой сварке и исключаются системой управления распределением энергии в пятне нагрева луча. Образуется корневой дефект следующим образом: все свариваемые металлы являются кристаллическими структурами и в процессе перехода от твердого со-

стояния в жидкое и обратно, претерпевают аллотропическое превращение, т. е смену кристаллической решетки. Это приводит к раскачиванию процесса проплавления, к этому примешивается импульсное выделение пара металла в канале проплавления. В результате корневая часть шва выглядит как хаотично зубчатое проплавление и когда с передней кромки шва металл перемещается в зону корня шва, то острую часть шва он не заполняет и не сплавляет [1].

Этот дефект на сегодняшний день не допускается и является самым худшим дефектом. На обычном оборудовании с источниками питания У-250, ЭЛА 60-15, ЭЛА-30 В избежать такое формирование не удается. Чтобы этот дефект был управляемым необходимо формировать шов по форме в поперечном разрезе.

Со скруглением в нижней части шва не менее 1,5-2 мм. Для этого применяется технология с управлением тепловложения в пятно нагрева за счет высокочастотного расщепления луча, за счет управления через отклоняющую систему и блока управления позволяющего программировать размеры формы сканирования.

Библиографическая ссылка

1. Зорин Ю. Н. Электронно-лучевая сварка с повышенной частотой модуляции тока луча сталей толщиной до 254 мм. 1993.

© Кириллов В. И., Муниров Д. В., 2014

УДК 621.791.722

Д. С. Ковалёв, В. Н. Шахов Научный руководитель - В. В. Богданов Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева, Красноярск

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ 1201 И 01570

Исследование и сравнение технологических особенностей при электронно-лучевой сварке алюминиевых сплавов 1201 и 01570 с АМгб в ракетно-космической технике.

Наиболее важные области применения алюминиевых сплавов в настоящее время - авиационная и ракетная техника. Высокие удельные характеристики, технологичность, ценовая доступность, изначально определившие выбор авиаконструкторов. Для работы узлов в реальных условиях эксплуатации в космосе необходима также стойкость материалов к воздействию факторов космического пространства: высокого вакуума, перепадов температур, радиации и пр. В настоящий момент этим требованиям максимально отвечают алюминиевые деформируемые сплавы, которые и используются наиболее активно. Наглядные примеры - материалы конструкции планеров и топливные баки ракетоносителей отечественного орбитального корабля «Буран» и американского космического корабля «8расе8ЬиШе» [1].

До «Энергии» все ракетные баки изготавливались в СССР из пластичного алюминиевого сплава средней

прочности, содержащего 6 % магния, сплав АМгб. Однако было известно, что американцы применили для баков «Шаттла» новый, более прочный, но менее пластичный алюминиевый сплав 2219, содержащий около 6 % меди. В ВИАМе были выполнены лабораторные плавки, которые показали, что сплав, обозначенный 1201, действительно прочнее АМгб. С понижением температуры он не только не охрупчивается, как, например, сталь, а наоборот, приобретает удивительную способность к повышению и пластичности, и прочности (криогенное упрочнение), при неоднократных повторных охлаждениях до температуры жидкого водорода сплав АМг6 расслаивается, поэтому он не годился для материала ракеты, работающей на жидком водороде.

Разработан ряд отечественных термически упрочняемых сплавов на основе алюминия обладающих удовлетворительной свариваемостью. Сплавы 1201 и

Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственнее технологии»

01570, относятся к термически упрочняемым свариваемым сплавам, значительно превосходящим по прочности свариваемые сплавы, не упрочняемые термообработкой (например, АМг5, АМг6). После упрочняющей термической обработки предел прочности сплава 1201 составляет не менее 390 МПа.

При температуре -196 °С (жидкий азот) дается 1 000 нагружений, затем нагрев до 200 °С и повторение нагрузок при -196 °С. Это реальный температур-но-динамический график полета ракеты «Энергия» (200 °С соответствует разогреву ракеты при прохождении атмосферы). Сплав АМг6 выдержал 500 циклов, сплав 1 201-20 000 циклов.

Для алюминия и его сплавов применяют практически все промышленные способы сварки плавлением и давлением. Газовую и а также сварку в ручную покрытыми электродами в настоящее время используют редко. Наиболее широкое распространение для изготовления конструкций, особенно ответственных, приобрела сварка в среде инертных газов. При ЭЛС алюминия и некоторых его сплавов получаются швы, обладающие высокими механическими свойствами.

Специфические теплофизические свойства алюминия и его сплавов (высокая теплоемкость, теплопроводность и скрытая теплота плавления при сравнительно низкой температуре плавления) определяют оптимальные параметры процесса сварки. Так, при сварке алюминия плавлением необходим сварочным ток, превосходящий в 1,2-1,5 раза ток для стали, несмотря на то что температура плавления алюминия значительно ниже, чем стали.

Затруднение при сварке вызывает также большая склонность металла шва к образованию пор и кристаллизационных трещин (особенно характерных для сплавов на основе алюминия). При сварке сплавов повышенной прочности (например, легированных цинком и магнием) наблюдается появление холодных трещин. Значительная усадка при кристаллизации сварного шва, а также высокий коэффициент линейного расширения приводят к существенным остаточным деформациям. При сварке нагартованного алюминия и термически упрочненных алюминиевых сплавов снижается прочность сварного соединения по сравнению с прочностью основного металла, что создает определенные трудности.

Существенные затруднения при сварке возникают вследствие легкой окисляемости алюминия в твердом и расплавленном состояниях. Образующаяся тугоплавкая пленка оксида алюминия А12О3 препятствует формированию шва и является источником неметаллических включений в металле шва. Для получения качественных соединений при сварке плавлением необходимы защита шва от насыщения газами атмосфе-

ры и принятие специальных мер для удаления или разрушения пленки оксидов.

ЭЛС является эффективным способом соединения деталей и узлов из алюминиевых сплавов. КПД электронно-лучевого нагрева, зависящий от порядкового номера элемента в периодической системе, для алюминия (п = 0,89) выше, чем для других цветных металлов (например, по сравнению с медью - на 16 %, с ниобием - на 22 %).

При ЭЛС в вакууме успешно решается вопрос разрушения и удаления оксидной пленки на поверхности свариваемых кромок. Это достигается вследствие механического воздействия на пленку паров металла, а также в вакууме создаются благоприятные условия для удаления из металла шва водорода и азота (благо -даря диссоциации нитридов алюминия в вакууме). Этот процесс положительный с точки зрения снижения склонности к образованию пор в шве.

ЭЛС по сравнению с другими способами сварки плавлением имеет значительное преимущество: твер-дожидкое состояние металла при сварке соответствует весьма короткому промежутку времени, поэтому временные внутренние напряжения не успевают воздействовать на кристаллизующийся металл, т. е. не успевают возникнуть кристаллизационные трещины. Для высокопрочных алюминиевых сплавов можно избежать разупрочнения металла в околошовной зоне при высоких скоростях сварки, обеспечивающих минимальное термическое воздействие на основной металл.

После сварки коэффициент прочности соединений из высокопрочных алюминиевых сплавов составляет примерно 0,7-0,8. Так, при ЭЛС плит (t = 40 мм) из сплава 1 201 коэффициент прочности достигал 0,750,80, в то время как при аргонодуговой многослойной сварке он не превышал 0,5-0,6. Закалка с последующим искусственным старением позволяет довести этот показатель для ряда сплавов до 0,9-1,0.

В условия производства выполнялась ЭЛС шпангоутов корпусов ракет, сварка выполнялась на образцах толщиной 100 мм без разделки кромок с сдвижением луча снизу вверх что облегчало условие про-плавления на полную глубину. Сварные швы соответствовали техническим условиям.

Библиографическая ссылка

1. Материалы конструкции орбитального корабля «Буран» (11Ф35) [Электронный ресурс]. URL: http ://www.buran.ru/htm/inside .htmhttp ://mir-politika.ru/1702-nasa-gigantskie-proekty-i-ekonomiya-na-melochah.html (дата обращения: 01.04.2014).

© Ковалёв Д. С., Шахов В. Н., 2014