ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области металлообработки, а именно к производству сосудов из термически неупрочняемых алюминиевых сплавов для баллонов и сосудов высокого давления, и может быть использовано в авиакосмической, газовой, автомобильной, судостроительной и других областях промышленности.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из RU 2510784 известен способ изготовления сварных сосудов высокого давления из стали, согласно которому обечайку изготавливают путем свертки стальной листовой заготовки и ее последующей автоматической сварки с калибровкой и рентгеновским контролем качества шва. Днище получают отдельно путем вытяжки. Затем в обечайку и днище вваривают штуцеры и вентили, а затем осуществляют сборку и автоматическую сварку обечайки и днища стыковыми кольцевыми швами. Данный способ является весьма трудоемким, а баллоны имеют высокую себестоимость, так как включает раздельное получение обечайки и днища и их последующую сварку. Кроме того, использование стали в качестве материала для изготовления сосудов также накладывает дополнительные сложности при изготовлении сосуда. А в случае использования алюминиевых сплавов автоматическая сварка плавлением не обеспечивает герметичность и прочность сварных соединений на уровне основного металла.

Из RU 2429930 известен способ изготовления сосуда (лейнера) из алюминиевого сплава. Этот способ включает местный нагрев прессованной трубы из алюминиевого сплава, закатку трубы с образованием днища, средней цилиндрической части и днища с горловиной. После образования днища в его средней части в полярной точке просверливают коническое отверстие, которое потом заваривают с присадкой сварочной проволоки для образования равнопрочного герметичного глухого днища и зачищают наружную заваренную часть путем пологой зачистки. При этом наружную поверхность днища выполняют эллипсоидной формы.

Однако прессованные трубы из алюминиевых сплавов имеют большие допуски по толщине стенки, что приводит к необходимости выбирать более толстостенную трубу для обеспечения прочности лейнера. Таким образом, известный из RU 2429930 способ отличается повышенными металлоемкостью и коэффициентом тары (коэффициентом совершенства), определяемым как отношение массы сосуда к его вместимости в литрах (кг/литр) .

Кроме того, прессованные трубы из алюминиевых сплавов имеют анизотропию механических свойств: прочность металла в хордовом (радиальном) направлении на 15-20 % ниже, чем в продольном. В результате для обеспечения требуемых свойств толщину стенок трубы нужно увеличивать, что приводит к дополнительному увеличению металлоемкости и росту коэффициента тары получаемого сосуда (лейнера).

Из уровня техники также известен сосуд (баллон высокого давления) из термически неупрочняемого алюминиевого сплава, раскрытый в RU 2382919. Этот баллон содержит цельную металлическую оболочку, выполненную из трубной прессованной заготовки из термически неупрочняемого алюминий- магниевого сплава, упрочнение которого осуществляется при нагружении баллона пробным давлением. Исходным материалом для получения сосуда из термически неупрочняемого алюминий-магниевого сплава в этом документе служит цельная прессованная труба из сплавов системы алюминий-магний. Однако предложенный в RU 2382919 способ изготовления обладает рядом недостатков: необходимость упрочнения многократным нагружением баллона пробным давлением существенно усложняет и удорожает процесс производства баллонов, а использование цельной трубной заготовки приводит к увеличению массы и увеличению коэффициента тары, так как прессованные трубы из термически неупрочняемых сплавов имеют большие допуски на толщину стенки . Кроме этого, изготовленные таким образом трубы имеют значительную анизотропию механических свойств и прочность в хордовом (радиальном) направлении на 15-20% ниже, чем в продольном . Ввиду указанных особенностей для получения требуемой прочности сосуда необходимо выбирать трубу с более толстой стенкой, что приводит к увеличению металлоемкости конструкции и коэффициента тары.

Частично решить вышеуказанные проблемы позволяет способ производства сосудов, раскрытый в US 20140027023, который является наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения и включает: формирование (свертку) из одной или нескольких плоских заготовок трубы со стыковкой кромок по длине трубы; сварку трением с перемешиванием по длине состыкованных кромок; холодную деформацию (при температуре не выше 100°С) по меньшей мере части сварной трубы и термическую обработку трубы при температурах выше температуры рекристаллизации. Раскрытый способ позволяет избежать многих недостатков, связанных с получением сосудов из цельно прессованной алюминиевой трубы : по сравнению с приведенными выше способами способ по US 20140027023 предполагает меньшую металлоёмкость и трудоёмкость, а полученный в результате его применения сосуд (баллон/лейнер) будет ожидаемо иметь более низкий коэффициент тары . Однако способ по US 20140027023 предпочтителен для изготовления сосудов из термически упрочняемых алюминиевых сплавов, так как для термически неупрочняемых алюминиевых сплавов холодная деформация с последующей термической обработкой выше температуры рекристаллизации приводит к снижению их прочностных свойств и, как следствие, снижает ресурс работы сосудов (баллонов), увеличивает их вес и повышает коэффициент тары. Кроме того, холодная деформация термически упрочняемых алюминиевых сплавов, как правило, не позволяет за один раз сформировать нужную форму сосуда, поэтому предпочтительно несколько раз проводить деформацию и термическую обработку (см. US 20140027023, п.12), что усложняет и удорожает процесс производства . Кроме того, при термической обработке сварной трубы проявляется ещё один недостаток данного метода : чрезмерный рост зерна в зоне шва, приводящий к ухудшению механических свойств материала вдоль линии сварного шва. Для минимизации данного эффекта применяют операцию волочения трубы, возможно, многоступенчатую, с осуществлением отжига трубы между каждой стадией. Это дополнительно увеличивает время изготовления цилиндра и приводит к удорожанию производства конечного изделия.

Хотя предпочтительные, согласно US 20140027023, термически упрочняемые алюминиевые сплавы обладают, как правило, большей прочностью, чем термически неупрочняемые, производство сосудов из них связано с дополнительными затратами на их термическую обработку. При этом также следует учитывать затраты на собственно операции закалки и старения, а также на необходимое специализированное оборудование - печи для закалки и старения. Ввиду указанного использование термически неупрочняемых сплавов позволяет значительно сократить затраты, упростить и удешевить технологию получения сосудов.

Таким образом, технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является обеспечение относительно простого и недорогого способа изготовления сосуда из термически неупрочняемого алюминиевого сплава, позволяющий получить прочный и износостойкий сосуд с небольшим весом и низким коэффициентом тары.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному аспекту настоящего изобретения, предложен способ изготовления сосуда, включающий : формирование трубы сверткой по меньшей мере одной плоской заготовки со стыковкой кромок, сварку трением с перемешиванием состыкованных кромок и деформацию по меньшей мере части трубы с приданием этой трубе формы сосуда, при этом в качестве плоской заготовки используют лист из термически неупрочняемого алюминиевого сплава, который предварительно подвергают холодной деформации со степенью остаточной деформации в интервале 0,5-15%, а указанная деформация по меньшей мере одной части трубы является горячей деформацией при температуре 230-520°С. Предлагаемый способ обеспечивает технический результат в виде уменьшения веса сосуда, повышения прочности сосуда, обеспечения равнопрочности сосуда и уменьшения числа циклов горячей деформации при изготовлении сосуда. Также обеспечены снижение металлоемкости и трудоемкости при изготовлении сосуда из термически неупрочняемого алюминиевого сплава, низкий коэффициент тары, повышение надежности и ресурса работы получаемого указанным способом сосуда .

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что согласно предлагаемому способу осуществляют формирование трубы сверткой по меньшей мере одной плоской заготовки со стыковкой кромок, сварку трением с перемешиванием состыкованных кромок и деформацию по меньшей мере части трубы с приданием этой трубе формы сосуда, при этом в качестве плоской заготовки используют лист из термически неупрочняемого алюминиевого сплава, который предварительно подвергают холодной деформации со степенью остаточной деформации в интервале 0,5-15%, а указанная деформация по меньшей мере одной части трубы является горячей деформацией при температуре 230-520°С. Согласно одному из вариантов реализации предлагаемого изобретения, в качестве термически неупрочняемого алюминиевого сплава используют сплав на основе систем Al-Mn, Al-Mg или Al-Мд-Мп. Согласно ещё одному варианту реализации, указанную по меньшей мере одну плоскую заготовку в виде листа из термически неупрочняемого алюминиевого сплава предварительно подвергают холодной деформации растяжением.

Согласно ещё одному из вариантов реализации предлагаемого изобретения, указанную по меньшей мере одну плоскую заготовку в виде листа из термически неупрочняемого алюминиевого сплава предварительно подвергают холодной деформации прокаткой.

Согласно одному из вариантов реализации изобретения, указанную горячую деформацию при температуре 230-520°С ведут раскаткой, закаткой, прессованием, штамповкой или ротационной вытяжкой.

Согласно ещё одному варианту реализации изобретения, указанную горячую деформацию трубы проводят одновременно с двух концов трубы.

Согласно одному из вариантов реализации предлагаемого способа, после сварки проводят калибровку трубы для получения требуемой точности размеров.

Согласно одному из вариантов реализации изобретения, после сварки проводят зачистку и/или шлифовку сварного шва.

Согласно ещё одному аспекту изобретения, предложен сосуд, который имеет цилиндрическую часть в виде сварной трубы и два днища, изготовленный согласно раскрытому способу. Согласно различным вариантам реализации данного аспекта изобретения, такой сосуд имеет одно гладкое днище, а другое днище с горловиной; либо два днища с горловиной.

Согласно одному из вариантов реализации данного аспекта изобретения, сосуд имеет толщину стенок в днище не меньше 1,5 толщины стенок в цилиндрической части. Такие меры направлены на обеспечение , утолщения для монтажа штуцера, заглушки или других необходимых устройств в горловину или днище сосуда .

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Описание особенностей предлагаемого изобретения и его предпочтительного варианта реализации приведено со ссылками на прилагаемые фигуры. Следует понимать, что приведенный в качестве предпочтительного вариант реализации используется лишь в качестве неограничивающего примера, и все вариации предлагаемых аспектов данного б

изобретения, понятные специалисту в области техники, также входят в объем охраны согласно прилагаемой формуле изобретения .

Фиг. 1. Этапы изготовления цилиндрической заготовки для лейнера согласно одному из вариантов реализации предлагаемого изобретения.

Фиг. 2. Этап изготовления лейнера из цилиндрической заготовки согласно одному из вариантов реализации предлагаемого изобретения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В данном описании термин «сосуд» является наиболее общим понятием, применяемым в отношении изделия (устройства), имеющего внутреннюю полость. При этом предлагаемое изобретение в частных случаях может быть применено при изготовлении баллонов или лейнеров для баллонов, работающих под давлением .

Приведенные в данном описании указания определенных устройств, технологий и применений представлены только в качестве примеров. Модификации представленных в настоящем описании примеров очевидны для специалистов в данной области техники, и общие принципы, определенные в приведенном ниже описании, могут быть использованы по отношению к другим примерам и применениям без отступления от сущности и объема настоящего изобретения.

Следует отметить, что при холодной деформации термически неупрочняемых сплавов со степенью ниже 0,5% не происходит достаточного упрочнения, а при деформации со степенью более 15% наблюдается значительное снижение пластичности, что затрудняет процесс получения трубы из плоской заготовки. При этом прочность и пластичность сварного шва, полученного сваркой трением с перемешиванием термически неупрочняемых алюминиевых сплавов, равна или несколько выше, чем прочность и пластичность основного материала. В результате полученная таким образом сварная трубная заготовка является равнопрочной, в отличие от сварной заготовки из термически упрочняемых алюминиевых сплавов.

В свою очередь, одинаковые свойства исходной заготовки и сварного шва позволяют при проведении горячей деформации сварной трубы при температурах 230-520°С получать за один цикл требуемую форму сосуда. При этом способность к горячей деформации основного материала и сварного соединения одинаковы, в результате чего обеспечена возможность получить равнопрочный сосуд, обладающий высокой прочностью и пластичностью. Во время деформации термически неупрочняемого алюминиевого сплава, например на основе системы Al-Mn, Al-Mg или Al-Мд-Мп, необходимо иметь достаточную пластичность материала, а после деформации необходимо получить нерекристаллизованную структуру и равномерное распределение по сечению фаз алюминий - магний, алюминий - марганец. Необходимо отметить, что горячая деформация в интервале температур 230-520°С обеспечивает достаточную пластичность термически неупрочняемого алюминиевого сплава для получения необходимой формы и позволяет избежать снижения прочности ввиду динамической рекристаллизации. При этом при температурах ниже 230°С резко снижается способность такого сплава к деформации, а при температурах выше 520°С происходит процесс динамической рекристаллизации, снижающий прочность материала.

Основные особенности и аспекты предлагаемого изобретения будут далее объяснены на неограничивающих объем изобретения иллюстративных примерах лейнера для баллонов, работающих под давлением, изготовленного из термически неупрочняемого алюминиевого сплава . При этом лейнер для баллонов здесь является частным случаем предлагаемого согласно изобретению сосуда .

Согласно рассматриваемому варианту реализации предлагаемого изобретения, для изготовления лейнера в качестве исходного материала используют одну плоскую заготовку 3 в виде листа толщиной 5 мм из термически неупрочняемого алюминиевого сплава 1561, которая предварительно прошла холодную деформацию прокаткой со степенью 15%. Плоская заготовка 3 показана на Фиг. 1А, где 1 и 2 - кромки заготовки, которые затем будут сварены. Из плоской заготовки из термически неупрочняемого алюминиевого сплава формируют трубу путём свертки со стыковкой кромок ( 1 и 2) заготовки по длине заготовки (Фиг. 1 Б).

После этого по длине состыкованных кромок 1 и 2 (вдоль линии 4) производят сварку трением с перемешиванием . В результате получают цилиндрическую заготовку 5 в виде сварной трубы, показанную на Фиг. 1В. По завершении сварки согласно рассматриваемому варианту реализации предлагаемого изобретения при необходимости проводят механическую обработку сварного шва, а затем, при необходимости, калибровку цилиндрической заготовки (сварной трубы) для получения соответствующих размеров с требуемой точностью. В различных вариантах реализации предлагаемого изобретения механическая обработка представляет собой зачистку и/или шлифовку сварного шва с одной или двух сторон, а также включает, например, пескоструйную или дробеструйную обработки.

На следующем этапе, согласно предлагаемому варианту реализации изобретения, производят горячую деформацию цилиндрической заготовки 5 раскаткой, закаткой, прессованием, штамповкой или ротационной вытяжкой с двух концов заготовки 5 с образованием лейнера на специализированном оборудовании с нагревом деформируемых частей заготовки при температуре 230°С. Как пояснено выше, за счет использования в качестве исходного материала плоской заготовки, которая прошла предварительную холодную деформацию со степенью в пределах 0,5-15%, а также за счет применения сварки трением с перемешиванием на предыдущем этапе, полученная цилиндрическая заготовка 5 является равнопрочной, и при горячей деформации сварной цилиндрической заготовки 5 возможно относительно быстро (за один цикл) получить необходимую форму лейнера. Полученный при этом лейнер из термически неупрочняемого алюминиевого сплава имеет продольный сварной шов, выполненный сваркой трением с перемешиванием, который по меньшей мере на части длины был подвергнут горячей деформации. Таким образом, такой лейнер отличается равнопрочностью, высокой прочностью, малым весом и вместительностью (низким коэффициентом тары).

Хотя в рассмотренном примере использовался термически неупрочняемый алюминиевый сплав 1561 системы Al-Mg-Mn, специалисту понятно, что все принципиальные особенности и преимущества настоящего изобретения реализуемы и при использовании термически неупрочняемых алюминиевых сплавов на основе систем А1-Мп или Al-Mg, а также на основе других подходящих систем. Также следует отметить, что сварная цилиндрическая заготовка 5 может быть подвергнута горячей деформации на любом или любых участках или на всех участках в зависимости от требуемой формы изготавливаемого сосуда.

Предварительную холодную деформацию исходной плоской заготовки в различных вариантах реализации выполняют растяжением, прокаткой или другими известными из уровня техники способами.

Форма, придаваемая заготовке 5 на этапе горячей деформации, также может быть различной - например, с двумя горловинами 6 и 7 (Фиг. 2А) или гладким днищем 11 на одном конце заготовки и горловиной 12 на другом (Фиг. 2Б). В зависимости от эксплуатационных требований к готовому изделию этапы способа также могут обеспечивать различную толщину стенок лейнера в различных его частях. Так, например, для лейнера, на котором далее предполагается установка штуцера или другого дополнительного оборудования, специально предусматривают большую толщину стенок в днище, чтобы обеспечить возможность надежного крепления таких приспособлений без ухудшения прочностных характеристик самого сосуда. Согласно одному из вариантов реализации, толщина стенок лейнера (Фиг. 2) в днище 8, 9 составляет не меньше 1,5 толщины его стенки в цилиндрической части 10. Согласно ещё одному варианту реализации, толщина стенок лейнера в днище 11, 12 составляет не меньше 1,5 толщины его стенки в цилиндрической части 13.

Этап горячей деформации может быть оптимизирован по времени - так, согласно одному из вариантов реализации, горячую деформацию проводят одновременно с двух сторон заготовки 5.

Нагрев подвергаемых деформации частей цилиндрической заготовки (сварной трубы) может производиться любым известным способом . На деформируемые части цилиндрической заготовки (сварной трубы) перед процессом их горячей деформации при необходимости наносят смазку.

Примеры

По предлагаемому способу были изготовлены лейнеры (сосуды) следующего размера : диаметр 470 мм, длина 2650 мм.

Для оценки весовых характеристик лейнера определяли коэффициент тары - отношение массы лейнера к его гидравлическому объему в литрах. Также проводили гидравлические испытания лейнеров (сосудов) до разрушения с определением давления, при котором происходит разрушение, и рассчитывали показатели конструктивного совершенства (ПКС) лейнеров (сосудов) - отношение произведения давления разрушения и гидравлического объема лейнера к его массе. Чем меньше коэффициент тары, тем больше эффективность и экономичность лейнера. Чем выше давление, при котором происходит разрушение, тем выше ресурс и надежность работы сосуда (лейнера). Чем больше показатель конструктивного совершенства лейнера, тем больше потенциальная энергия каждого килограмма сосуда и выше его удельная прочность при растяжении.

Методика проведения гидравлических испытаний лейнера (сосуда) была следующей :

1. Гидравлические испытания проводили водой с температурой от + 5°С до + 40°С. 2. Давление в гидравлической магистрали испытательного стенда контролировали двумя манометрами (ГОСТ 2405-88) с классом точности не ниже 1,0.

3. Порядок проведения испытаний :

3.1. Помещали лейнер в камеру для проведения гидравлических испытаний.

3.2. Устанавливали на лейнер штуцер и заглушку.

3.3. Подключали штуцер к гидравлической магистрали испытательного стенда.

3.4. Лейнер наполняли водой с последующим удалением остатков воздуха из лейнера.

3.5. Создавали давление в гидравлической магистрали, необходимое для проведения испытаний . Скорость подъема давления в гидравлической магистрали не превышала 5 МПа/мин. При достижении расчетного давления разрушения (100 атм.) необходимо произвести остановку в нагружении длительностью 5-8 с, после чего провести дальнейшее нагружение лейнера до его разрушения.

3.6. Фиксировали величину давления разрушения, место и характер разрушения. Разрушение должно быть безосколочным, по цилиндрической части сосуда (лейнера). Для изготовления лейнеров по предлагаемому способу использовали листы из сплава 1561 системы Al-Mg-Mn (с содержанием основных легирующих элементов: Мд - 5.9%, Мп - 0.8 %).

Для сравнительного анализа были изготовлены три примера лейнера согласно предлагаемому изобретению.

В Примере 1 был использован лист толщиной 7 мм из сплава 1561, прошедший предварительную холодную деформацию растяжением со степенью 0,6%. Свертку в трубу проводили на трехроликовой листогибочной машине, затем проводили сварку трением с перемешиванием трубы по длине состыкованных кромок. Горячую деформацию сварной трубы с формированием лейнера проводили на специализированном оборудовании с нагревом деформируемых частей заготовки при температуре 520°С.

В Примере 2 был использован лист толщиной 6 мм из сплава 1561, предварительно прошедший холодную деформацию растяжением 4%. Изготовление трубы (свертку и сварку) проводили аналогичным примеру 1 способом. Горячую деформацию сварной трубы с формированием лейнера проводили на специализированном оборудовании с нагревом деформируемых частей заготовки при температуре 300°С. В Примере 3 был использован лист толщиной 5 мм из сплава 1561, прошедший предварительную холодную деформацию прокаткой со степенью 15%. Изготовление трубы (свертку и сварку) проводили аналогичным примеру 1 способом. Горячую деформацию сварной трубы с образованием лейнера проводили на специализированном оборудовании с нагревом деформируемых частей заготовки при температуре 230°С.

Кроме того, для сравнения были изготовлены :

- лейнер из цельной прессованной трубы, полученной согласно способу по RU 2382919 из сплава 1561. Диаметр трубы 470 мм, толщина стенки 10 мм;

- лейнер согласно US 20140027023. Для этих целей использовали лист толщиной 8 мм из сплава 1561. Проводили свертку и сварку трением с перемешиванием для получения сварной трубы. Формирование лейнера проводили холодной деформацией за два этапа с промежуточным отжигом при температуре 410°С и выдержкой 30 минут. Окончательную термическую обработку проводили при температуре 440°С, которая выше температуры рекристаллизации.

Результаты замеров и испытаний приведены в Таблице 1. Как видно из данных Таблицы 1, предлагаемый способ обеспечивает получение лейнеров (сосудов), имеющих на 12-35% более низкий коэффициент тары, в 1,5-2 раза более высокие показатели конструктивного совершенства (ПКС) лейнера (сосуда) и на 24-27% более высокие показатели давления, при которых происходит разрушение лейнера (сосуда).

Это позволяет в среднем на 20-25% снизить вес лейнера, а также повысить ресурс и надежность работы изделий по предлагаемому способу изготовления.

Таблица 1. Сравнительные характеристики известных из уровня техники изделий и изделию согласно предлагаемому изобретению

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Все приведенные в настоящем описании численные значения и примеры относятся к частным вариантам реализации предлагаемого изобретения . Специалисту понятно, что при вариации различных параметров и условий возможны различные численные значения. Однако в целом показатели прочности, металлоемкости, трудоемкости, предельного давления и другие, не приведенные здесь, характеризующие способ и изделие согласно формуле настоящего изобретения и обусловленные их особенностями, показывают явное преимущество, обеспечиваемое изобретением по сравнению с известными из уровня техники способами и изделиями.