Applications of Aluminium

Велосипедная рама из алюминия 6061

admin 13682 Views

 Алюминиевые сплавы для велосипедных рам

Для изготовления рам велосипедов применяются несколько алюминиевых сплавов. Наиболее часто это сплавы: :

а также сплавы:

  • 6066, 6069 и 6013
  • 2014 и 7075.

Встречается в Сети и такая реклама: «трубы велосипедные из алюминиевого сплава 6063-Т5».

Алюминиевый сплав 6061

Алюминиевый сплав 6061 – это стандартный конструкционный сплав, один самых популярных из сплавов серии 6ххх, после сплавов 6060 и 6063, конечно. Его ценят за довольно высокие прочностные свойства, высокие вязкие характеристики и хорошую свариваемость.

Table 1 – The chemical composition of 6061 aluminium alloy (EN 573-3)

Table 2 – The mechanical property limits of 6061 aluminium alloy (EN 755-2)

Как делают велосипедные рамы

Рассмотрим подробнее технологию изготовления велосипедных рам из алюминиевого сплава 6061. Она включает пять основных технологических переделов:

  • прессование и порезка в размер труб-заготовок;
  • формование;
  • подрезка труб «на ус»;
  • аргонно-дуговая сварка труб в раму;
  • термическая обработка рамы на состояние Т6.

Tube extrusion: seamless and porthole

Трубы для велосипедных рам изготавливают методом экструзии. Экструдированные трубы могут быть бесшовными и портхол. Поскольку никто из производителей не указывает тип своих труб, то они, конечно, именно «портхол».

Бесшовные трубы изготавливают на специальныз экструзионных прессах. Эти трубы действительно «бесшовные», так как не имеют никаких скрытых продольных эксрузионных швов (Fig. 1).

Трубы портхол изготавливают из сплошной заготовки на специальных матрицах  типа porthole. В этой матрице поток металла разделяется на внутренней оправке на четыре потока, которые затем перед выходом из матрицы соединяются с образованием четырех продольных экструзионных сварных швов (Fig. 2).


Fig. 1 – Principle of seamless tube extrusion [3]


Fig. 2 – Schematic of welding chamber (porthole) die hollow extrusion.
(a) Cross section showing metal flow into port streams and around the mandrel. |
(b) Billet entrance face of the die set [3]

Формовка алюминиевых труб

После операции формовки исходно круглые трубы получают более сложную и более «прочную» геометрическую форму: овальность сечения, переменная толщина стенок труб и тому подобное.

Гидроформинг

Овальную форму обычно получают технологией гидроформинга: помещением трубы в специальную матрицу и закачкой внутрь ее под высоким давлением воды или масла (Fig. 3).

 


Fig. 3 – Schematic representations of tube hydroforming processes [4]

Butting

  • Обычно трубы имеют одинаковую толщину, что обеспечивает одинаковые прочностные характеристики по ее длине.
  • Tрубы с одинарным, двойным и тройным баттингом имеют различную толщину, что позволяет раме выдерживать высокиеапряжения на концах труб.
  • Трубы с одинарным баттингом будут толще на одном конце, где прочность требуется только в определенном месте.
  • Трубы с двойным баттингом толще на обоих концах.
  • Трубы с тройным баттингом служат той же цели, что и трубы с двойным баттингом, но дополнительно уменьшают вес cередины трубы (Fig. 4).


Fig. 4 – Tube butting [5]

 Tube mittering

Чтобы легко и надежно сварить трубы в раму их необходимо «хитро» и точно подрезать. После такой подрезки две трубы стыкуются друг с другом совершенно без зазоров. Это делается на специальных машинах, которые обеспечивают чистый и точный рез.


Fig. 5 – Byke tube mittering [2]

Сварка алюминиевых труб

Технология сварки

Для соединения подрезанных труб в единую конструкцию чаще всего применяют сварку, для труб из алюминиевого сплава 6061 – аргонно-дуговую. При аргонно-дуговой сварке необходимое тепло получают между неплавящимся вольфрамовым электродом и свариваемым изделием. Для предотвращения окисления зоны сварки применяется инертный газ, аргон. Аргонно-дуговая сварка хорошо подходит для сваривания тонкостенных труб и, кроме того, она дает аккуратные сварные швы. Для сварки сплава 6061 чаще всего применяют сварочную проволоку из сплава 4043 (в международном обозначении) с содержанием кремния около 5 %.

Зона термического влияния сварки

Главным последствием сварки является изменение физических свойств основного металла и шва из-за разогрева в зоне сварки. В этой небольшой зоне вблизи сварного шва, которая  называется зоной термического влияния, происходит наибольшее ухудшение механических свойств, в частности, усталостной прочности.

Сильный нагрев приводит изменению структуры алюминиевого сплава – росту выделений вторичных фаз. Это укрупнение выделений снижает прочностные характеристики материала, такие как предел прочности при растяжении, на 30-35 %.  Например, если предел прочности при растяжении сплава 6061 до сварки составлял около 310 МПа, то после сварки он снижается до 185 МПа. Смотреть также здесь.


Fig. 6 – The zones of a TIG weld showing parent material, HAZ, and filler material [2]

Термическая обработка

После того, как рама сварена, ее подвергают термической обработке для восстановления механических свойств термически упрочненного сплава 6061, которые были потеряны при сварке. Обычно это термическая обработка на состояние Т6. Она состоит из трех этапов:

  • нагрев под закалку: нагрев до 530 °С с выдержкой около 1 часа для получения твердого раствора в алюминии всех легирующих элементов, в случае алюминиевого сплава 6061 – магния и кремния;
  • закалка: быстрое охлаждение до комнатной температуры для задержки легирующих элементов в твердом растворе;
  • искусственное старение: нагрев до 175 °С с выдержкой в течение 8 часов для выделения мелких дисперсных выделений упрочняющей фазы.

После такой термической обработки сплав получает состояние Т6 и полное обозначение алюминиевого сплава 6061 принимает вид: 6061-Т6.

Источники:

  1. What aluminium alloys are best for bicycle frames? – shapesbyhydro.com/
  2. Material and Design Optimization for an Aluminum Bike Frame /F. Dwyer, A. Shaw, R. Tombarelli – WORCESTER POLYTECHNIC INSTITUTE – 2012
  3. Aluminum Extrusion Technology / P. Saha
  4. A state of the art review of hydroforming technology / C. Bell & J. Corney1 & N. Zuelli & D. Savings – Int. J.  of Material Forming (2020) 13:789–828
  5. https://www.bikeexchange.com.au/blog/bike-frame-materials-explained