CC BY
74
УДК 53.072:621.791.4
РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ КОНЦЕНТРИРОВАННЫМ ИСТОЧНИКОМ ТЕПЛОТЫ А.Б. Булков, В.В. Пешков, Р.Ю. Киреев
Предложен технологический процесс изготовления диффузионной сваркой титановых слоистых конструкций из серийно выпускаемых тонколистовых сплавов, с использованием сотового заполнителя, имеющего комбинированную микроструктуру (мелкозернистую глобулярную в зоне свариваемых поверхностей и крупнозернистую пластинчатую в остальном объеме), что обеспечивает высокое качество соединения и снижение себестоимости изделия. Для получения полосовых заготовок заполнителя с комбинированной микроструктурой предложено производить термообработку распределенным по некоторой площади источником тепла с использованием колебаний электронного луча
Ключевые слова: диффузионная сварка, титановые сплавы, электронный луч, температурное поле
Титановые тонкостенные слоистые конструкции, представляющие собой сочетание несущих обшивок с заполнителем, получают диффузионной сваркой [1]. При диффузионной сварке металлов в основе образования соединения лежит высокотемпературная ползучесть [2]. Титановые сплавы в состоянии поставки характеризуются многообразием микроструктур и существенной зависимостью сопротивления деформации от их микроструктурного состояния в интервале температур выше 800 оС и ниже окончания а+р^-р - превращения. У сплавов с глобулярной (мелкозернистой равноосной) структурой сопротивление высокотемпературной деформации значительно меньше по сравнению со сплавами с крупнозернистой пластинчатой структурой. Поэтому за счет регулирования исходной микроструктуры свариваемых заготовок можно управлять качеством получаемого диффузионного соединения титановых сплавов [3].
В работе [4] показано, что при диффузионной сварке несущих обшивок с сотовым заполнителем наиболее высокая прочность соединения при испытаниях на разрыв достигается, когда в исходном состоянии обшивки имеют равноосную мелкозернистую структуру, а заполнитель - крупнозернистую пластинчатую. Использование заполнителя с пластинчатой микроструктурой позволяло без потери его устойчивости в процессе сварки увеличить сжимающее усилие в 5 - 8 раз, увеличивая тем самым деформацию металла в зоне сварки. Образование сварного соединения происходит за счет вдавливания заполнителя в несущие обшивки, имеющие равноосную мелкозернистую структуру. Глубину вдавливания е заполнителя в обшивку можно измерить по профилограммам, снятым с поверхности обшивок с помощью профилографа - профилометра (после разрушения соединения в процессе механических испытаний) (рис. 1).
Булков Алексей Борисович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: otsp@,vorstu.ru
Пешков Владимир Владимирович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: otsp@vorstu.ru
Киреев Роман Юрьевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8(4732)783884
Величина вдавливания может достигать 10 - 15 % толщины обшивки и зависит от технологических параметров режима сварки (температуры, давления, времени) и соотношения толщин листов
несущих обшивок и заполнителя
250мкм
3]
-
/
\
25мкм
250мкм _
б
Рис. 1. Типичные профилограммы поверхности обшивки толщиной 1 (а) и 0,3 (б) мм в зоне соединения с заполнителем после диффузионной сварки и отрыва заполнителя (режим сварки: Г=800 оС, р=4,0 МПа, /=60 мин)
Деформация металла в зоне соединения (за счет вдавливания заполнителя в обшивку), способствует развитию процесса сварки и повышению прочности диффузионного соединения при испытаниях на статическое одноосное растяжение. Однако, утончение обшивок в местах их контакта с заполнителем приводит к появлению концентраторов напряжений и сопровождается снижением в десятки раз циклической усталости материала обшивок.
Для исключения (или по крайней мере уменьшения) вдавливания заполнителя в несущие обшивки при их диффузионной сварке необходимо, чтобы
а
сопротивление высокотемпературной деформации части заполнителя, участвующей в деформации и формировании диффузионного соединения, было меньшим или близким к сопротивлению материала обшивки. Этого можно достичь, если, например, использовать заполнитель в виде композиции микроструктур: крупнозернистой пластинчатой в объеме заполнителя и глобулярной (или равноосной мелкозернистой) в зоне, участвующей в формировании соединения.
При изготовлении заполнителя титановых тонкостенных слоистых конструкций из серийно выпускаемых листовых сплавов толщиной 0,3 - 0,5 мм зона с глобулярной (или равноосной) структурой должна составлять не менее 1,0 - 1,5 мм при высоте заполнителя 20 - 50 мм. Крупнозернистая пластинчатая структура обеспечит возможность увеличения сварочного давления без потери устойчивости заполнителя, а глобулярная (равноосная) структура в зоне соединения - интенсификацию процесса формирования соединения за счет деформации материала заполнителя без его вдавливания (или уменьшения вдавливания) в обшивки.
Такой заполнитель может быть получен предварительным нагревом полосовых заготовок, причем в приконтактной зоне некоторой ширины I температура Т должна быть ниже температуры конца полиморфного а-^в - превращения, а в остальном объеме заполнителя Т > Т^ (для сплава ОТ4-1 Т<^в=950 °С). Источник нагрева в этом случае должен быть концентрированным, позволяющим получить температурное поле с высоким градиентом температур. Этому требованию отвечают, например, лучевые источники теплоты.
Для термообработки полос из титановых сплавов перспективно использование электронного луча, который позволяет получить пятна нагрева различной формы за счет изменения фокусировки и колебаний луча по различным траекториям в широком диапазоне амплитуд. Также электронно-лучевая обработка обеспечивает высокий вакуум в камерах электронно-лучевых установок, возможность вести процесс термической обработки с высокой производительностью, используя простейшие устройства для протяжки заготовки сотового заполнителя в виде ленты, высокий кпд нагрева.
При термообработке полос небольшой ширины (до 10 мм) возможно получить требуемую ширину зоны нагрева только за счет расфокусировки электронного луча. При ширине полосы 30...50 мм становятся необходимыми поперечные колебания луча. Отсутствие тепловых волн в результате колебаний источника теплоты обеспечивается по данным работы [5] уже при частотах 15-20 Гц, однако распределение плотности мощности в пятне нагрева остается неравномерным и подчиняется закону Гаусса (рис. 2, а).
Расчет процесса термообработки полосовых заготовок нормально распределенным источником теплоты по схеме рис. 2, а. подтвердил эффективность предложенного способа термообработки. Однако, следует отметить, что распределение энергии
по нормальному закону создает относительно невысокий градиент температур в периферийной зоне пятна нагрева. Т. к. полиморфное превращение в титановых сплавах происходит в интервале температур (для ОТ4 - 900.950 оС), то для гарантированного сохранения у торцевой поверхности ленты зоны с глобулярной структурой необходимо ограничивать амплитуду колебаний луча до 25-30 % ширины заготовки.
а б
Рис. 2. Распределение энергии при поперечных (пилообразных) колебаниях электронного луча (а), в случае колебаний луча в пределах эллипсного пятна (б)
Равномерное распределение плотности мощности в некоторой области (например, в форме эллипса на рис. 2.1, б) может быть достигнуто, если ее нагрев производится импульсами, за время которых луч совершает множественные продольные или поперечные колебания. Частота таких импульсов должна составлять десятки или сотни герц. Возможность осуществления такого нагрева требует изменений в электрической схеме стандартного генератора.
При расчете температурных полей от источника, изображенного на рис. 2, а, использовалась теория сосредоточенных источников, разработанная акад. Рыкалиным Н.Н. [6]. Ее недостатками, применительно к данной задаче, являются достаточно приближенное описание геометрии источника теплоты, невозможность учета зависимости теплофизических свойств материала и коэффициента теплоотдачи от температуры, невысокая точность расчетов для области приближенной к источнику нагрева.
Более точные результаты моделирования возможно получить используя численные методы. Для решения задачи был выбран метод конечных элементов, реализованный в виде программного комплекса ANSYS.
В связи с малой толщиной ленты было принято допущение о равномерном распределении температуры по толщине. Это позволило использовать для моделирования нагреваемого тела оболочечный элемент SHELL57, для которого предполагается равномерное распределение значения исследуемой величины по оси z. Теплоотвод излучением с поверхности тела моделируется с помощью элементов поверхностного эффекта SURF 152.
Учитывая симметрию исследуемого тела и источника теплоты относительно плоскости x0z, рассматриваем процесс нагрева его половины, считая границу по плоскости симметрии адиабатической. Также считаем адиабатическими границы по периметру модели, т.к. толщина ленты намного меньше
ширины и тепловые потоки с торцевых поверхностей пренебрежимо малы по сравнению с потоками внутри нее.
Источник теплоты принимался эллипсоидальной формы шириной 16 мм и длиной 4 мм. Ввод теплоты в тело осуществляем, используя граничное тепловое условие - плотность теплового потока (количество теплоты, проходящее через единицу поверхности в единицу времени). Применяем нестационарный вид теплового анализа, т.к. граничные условия изменяются во времени (поверхность, через которую вводится тепловой поток, изменяет свое положение относительно начала координат).
Теплофизические свойства материала и полусферическая интегральная излучательная способность гладкой неокисленной поверхности титана, использованные в расчетах, соответствовали титановому сплаву марки ОТ4 [7, 8, 9]. Теплофизические свойства материала и излучательная способности поверхности ленты принимались зависящими от температуры.
Исследования проводились на электроннолучевой установке А.306.05 с генератором колебаний Г6-15. Скорость перемещения ленты составляла
0,01 м/с, ускоряющее напряжение - 10 кВ, ток луча изменяли в пределах 15 - 20 мА. Использовались полосы из титанового сплава ОТ4 толщиной 0,3 мм и шириной 30 мм. Полоса длиной 250 мм с приваренными к ней термопарами на последней четверти ее длины укладывалась на плоском столе, привод которого обеспечивал перемещение с различными скоростями. Спаи термопар приваривался к полосе в точках с координатами х0=200,0 мм, ^0 = 10; 12; 14 мм.
ЭДС термопары фиксировалась в момент нахождения центра пятна нагрева на линии с координатой х0 = 240,0 мм, по показаниям потенциометра ПП-63, имеющего класс точности 0,05. В результате экспериментов выявлено, что максимальная температура в точках с координатами ^0 = 10; 12; 14 мм была соответственно 1310, 1020, 985 К.
Результаты расчета показаны в виде температурного поля на рис. 3 и в виде термических циклов для ряда точек на рис. 4.
Рис. 3. Распределение температур в полосе в зоне источника нагрева
Т9К
Рис. 4. Термические циклы для точек, расположенных на расстоянии от оси источника теплоты у0 , мм: 1 - 14; 2 - 13; 3 - 12; 4 - 10; 5 - 8; 6 - 0
Полученные результаты свидетельствуют о том, что предложенная модель для определения температурного поля полосовых титановых заготовок корректна и может быть использована при разработке технологических процессов.
Влияние предварительной электронно-лучевой обработки заполнителя на предел прочности соединения аотр, полученного диффузионной сваркой, исследовали по методике работы [10]. К трубчатым образцам-имитаторам диаметром 16 мм с толщиной стенки 0,5 мм из сплава ОТ4-1 приваривали обшивки толщиной 1,5 мм. В процессе предварительной термической обработки электронным лучом вращающегося трубчатого образца величина зоны с равноосной мелкозернистой структурой достигала 1,5 -2,0 мм (рис. 5).
Рис. 5. Общий вид диффузионно-сварного соединения заполнителя с комбинированной микроструктурой с обшивкой (х100)
Испытания на изгиб и циклическую выносливость при повторно - статическом нагружении проводили на образцах, вырезанных из сотовой конструкции.
Результаты механических испытаний образцов на отрыв, изгиб и выносливость, сваренных по режиму 7=900 °С, Руд = 2 МПа, т = 90 мин, приведены в таблице.
Таким образом, применение предложенных сочетаний микроструктур элементов сотовой конструкции позволяет получить прочность сварного соединения на уровне прочности основного материала.
ВЫВОДЫ
1. Глубина вдавливания заполнителя сотовых диффузионно-сварных конструкций в обшивку зависит от микроструктуры свариваемых заготовок и может достигать 15 % толщины обшивки.
2. Оптимальное сочетание микроструктур заполнителя (мелкозернистой - в контактной зоне, крупнозернистой - в остальном объеме) может быть
получено электронно-лучевым отжигом заполнителя.
Литература
1. Киреев Л.С. Диффузионная сварка титановых конструкций (обзор) / Л. С. Киреев, В. Шурупов, В. В. Пешков, А. А. Батищев // Автоматическая сварка. - 2003. -№ 6. - С. 42-47.
2. Каракозов Э.С. Диффузионная сварка титана / Э. С. Каракозов, Л. М. Орлова, В. В. Пешков, В. И. Григорьевский. - М: Металлургия, 1977. - 272 с.
3. Бондарь А.В. Диффузионная сварка титана и его сплавов / А В. Бондарь, В. В. Пешков, Л. С. Киреев, В. В. Шурупов. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1998. - 256 с.
4. Пешков В. В. Влияние исходной микроструктуры на формирование соединения при диффузионной сварке сотовых конструкций из титанового сплава ОТ4-1 / В.В. Пешков, А.О. Кудашов // Автоматическая сварка. - 1982. -№6. - С.27 - 31.
5. Башкатов А.В. Анализ особенностей тепловых процессов при сварке колеблющимся электронным пучком / А. В. Башкатов, С. Постников, Ф. Н. Рыжков, А. А. Углов // Физика и химия обработки материалов. - 1972. -№ 3. - С. 3 - 8.
6. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке / Н.Н. Рыкалин. - М.: Машгиз, 1951. - 356 с.
7. Мороз Л. С. Титан и его сплавы / Л. С. Мороз, Б.Б. Чечулин, И.В. Полин и др. - Л.: Судпромгиз, 1960. -516 с.
8. Глазунов С. Г. Конструкционные титановые сплавы / С.Г. Глазунов, В.Н. Моисеев. - М.: Металлургия, 1974. - 368 с.
9. Блох А.Г. Теплообмен излучением / А.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, Л.Н. Рыжков - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 432 с.
10. Григорьевский В.И. Диффузионная сварка конструкций титановых сплавов через мелкозернистую прокладку / В. И. Григорьевский, Э. С. Каракозов, В. Н. Родионов и др. / /Автоматическая сварка. - 1981. - № 11. - С. 21 - 24.
Структура материала заполнителя стотр СТизг ст-1(на базе 10б циклов) Характер раз- рушения
МПа
Крупнозернистая 620 700 80 По об-
пластинчатая шивке
Крупнозернистая 620 720 150
пластинчатая в По запол-
основном объе- нителю и
ме, мелкозерни- обшивке
стая в контакт-
ной зоне
Воронежский государственный технический университет
CALCULATION OF THE TEMPERATURE FIELD IN HEAT PROCESSING WITH CONCENTRATED HEAT SOURCE A.B. Bulkov, V.V. Peshkov, R.Yu. Kireev
Proposed manufacturing process diffusion bonding titanium layered structures of commercially available thin sheet alloys , using a honeycomb core having a combined microstructure ( fine-grained globular zone of welded surfaces and coarse leaf in the remaining volume ) , which provides high quality connections and reduce the cost of the product. For strip blanks with a combined aggregate microstructure asked to produce heat treatment distributed over a certain area heat source using electron beam oscillations
Key words: diffusion welding, titanium alloys, electron beam, temperature field
