CC BY
18
УДК 53.072:621.791.4
ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА ТИТАНОВЫХ ТОНКОСТЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ТАВРОВЫМ СОЕДИНЕНИЕМ
В.В. Пешков, А.Б. Булков, И.Б. Корчагин, С.М. Ларсов
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: эффективным способом снижения массы изделий авиационной техники является применение тонкостенных слоистых конструкций с сотовым заполнителем. Целью данной работы является установление влияния соотношения толщин в тавровом соединении элементов заполнителя и обшивок на развитие процесса диффузионной сварки. Экспериментальные исследования проводили на трубчатых образцах с толщиной стенки 0,5 мм из сплава ОТ4 с крупнозернистой структурой, имитирующих одну ячейку сотового заполнителя, к торцу которых приваривали диффузионной сваркой пластины толщиной от 0,5 до 2 мм из листового сплава ОТ4-1, имевшего в исходном состоянии глобулярную микроструктуру. После сварки проводили механические испытания диффузионного соединения на прочность и снимали с поверхности обшивки профилограммы, по которым определяли глубину вдавливания трубчатого образца. Установлено, что образование диффузионного соединения и его прочность обусловлены развитием процесса деформации свариваемых заготовок в зоне контакта. При толщине обшивок менее 1,5 мм процесс ее деформации затруднен вследствие контактного упрочнения, возникающего из-за трения о стальной технологический лист. Величина упрочнения зависит от соотношения толщин и численно характеризуется коэффициентом упрочнения
Ключевые слова: диффузионная сварка, тавровое соединение, деформация, контактное упрочнение Введение
Снижение массы изделий авиационной техники может быть достигнуто применением тонкостенных слоистых конструкций (ТСК), представляющих собой сочетание несущих слоев с заполнителем, например сотовым, и образующих между собой тавровое соединение [1].
Перспективным процессом получения таких ТСК является диффузионная сварка с низкоинтенсивным силовым воздействием, осуществляемая в условиях высокотемпературной ползучести свариваемых заготовок [2].
Кинетика процесса взаимодействия контактных поверхностей зависит от деформации, развивающейся в зоне сварки, которая определяется не только технологическими параметрами процесса сварки (температурой, давлением, временем, степенью вакуумирования), но и соотношением толщин свариваемых заготовок [2].
Целью данной работы является установление влияния толщины свариваемых титановых заготовок, образующих тавровое соединение, на развитие процесса диффузионной сварки.
Результаты исследований
Экспериментальные исследования проводили на трубчатых образцах, имитирующих одну ячейку сотового заполнителя (рис. 1, поз.
© Пешков В.В., Булков А.Б., Корчагин И.Б., Ларсов С.М., 2018
1), к торцу которых приваривали диффузионной сваркой пластины, имитирующие несущий слой ТСК (рис. 1, поз. 2). Трубчатые образцы изготавливали из прутков сплава ОТ4, имевшего в исходном состоянии крупнозернистую пластинчатую микроструктуру, а пластины толщиной до от 0,5 до 2 мм изготавливали из листового сплава ОТ4-1, имевшего в исходном состоянии глобулярную микроструктуру.
теля: 1 - трубчатая заготовка образца, 2 - пластина, 3 - экран из титановой фольги, 4 - технологические стальные шайбы
Диффузионную сварку проводили в вакууме 2,6 Па с дополнительной изоляцией зоны сварки титановой фольгой, выполняющей роль геттера (рис. 1, поз. 3). Сварку осуществляли при 900 °С и давлении 2,8 МПа. Сжимающее давление к свариваемым заготовкам прикладывалось через технологические элементы, толщиной 3,0 мм из стали 20 (рис. 1, поз. 4). Перед
сваркой контактные поверхности образцов шлифовали, полировали и обезжиривали, что обеспечивало развитие физического контакта при минимальной деформации свариваемых заготовок.
После сварки проводили механические испытания диффузионного соединения на прочность путем «выдавливания» пуансоном приваренной пластины (рис. 1, поз. 2) на разрывной машине. Прочность соединения определяли по формуле:
ов=РЯ,
где Р - усилие разрушения образца; F - площадь поперечного сечения цилиндрической части трубчатого образца.
С поверхности пластин (рис. 1, поз. 2) после механических испытаний снимали профи-лограммы на профилографе-профилометре, по которым определяли величину деформации в зоне контакта £ (глубину вдавливания трубчатого образца в пластину), обусловленную термодеформационным циклом сварки (рис. 2).
да*
Рис. 2. Типичный вид профилограмм поверхности пластин (рис. 1, поз. 2) в зоне сварки с трубчатым образцом после испытаний на отрыв при толщине пластин д0, мм: а - 0,5; б - 2,0
Из результатов механических испытаний, приведенных на рис. 3, а, следует, что зависимость ав=ф(т) носит ярко выраженный затухающий характер и прочность диффузионного соединения, полученного при одинаковых технологических параметрах режима сварки (^ 900 °С; р=2,8 МПа; т=5...60 мин., разрежение воздуха в сварочной камере 2,6 Па), зависит от толщины свариваемых заготовок. При толщине стенки трубчатого образца дз =0,5 мм уменьшение толщины привариваемой пластины д0 от 1,5
до 0,8 мм (примерно в 2 раза) сопровождается снижением максимально достигаемой прочности соединения от 600 МПа до 150 МПа (в 4 раза), а при использовании пластин д0=0,5 мм прочность соединения была практически равна нулю. Увеличение толщины привариваемой пластины от 1,5 мм до 2 мм не оказывало заметного влияния на прочность соединения.
£ДМПа
480 360 240 120
_2_(.
г
0
£•10" , ММ
20 40 г, мин
а
у
2 -п
/ И —с 3
А и Г-- )
г 4
1 о
0
20
40
г, мин
Рис. 3. Влияние времени сварки на прочность диффузионного соединения ав (а) и деформацию Д£ (б) при толщине пластин д0, мм: 1 - 1,5; 2 - 1,0; 3 - 0,8; 4 - 0,5
О влиянии толщины привариваемой пластины на развитии ее деформации в зоне сварки можно судить по зависимостям £=ф(т), приведенным на рис. 3, б. Из этих данных видно, что с уменьшением толщины привариваемых пластин д0 величина £ уменьшается, при этом зависимости £=ф(т) носят явно затухающий характер и наибольшее развитие деформации наблюдается при т<10 мин.
Сопоставление кинетических зависимостей ав=ф(т) с £=ф(т) (рис. 3) дают основание считать, что образование диффузионного соединения и его прочность обусловлены разви-
а
тием процесса деформации свариваемых заготовок в зоне контакта, т.е. ов=(р{£) (рис. 4). <7вМ Па
480 360 240 120
/
о/ о /
/
0 2 4 6 8 8-10 , мм
Рис. 4. Зависимость прочности диффузионного соединения ав от величины деформации в зоне контакта £
Наблюдаемая зависимость величины деформации в зоне контакта £ от толщины до используемых в экспериментах титановых пластин объясняется тем, что сжимающее давление к свариваемым заготовкам прикладывается через стальные технологические шайбы (рис. 1, поз. 4), обладающие большим сопротивлением высокотемпературной деформации по сравнению с титаном. В результате трения, возникающего в контакте между титаном и сталью, при деформации в процессе сварки может развиваться контактное упрочнение титана, выражающееся в повышении его сопротивления высокотемпературной деформации. Проявление контактного упрочнения зависит от соотношения толщин свариваемых заготовок таврового соединения у=до/дз [2].
Наблюдаемое в экспериментах повышенное сопротивление высокотемпературной деформации титановых пластин (рис. 1, поз. 2) по мере уменьшения их толщины (при ёо<1,5 мм) можно количественно охарактеризовать коэффициентом упрочнения ку, представляющим собой отношение средней скорости деформации металла в "свободном" состоянии - £ (когда трение, возникающее в контакте титана со стальной оснасткой, не оказывает влияния на его деформационную способность) и "упрочненном" состоянии -
ку=£/£у.
Скорости деформации сплава ОТ4-1 *=ф(у), полученные с использованием зависимостей Д£ =ф(т) на начальных участках (т=10 мин.) (см. рис. 3, б), приведены на рис. 5. Видно, что при изменении у от 3 до 1 (уменьшении Зо в три раза от 1,5 до 0,5 мм) средняя скорость
высокотемпературной деформации уменьшается в 6 раз.
Зависимость ку=ф(у), приведенная на рис. 6, может быть аппроксимирована выражением: ку=1+6,5/(0,02+у)3,5.
Рис. 5. Зависимость £=(р(у) при температуре 900 °С и давлении 2,8 МПа
0 1 2 3 4 у Рис. 6. Зависимость ку=ф(у) при температуре 900 °С и давлении 2,8 МПа
При расчетах значений ку скорость деформации в "свободном" состоянии принимали равной 1,2^ 10-4 мм/с, что соответствовало скорости деформации пластин Зо=2,0 мм (у=4).
Выводы
1. Фактором, определяющим развитие процесса диффузионной сварки и качество диффузионно-сварных титановых ТСК с тавровым соединением, является соотношение толщин свариваемых заготовок у=до/дз. При у<3,0 в результате развития контактного упрочнения несущих слоев конструкции уменьшается деформация в зоне сварки и снижается прочность диффузионного соединения.
2. В условиях проведенных экспериментов значение коэффициента контактного упрочнения ку в зависимости от соотношения толщин свариваемых заготовок у может быть оценено по выражению
ку=1+6,5/(0,02+у)3,5.
Литература 2. Пешков В.В., Булков А.Б. Диффузионная сварка
титановых тонкостенных слоистых конструкций. М.: Изд-1. Технология производства титановых самолетных во «РИТМ», 2016. 242 с. конструкций / А.Г. Братухин, Б.А. Колачев, В.В. Садков и др. М.: Машиностроение, 1995. 448 с.
Поступила 23.05.2018; принята к публикации 19.07.2018 Информация об авторах
Пешков Владимир Владимирович - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
Булков Алексей Борисович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
Корчагин Илья Борисович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
Ларсов Сергей Михайлович - магистрант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, ул. Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
DIFFUSION WELDING OF TITANIUM THIN-WALLED STRUCTURES WITH T-JOINTS V.V. Peshkov, A.B. Bulkov, I.B. Korchagin, S.M. Larsov
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the use of thin-walled layered structures with a honeycomb core is an effective way to reduce the weight of aircraft products. The purpose of this work is to determine the influence of the ratio of the thicknesses in the T-joint of the filler elements and the shells on the development of the diffusion welding process. Experimental studies were carried out on tubular samples with the wall thickness of 0.5 mm from an OT4 alloy with a coarse-grained structure simulating one cell of a honeycomb core, to the end of which plates with the thickness of 0.5 to 2 mm of sheet alloy OT4-1 were welded by diffusion welding, having globular microstructure in the initial state. After welding, the diffusion bond was mechanically tested for strength, and the profilograms were taken from the surface to determine the depth of indentation of the tubular sample. It was established that the formation of the diffusion bond and its strength are specified by the development of the process of deformation of welded blanks in the contact zone. When the thickness of the shells is less than 1.5 mm, the process of its deformation is difficult because of the contact hardening that occurs as a result of friction against the steel sheet. The value of hardening depends on the thickness ratio and is numerically characterized by the hardening coefficient
Key words: diffusion welding, T-joint, deformation, contact hardening
References
1. Bratukhin A.G., Kolachev B.A., Sadkov V.V. "Technology of production of titanium aircraft structures" ("Tekhnologiya proizvodstva titanovykh samoletnykh konstruktsiy"), Мoscow, Mashinostroenie, 1995, 448 p.
2. Peshkov V.V., Bulkov A.B. "Diffusion welding of titanium thin-walled layered structures" ("Diffuzionnaya svarka titanovykh tonkostennykh sloistykh konstruktsiy"), RITM, Moscow, 2016, 242 p.
Submitted 23.05.2018; revised 19.07.2018 Information about the authors
Vladimir V. Peshkov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: [email protected]
Aleksey B. Bulkov, Cand. Sc. (Technical), Assistant Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: [email protected]
Il'ya B. Korchagin, Cand. Sc. (Technical), Assistant Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: [email protected]
Sergey M. Larsov, MA, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: [email protected]
