CC BY
123
ТЕХНОЛОГИИИ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИМЕТАЛЛОВДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.983; 539.374
С.П. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
С.С. Яковлев, д-р техн. наук, пр°ф., зв. кафедрой (4872) 35-14-82, [email protected] (Росси, Тула, ТулГУ),
В.Н. Чудин, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, [email protected] (Росси, Москва, РГТУ путей сообщения),
Я.А. Соболев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, [email protected] (Росси, Москва, МГТУ «МАМИ»)
ФОРМООБРАЗОВАНИЕ И ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ
Приводятся процессы формообразования элементов корпусов летательных аппаратов из высокопрочных материалов, сочетающие формообразование я диффузионную сварку давлением. Даны технологические режимы операций.
Ключевые слова: деформация, напряжение, диффузионная сварка, изделие, технологические режимы.
Корпусные оболочки летательных аппаратов (блоки, отсеки, крылья, обтекатели) являются тяжело нагруженными конструкцими и определяют во многом эксплуатационные характеристии изделий. Последние должны быть обеспечены точностью геометриески форм; необходимыми уровнми прочности, герметичности и коррозионной стойкости, на что значиельно влиют зоны соединени элеменов и узлов изделий [1 - 4].
Тиановые и высокопрочные алюминиевые сплавы типа ВТ 14, ВТ20, ВТ23, АМг6, 1911, 1201 и др., из которых эти конструкции изготавливают, трудоемки в обработке. Традиционые методы изготовленя узов космических летательн1х aппaлатoв из этих материалов, связанна со штамповкой, резанием, сваркой, пайкой, не всегда обеспечивают требования к изделим и ограниивают технческие возможности изделий. Поэтому перспективны новые технологические конструкции и соответст-
вующие методы обработки. Корпусные оболочки рациональны в виде пустотелых (ячеистых) конструкций, скомпонованных из ряда входящих элементов, формообразование и соединение которых выполняют при совместной обработке. Конструкции такого типа значительно сокращают полетную массу. Технология совместной обработки сочетает формообразование и диффузионную сварку давлением, что обеспечивает необходимый уровень качества изготавливаемых аппаратов [1 - 4]. Это устраняет недостатки сварки плавлением и ее негативное влияние на качество изделий (остаточные напряжения, рост зерен, снижение прочности в зоне соединения и др.).
Для образования соединения необходимо обеспечить температурные условия, безокислительную среду, требуемые давления, деформацию и время. Температура рекристаллизации и диффузии зерен составляет 0,5...0,7 температуры плавления соединяемых материалов: для титановых
сплавов ВТ5, ВТ14, ВТ20 - 900.1000 °С, для алюминиевых АМг6, 1971,
1911 - 520.530 ° С. Давление вызывает развитие деформации в контактной зоне соединения и вследствие перемещения материала заполняются пустоты, наблюдаются разрывы оксидной пенки на поверхностях контакта.
Удельное давление и сплошность. В процессе осадки деформируемый материал проявляет вязкость, и напряжения завися как от накапливаемой деформации, так и от скорости ее роста. Вязкость существенно влияет на силовой режим обработки, развитие локальной несплошности материала и, следовательно, на качество изделий. Решение задачи оценки этих факторов в рамках кинематики течения позволяет назначать режимы операций. Расчетная схема соединения давлением показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема осадки, разрывное поле скоростей (а) и годограф скоростей (б): 1,4 - продольные заготовки;
2 - поперечная заготовка; 3 - линии соединений; 5 - нажимные плиты
При решении поставленной задачи принято разрывное поле скоростей, состоящее из жестких и деформируемых блоков, разделенных линиями разрыва скоростей. Линии разрыва подлежат определению. Задача решается вариационным методом при кинематически возможном поле скоростей перемещений в условиях плоской деформации и связана с минимизацией функционал мощности варьированием по скоростям [1,3]:
8/ (V) = -<,А! У- +§
+ /т \<5врУр^р
я ^31р
где первое слагаемое - мощность внешних сил; второе - мощности в областях течения и на линиях разрыва скоростей; ц - внешнее давление;
V) - скорость перемещения инструмента; 5 - поверхность очага деформаций; ав , авр - эквивалентные напряжения в очаге деформаций и на линиях разрыва скоростей; £,в - эквивалентная скорость деформаций в очаге деформации; 1р - длина линий разрыва; Ур - касательная компонента скоростей на линия разрыва.
Принимается, что механическому состоянию материала соответствует уравнение вязколластического течения
7 ШгП
= к^в Чв .
Решение задачи включает нахождение уравнения линии разрыва и определение давления. Кроме того, можно оценить форму образующейся боковой линии заготовки. Получено более простое решение при жестко блочном поле скоростей с прямыми линиями разрыва на основе энергетического неравенства. При этом блоки перемещаются с постоянными скоростями. Деформаций в блоках нет, они имеются только на линиях разрыва.
Процесс осадки и соединения может сопровождаться потерей сплошности деформируемого материла, что влияет на уровень прочности конструкции в целом. Точа О пересечения линий разрыва является опасной. Получены соотношение для расчета сплошности материла в данной точке и уравнение для определения критического времени деформирования [1].
Расчетная схема соединения по узким контактным зонам листовых заготовок изображена на рис. 2.
Процесс проводится при высоких гомологических температурах и протекает в условиях вязкого деформирования. Возможно нарушение сплошности материла заготовок в зоне деформации. Определены верхнеграничная оценка удельной силы давления, текущие значения сплошности материала в опасной точке М и время разрушения.
На основе приведенных выше соотношений и уравнений разработаны пакеты прикладных программ для ЭВМ, позволяющие по известной ве-
= 0, (1)
личине степени деформации рассчитать удельное давление, силу процесса и сплошность материала в опасных точках очага пластической деформации.
Рис. 2. Разрывное поле скоростей (а) и годограф (б) для соединения листовых материалов
Технологические процессы. Корпуса емкостей, крыльев, люков имеют вафельную или стрингерную конструкцию. Это оболочки с разнесенными, связанными стенками, что позволяет им выдерживать большие нагрузки при продольном изгибе и осевом сжатии. Типовой процесс - операции соединения заготовок диффузионной сваркой давлением и формообразования газом. Сварка обеспечивает соединение входящих элементов в твердой фае, что сохраняет исходную структуру материла и не приводит к разупрочнению в зонах соединений. Эти факторы гарантируют прочность, герметичность и коррозионную стойкость узлов изделий. Формообразование газом при необходимой температуре позволяет придать конструкциям сложные формы, а после дующая операция термофиксации при медленном уменьшении температуры и давления газа закрепляет полученную геометрию изделия.
Технологические схемы формообразования и диффузионной сварки оболочек приведены на рис. 3. Вафельную оболочку (панель) (рис. 3, а, б, в) изготавливают в следующей последовательности: формуемый лист 1 с наружним листом 2 (обшивкой) и пластинчатой решеткой 3 между ними устанавливают на закладных элементах в оснастке 4. Давлением пресса герметизируют сборку по контуру, вакуумируют и производят диффузионную сварку листов с решеткой в зонах ж контакта 5. Подачей газа на лист 1 формуют его с образованием ячеек 6 до их полного оформления. При повышен и давления происходят диффузионное соединение всех входящих элементов и образование единой неразъемной конструкции 7. После дующая выдержка под давлением обеспечивает прочностную и геометрическую термофиксацию изделия. Изготовление гофровой кон-
струкции (рис. 3, г, д, е) включает диффузионную сварку листовых обшивок 1, 2 с листовым заполнителем 3 давлением газа в оснастке 4. При этом места, не подлежащие соединению, закрыты антидиффузионным слоем. Сварка происходит по зонам 5. Далее подачей газа между листами проводится формообразование полостей 6 до ж окончательного оформления. Давлением газа листы калибруются до полного образования ячеек 6. Образуется конструкция 3-слойной оболочки 7. Возможен вариант технологии, при котором листы соединяют предварительно сваркой плавлением, после чего подвергают формообразованию газом.
а
е
Рис. 3. Технологические схемы формообразования и сварки: а, б, в- вафтьная конструкция; г, д, е- гофуовая стрингерная конструкция
Технологические режимы процессов формообразования и сварки, подтвержденные результатами опытно-технологических работ, представлены! в табл. 1.
Таблица 1
Тенологическиережимы процессов формообразования и сварки
Материал Температура, °С Давление, МПа Время, мин
прессовая сварка / газоформовка / сварка газом
ВТ14 900 3 но, 5 5/20.30/30
ВТ23 930
АМг6 500 / 500 / 520 5 3 к о" 2 0 5/10.20/45
1971, 1911 500/500/520
Технологическая схема соединения диффузионной сваркой с локальной осадкой показана на рис. 4. Она включает операции нагрева, ва-куумирования и последующей сварки осадкой в штампе.
Деформация в локальной зоне контакта создается за счт осадки одного или пары соединяемых элементов: для титановых сплавов - в пределах 0,1.0,2, для аюминиевых - до 0,3.
Величина осадки определяется состоянием поверхностей заготовок, т.е. наичием оксидной пленки, препятствующей соединению. При отсутствии пленки создаются условия для минимаьных сил и деформаций, что вызывает необходимость проведения операций в безокислительной среде или вакууме. На титане пленка рарушается путем растворения кислорода в инертном гае, что упрощает операцию. Соединение аюминиевых сплавов проводят с осадкой в вакууме, прием оксидную пленку предварительно рарушают ионным травлением в инертном газе.
Рис. 4. Технологическая схема сварки давлением с осадкой:
1 - наружные заготовки; 2 - зоны осадки;
3 - заготовки внутреннего набора; 4 - штамп; 5 - поверхности сварки
Технологические режимы операций (результаты экспериментальных данных) приведены в табл. 2.
Таблица 2
Технологические режимы
Матер иа Температура, °С Даление, МПа Осадка, % Время, мин
ВТ 14, ВТ23 900 4.5 5.10 5 4 0 3
АМг6 510 10.15 10 30
1971 530 10.15 5.10 2 о 3 о
1911, 1201 530 10.15 10.20 20.30
Рад обрацов изделий приеден на рис. 5.
Диффузионную сварку изделий проводили без припоя и с приложением давления, достаточного для создания необходимой пластической деформации соединяемых элементов. Технологические условия сварки по-
81
зволяют посредством местной пластической деформации, создающей максимальное сближение поверхностей, и массопереноса (диффузии) атомов между двумя соединяемыми часттми обеспечить равнопрочность зоны соединения и основного материма.
Температура соединения для свариваемых материалов составляет 0,5.0,7 температуры плавления материла. Повышение температуры приводит к ускорению взаимной диффузии атомов материалов через поверхность стыка и обеспечению благоприятных условий деформирования поверхностных слоев в этой зоне. Давление должно быть достаточным для заполнения всех пустот в областях соединений свариваемыми материалами. Деформация поверхностных слоев должна быть достаточной для разрушения поверхностных оксидов в зонах соединений.
Рис. 5. Корпусные конструкции (опытно-промышленные образцы)
Время протекания процесса сварки должно быть минимальным, что обосновано как физико-механическими, так и экономическими соображениями. Диффузионную сварку алюминиевых сплавов выполняют в вакууме, что предотвращает обраование и рост оксидов на поверхностях. Тета-новые сплавы можно сваривать в проточном инертном гае, растворяющем пленку оксида.
После сварки по различным режимам образцы подвергал металлографическому анализу и механическим испытаниям. Устанавливались ра-меры зерен, наличие промежуточного слоя в зонах соединений и ж прочность на разрыв.
Процессы диффузионной сварки давлением проводили на титановых сплавах ВТ6С, ВТ 14, ВТ23 и высокопрочных алюминиевых сплавах АМгб, 1971, 1911 и 1201. Подготовительные операции для листовых об-рацов из титановых сплавов заключались в механической зачистке поверхностей металлическими щетками, промывке в бензине и сушке. Сварка осуществлялась в вакуумной пресс-камере при остаточном давлении 0,13.1,3 Па. На деталях из титановых сплавов окислы растворяли в среде инертного газа или в вакууме. Это условие позволяло снизить контактные напряжения и деформации.
Охлаждение обрацов до 200 0С после сварки проводилось под давлением гадроштока прессового узла камеры в нажимных плитах. По результатам испытаний сварка титана в вакууме и в проточном аргоне не показала практически отличий. Металлографическим анализом установлено наличие сплошной зоны соединения с общими зернами. Прочность соединений была на уровне прочности основного материала. Сварка деталей из титановых сплавов сводилась к такой последовательности операций:
- подготовк исходных заготовок (очистка, обезжиривание, промывка, сушка);
- нанесение антидиффузионного покрытия (механическое или гальваническое) на места, не подлежащие соединению;
- сборка конструкции, установка в вакуумную пресс-камеру;
- нагрев до 900.1000 °С с вакуумированием до 0,13.1,3 Па;
- приложение контактного давления с выдержкой до 60 мин (сварка);
- охлаждение в вакууме под нагрузкой и удаление готовой конструкции.
Технологические проблемы возникают при соединении элементов конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов. Задача в данном случае сводится к рарушению пленки и обеспечению контакта основных металлов, что требует проведения процесса в вакууме. При этом необходимо операции удаления окисла и сварки проводить без выноса изделия из вакуума ил после удаления окисла закрывать поверхности деталей вакуумным напылением, например, меди. При последующем соединении медь связывает оставшийся в зоне контакта кислород и сдерживает таким образом рост окисного слоя.
Диффузионную сварку алюминиевых сплавов поводили на обра-цах из алюминиевых сплавов АМгб, 1911 и 1971, которые подвергали после сварки испытаниям на растяжение до рарушения и металлографическому анализу структуры соединений.
Заготовки перед ионной обработкой травили в аотной кислоте с промывкой в теплой и холодной воде и последующей сушкой струей теплого воздуха. После химического травления заготовки подвергали ионной обработке в парах аргона и в вакууме напыляли медь на свариваемые поверхности.
В раомкнутом виде пакет исходных заготовок устанавливали в штамп и помещали в вакуумную пресс-камеру. После вакуумирования до
0,013 Па оснастку с заготовками нагревали до температуры сварки. Силой гидроштока заготовки сжимали чєрєз жесткий инструмент, выдерживал под давлением сварки, после чего постепенно снимали нагрузку, охлаждая
до 70 °С , и раскрывали камеру и штамповую оснастку.
Микроструктуру сварных соединений выявляли после электролитической полировки в электролите и наблюдении в поляризованном свете на микроскопе "Неофот-32". В зоне контакт а наблюдали общие рекристалли-зованные зерна и дефекты в виде несплошностей для сплава АМгб; для сплавов 1971 и 1911 характерно бездефектное соединение с образованием общих зерен.
По результатам технологических работ установлены рекомендуемые режимы диффузионной сварки. Лучшие условия для диффузионной сварки создаются в результате ионного травления поверхностей и нанесения слоя меди. Для сплава АМгб процесс сварки недостаточно стабилен, общие зерна обрлуются не по всей поверхности контакта. При диффузионной сварке алюминиевых сплавов 1971 и 1911 обрлование общих зерен наблюдается практически по всей зоне соединения. Последующая термическая обработк (заклк при 450 °С, охлаждение на воздухе, старение
при 110 °Св течение 10 ч) обеспечивает прочность шва, близкую к прочности исходного материала.
О качественном диффузионном соединении свидетельствует тот факт, что пи испытании на рлрыв обрлцов рлрушение происходило по основному материалу. Предел прочности составил 330.350 МПа. После термической обработки (закалка на воздухе + старение) прочностные характеристики увеличивались и предел прочности составлял 390 МПа. Установлено, что алюминиево-магниевые сплавы, не обеспечивая высокой стабильной прочности соединений, не упрочняются последующей термической обработкой. Перспективны цднкосодержащие сплавы типа 1971 и 1911 - мелкозернистые, термоупрочняемые. Спав 1971 является дорогостоящим, так как имеет в составе скндий, а в сплаве 1911 мелкозернистость достигается режимами прокатки и термической обработки на стадии производства, что не приводит к его существенному удорожанию.
Процесс диффузионной сварки деталей из алюминиевых сплавов состоит из следующих операций:
подготовка исходных заготовок (обезжиривание и химическое травление, промывка, сушка);
ионное травление в аргоне при остаточном давлении 1,3 Па; вакуумное напыление меди 0,5 . 0,7 мкм;
сбор к элементов конструкции, установк в вакуумную пресс-камеру;
вакуумирование до 0,0065 Па с нагревом до 510.530 °С ; выдержка под технологическим давлением до 30 мин (сварк); охлаждение в вакууме под нагрузкой с постепенным снятием давления и удаление готовой конструкции.
Работа выполнена по грантам РФФИ № 07-01-00041
и № 07-08-12123.
Список литературы
1. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных металлов / С.П. Яковлев [и др.]. М : Машиностроение-1; Изд-во ТулГУ, 2004. 427 с.
2. Механика процессов изотермического формоизменения элементов многослойных листовых конструкций / С.П. Яковлев [и др.]. Тула : Изд-во ТулГУ, 2001. 254 с.
3. Ananev A.I. Manufacture of thin-wall spherical containers by deformation-welding // Welding International. 1999. Vol. 13. №2 6. Р. 495-497.
4. Чудин В.Н., Соболев Я.А., Яковлев С.С. Технологические направления изотермического деформирования и диффузионной сварки высокопрочных сплавов // Технология машиностроения. 2000. № 2. С. 8-13.
5. Yakovlev, S. Yakovlev, V. Chudin, Y. Sobolev
Shaping and diffusion welding of constructional elements
The processes of shaping of the aircrafts’ body elements made of high-strength materials, which include both shaping and pressure diffusion welding, are described. The making process conditions are given. The product samples are presented.
Получено 19.01.09
УДК 621.774.6
С.И. Вдовин, д-р техн. наук, проф., (4862) 41-68-77, [email protected] (Россия, Орёл, ОрёлГТУ),
В.Н. Михайлов, доц., (4862) 41-68-77, [email protected] (Россия, Орёл, ОрёлГТУ)
ВАРИАЦИОННАЯ ОЦЕНКА ДЕФОРМАЦИЙ ПЛАСТИЧЕСКОГО ИЗГИБА ТРУБЫ
Рассматривается изгиб моментом тонкостенной трубы с двумя видами ограничений: исключающим и допускающим изменение проходного сечения. В обоих случаях напряженное состояние отличается от линейного ввиду малого относительного радиуса изгиба.
Ключевые слова: деформации, пластический изгиб, тонкостенная труба, напряжения.
Предлагаемая оценка деформации пластического изгиба трубы основывается на методе Ригца и ряде допущений, необходимых для решения в квадратурах вариационных уравнений [1]:
85
