ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕЩЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ГАЗОВОЙ ФОРМОВКИ -ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПАНЕЛЕЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Тушина Вероника Андреевна, студент, murrder71 @mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

INFLUENCE OF THE CHARACTERISTICS OFBRASSIN THE UPSETTINNG

OPERATION

V.A. Tushina

This work is devoted to the analysis of the characteristics of brass that affect the quality of the upsetting operation.

Key words: brass, upsetting, microstructure, cracks.

Tushina Veronika Andreevna, student, murrder71@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.983.044.3.001.8

DOI: 10.24412/2071-6168-2021-8-44-50

ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕЩЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ГАЗОВОЙ ФОРМОВКИ -ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПАНЕЛЕЙ

ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

К.Я. Савинкова, Я.А. Соболев

Предложена технология изготовления сложнопрофильных каналов из листовых заготовок с законцовочными элементами и трехслойных панелей совмещенным процессом газовой формовки с диффузионной сваркой. Приведены соотношения для расчета режимов давления. Представлены результаты экспериментальных работ по отработке технологии.

Ключевые слова: диффузионная сварка, газовая формовка, сверхпластичность, алюминиевый сплав, многослойные панели.

Корпусные панели являются одним из основных несущих узлов летательных аппаратов. Они представляют собой многослойные пустотелые конструкции, жестко связанные между собой в неразъемные соединения.

Традиционная технология изготовления корпусных панелей связана со штамповкой, механической обработкой, пайкой, аргонно-дуговой или электронно-лучевой сваркой, клепкой. Эти процессы распространены и универсальны, а их применение определяется техническими процессами на изготовление. Традиционные технологии не удовлетворяют современным требования точности изготовления при минимизации энергозатрат и человеческих ресурсов. Тонкие криволинейные панели выходят из рамок точности механической обработки, паяные конструкции не обеспечивают прочность слоя припоя, свариваемые поверхности не гарантируют длительной герметичности.

Перспективной технологией получения корпусных панелей из алюминиевых сплавов является газовая формовка в условиях сверхпластичности, совмещенная с соединением диффузионной сваркой [1, 2]. Она позволяет снизить стоимость изделий не только за счет повышения производительности процесса изготовления, но и применения новых конструкторско-технологических решений. Технология является прогрессивной, исключающая многочисленные операции штамповки, правки, механической обработки, сварки, клепки. Очевидно, процессы технологической подготовки производства необходимо вести на ранней стадии проектирования изделий с проведением комплекса научно-технических исследований, моделирования и выработки конструк-торско-технологических решений до стадии производства и освоения изделия.

Примером реализации может служить технология изготовления сложнопро-фильных каналов из листовых заготовок, широко применяемых в летательных аппаратах для защиты кабельных сетей, пневматических и гидравлических линий управления (рис. 1). Существующая технология изготовления включает многопереходную штамповку с промежуточными отжигами, механическую обработку. Стоимость штампов для каждого перехода составляет от 500000 руб. и выше. Применение свинцово-цинковых штампов не дает нужной точности, приводит к большому объему ручных доводочных операций. Ручная обтяжка на модельной деревянной оснастке трудозатратна и не имеет перспектив.

Рис. 1. Типовые конструкции сложнопрофильных каналов из листовых заготовок: а — воздуховод; б — патрубок канала; в — двойной канал

Эффективным методом получения сложнопрофильных каналов из листовых заготовок является газовая формовка в условиях сверхпластичности совмещенная с диффузионной сваркой. Достоинством этого метода является возможность получения за одну технологическую операцию значительных степеней деформации при формовке сложных профилей, обеспечение высокой точности изделий, мест крепления для соединения с другими изделиями, закладных элементов. Преимущества процесса особенно проявляются в условиях мелкосерийного и серийного производства крупногабаритных изделий, так как газовая формовка исключает использование дорогостоящего и громоздкого кузнечно-штамповочного оборудования.

Технология процесса получения штамповки заключается в следующем (рис. 2).

и газовой формовки 45

Листовая заготовка 1 и заканцовочный элемент 2 помещаются в подогретую матрицу 3 штамповой оснастки, установленную на столе пресса 4. Верхняя часть штампа 5 закреплена на ползуне пресса 6. Перемещая верхнюю часть штампа вниз, производится предварительный зажим заготовок и нагрев зонным нагревателем 7 закладного элемента и листовой заготовки до температуры, обеспечивающей диффузионное сращивание под давлением. Время процесса зависит от силы сжатия P, температуры, площади контакта выступа на верхней части штампа «А». В дальнейшем производится перераспределение температурного поля листовой заготовки для формовки окончательного контура штамповки, геометрические размеры которой определяются формой матрицы. Давление формообразующего газа p подается по газовводу 8. Процесс изготовления изделия производится без защитной атмосферы, на воздухе, длится от 15 до 30 мин. В качестве формообразующего газа может применяться воздух, нейтральный газ аргон. По завершению процесса верхняя часть штампа поднимается, происходит частичное охлаждение штампа и штамповки, извлечение последней. Проблема разнотолщинности отформованной детали решается способом создания неравномерного температурного поля по заготовке [4] за счет нагревателя, имеющего несколько отдельно регулируемых зон нагрева и расчета профиля давления газа [5]. Компьютерное моделирование в программном комплексе SIMULIA Abaqus позволяет рассчитать параметры сверхпластической формовки изделий сложной формы в трехмерной постановке с помощью оболочковых элементов. Моделирование показывает положительное влияние захолаживания части поверхности заготовки на распределение толщины по стенке окончательного изделия.

Получение детали состоит из двух основных технологических процессов: соединения алюминиевого сплава в твердой фазе и газовая формовка в режимах сверхпластичности.

Диффузионная сварка осуществляется при температурах ниже точки плавления свариваемых металлов без использования припоя и с приложением давления, достаточного для создания необходимой пластической деформации соединяемых элементов. Технологические условия сварки позволяют посредством местной пластической деформации, создающей максимальное сближение поверхностей, и массопереноса (диффузии) атомов между двумя соединяемыми частями обеспечить равнопрочность зоны соединения и основного материала.

Для решения задач изготовления многоэлементных конструкций путем диффузионного соединения необходима информация о параметрах сварки, их влияния на качество соединения. Температура, давление, деформация поверхностных слоев и время являются основными параметрами режима процесса соединения, которые определяются природой соединяемых материалов, состоянием поверхностей и условиями дальнейшей эксплуатации изделия. Температура соединения для свариваемых материалов составляет 0,5-0,7 температуры плавления материала в соединяемой композиции. 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 металлов. Важной функцией давления является его воздействие на процессы диффузии и рекристаллизации. Деформация должна быть достаточной для разрушения поверхностных оксидов в зонах соединений. Время протекания процесса сварки при заданных температуре и давлении в большинстве случаев должно быть минимальным, что обосновано как физико-механическими, так и экономическими соображениями.

Из-за большого сродства алюминия к кислороду он обладает плотной термодинамически стабильной окисной пленкой толщиной 5-10 нм, состоящей из двух слоев: плотного барьерного и рыхлого гидратированного. Барьерный слой имеет меньшую толщину и в нем возникают сжимающие напряжения, в рыхлом возникают растягивающие напряжения. На чистом алюминии толщина рыхлого слоя окисной пленки значительно меньше, чем на сплавах, содержащих магний, например сплав Амг6.

Определяющим фактором при получении прочных диффузионных соединений алюминиевых сплавов является выбор рациональной и эффективной технологии подготовки поверхности алюминиевых сплавов.

Не только толщина и плотность окисной пленки, но и содержание адсорбированных газов и влаги в ней в значительной степени определяют качество соединений алюминиевых сплавов. Наличием водорода в составе окисной пленки объясняется повышенная склонность к образованию пор при сварке сплавов АМг6.

При анализе свариваемости алюминиевых сплавов нельзя не учитывать шероховатость соединяемых поверхностей.

Температура деформирования алюминиевых сплавов составляет 450-5300С.

Для расчета параметров технологии необходимо установить функциональные зависимости между давлением, временем, геометрией соединения и условиями появления дефектов в заготовках. Такие зависимости установлены для нелинейно вязкого деформирования, каким является диффузионная сварка, на базе теории течения ползучести и метода верхних оценок.

Рис. 3. Технологические схемы сварки давлением листовой заготовки и заканцовочный элемента. 1 — листовая заготовка; 2 - заканцовочный элемента; 3 — штамп; 4 — зоны осадки; 5 — поверхности сварки

При осадке со сваркой (рис. 3) заготовок шириной а и высотой Ь в сборе для а/Ь < 1 давление определяется соотношением

1

1+1

I п

к (к \ i-cosi—а I,

4 \4 )/

+

1+1

sin р sin(a+^)

)

где n, B - температурные константы материала; t, tk - текущее и конечное время операции; а, в - углы, определяемые размерами заготовки, fí = arctg b/a. Угол а определяется из выражения

a sin fí sin b sin ^ sin(a + fí).

При a/b>1

1+1

/ eos a ) " Vsin В eos(a-B)J

1+1

1 n

. sin—sin

4

(тЧ

asin ^ cos(a— fí) = b sin fí sin +

Экспериментальную отработку режимов соединения давлением проводили на образцах диаметром 50 мм. толщиной 3 мм. с приваркой эмитатора законцовочного элемента диаметром 20 мм. на алюминиевых сплавах Амг6, 1570, 1971, 1201. Подготовка поверхности под диффузионную сварку заключалась в травлении поверхности в азотной кислоте, с последующим ионным травлением в вакуумной камере и нанесением тонкого защитного слоя меди 0,5 ... 0,7 мкм. [6, 7, 8]. В дальнейшем образцы соединяли давлением с нагревом. Из сварных образцов вырезали образцы для механических испытаний (рис. 4).

А Гисп.

2

Т7~

\

I Я

исп.

Рис. 4. Сварной образец для испытаний: 1 - поверхность сварки;

2 — эмитатор законцовочного элемента; 3 — листовая заготовка

Процессы экспериментально отработаны на образцах при проведении комплекса механических испытаний на прочность и металлографических исследований структур зон соединений.

Микростуктуру сварных соединений выявляли после электролитической полировки в электролите и наблюдении в поляризованном свете на микроскопе «Неофот-32». В зоне контакта наблюдали общие рекристаллизованные зерна и дефекты в виде несплошностей для сплавов АМг6, 1201. Для сплавов 1971, 1570 характерно бездефектное соединение с образованием общих зерен.

По результатам экспериментальных работ установлены оптимальные режимы диффузионной сварки. Лучшие условия для диффузионной сварки создаются в результате ионного травления поверхностей и нанесения меди. Для сплавов системы Al-Mg процесс сварки недостаточно стабилен, общие зерна образуются не по всей поверхности контакта. При диффузионной сварке алюминиевых сплавов системы А1^п-М^ образование общих зерен наблюдается практически по всей зоне соединения. Последующая термическая обработка (закалка при 4500С, охлаждение на воздухе, старение при 1100С в течение 10 часов) обеспечивает прочность шва, близкую к прочности исходного материала.

Технологические параметры операций приведены в таблице.

Технологические параметры операций

Сплав Температура, Давление, Деформация в Время,

°С МПа зоне сварки, % мин.

АМг6 510 10-15 30 30

1570 510 15-20 30 30

1971 530 10-15 10 20-30

1201 530 10-15 30 20-30

Полученные результаты по диффузионной сварке алюминиевых сплавов позволяют реализовать совмещенную технологию изготовления многослойных панелей. Исследования проводилось с использованием установки для экспериментально-технологических работ и изготовления опытных изделий по схеме «формообразование - сварка» в вакууме. В состав установки входит вакуумная камера из двух разъемных полукамер. Нижняя полукамера установлена на механизме горизонтального перемещения и имеет экранированные от стенок нихромовые нагреватели (спирали) секционного типа. Герметизация полукамер в соединении осуществляется надувным шлангом в торце нижней полукамеры. Силовая нагрузка воспринимается четырьмя колоннами. Установка имеет встроенный в верхней части гидроцилиндр, вакуумные насосы для создания разряжения до 10-4 мм рт. ст., гидростанцию, шкаф с силовыми трансформаторами и шкаф управления.

Исследования проводились по технологическим схемам соединения многослойных листовых конструкций из алюминиевых сплавов Амг6 и 1971, которые заключаются в предварительном нанесении противосварочного покрытия на поверхности заготовок, не подлежащие соединению, ионном травлении поверхностей и нанесению слоя меди на поверхности, подлежащие соединению. Примером может служить техно-

логия изготовления трехслойной панели. Оболочка из таких панелей с разнесенными обшивками способна нести большую нагрузку, так как хорошо работает в условиях продольного и поперечного изгиба, радиального сжатия. Изготовление конструкции сокращает объемы сварки плавлением, пайки и клепки, предотвращает изменения в структуре металла в зоне соединения, приводящих к потере прочности, коррозионной стойкости и герметичности. Технологический процесс состоит из следующих основных операций (рис. 5):

- подготовка листовых заготовок, резка, обезжиривание, сушка;

- нанесение на листы заполнителя антидиффузионного покрытия;

- закладка пакета листов в оснастку и установка сборки на пресс;

- силовое смыкание оснастки давлением пресса, нагрев до рабочей температуры с вакуумированием зазора между листами обшивки;

- диффузионная сварка листов заполнителя с наружными листами давлением газа, подаваемого между оснасткой и наружными листами;

- формообразование панели подачей газа между наружными обшивками;

- калибровка панели;

- сброс давления, охлаждение и извлечение изделия.

Листовые заготовки с нанесенными противосварочными покрытиями 4 и местами, подготовленными для диффузионной сварки 5, 8 помещаются в штамповую оснастку 10 (рис. 5).

А-**Г7=7У7?тУ7У/уУ ГШТрШЗ.Г

Рис. 5. Схема образования трехслойной панели

Усилием пресса производится герметизация заготовок по периметру. Подавая давление газа через газоввод 12 в полость 11 между штамповой оснасткой и наружными обшивками 1, 2 производится диффузионная сварка по местам, подготовленным для сварки. По завершения процесса диффузионной сварки полость 11 вакуумируется, а по газовводу 9 подается формовочный газ в полость между листами 1 и 2. В результате листы 1 и 2 занимают положение по верхней и нижней частям штамповой оснастки, вытягивая заготовку 3. Результатом является трехслойная панель с внутренним подкрепленным набором из заготовки 3, что значительно повышает несущую способность панели.

Выводы:

1. Совмещенные процессы газовой формовки с диффузионной сваркой позволяют получать сложнопрофильные каналы с меньшим количеством входящих элементов и меньшей трудоемкостью, обеспечивая повышение точности геометрии получаемых изделий в 1,5-2 раза по сравнению с клепаными или сварными.

49

2. Подготовка поверхности алюминиевых сплавов Амг6, 1570, 1971, 1201 методом ионного травления с последующим нанесение слоя меди дает удовлетворительные результаты при последующей диффузионной сварке в вакууме.

3. Разработка технологии диффузионной сварки высокопрочных алюминиевых сплавов позволяет создавать многослойные конструкции совмещенным процессом газовой формовки и диффузионной сварки.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-38-90152\19.

Список литературы

1. Изотермическая пневмоформовка анизотропных высокопрочных листовых материалов / Под ред. Яковлева С.С. и др. М.:Машиностроение. 2009. 358 с.

2. Вайцехович С.М., Соболев Я.А., Кривенко Г.Г., Бараев А.В., Поликаров С.П. Газовая изотермическая формовка полусфер титановых шаробаллонов в вакууме. КШП (10). 2013. С. 19-23.

3. Мулюков Р.Р., Имаев Р.М., Назаров А.А., Имаев М.Ф. и др. Сверхпластичность ультрамелкозернистых сплавов: Эксперимент, теория, технологии. М: Наука, 2014. 284 с.

4. Петухов И.С., Соболев Я.А. Способ формовки листовой заготовки в режиме сверхпластичности. Патент на изобретение № 2693222. 01 июля 2019 г.

5. Бузлаев Д.В., Соболев Я.А. Разработка КЭ-модели процесса газовой формовки в условиях неравномерного нагрева. 2017. КШП №9. С.16-22.

6. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1976.

312 с.

7. Люшинский А.В. Диффузионная сварка разнородных материалов. М.: ИЦ «Академия», 2006. 208 с.

8. Чудин В.Н. Изготовление листовых радиаторов формообразованием-диффузионной сваркой-пайкой // Сварочное производство, 1997. №12. С. 4-6.

Соболев Яков Алексеевич, д-р техн. наук, профессор, yasoboloev@mail. ru, Россия, Москва, Московский Политехнический Университет,

Савинкова Ксения Яковлевна, аспирант, yasoboloev@mail. ru, Россия, Москва, Московский Политехнический Университет

STUDY OF THE COMBINED PROCESSES OF GAS MOLDING - DIFFUSION WELDING IN THE PRODUCTION OF PANELS OF ALUMINIUM ALLOYS

K.Y. Savinkova, Y.A. Sobolev

The technology of manufacturing complex-profile channels from sheet blanks with trim elements and three-layer panels by the combined process of gas forming with diffusion welding is offered. Relations for calculating pressure modes are given. The results of experimental work on testing the technology are presented.

Key words: diffusion welding, gas forming, superplasticity, aluminum alloy, multilayer panels.

Sobolev Yakov Alexeyevich, doctor of technical sciences, professor, yasobol-oev@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,

Savinkova Kseniya Yakovlevna, postgraduate, yasoboloev@mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University