CC BY
9
Key words: penetration, inhomogeneous rod, generalized coordinates, variable cross-section, elastic deformations, wave effects.
Averin Valery Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Bonitskaya Olga Vladimirovna, candidate of physical and mathematical sciences, docent, Russia, Tula, Tula State University,
Pustovgar Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, Russia, Tula, Tula State
University
УДК 621.791.4:539.378.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-639-643
МОНИТОРИНГ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ СОЕДИНЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ЛИСТОВЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКОЙ
В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, В.Р. Петренко, А.А. Калинин
В статье представлены результаты анализа с оценкой особенностей формировании изделий из листовых тонкостенных конструкций из титановых сплавов с применением технологии диффузионной сварки.
Ключевые слова: формирование соединения, листовая тонкостенная конструкция, титановый сплав, диффузионная сварка, деформация, свароное давление, физический контакт, толщина обшивки, заполнитель, исходная структура, межфазная граница, структурно-неоднородный заполнитель.
В процессе изготовления тонкостенных изделий из титановых сплавов диффузионной сваркой возникает неоднородность в приложении внешних давлений при соединении обшивок с заполнителем и заданной температуре сварки. При этом использование высоких давлений, обеспечивающей гарантируемую реализацию процесса сварки, приводит к недопустимой деформации соединяемых элементов. При низких давлениях, ограничивающих устойчивость тонколистовых элементов, качество соединения во многих случаях оказывается неудовлетворительным и характеризуется нестабильностью механических характеристик.
Как известно, формирование диффузионного соединения основано на сближении ювенильных (свободных от окисления плёнок) поверхностей свариваемых деталей в вакууме при нагреве их несколько выше температуры рекристаллизации с приложением небольшого сжимающего усилия и взаимной диффузии на границе раздела соединяемых поверхностей.
Цель работы. Поскольку процесс диффузионной сварки протекает при низких давлениях, то при решении проблемы изготовления тонкостенных конструкций на одно из главных направлений выдвигаются задачи систематического изучения и анализа физико-химических процессов, протекающих при сварке и контролирующих взаимодействие свариваемых поверхностей с целью наиболее рационального построения и оптимизации технологического процесса диффузионной сварки.
Результаты и их обсуждение. Титановые сплавы характеризуются следующими свойствами, определяющими их свариваемость. В первую очередь, это способность титана растворять большое количество кислорода и, как следствие этого, с высокой скоростью очищать поверхность от окислов и понижать концентрацию кислорода в поверхностных слоях, а с другой - легко переходить в окисленное состояние даже в глубоком вакууме. При температурах Т = 500 °С на внешних и контактных поверхностях в вакууме 2,6 Па в процессе нагрева успевает образоваться не только окисные плёнки, но и хрупкие газонасыщенные слои («охрупченные» слои). С повышением температуры состав газовой фазы между свариваемыми поверхностями существенно отличается от состава в сварочной камере. По мере перемещения от краевой зоны сварки к центральной, парциальное давление кислорода падает. Если в краевой части свариваемых элементов имеются процессы окисления, сопровождающиеся ростом окисленного слоя, то в центральной части могут создаваться условия для очистки поверхности от окислов. Такое понижение давления обусловлено процессом «автовакуумирования» в результате взаимодействия поверхностей с остаточными газами. Возможность проникновения газа из камеры в контактный зазор определяется соотношением количества газа, поступающего в зону контакта за счёт диффузии и прореагировавшего с краевыми участками образцов в процессе окисления. В зависимости от размеров свариваемых элементов величины контактного зазора и допустимого краевого непровара расчётно-аналитическим методом может быть определена необходимая величина парционального давления кислорода в сварочной камере, при котором в зоне контакта при температуре сварки поверхности будут очищены от окисных плёнок.
Следующим важным свойством титана и его сплавов является большое многообразие исходных микроструктур и высокая чувствительность к ним механических свойств и высокотемпературных характеристик. С учетом того, что микроструктурное состояние свариваемых элементов необходимо рассматривать как фактор управления качеством диффузионного соединения была разработана упрощённая классификация исходной микроструктуры применительно к диффузионной сварке.
Выделяются четыре типа структуры:
1. Мелкозернистая;
2. Пластинчатая (мелко пластичная) без видимых границ исходных р-зёрен;
3. С видимыми границами исходных р-зёрен;
4. Смешанная, характеризуемая объёмным содержанием зон с пластинчатой а-фазой.
Каждому типу структуры соответствуют определённые значения удельного сварочного давления, при котором обеспечивается получение равнопрочных с основным металлом сварных соединений (У). При Vk < 10 % сплав относится к первому типу структуры, а при Vk > 50 % - к третьему типу. Наибольшее влияние микроструктурное состояние соединения элементов на формирование качественного соединения оказывает при сварке тонкостенных конструкций. Как правило, элементы таких конструкций изготавливают из листовых материалов с исходной мелкозернистой структурой, которая характеризуется низким сопротивлением высокотемпературной деформации. Прочность диффузионного соединения (например, элементов сотового заполнителя с обшивками), получаемого при условии Р < Опу, что составляет не более половины от прочности основного материала. Это связано с тем, что стадией, лимитирующей формирование соединения в этом случае является активация свариваемых поверхностей, которая из-за развития физического контакта между неактивными поверхностями и недостаточной степени деформации металла в зоне стыка под действием внешних напряжений реализуется только на части поверхности соединения.
Третьим важным свойством титана и его сплавов является локальная деформация смариваемых поверхностей, сопровождающаяся образованием субструктурного рельефа в виде полос скольжения. Последние являются местами выхода дислокаций, которые образуются под действием собственных напряжений и в условиях сварки должны рассматриваться как активные зоны с высокой реакционной способностью. Внутренние напряжения, обусловленные перестройкой гексагональной а-фазы в кубическую Р-фазу при полиморфном а > Р-превращении - источник активации свариваемых поверхностей, не приводящих к макродеформации свариваемых элементов. Деформация контактных поверхностей при диффузионной сварке является необходимым условием образования качественного соединения, а ее величина Ук, требуемая для реализации процессов развития физического контакта и активации свариваемых поверхностей, зависит от ряда факторов шероховатости и ориентирования следов обработки соединяемых поверхностен, их физико-химического состоянии и исходной микроструктуры.
В процессе сварки деформации подвергается весь объём соединяемых элементов, поэтому более удобным критерием образования соединения с за данными свойствами является величина остаточной пластической деформации деталей (£). При повышении класса чистоты обработки свариваемой поверхности от Ra 1,35 мкм до Ra 0,01 мкм величина £ уменьшается от 8 до (2-3) % При наличии на свариваемых поверхностях титана окисленною металла. выявляемого в виде «охрупченного» слоя, величина £ резко возрастает и может достигать (15-20) %. Существенное влияние на величину £ оказывает последовательность реализации стадии процесса формирования соединения Если стадия развития физического контакта опережает стадию активации, то £ > 10 %. Если же физический контакт развивается между «активными» поверхностями, тогда £ будет (1-3) %.
При изготовлении тонкостенных конструкций деформация должна удовлетворять требованию £ < 2 %. Несоблюдение этого условия приводит к неисправимому браку изготовляемой конструкции -потери устойчивости её элементов. Поэтому при изготовлении тонкостенных конструкций диффузионной сваркой необходимо стремиться к тому, чтобы развитие контакта происходило между поверхностями с высокой реакционной способностью к взаимодействию. На практике из-за ряда технологических трудностей создать такие условия не всегда возможно.
На основе анализа результатов выполненных исследований можно сформулировать основные пути, направленные на повышение качества и стабильности сварных соединений тонкостенных элементов.
1. Процесс формирования физического контакта нужно осуществлять в области низких температур (20-500) °С, когда взаимодействие стыкуемых поверхностей с активными газами защитной атмосферы не приводит к их насыщению кислородом (азотом) и образованию на поверхности охрупченных слоёв и окисных плёнок. При этом имеется возможность прикладывать высокое сварочное давление. На втором этапе сварки с целью развития процессов взаимодействия за счёт реализации начала термической активации температуру сварки необходимо повысить до области температур (а + Р)^Р-превращения. Возможно повышение температуры до Р-области. Давление при этом не играет существенной роли и может быть намного ниже напряжения. Практическая реализация процесса по этой схеме требует разработки устройств по созданию больших сварочных давлений при 20-500 °.
2. Принцип формирования физического контакта следует осуществлять между поверхностями с высокой реакционной способностью. Это достигается при нагреве на сведённых в контакт свариваемых элементов до области температур ((а + Р)^Р-превращения в высоком вакууме или очищенном аргоне, что способствует более интенсивному очищению поверхностен от окислов, образовавшихся в процессе
нагрева, и приводит к уменьшению значений деформации, необходимой для активации, а также обеспечивает активацию поверхностей под действием внутренних напряжений. Сварочное давление нужно прикладывать после выдержки при температуре сварки. При этом его величина Р<< 0ПУ.
При проведении процесса диффузионной сварки по этой схеме повышенные требования предъявляются к контролируемой атмосфере и шероховатости поверхности. Параметр шероховатости не должен превышать = 0,25) мкм. В противном случае процессом, контролирующим образование соединения, станет стадия развития физического контакта, и все усилия, направленные на активирование контактных поверхностей, не принесут ожидаемого эффекта.
Следует отметить, что при переходе от лабораторных образцов к промышленным конструкциям появляется ряд трудностей, связанных с созданием гарантированного зазора между свариваемыми поверхностями.
3. Перспективным путём интенсификации процесса формирования соединения являются способы, основанные на структурном управлении процессом сварки. Повышение устойчивости заполнителя за счёт перевода его структуры в крупнозернистую пластинчатую, характеризуемую высоким сопротивлением пластической деформации, позволяет увеличить давление и интенсифицировать процессы деформации металла в зоне контакта. Для такого структурного сочетания соединяемых элементов процесс формирования соединения, обеспечивающий его прочностные характеристики на уровне основного материала, реализуется только при соблюдении следующего условия: (5з/5о) < 0,35, где 5з и 5о - толщина материала заполнителя и обшивки. Вследствие контактного упрочнения материала обшивки при (5з/5о) > 0,35 деформация в контакте не достигает необходимой величины, и процесс активации реализуется не по всей поверхности контакта.
Следует отметить, что выполнение условия (5з/5о) < 0,35, целесообразное с технической точки зрения, в ряде случаев оказывается нежелательным, так как приводит к увеличению массы конструкций вследствие большой толщины обшивки. Поэтому при диффузионной сварке конструкций с отношением толщины соединяемых элементов (5з/5о) > 0,35 следует применять структурно-неоднородный заполнитель, состоящий из слоёв величиной | = (3-4)5з с мелкозернистой структурой в поверхностном слое контактной зоны и крупнозернистой пластинчатой в остальном объёме. При возникновении трудностей с получением структурно-неоднородного заполнителя процесс сварки можно проводить в два этапа. На первом формируют физический контакт, при котором возникают «слабые» химические связи. В зоне контакта образуется устойчивая межфазная граница. С целью дальнейшей активации процесса и развития стабильной межфазной границы температуру сварки повышают в р-область.
Заключение. Достигнутый уровень технологии диффузионной сварки позволяет получать тонкостенные конструкции из титановых сплавов с необходимым комплексом механических свойств, и дальнейшие успехи в развитии и применении диффузионной сварки будут связаны с разработкой комплекса оборудования для диффузионной сварки и контролю качества.
Полученные результаты могут быть использованы при создании новых и усовершенствовании уже имеющихся материалов и ресурсосберегающих технологий, в частности для получения качественных тонколистовых соединений из разнородных металлов и сплавов с применением диффузионной сварки в вакууме.
При написании работы использовано 20 источников современной литературы. Представленные в библиографическом списке научные результаты других авторов [7, 11, 18] не противоречат нашим исследованиям [1-6, 8-10, 12-17, 19, 20].
Список литературы
1. Петренко В.Р., Киреев Л.С., Пешков В.В. Сварка титана со сталью. Воронеж: ВГТУ. 2004.
173 с.
2. Петренко В.Р., Пешков В.В., Полевин В.Ю. Повышение служебных характеристик титановых диффузионно-сварных слоистых конструкций // Сварочное производство. 2005. №7. С. 37-41.
3. Петренко В.Р. Металловедение диффузионной сварки титана.; под обш. ред. В.В. Пешкова. М.: ИЦ «Технология машиностроения», 2005. 315 с.
4. Петренко В.Р. Технологические основы получения сварных титановых слоистых оболочковых конструкций. М., 2006. 32 с.
5. Гадалов В.Н., Шишков А.С. Диффузионная сварка слоистых титано-алюминиевых панелей // Технология металлов. 2009. № 10. С. 28-31.
6. Петренко В.Р., Батаронов И.Л., Булков А.Б., Селиванов В.Ф. Физико-химия и металловедение диффузионной сварки титановых тонкостенных оболочковых конструкций. Воронеж: ВГТУ 2009. 299 с.
7. Жорник В.А., Прокопенко Ю.А. Моделирование процессов спекания порошковых покрытий при тепловом и механическом воздействиях // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2010. Т. 16. № 1. С. 59-66.
8. Емельянов С.Г., Гадалов В.Н., Пономарев Д.В., Шишков А.С. Изготовление пустотелых биметаллических титано-алюминиевых панелей диффузионной сваркой в вакууме // Технология металлов. 2010. № 5. С. 30-34.
9. Пешков В.В., Булков А.Б., Батаронов И.Л., Селиванов В.Ф., Стрыгин А.И. Диффузионная сварка титановых слоистых конструкций аэрокосмической техники. Воронеж: ВГТУ. 2012. 312 с.
10. Макаров Э.Л., Якушин Б.Ф. Теория свариваемости сталей и сплавов.; под ред. Э.Л. Макарова. M.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 487 с.
11. Устинов А.И., Фальченко Ю.В., Мельниченко Т.В., Петрушинец Л.В., Ляпина К.В., Шишкин А.Е., Гуриенко В.П. Диффузионная сварка стали с оловянной бронзой через пористые прослойки никеля и меди // Автоматическая сварка. 2015. № 9 (745). С. 15-21.
12. Пешков В.В., Булков А.Б., Ларсов С.М. Влияние микроструктуры контактных поверхностей на образование соединения при диффузионной сварке титана // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13. № 2. С. 91-95.
13. Пешков В.В., Булков А.Б., Максименков В.И., Коломенский А.Б. Диффузионно-сварные титановые тонкостенные слоистые конструкции // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2018. Т. 14. № 1. С. 138-146.
14. Диффузионные процессы и их физико-математическое описание при сварке порошковых материалов / В.Н. Гадалов, Е.В. Скрипкина, А.Г. Беседин, А.Е. Гвоздев, С.Н. Кутепов, О.В. Пантюхин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. № 7. С. 65-77.
15. Металлография металлов, порошковых материалов и покрытий, полученных электроискровыми способами / В.Н. Гадалов, В.Г. Сальников, Е.В. Агеев, Д.Н. Романенко. М.: Изд-во Инфра-М, 2020. 468 с. (научная мысль).
16. Гадалов В.Н., Беседин А.Г., Пинаев Б.В. Исследование и анализ напряженно-деформированного состояния металла конструкций с использованием теплового контроля для его диагностики // В сб.: Актуальные вопросы науки, нанотехнологий, производства. Сборник научных статей Международной научно-практической конференции. Курск, 2021. С. 49-59.
17. Гадалов В.Н., Скрипкина Ю.В., Петренко В.Р. Изучение напряженно-деформированного состояния интерметаллидной прослойки при диффузионной сварке титано-алюминиевых конструкций // Сварочное производство. 2021. № 9. С. 44-47.
18. Люшинский А.В. Сравнение некоторых методов интенсификации процесса диффузионной сварки // Сварочное производство. 2021. № 12. С. 22-29.
19. Металловедение сварки с практикумом по технологии конструкционных материалов (ТКМ), специальными методами сварки и пайки, контролю качества сварных соединений: учебное пособие для вузов / В.Н. Гадалов, В.Р. Петренко, С.В. Сафонов, О.М. Губанов, Ю.В. Скрипкина. М.: Аргамак-Медиа, 2021. 400 с.
20. Мониторинг насыщения поверхностей крупногабаритных штамповок из сплава ВТ20 добавками внедрения / В.Н. Гадалов, О.М. Губанов, И.В. Ворначева, А.В. Филонович, П.В. Широбоков, А.Н. Халин // Упрочняющие технологии и покрытия. 2022. Т. 18. № 2 (206). С. 56-60.
Гадалов Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Кутепов Сергей Николаевич, канд. пед. наук., доцент [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Петренко Владимир Романович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Воронеж, Воронежский государственный технический университет,
Калинин Антон Алексеевич, заместитель директора по коммерческим вопросам издательства ТулГУ, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
MONITORING OF THE FEATURES OF THE FORMATION OF THE CONNECTION OF THIN-WALLED STRUCTURES MADE OF SHEET TITANIUM ALLOYS BY DIFFUSION WELDING
V.N. Gadalov, S.N. Kutepov, V.R. Petrenko, A.A. Kalinin
The article presents the results of the analysis with an assessment of the features of the formation of products from thin-walled sheet structures made of titanium alloys using diffusion welding technology.
Key words: joint formation, thin-walled sheet structure, titanium alloy, diffusion welding, deformation, welding pressure, physical contact, skin thickness, filler, initial structure, interfacial boundary, structurally inhomogeneous filler.
Gadalov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical science, professor, [email protected], Russia, Kursk, Southwest State University,
Kutepov Sergey Nikolaevich, candidate of pedagogical science, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Petrenko Vladimir Romanovich, doctor of technical sciences, professor, head of department, [email protected], Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University,
Kalinin Anton Alekseevich, Deputy Director for Commercial Affairs of TulSU Publishing House, antony-ak@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.879.063
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-643-646
ГРЕЙФЕР С ИЗМЕНЕННОЙ МЕХАНИКОЙ ЗАЧЕРПЫВАНИЯ
Г.Г. Бурый
В статье рассматриваются виды грейферов для зачерпывания крупнокусковых и сыпучих материалов и недостатки их конструкции. Приведена конструкция грейфера, которая может быть применена для зачерпывания, как для крупнокусковых, так и для сыпучих материалов. Описано устройство и назначение отдельных узлов и деталей предлагаемого грейфера. Приведены преимущества предлагаемого грейфера в сравнении с серийными грейферами.
Ключевые слова: грейфер, зачерпывание, челюсть, конструкция, сыпучие материалы.
Перемещение и погрузка сыпучих материалов, таких как уголь, песок осуществляется преимущественно экскаваторами. Однако в случаях транспортирования больших объемов применение экскаваторов неэффективно. В этом случае используют краны с рабочими органами грейферами. Также в отдельных случаях, когда речь идет о перемещении крупнокусковых материалов, необходим другой вид грейфера - лепестковый. Двухчелюстной грейфер состоит из двух ковшей смыкающихся при зачерпывании материала. Основные виды грейферов приведены на рис 1.
а б
Рис. 1. Виды грейферов: а - челюстной грейфер; б - лепестковый грейфер
Привод челюстей грейфера возможен либо механический с помощью канатов, либо гидравлический. Сопротивление зачерпыванию ограничивает объем зачерпываемого материала за один цикл, так как для преодоления сил сопротивления устанавливается привод определенной мощности. Установка привода более высокой мощности для больших объемов зачерпываемого материала, без сомнения ведет к удорожанию конструкции крана. В определенных условиях необходимо использование двух видов таких грейферов одновременно, ввиду разного размера зачерпываемых материалов. Замена одного грейфера на другой в этом случае трудоёмкий процесс, а использование двух кранов с разными видами грейферов требует дополнительных денежных средств. Следует отметить, в случае зачерпывания одновременно кусковых и сыпучих материалов коэффициент заполнения обоих видов грейфера будет недостаточен. Так, при использовании челюстного грейфера, может возникнуть невозможность смыкания челюстей, а лепестковый грейфер совсем не предназначен для сыпучих материалов. Таким образом, на сегодняшний день есть два недостатка применения грейферов: недостаточная маневренность элементов челюстного грейфера и недостаточный коэффициент заполнения челюстного и лепесткового грейфера в случае зачерпывания материалов разного размера [1 - 7].
