CC BY
19
УДК 621.983; 539.974
ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНА И СХЕМЫ ИХ НАГРУЖЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ НА ФОРМИРОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ В СОЕДИНЕНИЯХ
М.В. Семеноженков
Приведены результаты исследования напряженно-деформированного состояния слоистых конструкций из титана, элементы которых соединены с помощью диффузионной сварки. Использованы методики, построенные на основе метода конечных элементов, а также теории упругости. На основе анализа результатов вычислительных экспериментов установлены условия влияния соотношения размеров элементов конструкций из титановых сплавов на формирование дефектов при их сварке. За основной фактор, влияющий на неравномерность перехода титана в пластическое состояние по контактной поверхности соединения элементов конструкции, принята эпюра распределения контактного давления. Выявлено влияние технологического листа, через который передается давление на свариваемые заготовки, на характер распределения нормальных напряжений по контактным поверхностям. Показаны расчетные данные исследования влияния сил трения на эпюру распределения контактных сил между соединяемыми деталями. Представлены рекомендации для проектирования конструкций изделий из титана, а также определения параметров технологического процесса диффузионной сварки, обеспечивающие минимальную вероятность появления дефектов в процессе их сварки
Ключевые слова: лист, заполнитель, толщина, напряжения, контактные силы, распределение, податливость, рекомендации
Сварка заготовок из титановых сплавов происходит при пластическом состоянии слоев металла в зоне, близкой к контактным поверхностям. Согласно условию Мизеса [1] наступление пластического состояния зависит от величины нормальных и касательных напряжений (контактных сил) в зонах, прилегающих к поверхностям, по которым необходимо обеспечить соединение заготовок. Известно [2], что силы контактного взаимодействия деталей распределены неравномерно и эпюра нормальных сил зависит от геометрии сжимаемых заготовок. Равномерное распределение обеспечить практически
невозможно, но, тем не менее, необходимо стремиться к обеспечению максимальной равномерности, т.к. это приведет к уменьшению вероятности появлению зон, в которых не произойдет диффузионного соединения заготовок и появятся дефекты.
Исследование направлено на получение информации о распределении контактных сил и напряженного состояния в зоне контакта заготовок с учетом контактной податливости сотового заполнителя и несущей обшивки, а также деформаций заготовок под действием технологических нагрузок.
Технологическое давление сварки принималось равным р = 1 МПа. Толщина 5О листов 2, 3 обшивки принята равной 1 мм, толщина 5З листа 1 заполнителя изменялась в пределах от 0,2 до 1 мм (рис.1).
Высота h заполнителя (расстояние между листами обшивки) рассматривалась в интервале от 2 до 10 мм. Конструкция нагружалась непосредственно технологическим давлением на листы обшивки, а также через технологический лист. Исследование выполнено методом конечных
Семеноженков Максим Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 246-55-45
элементов (МКЭ) с использованием модуля Pro/MECHANICA программного комплекса Pro/ ENGINEER. При разбиении на конечные элементы проводилось сгущение сетки в контактных зонах.
Рис. 1. Схема нагружения
Картины напряженного состояния для различных вариантов конструкций приведены на рис. 2, 3. Рядом с изображением общего напряженного состояния конструкции приводятся фрагменты изображения напряженного состояния в зонах, прилегающих к контакту - свариваемым поверхностям. Видны значительные повышения напряжений в краевых зонах контактов, и картина распределения напряжений вглубь элементов. При
толщине заполнителя §З = 0,2 мм (рис.2) поле
напряжений в зоне опоры заполнителя на нижний лист не выходит на нижнюю опорную поверхность,
а при толщине заполнителя 5З = 1 мм (рис.3) зона
повышенных напряжений охватывает сечение нижнего листа по всей толщине. В верхнем листе напряженное состояние соответствует деформации изгиба, при которой верхние слои растягиваются, а нижние сжимаются.
Напряжения сжатия (стх) нижних волокон верхнего листа имеют максимальное значение в средней части контактной зоны. Поперечные деформации еу в направлении оси у распределены вдоль контактной поверхности в направлении оси х также неравномерно, достигая максимальных значений в средней части. Таким образом, имеет место вспучивание листа обшивки в направлении вертикальной оси к заполнителю. Поперечные деформации еу оказывают существенное влияние на характер распределения исследуемых контактных давлений.
соотношением толщины
заполнителя и его
Рис. 2. Напряженное состояние конструкции при высоте заполнителя h = 10 мм, толщине 3З = 0,2 мм
Рис. 3. Напряженное состояние конструкции при высоте заполнителя h = 10 мм, толщине З3 = 1 мм
Распределение напряжений в конструкции с
высотой заполнителя h = 2 мм и шириной З3 = 0,2
мм аналогично рассмотренному варианту.
На рис.4 приведены эпюры распределения контактных сил по ширине заполнителя при его
ширине З3 = 0,2...1 мм и высоте h =10 мм для
верхнего (эпюра 1) и для нижнего (эпюра 2) листов. Видно существенное влияние условий нагружения на неравномерность распределения контактных сил. Выявлена также зависимость концентрации контактных сил от соотношения размеров свариваемых элементов.
Значения коэффициента к концентрации нормальных сил составят соответственно 1,2 и 4,2. Видно, что в этом случае предельным
высоты h, превышение которого может привести к раскрытию стыка, является величина S3 /h = 0,1. и МПа
150
30
0 0 05 0,1 0 15
и МПа
50
40
30 1
20 1 \ \ 2 / / / 1 / 1 / /
10
b, мм 0,2
а)
b , мм
0,2
0,4
0,6
0,8
1 б)
Рис. 4. Распределение контактных сил по ширине заполнителя толщиной З3 = 0,2 мм (а) и
д3 = 1 мм (б)
Применение схемы комбинированного нагружения при соединении давлением с целью получения качественных конструкций при действии нормальных и касательных сил требует обоснования условий и параметров такого нагружения. Определение оптимального направления действия сдвигающих сил выполнено на основе рассмотрения решения задачи [3] (рис.1) давления полосового элемента 1 (заполнителя) шириной 83 конструкции на упругий лист 2
толщиной 8О. Верхний лист 3 свариваемой
конструкции нагружен технологическим давлением р сварки через технологический лист 4.
Граничные условия рассматриваемой задачи:
и2^) = 0;
Тху^) = 0;
Tyz(xoz) = 0; Тху(х 8О z) = 0;
Tyz(x 5О z) = 0;
сту(х 5О z) = 0 - на недеформированной поверхности листа;
и1 и и2 - перемещения точек заполнителя и листа в направлении оси 0у.
01 + о2 = а - для точек контакта (здесь а = а! + а2 - сближение элемента заполнителя а! и листа а2 при сжатии);
Поперечная сила Рх действует в направлении оси х.
Предполагается, что нормальная Р и сдвигающая Рх силы связаны соотношением Рх = /•Р (/ - коэффициент трения). Сжимающая сила Р, отнесенная к длине заполнителя вдоль оси z, зависит от давления р.
Эпюра давления по контактной плоскости заполнителя для поставленной задачи определялось по зависимости [3] (-0,55З < х<0,55З)
q( x) =
P ■ cos nX
2 - x2
i 8Ч - x Л ( 5Я + xЛ
3 +
S3 + x
S3 - x
где X = 1/л arc tg [/ E/2 (1 - ц) G]; E - модуль упругости, G - модуль сдвига, ц - коэффициент Пуассона материалов соединяемых заготовок.
Расчеты выполнены по приведенной зависимости при значениях механических характеристик E = 1,1105 МПа, G = 0,5 -105 МПа,
ц = 0,4 и при Р = 1 МН/м, дЗ = 1 мм.
Распределение давления q(x) между заполнителем и нижним листом вычислено при различных величинах коэффициента трения / = 0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4.
На рис.5 показан график изменения величины максимальных контактных сил в зависимости от коэффициента трения между свариваемыми элементами.
Рис. 5. Зависимость максимальных контактных сил от коэффициента трения
Видно, что с повышением коэффициента трения / неравномерность усиливается, и такое решение нельзя признать эффективным.
Снижение коэффициента трения путем применения смазки нельзя считать рациональным решением, т.к. при наличии между свариваемыми
элементами промежуточной среды ухудшаются условия для возникновения адгезионных связей.
Поэтому необходим поиск решения, исключающего влияние сил трения на неравномерность распределения контактных сил. Как известно, силы трения всегда направлены против скорости скольжения. Таким образом, если к сжимаемым элементам приложить силу, действующую вдоль оси z, то силы трения (касательные контактные напряжения) развернутся в направлении оси z, и их влияние на возникновение зон затрудненной деформации в направлении оси х значительно снизится. Это утверждение основывается также на принципе независимости действия сил. При такой схеме нагружения распределение нормальных сил не зависит от сил трения.
Выводы
1. Неравномерность распределения контактных сил зависит от соотношения размеров свариваемых элементов и при определенных вариантах размеров воздействие технологического давления может привести к раскрытию стыков соединяемых заготовок и появлению дефектов соединения.
2. Использование технологического листа при воздействии давления на элементы свариваемой конструкции приводит к исключению влияния соотношения конструктивных параметров свариваемых элементов на характер распределения контактных сил.
3. На основе рассмотрения контактных задач с учетом действия сил трения, предложена и обоснована схема комбинированного нагружения, обеспечивающая наиболее равномерное распределение сил контактного давления и минимизацию вероятности возникновения зон затрудненной деформации и дефектов.
Литература
1. Сторожев М.В. Теория обработки металлов давлением/ М.В. Сторожев, Е.А. Попов.- М.: «Машиностроение», 1971. - 424 с.
2. Штаерман, И.Я. Контактная задача теории упругости/И.Я. Штаерман. М.: Гостехиздат, 1949 - 270 с.
3. Семеноженков В.С. Обоснование технологических режимов соединения заготовок давлением / В.С. Семеноженков, М.В. Семеноженков, В.В. Пешков // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2012. -Т. 8. -№4.- С .134 -136.
я
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
f
Воронежский государственный технический университет
INFLUENCE OF THE GEOMETRY OF TITANIUM PARTS AND LOADING DIAGRAM DURING WELDING ON THE FORMATION OF DEFECTS IN JOINTS
M.V. Semenozhenkov
PhD, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation
e-mail: [email protected]
The article presents the results of a study of stress-strain state of layered titanium structures with diffusive welded joints. The study uses the techniques that are based on the finite elements method and the theory of elasticity. The influence of the ratio of dimensions of the structural elements made of titanium alloys on the defects formation when welding are established basing on the analysis of the results of computational experiments. The contact pressure distribution diagram is taken as the main factor that affects the nonuniformity of titanium transition to a plastic state over the contact surface of connection of the structural elements. The influence of technological sheet that transmits the pressure onto the welded workpieces on the distribution of the normal stress over the contact surfaces is revealed. The article also shows the calculated data of the influence of friction forces on the diagram of the contact forces distribution between the joined parts. Recommendations for designing titanium structures are given, as well as for defining parameters for technological diffusive welding, that ensure minimum probability of defects appearance during welding
Key words: sheet, filler, thickness, stress, contact forces, welding, distribution, plasticity, recommendations
References
1. Storozhev M.V., Popov E.A., "The theory of metals processing using pressure" (" Teorija obrabotki metallov davleniem "), Mechanical Engineering (Mashinostroenie) (1971): 424
2. Shtaerman, I.Ja., "The contact problem of the elasticity theory" ("Kontaktnaja zadacha teorii uprugosti"), State Technical Publishing (Gostehizdat) (1949): 270
3. Semenozhenkov V.S., Semenozhenkov M.V., Peshkov V.V., "Justification of technological modes for connection of workpieces by pressure " ("Obosnovanie tehnologicheskih rezhimov soedinenija zagotovok davleniem"), Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta) 8, 4 (2012): 134 - 136
