автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Исследование влияния формирования структуры поверхности свариваемых заготовок на несущую способность титановых конструкций

Матвеенко Дмитрий Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ СВАРИВАЕМЫХ ЗАГОТОВОК НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ТИТАНОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.02.01- «Материаловедение (машиностроение)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре 2006 г.

Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Комсомольское-на-Амуре Авиационное производственное объединение им. Ю.А. Гагарина»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Муравьёв Василий Илларионович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Верхотуров Анатолий Демьянович

кандидат технических наук, доцент Селезнёв Виктор Васильевич

Ведущая организация:

Институт машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения Российской академии наук г. Комсомольск-на-Амуре

Защита состоится «16» ноября 2006г. в часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.01 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «КомсомольскиЙ-на-Амуре государственный технический университет» (ГОУВПО КнАГТУ) по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина 27. Факс: (4217)54-08-87, E-mail mdsov @ Knastu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «Комсомольского-на Амуре государственного технического университета»

Автореферат разослан « рк2006г.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью организации, в двух экземплярах просим выслать по указанному адресу на имя учёного секретаря диссертационного совета.

Учёный секретарь

Диссертационного Совета

ДМ 212.092.01 ^

кандидат технических наук, ^ронин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность работы исходя из требований к эффективности, э¡кономичности и надёжности современных летательных аппаратов (ЛА), связанных с уменьшением материалоёмкости, увеличением удельной прочности и жесткости конструкций наиболее перспективными конструкционными материалами для них являются титановые сплавы. Наиболее перспективным направлением является изготовление титановых конструкций штампосварными из прогрессивных точных заготовок (профили, листы, штамповки).

Сварка плавлением титановых сплавов сопровождается образованием химической и физической неоднородности металла в зоне соединения, что, как правило, ведёт к снижению технологических и эксплуатационных характеристик. При этом появляются поры и микротрещины в металле шва, снижаются механические характеристики.

Поэтому эффективным средством увеличения надёжности и ресурса летательных - аппаратов является исключение пористости в сварных титановых конструкциях.

На сегодняшний день, механизм порообразования достаточно изучен, по которому для повышения плотности и снижения пористости сварных швов при сварке плавлением титана и его сплавов необходимо исключить источник зародышей газовых пузырьков на поверхности свариваемых кромок и присадочной проволоке, а при невозможности этого интенсифицировать дегазацию сварочной ванны до её полного завершения.

Предложен ряд (отдельных технологических операций) способов подготовки кромок под сварку существенно снижающих количество пор в сварных швах, но ни один из них не гарантирует полного исключения указанных дефектов, кроме того, эти способы усложняют процесс, трудоёмки и не гарантируют стабильности механических свойств.

Поэтому исследование влияния различных методов разделения материалов и, в особенности, современных с использованием высококонцентрированных источников энергии (лазерный, плазменный, электронно-лучевой и др.) на формирование структуры поверхности заготовки, её дефектность (степень деградации), адсорбционную способность на плотность металла шва и надёжность титановых конструкций являются актуальными и представляют научный и практический интерес.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с программой ОАО «КнААПО» «Глубокая модернизация существующих и разработка новых технологий производства изделий на уровне вхождения в международную систему разделения труда» на 2001-200бг.г.

Цель работы исследование влияния формирования структуры поверхности свариваемых заготовок на несущую способность титановых конструкций.

Для реализации поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

- анализ теоретических и экспериментальных исследований порообразования в металле шва титановых конструкций, выбор и обоснование направлений исследований повышающих плотность металла шва и эксплуатационную надежность конструкции;

металлографические и электронно-микроскопические исследования влияния газолазерного раскроя (ГЛР) в азоте и аргоне на геометрические параметры реза, макро, микрорельефа поверхности реза, макро-, микроструктуру, микротвёрдость, газонасыщение, химический состав поверхности реза и на свойства заготовок;

- исследования природы формирования поверхности раздела заготовок и их адсорбционной способности в зависимости от вида раскроя и последующей обработки;

- экспериментальные исследования влияния природы образования поверхности раздела заготовок на механизм формирования замкнутых полостей перед фронтом расплавленной ванны, на уровень дефектности (пористости) металла шва, на механические свойства металла шва;

- исследование уровня дефектности (пористости) металла шва в зависимости от вида раскроя заготовок и их последующей обработки и качества присадочной проволоки;

- разработка новых и оптимизация существующих технологий изготовления сварных конструкций из титановых сплавов;

- проведение производственных испытаний.

Научная новизна

1. Впервые установлены качественные и количественные закономерности формирования макро-, микрорельефа, изменения структуры, химического состава поверхности реза и свойств заготовок при газолазерном раскрое с использованием в качестве вспомогательного газа - технического азота. Показано, что при ГЛР титановых сплавов в среде азота в зоне резе формируется упрочненная с регулярным микрорельефом кромка, в поверхностном слое которой образуется смешанная структура - аморфная, кристаллическая и нанокристаллическая - переходящая в структуру с многослойным строением зоны термического влияния - игольчатая структура, ориентированная в пределах зерна с различными размерами игл. Отсутствует газонасыщение при ГЛР заготовок как в среде аргона, так и в среде азота. По параметрам акустической эмиссии при одноосном растяжении образцов можно контролировать качество реза с целью отработки оптимальных режимов ГЛР.

2. Изучено влияние различных видов раскроя заготовок на природу (разрушение, травление, плавление) формирования поверхности раздела заготовок. Аналитическая оценка процессов адсорбции, капиллярной конденсации жидкости на поверхности титановых заготовок позволила впервые классифицировать виды раскроя по адсорбционной способности, исходя из природы формирования поверхности раздела.

3. Получены новые результаты влияния видов раскроя заготовок на формирование металла шва титановых сплавов. Показано, что перед фронтом расплавленной ванны образуется не только зона диффузионной сварки, но и зона автономной очистки ограниченная верхней и нижней кромками плоскостей смыкания, имеющей выход в направлении движения ванны, по которому происходит удаление за счёт избыточного давления расширяющихся при нагреве продуктов испарения поверхностно-адсорбированной влаги. Удаление капиллярно-конденсированной влаги в этой зоне не происходит,

4. Впервые установлены количественные зависимости: уровня дефектности (плотности) металла шва и механических свойств от природы формирования поверхности раздела и конкретных видов раскроя и видов обработки кромок. Выбирая тот или иной вид обработки заготовок под сварку, можно с достаточной степенью точности прогнозировать и уровень дефектности поверхности заготовок, и уровень дефектности сварного шва после, их сварки и знать уровень несущей способности сварных швов конструкции при статических и повторностатических нагрузках.

5. Научная новизна подтверждена тремя патентами.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

На базе исследования влияния природы деградации, формирования рельефа, активации адсорбции влаги на поверхности стыкуемых под сварку кромок предложен принцип обоснования выбора технологических разделительных операций при изготовлении конструкций и прогнозирование их свойств.

Разработан классификатор, необходимый для назначения метода раскроя заготовок при разработке технологического процесса в зависимости от предъявляемых требований к эксплуатационной надёжности конструкции.

Предложен новый способ раскроя заготовок под сварку плавлением титановых сплавов (газолазерный раскрой в среде технического азота), исключающий порообразование в сварных швах.

Разработанные рекомендации по изготовлению титановых конструкций прошли опытно-промышленное испытание на КнААПО и готовится техдокументация для внедрения в серийное производство отрасли.

Экономический эффект от внедрения технологии составит 174627,47 руб. в год.

Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедрах ТСП и МиТНМ КнАГТУ в курсах «Материаловедение и технология производства материалов», «Технология производства сварных конструкций» и используется при выполнении научно-исследовательской работы студентами и аспирантами.

Основные положения« выносимые на защиту:

1. Анализ дефектов металла шва сварных соединений, их влияние на свойства и надёжность титановых конструкций, обоснование методов их устранения на базе известных теоретических закономерностей порообразования и достижений в решении проблемы.

2. Качественные и количественные закономерности формирования макро-, микрорельефа, изменение структуры, химического состава поверхности реза и свойств заготовок при ГЛР с использованием в качестве вспомогательного газа технического азота.

3. Результаты исследования природы формирования поверхности раздела и её адсорбционной способности в зависимости от вида раскроя и последующей обработки заготовок.

4. Сравнительные результаты исследования влияния видов раскроя заготовок на формирование металла шва, уровень его дефектности. Количественные зависимости: уровня дефектности (плотности) металла шва и механических свойств от природы формирования поверхности раздела и конкретных видов раскроя и видов обработки кромок заготовок,

5. Выявление условий и методов повышения механических свойств и надёжности сварных титановых конструкций.

Методы исследований в работе использовались как общеизвестные методики исследований, так и специально разработанные с участием автора.

Из числа известных: методы определения структурных, физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств штампосварных титановых конструкций

К числу новых можно отнести специальные акустико-эмиссионные, кинетика процесса разрушения образцов при испытании на растяжение, методика оценки механизма формирования замкнутых полостей в диффузионной зоне.

Экспериментальные данные обрабатывались методами математической статистики с помощью соответствующих пакетов прикладных программ (Microsoft Exel, Statistica и

др.).

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, в проведении статистического анализа дефектов сварных титановых конструкций; анализ литературных источников, в проведении аналитической оценки рельефа поверхности кромок, их поверхностного и приповерхностного слоя, в получении и обработке данных исследований по активации и адсорбции влаги на поверхности заготовок, раскроенных различными методами; в проведении оптических, металлографических, физико-механических и др. исследований.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, большим объёмом экспериментальных данных и сопоставлением полученных результатов с данными других авторов.

Апробация работы основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, совещаниях и семинарах: научно-технических конференциях аспирантов и студентов (Комсомольск-на-Амуре 2002-2006г.г.); первая научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» г. Москва, 2002г.; IV-я международная научно-техническая конференция «Лазерные технологии и средства их реализации» г. Санкт-Петербург, 2003г. ; Всероссийская научно-техническая конференция МАТИ - сварка XXI века «Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве» Москва, 2003г.; Дальневосточный информационный форум «Роль науки, новой техники и технологии в экономическом развитии регионов» г. Хабаровск, 2003г.; III-я конкурсная конференция молодых специалистов авиационных, ракетокосмических и металлургических организаций России «Новые материалы и технологии в авиационной и ракетно-космической технике», г. Королёв. 2004г. ; П-я научно-практическая конференция молодых учёных и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности», ОКБ « Сухого » , г. Москва, 2004г.; ХХ-я научно-техническая конференция ОАО «КнААПО» «Созданию самолётов высокие технологии», г, Комсомольск-на-Амуре, 2005г.; Китайско-Российский форум молодых учёных, Китай, г. Ченду, 2005г.; IX-я Международная конференция в электронном формате «Градиентные структурно-фазовые состояния в сталях и сплавах», г. Новокузнецк 2006г.

Публикации по материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, подано 5 заявок на предполагаемое изобретение, на 3 из них получены патенты.

Объём работы диссертация состоит из введения, 5 глав, списка литературы и приложений. Материалы работы изложены на 132 страницах, содержит 28 таблиц и иллюстрированы 46 рисунками. Список литературы содержит 60 наименований. Автор искренне признателен всем коллегам за содействие в выполнении настоящей работы, лично научному руководителю д.т.н., профессору В.И. Муравьёву и научному консультанту «.т.н. Физулакову P.A. за консультации, поддержку и внимание к работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, сформулирована цель и методы ее достижения; показана научная новизна и практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту, апробация работы и публикации.

В первой главе на основе аналитической оценки дефектов металла шва сварных титановых конструкций и аналитического обзора отечественной и зарубежной литературы, рассмотрены факторы, влияющие на образование дефектов в особенности пор в серийном производстве ЛА их влияние на надежность конструкций и современные научные представления порообразования в металле шва титановых сплавов и современные достижения в области повышения плотности металла шва.

Из причинно-следственной диаграммы выявилось, что наиболее существенными факторами, влияющими на порообразование являются вид раскроя заготовок и последующая обработка при подготовке кромок под сварку.

К настоящему времени накоплен достаточно обширный материал, как в теоретическом, так и в практическом плане по решению проблемы порообразования в металле шва титановых конструкций. Следует отметить исследования Казакова Н.Ф., Лукина, Редчица В.В., Никифорова Г.Д., Фролова В.В., Матюшкина Б.А., Цвиккера У., Панина В.Е., Громова В.Е., Зуева Л.Б., Троицкого O.A., Блощук В.Е., Замкова В.Н., Гуревич С.М., Шаршорова М.Х., Муравьёва В.И., Долотова Б.И., Колачёва Б.А., Горшкова А .И. и др.

Из аналитической оценки закономерностей порообразования в сварных швах титановых сплавов следует, что наиболее достоверной является теория В .В. Редчица, Г.Д. Никифорова. При нагреве в процессе сварки кромки сдвигаются, и происходит образование твердофазного соединения в стыке кромок перед сварочной ванной, приводящее к завариванию дефектов торцов кромок и образованию газосодержащих замкнутых полостей, формирующих при расплавлении газовые пузырьки.

Как видно из данных таблицы 1 предложен ряд способов подготовки кромок под сварку существенно снижающих количество пор в металле шва, но ни один из них не гарантирует полного исключения дефектов. Кроме того, они усложняют процесс, трудоемки и не гарантируют стабильности механических свойств. Обращает внимание тот факт, что большинство исследований проводилось для отдельных технологических операций, попытки комплексного решения проблемы улучшения качества металла шва титановых конструкций практически предпринималось редко.

Заслуживают внимания исследования рифления торца одной из кромок с целью создания вертикальных газоотводящих каналов после сборки кромок под сварку. В особенности этот метод приемлем при использовании современных способов разделения материалов высоко концентрированным и источниками энергии, например лазерным излучением. Исследований в этом плане очень мало, в основном для малых толщин. Исходя из этого, для существенного повышения эффективности существующих и разработки новых технологических операций изготовления сварных титановых конструкций и прогнозирования их свойств, сформулирована цель и задачи исследования.

Таблица 1

Достижения в области сокращения пор в металле шва титановых сплавов (по данным Редчица В.В., Никифорова Г.Д., Муравьева В.И., Долотова Б.И., Лозеева)

Пути решения проблемы Метод раскроя, вид обработки, режим сварки Число пор на 100 мм шва, шт.

Традиционные методы Резка на гил-не/ зач. щеткой/ фрезер/ шабр. 31-71/35-47/ 6-12/9-12

Бездефектные кромки Формирование шва по цельной пластине/ полирование 0/1-3

Увеличение времени существования сварочной ванны Время существования расплавленной ванны: 1сек./2сек73сек. при импульсной сварке 32/15/8

Число переплавов 1раз/ 2раза/3раза/4раза 107/31/20/18

Сварка Ш-образным вольфрамовым эл-дом 0-13

Сварка под флюсом: без флюса/ МпС1г 1А1С1г 10-205/0-60/0

Создание зазора Сварка с зазором: 0мм/0,1 мм/0,2мм/0,Змм 118/27/5/0

Рифление кромок: без рифл./ фрезер./ ударн. 72-108/50/57

Во второй главе приведены исследования влияния газолазерного раскроя (ГЛР) на формирование рельефа, структуры и химического состава поверхности реза титановых заготовок и на их свойства.

Раскрой образцов из листовых заготовок (толщина от 1,2 до 4мм) сплавов ОТ4-1 и ВТ20 проводили на лазерной установке ВУЗТЯОЬПС - ВУБТАИ. 3015 с использованием технологического газа азота заводского производства класса 4,5, а также высокой чистоты аргона. Мощность лазерной установки составляет 1800 Вт, а образцы изготавливались при 80% от максимальной мощности лазерной установки. Давление газа на выходе составляло 1,3 МПа.

Поверхность реза титановых образцов (рисЛ) имеет характерные для ГЛР регулярно чередующиеся бороздки имеющие различную конфигурацию у образцов раскроенных в среде азота и аргона. Общим для них являются чередующиеся зоны четко выделяющиеся различным наклоном к направлению обработки и шероховатостью.

Минимальные изменения ширины реза (Ы, Ь2) в зависимости от скорости резания свидетельствуют о высокой степени точности раскроя заготовок (рис.2). Наиболее важными параметрами определяющими качество реза являются ширина измененного слоя Ь0 и высота грата Ь1. Оба эти параметра уменьшаются с увеличением скорости резания, но чрезмерное её завышение может привести к частичному непрорезу. Образующийся на нижней кромке поверхности реза грат (вытесненный вспомогательным газом закристаллизовавшийся расплавленный металл) легко удаляется при оптимальных режимах ГЛР.

Как для кислорода, так и для азота уже при ничтожно малом давлении создаются термодинамические возможности образования оксидов и нитридов на поверхности титана и тем не менее существуют различия. *

^ * Л.;А $

Рисунок 1 - Вид регулярного расположения бороздок на поверхности реза образцов сплава ВТ-20 после ГЛР: (а,в)- в азоте, (б,г)- в аргоне. I-зона мелких бороздок на входе лазерного луча, II- зона бороздок средней величины, III- зона укрупненных бороздок на выходе лазерного луча, IV- грат на выходе лазерного луча.

Рисунок 2 -Зависимость параметров геометрии реза от скорости резания. Ы- ширина реза на входе лазерного луча; Ь2- ширина реза на выходе лазерного луча; ЬО- ширина окисленной зоны поверхности на выходе лазерного луча; Ы-высота грата.

Соединение "ПЫ- одно из самых устойчивых при высоких температурах, температура плавления составляет 2950±30°С, намного выше температуры плавления

титана (1668°С) и температуры плавления оксидов (772 Ог - 1640°С). Диффузионная подвижность азота в титане меньше, чем кислорода. Поэтому при ГЛР титана в среде азота образуется (в отличие от кислорода оксид плавится раньше чем титан) устойчивый с высокой температурой плавления нитрид титана который во все время плавления металла предохраняет от непосредственного контакта струю азота с расплавом металла и тем самым обеспечивает устойчивый управляемый режим резки, когда титан плавится, и газовая струя азота удаляет расплав из зоны реза.

С поверхности реза в процессе ГЛР образца титана в зоне разделения идет процесс отрыва, отделение жидкой фазы от твёрдой в виде плёнки до определенной толщины способной сопротивляться давлению газовой струи и затем произойдет её разрушение, чем медленнее скорость резки, тем большей ширины вытягиваемая плёнка (рис.3 а, б) для резки в азоте.

При ГЛР в среде аргона расплавленный металл с поверхности образцов, вытесняется из зоны реза без образования промежуточной твердой фазы и пленка выглядит в виде сглаженных зерен закристаллизовавшегося расплава (рис.3 в, е).

V :К V

I "и ^а I ""' ^ а*

Рисунок 3 - Макроструктура поверхности реза ГЛР сплава ВТ20 в азоте (а,б,г,д,ж), скорость резки:

- 2500 м м/м и н (а,в, г,е,ж),

- 4000 мм/мин (б,д).

Поскольку длительность локального нагрева участка металла до температуры

плавления под воздействием лазерного излучения составляет т > Ю"'с и примерно

и

соизмерима со временем охлаждения канала реза до температуры окружающей среды, это приводит к формированию поверхности реза аморфной структуры (рис.3 ж), когда не успевают вырастать центры кристаллизации металл затвердевает, как стеклообразная масса, в которой существует некий ближний порядок. Пленка с аморфной структурой претерпевает процесс термической обработки при воздействии лазерного луча происходит последовательное образование нового и нового канала и при этом в интервале температур кристаллизации осуществляется кратковременное тепловое воздействие на пленку предыдущего канала. В этих плёнках создаются квазикристаллические и нанокристаллические структуры, как показано на рисунке 5, из

которых видно, что структура пленки смешанная: аморфная, кристаллическая и нано-кристаллическая (фрагменты нанокристаллического мартенсита достигают значительных размеров), особенно на выходе лазерного луча, глубина её 3-7 мкм;' Прилегающая плёнка ЗТВ имеет сложное многослойное строение из-за существенного различия температурного воздействия от температуры плавления (1668 °С) до окружающей (25°С) (рис.5) образуется игольчатая структура, ориентированная в пределах зерна. Размеры игл в верхней части мелкие (7-10 мкм) затем переходят в крупные (20-25 мкм) и вновь уменьшаются (5-7 мкм) и исчезают при переходе к исходной структуре. Общая глубина ЗТВ составляет 35-40 мкм. Различия в значениях распределения микротвёрдости по глубине измененного слоя в образцах сплава ВТ20 после ГЛР, как в азоте, так и в аргоне, незначительные, что можно объяснить одним и тем же процессом упрочнения при высокой скорости охлаждения расплавленного металла. Изменение содержания легирующих элементов для всех режимов ГЛР находится в пределах допуска для титановых сплавов в соответствии с ОСП-90013-81. С поверхности на глубину ~2..3 мкм наблюдается отличное от сердцевины распределение легирующих элементов. Для алюминия и циркония наблюдается следующая закономерность: повышение от исходного содержания в поверхностном оплавленном слое, затем снижение от исходного содержания в переходной зоне и далее выравнивание до исходного. Для ванадия и молибдена зона повышенного содержания не обнаружена, наблюдается зона снижения и выравнивания до исходного содержания. Исследованиями газонасыщения поверхностного слоя образцов сплава ВТ20 после ГЛР как в азоте, так и в аргоне (таблица 2 ) существенного различия газовых примесей по сравнению с основным металлом не обнаружено. Значительное газонасыщение наблюдается в частицах грата.

Таблица 2

Содержание газовых примесей в частицах грата и поверхностном слое образцов из сплава ВТ20 после ГЛР в среде азота и аргона.

ГЛР в среде Скорость резки, мм/мин основной металл I поверхность реза | в частицах грата

содержание газовых п римесей,%

н2 Ог

азота 3000 0,0073 0,088 0,016 0,0053 0,073 0,013 0,012 0,122 3,65

аргона 2500 0,0089 0,075 0,010 0,0067 0,075 0,013 0,0097 0,94 0,62

Вышеизложенное позволяет утверждать, что газонасыщение, в частности азотом, при ГЛР образцов из сплава ВТ20 в среде азота практически не происходит.

Использование метода акустической эмиссии для исследования физико-механических свойств зоны реза позволяет контролировать качество реза с целью отработки оптимальных режимов ГЛР (рис.4).

Рисунок 4 - Параметры акустической эмиссии для образцов раскроенных на различных скоростях резания.

Рисунок 5 - Микроструктура сплава ВТ20 после ГЛР в среде азота: в зоне выхода лазерного луча (а)- поперечный срез, (б,в)- срез под углом 35°; в среде аргона: в зоне входа лазерного луча (г)- поперечный срез, в в зоне выхода лазерного луча (д>-поперечный срез, (е)- срез под углом 30°.

В третьей главе приведены результаты исследования шероховатости макро-, микрорельефа и структуры поверхности раздела заготовок их адсорбционной способности загрязнений и влаги в зависимости от вида раскроя.

Металлографическими и электронно-микроскопическими исследованиями поверхности раздела кромок заготовок выяснилось, что по природе формирования кромок раздела известные виды раскроя можно подразделить на три типа или класса. Формирование рельефа кромки: I- разрушением, II- травлением, III- плавлением. Операции раскроя механическим воздействием (резка на гильотинных ножницах (рис.6 а, б, в); фрезерованием (рис.6 г, д) сопровождается процессами деформации и разрушения (I), т.е. нарушением целостности волокон металла, разрыхлением поверхностного слоя, образованием макро-, микро- и субмикротрещин. Операции химического, электрохимического травления, электроэрозионного раскроя (рис.6 з, е, ж, и), вакуумной обработки сопровождаются процессами избирательного растравливания (II) поверхности за счет разной скорости диффузии атомов и молекул

по поверхности, по границам зерен и т.д. при воздействии электролитов и испарении элементов в вакууме. Операции раскроя воздействием высоко кон центрированных "источников энергии (лазерный, плазменный и электроннолучевой раскрой и др.) сопровождается процессами плавления (III) и в отличие от первых двух исключают разрыхление поверхностного и приповерхностного слоя, создают на поверхности оке ид но-н итр ид ну ю пленку, приповерхностный слой со значительным увеличением твердости и поверхность заготовки с регулярным микрорельефом (рис.1,3,5).

Из сказанного следует, что параметр шероховатости (Ra, Rz) не в полной мере характеризует качество сформированной поверхности раздела, необходимо учитывать глубину разрыхленного слоя с образованием в нем макро-, микро- и субмикротрещин и глубину растравливания особенно по границам зерен.

Высокая химическая активность титана и его сплавов вызывает на их поверхности процессы физической адсорбции и в последующем- процессы хемосорбции. Обычно скорость физической адсорбции весьма велика, адсорбционное равновесие достигается за считанные секунды (10.. .20 сек), причем 90-95% адсорбирующегося вещества связывается с адсорбентом уже за 1...2 сек.

Помимо адсорбционного процесса веществ, во множестве капиллярных углублений и полостей шероховатой поверхности может протекать процесс капиллярной конденсации влаги.

Пар над конусообразной поверхностью будет насыщенным и конденсироваться, если его давление больше или равно определенному из уравнения Томсона (Кельвина) следует, что

рк= ps expf'2aVm\ (I)

l rRT )

где <7 -поверхность натяжения воды; Vm- мольный объем воды.

Вероятность капиллярной конденсации влаги увеличивается с уменьшением темпера-туры конденсации, и она особенно велика при переносе охлажденных деталей в теплую среду, скорость капиллярной конденсации влаги значительно меньше чем адсорбция влаги открытой поверхностью титана.

Адсорбционная емкость Qs единицы геометрической площади адсорбента определяется выражением

где ns- число монослоев; Ks - коэффициент шероховатости; qs - объем газа, эквивалентный монослою, на единице истинной поверхности cmVcm2.

Расчет Qs в случае адсорбции влаги при ns, равном 100, показывает, что с

увеличением коэффициента шероховатости до 500 объем паров влаги, выделяющийся с 1 см2 геометрической поверхности, может достичь 1,055 см'.

Процессы удаления жидкости адсорбированной на поверхности стыкуемых кромок не представляют существенной сложности по сравнению с процессом удаления капиллярно- конденсированной жидкости из полости дефектов.

Любой вид раскроя заготовок, исключающий образование на поверхности макро-, микро- и субмикротрещин (дефектов обуславливающих капиллярную конденсацию влаги), будет иметь адсорбированную на поверхности влагу легко удаляемую не зависимо от ее количества обусловленного развитой шероховатостью. Этому условию отвечают операции (№№ 7,13,14,15 таблица 4). пластическая деформация обкаткой

кромки раздела, формирование структуры плавлением поверхности раздела высококонцентрированными источниками энергии.

Рисунок 6 - Макро-, микроструктура: кромок заготовок из сплава ВТ20 после раскроя: а, б, в- на гильотинных ножницах; г, д- чистовое фрезерование; з- электроэрозионный раскрой (увеличение X 300) и присадочная проволока ВТ1-00св с дефектами в виде макро-, микротрещин- е, ж, и.

Это свидетельствует о том, что критерий количественной оценки адсорбированной влаги на поверхности кромок заготовок по параметрам шероховатости не корректно применять для любых видов раскроя, необходимо учитывать глубину (Ь) дефектного слоя (таблица 3).

Аналитическая оценка процессов адсорбции и капиллярной конденсации жидкости на поверхности титановых заготовок позволила классифицировать виды раскроя по адсорбционной способности исходя из природы формирования поверхности раздела (таблица 3).

В четвертой главе приведены научно обоснованные экспериментальные исследования влияния природы образования поверхности раздела кромки заготовок: на механизм формирования замкнутых полостей перед фронтом расплавленной ванны; на

Таблица 3

Влияние вида технологической операции обработки заготовок на деградацию их поверхностного слоя и активизацию его адсорбционной способности.

Вид технологической Рельеф Поверхностный, приповерхностный слой металла Активизация адсорбции влаги на поверхности

операции Природа деградации & я) Шероховатость X X % 5 * I*- й, к 5 X V II * я о В. X £ X ♦ 3 % р |е з 1 £ г 8 X капиллярная

§5 <а & Ка, мкм Яг,мкм X V «3 1 И, 2 ? % 1| и * О о я ¡¡1 С а 1 3 X О а 3 а* £ 2 2 * 1§ 2 » а. X « ¿111 X о. £ 3 & £ конденсация А, мкм

I. Раскрой на гильотинных ножница V X ХМР - >320 80 1-3 0,1-3,0 0,5-1,0 10-15 * - 10-15 1-3 + 10-15

2. Раскрой на обсечиых, выру-бных штампах X V а >, & ХМР 80;40 2,5;и5 3-5 10-15 0,5-1,0 + 3-6

3. Фрезерование & ХМР 2,5;0,32 80;40 • - - 5-10 - • 10-15 0,3-0,5 + 1-6

4. Зачистка ме-таллич. щетками к § л ХМР 1,25 80;40 * - - 10-15 - * 10-15 0,3-0,5 + 3-6

5. Шабрение 1 а ХМР 1.25 80;40 - • - 5-10 - - 10-15 0,3-0,5 + 3-6

б.Шлифованке ' Полирование ХМР 0^2-0,16 - - • 0,01-,03 0,3-1,0 - • 10-70 0,01-0,03 + 0,25-1,0

7. Обкатка РМР 0,08 ;0,02 - - - - - - - 50-100 0,005- ,01 + 0-0,2

в.Элеетрозрозио-нный раскрой ХМР 0,2 5 ;0,32 40;20 • • - 1-10* 1,0 1,5 0,51.0 50-100 0,1-0,2 + 1-10

9.Элеетрохимии-ческое травление X X V 5 ХМР 2,5 0,16 * - - - 0,5*-1,0 2-3 - 0,02-0,025 + 0,5-1,0

Ю,Химическое травление £ н ХМР 0,08 0,02 • * - - 0,5М,0 * 2-3 - 0,02-0,025 + 0,5-1,0

11 .Термообработка в вакууме ХМР - 0,1 0,025 - * - 0,5*-0,8 • - - 0,001-0,003 + 0,5-0,8

12.Газопламенная резка * ХМР >320 * 1-3 1-3 3-5 100-350 >300 3-5 - 0

13.Плазменная резка X X и § РМР - 160 80 - 0,5-1,0 - 1-3 1.0-1,5 >300 0,15-0,20 - 0

14 Лазерная резка м § РМР * 40 20 - 0,1-0,8 0,01 0,03 0,51,0 0.1-0,2 >300 0,3-0,5 ™ л 0

15. Электронная резка РМР 2,5 0,04 ■ * - * . >300 0,01-0,06 - 0

Примечания: ХМР-хаотичный микрорельеф; РМР-регулярный микрорельеф. * - растравливание по границам зерен.

уровень дефектности (пористости) металла шва; на механические свойства металла шва.

Известно образование закрытых (герметичных) полостей под действием усилий возникающих при сварке возможно, если поверхности кромок сблизятся на величину (0,8...0,4) Rz. Теоретические исследования В.В. Редчица показали, что наиболее интенсивное развитие пластической деформации металла (Т>600...650°С) имеет протяженность ~ 0,12 см. В этой области сначала протекает процесс смятия выступов на величину порядка Rz, а затем пластическая деформация близлежащего объема металла. Рассчитанное напряжение в рассматриваемой зоне более чем на порядок превышает предел текучести титана при температурах близких к 650°С.

Кинетическое условие образования физического контакта и развития пластической деформации в рассматриваемой высокотемпературной зоне может быть выражено так:

г* > г (3)

ф S

где Хф - время развития физического контакта; X s - время длительности

существования металла при температуре выше 650°С, равное xJvQB - протяженность зоны пластической деформации).

Время развития физического контакта двух поверхностей в результате сглаживания выступов конусообразной формы (М.Х. Шоршоров ):

.. 'О 1 (О (4)

г . -----тА ехр — L W

^ BaZ д ЛкТ/

'к ~lQ__

1К В а у

где /к - длина образующей конуса; Д> — длина основания микровыступа; В - частотный

множитель (дебаевская частота), равный 10',3с''; <Уу -приложенное напряжение; тпд~

коэффициент, равный 4...5; Е— энергия активации ползучести.

Для (1К — /0)//к = 0,02 (что соответствует полному сглаживанию микровыступов

поверхностей с чистотой обработки Rz < 20) (<т~ I = 1450 МПа, Е = 16,11 х Ю'20 Дж и

* У ' к

при 1000 К время Тф = 0,25 с, т^ для рассчитываемого примера равно 0,6 с, т.е. более чем в два раза превышает тф /7/,

Выделяющиеся пары влаги в закрытом объёме начинают взаимодействовать с металлом. Поскольку процессом, контролирующим полноту протекания реакции титана с парами влаги, является растворение оксидной плёнки, то по скорости ее растворения в первом приближении можно судить о кинетике реакции.

Расчет времени растворения оксида! производил Э.С. Каракозов

, я а Рок ? 1 (5)

/= д------------wt

2 Рш s D n

где Д - толщина растворенной оксидной пленки; рме и рок - соответственно плотность металла и оксида; s и/— масса кислорода в единице объема металла и его оксида; D — коэффициент диффузии кислорода.

Длительность растворения оксидной пленки на титане толщиной 2 нм составляет 5,6; 0,12 и бхЮ*4 с при температуре 500, 600 и 800°С соответственно, а время нахождения титана выше 700...S00°C- 0,2 сек. видно, что скорость растворения оксида

титана при 800°С и выше весьма велика, т.е. процесс растворения оксидов в контактирующих участках микровыступов не лимитирует образование зон схватывания металлических поверхностей, а также развитие реакции влаги, находящейся в объёме закрытой полости, с металлом.

Экспериментальные исследования формирования соединения перед фронтом расплавленной ванны проводили на образцах, вырезанных из сварной заготовки и подвергнутых растяжению (рис.7). По всей зоне сплавления с диффузионной зоной образовалась цепочка пор, причем наиболее мелкие на самой кромке сплавления и увеличивающиеся по размерам при удалении от неё (рис. 8 г). Поры имеют круглую сферическую форму с гладкой поверхностью. Перед зоной плавления формируется диффузионная зона. Форма диффузионной зоны свидетельствует о сложном смыкании поверхности кромок в процессе плавления металла. В начальный момент происходит смыкание верхней кромки, затем процесс устанавливается и в заключительный момент смыкание нижней кромки наиболее интенсивное вплоть до вдавливания кромки в ответной заготовке.

Перед фронтом расплавленной ванны образуется не только зона диффузионной сварки, но и зона контактирования (зона автономной очистки) ограниченная верхней и нижней кромками плоскостей смыкания, имеющей выход в направлении движения ванны, по которому происходит удаление за счет избыточного давления расширяющихся при нагреве продуктов, испарения поверхностно-конденсированной влаги, продуктов диссоциации оксидно-нитридных пленок и загрязнений. Удаление капиллярно-конденсированных загрязнений в этой зоне не происходит.

Разделительные операции, образующие поверхность раздела разрушением (рис. 10) приводят к изменению уровня дефектности в широком диапазоне от максимального количества пор ( раскрой на гильотинных ножницах - 14-25%) до минимального уровня ( обкатка роликами -0,01-0%). Как видно на порядок уменьшается пористость в сварном шве заготовок, раскроенных фрезерованием, и на два порядка после обкатки- пластическим деформированием фрезерованной поверхности кромки.

Разделительные операции, образующие поверхность раздела избирательным травлением приводят к довольно высоким значениям уровня дефектности ( электроэрозионное разделение -10-16%) близким к значениям вызванных раскроем на гильотинных ножницах. Операции химического травления и отжиг в вакууме приводят к незначительному уровню дефектности на порядок, и на два порядка соответственно меньше чем электроэрозионное разделение.

Разделительные операции, образующие поверхность раздела плавлением приводят практически к нулевому значению уровня дефектности, несмотря на то, что поверхность имеет довольно высокие значения параметров шероховатости Ка, Яг (рис.8 б,д).

В случае комбинированного подбора заготовок формирование поверхности взаимодействия заготовок контактирующих под действием сжимающих напряжений перед фронтом расплавленной ванны, полностью повторяет регулярное чередование кромок каналов, образованных газолазерным раскроем первой

Линии разрушения

Направление растяжения образца до разрушения

Рисунок 7 - Сварной образец сплава ВТ20 для испытания на растяжение (Р-нагрузка) (а)- схема расположения зон сварного соединения, формирующихся перед фронтом расплавленной ванны в процессе сварки, (б)-продольное сечение образца по шву в участке А

1 — зона расплава; 2 — зона диффузионной сварки; 3 — зона контактирования; 4 — исходная

в)

■■ чЧу ■ ... .. ■ V. . ■ , < Л ;

Рисунок 8 - Изломы (Х10, а, б, в) и отдельные зоны изломов (г, д, е) сплава ВТ20 после испытания на растяжение по схеме рис.7 Кромки под сварку получены: (а, г)-фрезерованием; (б, д)- ГЛР; в- ГЛР+ ответная гильотиной; (е)- гильотиной.

а)

б)

II

Рисунок 9 - Рентгенограммы сварных листовых заготовок из сплава ВТ20 (а) и ОТ4-1 (б), раскроенных: I- на ножницах гильотинного типа; II- на электроэрозионном

станке; III- на фрезерном станке; IV- на лазерной установке, V- на фрезерном станке тавровой ААрДЭС с дефектной присадочной проволокой BTI-OOcb.

заготовки, на поверхности второй заготовки, раскроенной на ножницах гильотинного типа (рис. 8 в). Этому способствует высокая твердость и жаропрочность кромок каналов заготовки после ГЛР по сравнению с ответной заготовкой. Поэтому как и в предыдущем случае по всей зоне сплавления с диффузионной зоной пор нет.

Наличие на поверхности присадочной проволоки дефектного слоя в виде макро-, микро- и субмикротрещин и задиров (надрывов) (рис.6 ж, и), независимо от тщательности подготовки поверхности стыкуемых заготовок под сварку, в любом случае приведет к образованию пор (рис. 9 (V) ).

Наибольшее газонасыщение наблюдается в сварном шве заготовок с грубой микрогеометрией и наибольшей деградацией поверхностного слоя (табл.4). В самом сварном шве наибольшее количество газовых примесей наблюдается в зоне сплавления и наименьшее - в центре металла шва, что отвечает условиям порообразования.

Рисунок 10 - Гистограмма распределения уровня дефектности (<7 = 2^деф/ ^общ %) в зависимости от операций раскроя заготовок и вида

обработки после раскроя.

Рисунок 11 - Гистограммы распределения пор по количеству и их диаметру по длине сварного шва в зависимости от метода раскроя и марки титанового сплава:

(I - диаметр пор, мм; А - раскрой на гильотинных ножницах; В - раскрой газолазерной резкой в среде азота; 1, 2, 3, 4 - количество пор.

Изменение содержания газовых примесей (#2> , ) находится в пределах допустимых значений для данного сплава (таблица 4).

Таблица 4

Содержание примесей газов в основном металле и сварном шве

Вид технологической операции подготовки под сварку Участок сварного соединения Содержание примесей, %

о3 \h N2

ОМ 0,082 0,0052 0,027

Раскрой на ножницах МШ 0,090 0,0048 0,039

гильотинного вида ЗТВ 0,075 0,0098 0,042

ОМ 0,063 0,0064 0,027

Фрезерование МШ 0,077 0,0042 0,018

ЗТВ 0,072 0,0072 0,033

ом 0,070 0,0042 0,019

Газолазерный раскрой МШ 0,064 0,0036 0,028

ЗТВ 0,074 0,0055 0,032

Обозначения: ОМ-основной металл; МШ- металл шва; ЗТВ-зона термического влияния.

На основании результатов исследования влияния сформированных дефектов поверхности заготовок под сварку на уровень дефектности (Бдеф./Бобщ,-порообразования) металла шва и механических свойств <7в св./сув ом сварных соединений этих заготовок была выявлена зависимость этих показателей от вида обработки заготовок (рис. 12 )

Выбирая тот или иной вид обработки заготовок под сварку, можно с достаточной степенью точности прогнозировать и уровень дефектности поверхности заготовок, и уровень дефектности сварного шва после их сварки и знать уровень несущей способности сварных швов конструкции при статических и повторностатических

Рисунок 12 - Изменение уровня дефектности металла шва в зависимости от степени деградации поверхности заготовок при раскрое (а) и изменение временного опротивления разрыву сварного шва в зависимости от уровня его дефектности (б) и их связь с видом обработки (I-V). I-Обкаггка роликом; II-полирование; 111- шлифование; IV-фрезерование; V- раскрой на гильотинных ножницах. Сварка заготовок:

— д — Д - с дефектной присадочной проволокой;

—X—X - поверхность которых образована плавлением (ГЛР) и комбинированных;

- * — • - поверхность которых образована разрушением и травлением.

Общие выводы:

1. В работе проведены исследования и установлены закономерности влияния различных методов и, в особенности, современных методов разделения материалов с использованием высококонцентрированных источников энергии (лазерный раскрой): на ~ формирование структуры поверхности заготовки, её дефектность (степень деградации), адсорбционную способность; на плотность металла шва и его свойства и на их основе разработаны серийные высокоэффективные технологические процессы, позволившие решить актуальную проблему современного производства, связанную с исключением порообразования в металле шва, улучшением его механических свойств и обеспечения надёжности титановых конструкций летательных аппаратов.

2. Впервые экспериментально установлены и обоснованы качественные и количественные закономерности формирования макро-, микрорельефа, изменения структуры, химического состава поверхности реза и свойств заготовок при газолазерном раскрое с использованием в качестве вспомогательного газа-технического азота. Показано, что при ГЛР титановых сплавов в среде азота в зоне реза формируется упрочненная с регулярным микрорельефом кромка, в поверхностном слое которой образуется смешанная структура- аморфная, кристаллическая и нанокристаллическая- переходящая в структуру с многослойным строением зоны термического влияния- игольчатая структура ориентированная в пределах зерна с различными размерами игл. Отсутствует газонасыщение при ГЛР заготовок как в среде аргона, так и в среде азота. По параметрам акустической эмиссии при одноосном растяжении образцов можно контролировать качество реза с целью отработки оптимальных режимов ГЛР.

3. На базе аналитических и экспериментальных микро- и электронно-микроскопических исследований установлены закономерности влияния различных видов раскроя заготовок на природу формирования поверхности раздела, что позволило подразделить их на три группы формирования: разрушением, травлением, плавлением, а также впервые классифицировать виды раскроя по адсорбционной способности исходя из природы формирования поверхности раздела. Критерием количественной оценки адсорбированной влаги на поверхности кромок заготовок является не только параметр шероховатости (Яг, И.а) а и глубина (И) дефектного слоя (макро-, микро-, субмикротрещины, приповерхностный разрыхленный слой) обуславливающего капиллярную конденсацию влаги.

4. Получены новые результаты влияния видов раскроя заготовок на формирование металла шва титановых сплавов. Показано, что перед фронтом расплавленной ванны образуется не только зона диффузионной сварки, но и зона автономной очистки ограниченная верхней и нижней кромками плоскостей смыкания, имеющей выход в направлении движения ванны, по которому происходит удаление за счёт избыточного давления расширяющихся при нагреве продуктов испарения поверхностно адсорбированной влаги в этой зоне. Не происходит в этой зоне удаление капиллярно-конденсированной влаги.

5. Впервые установлены количественные зависимости: уровня дефектности (плотности) металла шва и механических свойств от природы формирования поверхности раздела и конкретных видов раскроя и видов обработки кромок. Выбирая тот или иной вид обработки заготовок под сварку, можно с достаточной степенью точности прогнозировать и уровень дефектности сварного шва после их сварки и знать уровень несущей способности сварных швов конструкции при статических и повторно-

статических нагрузках.

6. На базе исследования влияния природы деградации, формирования рельефа, активации адсорбции влаги на поверхности стыкуемых под сварку кромок предложены: принцип обоснования выбора технологических разделительных операций при изготовлении конструкций и прогнозирование их свойств; классификатор, необходимый для назначения метода раскроя заготовок при разработке технологического процесса в зависимости от предъявляемых требований к эксплуатационной надёжности конструкции; предложен новый способ раскроя заготовок под сварку плавлением титановых сплавов (газолазерный раскрой в среде технического азота), исключающий порообразование в сварных швах.

Разработанные рекомендации по изготовлению титановых конструкций прошли опытно-промышленное испытание на КнААПО и готовится техдокументация для внедрения в серийное производство отрасли.

Экономический эффект от внедрения технологии составит 174627,47 руб в год.

7. Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедрах ТСП и МиТНМ КнАГТУ в курсах «Материаловедение и технология производства материалов», «Технология производства сварных конструкций» и используется при выполнении научно-исследовательской работы студентами и аспирантами.

Основное содержание работы опубликовано в следующих работах:

1. Матвеенко, Д.В., Исследование влияния способа раскроя заготовок под сварку плавлением на плотность металла шва / Д.В, Матвеенко, P.A. Физулаков // 1-я научно-практичекая конференция «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности»: Авторефераты докладов.- Москва, 2002.12-14 ноября - С.228-231.

2. Муравьёв, В.И., Оптимизация свойств сварных титановых конструкций / В.И, Муравьёв, А.Г. Прохоров, А.В.Якимов, Н.А.Семашко, Р.А.Физулаков, Д.В.Матвеенко // Металлургия машиностроения, 2003.- Х»3,- С. 13-16.

3. Муравьёв, В.И., Исследование влияния режимов термической обработки на свойства сварных титановых конструкций / В.И. Муравьёв, A.B. Якимов, Н.А.Семашко, P.A. Физулаков, Д.В. Матвеенко // Материалы дальневосточного инновационного форума с международным участием «Роль науки, новой техники и технологии в экономическом развитии регионов» / Хабаровск, ХГТУ- 2003-4.2. - с. 214-219.

4. Муравьёв, В.И., Порообразование в сварных швах титановых сплавов сваренных из заготовок после газолазерного раскроя / В.И. Муравьёв, P.A. Физулаков, Д.В. Матвеенко// 4-я международная конференция «Лазерные технологии и средства их реализации»: Тезисы докладов. - Санкт-Петербург, 2003.24 - 26 сентября - С. 28-29.

5. Муравьёв, В.И., Влияние газолазерного раскроя на геометрию, макро- и микроструктуру поверхности реза титановых заготовок / В.И. Муравьёв, P.A. Физулаков, Д.В.Матвеенко // 4-я международная конференция «Лазерные технологии и средства их реализации»; Тезисы докладов.- Санкт-Петербург, 2003, 24 - 26 сентября - С, 29-30.

6. Муравьёв, В.И., Исследование влияния ГЛР в среде технического азота на свойства сварных соединений титановых сплавов, / В.И. Муравьёв, Д.В. Матвеенко // Всероссийская научно техническая конференция «МАТИ сварка XXI века»: Сборник докладов.- М, «МАТИ»- РГТУ им. Циолковского, 2003. 20-21 ноября - С. 49-53.

7. Муравьёв, В.И., Прогнозирование свойств сварных соединений тонколистовых конструкций из титановых сплавов/В.И. Муравьёв, Д.В. Матвеенко, П.В. Череповский // Авиационная промышленность, 2004,- №2. - С. 64-68.

8. Муравьёв, В.И., Порообразование при сварке титановых сплавов / В.И. Муравьёв, Д.В. Матвеенко, П.В. Череповский // Материаловедение, 2004.- №7.- С. 15-22.

9. Муравьёв, В.И., Обеспечение несущей способности сварных титановых конструкций / В.И.Муравьёв, Д.В. Матвеенко // Сварочное производство,- №9, 2004.- С.7-14.

10. Матвеенко, Д.В., Аналитическая оценка качества сварных соединений тонколистовых конструкций из титановых сплавов/ Д.В.Матвеенко, П.В.Череповский, В.И.Муравьёв // III-я конкурсная конференция «Новые материалы и технологии в авиационной и ракетно-космической технике»: Тезисы докладов.- Королёв, ИПК «Машприбор»- 2004. 11-13 октября - С. 31-34.

П. Матвеенко, Д.В., Разработка классификатора , технологической деградации поверхности стыкуемых под сварку кромок для прогнозирования свойств титановых конструкций / Матвеенко, Д.В. // П-я научно-практическая конференция «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности»: Авторефераты докладов,-Москва. ОКБ «Сухого», 2004. 26-28 мая -С. 414-418.

12. Муравьёв, В .И., Исследование влияния газолазерного раскроя на формирование рельефа, структуры и химического состава поверхности реза титановых заготовок / В.И.Муравьёв, Р.А.Физулаков, Д.В.Матвеенко, А.Ф.Мельничук, Н.А.Семашко // МиТОМ, 2005,-№2.-С.22-25.

13. Муравьёв, В.И., Обеспечение надёжности сварных титановых конструкций / В.И.Муравьёв, Д. В .Матвеенко, П.В.Череповский // Китайско российский форум молодых учёных, Сборник выступлений.- Ченду, 2005. 16-23 октября - С. 147-149.

14. Murav 'ev, V.I., Matveenko D.V. Ensuring the load-carrying of welded titanium structures / V.I. Murav 'ev, D.V. Matveenko // Welding International. 2005.- Volume 19, Namber 2 ISSN 0950 7116.-S. 138- 145.

15. Способ аргон оду го вой сварки: Пат. 2201320 Российская Федерация, МКИС1 7В 23К9/16В 23К103:14 / Долотов Б.И., Меркулов В.И.,Марьин Б.Н., Муравьёв В.И., Матвеенко Д.В.-№ 2001130911/02; Заявл. 15.11.01; опубл. 27.03.03, Бюл. №9. 6с.

16. Способ Подготовки кромок под сварку листовых заготовок из титановых сплавов: Пат. 2196032 Российская Федерация МКИ Cl 7В 23К 26/00,26/42 / Муравьёв В.И., Долотов Б.И., Марьин Б.Н., Макаров К.А., Матвеенко Д.В.-№200122743/02(024149); Заявл. 13.08.01; опубл. 10.01.03, Бюл. №1. 8с.

17. Способ получения нитрида титана: Пат. 2247070 Российская Федерация, МКИ Cl С01В21/076 / Марьин Б.Н., СемашкоН.А., Муравьёв В.И., Мельничук А.Ф., Матвеенко Д.В. - № 2003129703/15; Заявл. 06.10.03; опубл. 27.02.05, Бюл.№6. 4с.

Подписано в печать 05.10.2006

Формат 60x84 1/16. Печать офсетная.

Усл. Печ. л. 1,40. Уч.- изд. л. 1,35. Тираж 100. Заказ 19994.

Полиграфическая лаборатория Государственного образовательного

учреждения высшего профессионального образования

«Комсомольского- на- Амуре государственного технического университета»

681013,Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ ТИТАНОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЛА.

1.1. Аналитическая оценка дефектов металла шва сварных титановых конструкций.

1.2. Влияние плотности (пористости) металла шва на свойства и надёжность титановых конструкций.

1.3. Основные закономерности образования пор при кристаллизации металла шва и возможные варианты их исключения.

1.4. Анализ современных достижений в области повышения плотности металла шва и обоснование выбора перспективного направления исследования.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ГАЗОЛАЗЕРНОГО РАСКРОЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ РЕЛЬЕФА, СТРУКТУРЫ, ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ РЕЗА ТИТАНОВЫХ ЗАГОТОВОК.

2.1. Обоснование выбора высококонцентрированного источника энергии для раскроя заготовок.

2.2. Формирование геометрических параметров реза, макрорельефа и структуры поверхности реза.

2.3. Исследование температурных полей воздействия лазерного луча при ГЛР титановых заготовок.

2.4. Макро-, микроисследования и исследования микротвёрдости и газонасыщения поверхности реза после ГЛР заготовок.

2.5. Химический состав и свойства заготовок после ГЛР.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИРОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА КРОМОК ЗАГОТОВОК НА ИХ АДСОРБЦИОННУЮ СПОСОБНОСТЬ ВЛАГИ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ.

3.1. Макро-, микрорельеф и структура поверхности раздела заготовок в зависимости от вида раскроя.

3.2. Процессы адсорбции, хемосорбции и капиллярной конденсации загрязнений на поверхности титановых заготовок.

3.3. Классификация технологических операций раскроя заготовок в зависимости от природы разделения и адсорбционной способности сформированной структуры поверхности заготовки.

Глава4. ФОРМИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА ШВА КОНСТРУКЦИЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВИДА РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ.

4.1. Механизм формирования замкнутых полостей перед фронтом расплавленной ванны.

4.2. Уровень дефектности (пористости) металла шва в зависимости от вида раскроя заготовок и их последующей обработки.

4.3. Исследование влияния уровня дефектности металла шва на его свойства.

Глава 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ РАЗРАБОТОК В ТЕХНОЛОГИЮ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ЛА.

5.1. Улучшение существующего технологического процесса изготовления титановых конструкций.

5.2. Экономическое обоснование применения ГЛР в серийном производстве Л А.

Актуальность проблемы. В конструкциях летательных аппаратов широко применяют крупногабаритные детали сложной пространственной формы -цельносварные панели «вафельного» типа из титанового сплава ВТ-20. Данные детали являются силовыми элементами конструкции планера и во многом определяют надёжность и ресурс летательных аппаратов.

Сварка плавлением титановых сплавов сопровождается образованием химической и физической неоднородности металла в зоне соединения, что, как правило, ведёт к снижению технологических и эксплуатационных характеристик. При этом появляются поры и микротрещины в металле шва, снижаются механические характеристики.

Согласно статистическому анализу дефектов сварных соединений ребристых панелей и их имитаторов из титанового сплава ВТ-20, поры составляют от 43 до 56% общего числа дефектов.

Поры в сварных швах в несколько раз уменьшают не только статическую прочность, но и в большей мере усталостную прочность конструкций из титановых сплавов.

Поэтому эффективным средством увеличения надёжности и ресурса летательных аппаратов является исключение пористости в сварных титановых конструкциях.

На сегодняшний день, механизм порообразования достаточно изучен. Из аналитической оценки закономерностей порообразования следует, что наиболее достоверной является теория В.В. Редчица, Г.Д. Никифорова. При нагреве кромки сдвигаются, и происходит образование твердофазного соединения в стыке кромок перед сварочной ванной, приводящее к завариванию дефектов торца кромок и образованию газосодержащих замкнутых полостей, формирующих при расплавлении газовые пузырьки.

Таким образом, для повышения плотности и снижения пористости сварных швов при сварке плавлением титана и его сплавов необходимо исключить источник зародышей газовых пузырьков на поверхности свариваемых кромок и присадочной проволоке, а при невозможности этого интенсифицировать дегазацию сварочной ванны до её полного завершения.

Предложен ряд способов подготовки кромок под сварку существенно снижающих количество пор в сварных швах, но ни один из них не гарантирует полного исключения указанных дефектов.

Заслуживает внимания рифление торца одной из кромок стыкового соединения и создание в стыке после сборки кромок под сварку вертикальных газоотводящих каналов. Таким способом снижается пористость в сварных швах титановых конструкций более чем в 2 раза по сравнению с обычной подготовкой кромок под сварку при прочих равных условиях.

После раскроя лазером (ГЛР) на заготовках имеется регулярное чередование кромок каналов. Образование закрытых полостей не происходит. Цель и задачи работы- провести исследования влияния формирования структуры поверхности свариваемых заготовок на несущую способность титановых конструкций.

Для реализации поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

- Статистический анализ выявляемых дефектов в процессе серийного производства сварных титановых конструкций летательного аппарата и разработка направлений, обеспечивающих их эксплуатационную надёжность;

- Разработка нового подхода к оценке влияния технологических операций на деградацию поверхности свариваемых заготовок, подбор оборудования и методик исследования;

- Исследование влияния газолазерного раскроя на формирование макро и микрорельефа, химического состава и свойства, стыкуемых под сварку, кромок в сравнении с традиционными методами раскроя; исследование влияния разделительных операций на «плотность» и механические свойства металла шва титановых конструкций;

- разработка новых и оптимизация существующих технологий изготовления сварных конструкций из титановых сплавов;

- проведение производственных испытаний.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы применялись как традиционные методы аналитических исследований физико - химических свойств титановых сплавов (эмиссионная спектроскопия), так и современные, разработанные и осуществлённые с применением высокочувствительных детекторов (диодные матрицы, мягкое рентген-флуорисцентное излучение), а также импульсный нагрев с последующей газоадсорбционной хроматографией в потоке инертного газа-носителя. Из числа известных использованы: квантометры ДФС-36 и МФС-8, спектрометр рентгеновский сканирующий кристалл-дифракционный «Спекроскан». Кроме того, специальные методики: безэталонные, рентген-флуоресцентные, мобильный оптико-эмиссионный анализатор «ARK-met 930» фирмы METOREX.

На защиту выносятся следующие положения: результаты статистического анализа дефектов сварных титановых конструкций и обоснование выбора направления обеспечивающего их исключение;

- новый подход к оценке влияния технологических операций раскроя заготовок под сварку плавлением и обоснование выбора методик исследования по параметрам акустической эмиссии;

- обоснование преимуществ применения газолазерного раскроя в среде технического азота как одного из перспективных методов раскроя заготовок под сварку плавлением в сравнении с традиционными методами;

- результаты исследований влияния деградации стыкуемых под сварку кромок на порообразование и механические свойства металла шва;

- Разработанный новый технологический процесс с применением для раскроя заготовок ГЛР (газолазерного раскроя), исключающий порообразование в сварных швах титановых конструкций.

Научная новизна работы заключается в следующем: разработан классификатор технологических операций подготовки поверхности стыкуемых под сварку кромок в зависимости от видов разделительных операций, как высокоэффективный метод анализа и прогнозирования технологических свойств сварных титановых конструкций;

- обоснован выбор газолазерного раскроя заготовок под сварку плавлением и источников концентрированной энергии которые обеспечивают высокое качество сварных конструкций с любой другой подготовленной поверхностью;

- применён новый метод для исследования кинетики разрушения конструкций по параметрам акустической эмиссии;

- научная новизна подтверждена двумя патентами.

Практическая значимость работы заключается в следующем: На базе исследования влияния природы деградации, формирования рельефа, активации адсорбции влаги на поверхности стыкуемых под сварку кромок предложен принцип обоснования выбора технологических разделительных операций при изготовлении конструкций и прогнозирование их свойств.

Разработан классификатор, необходимый для назначения метода раскроя заготовок при разработке технологического процесса в зависимости от предъявляемых требований к эксплуатационной надёжности конструкции.

Предложен новый способ раскроя заготовок под сварку плавлением титановых сплавов (газолазерный раскрой в среде технического азота), исключающий порообразование в сварных швах.

Разработанные рекомендации по изготовлению титановых конструкций прошли опытно-промышленное испытание на КнААПО и внедрены в серийное производство отрасли.

Результаты работы в виде экспериментальных установок и оснастки внедрены в учебный процесс на кафедрах ТСП и МиТНМ КнАГТУ в курсах «Материаловедение и технология производства материалов», «Технология производства сварных конструкций» и используется при выполнении научно-исследовательской работы студентами и аспирантами.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались на научных и научно-практических конференциях, в том числе первая научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» г. Москва, 2002г.; IV-я международная научно-техническая конференция «Лазерные технологии и средства их реализации» г. Санкт-Петербург, 2003г. ; Всероссийская научно-техническая конференция МАТИ - сварка XXI века «Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве» Москва, "2003 г.; Дальневосточный информационный форум «Роль науки, новой техники и технологии в экономическом развитии регионов» г. Хабаровск, 2003г.; Ш-я конкурсная конференция молодых специалистов авиационных, ракетокосмических и металлургических организаций России «Новые материалы и технологии в авиационной и ракетно-космической технике», г. Королёв. 2004г. ; П-я научно-практическая конференция молодых учёных и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности», ОКБ « Сухого » , г.Москва, 2004г.

7. Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедрах ТСП и МиТНМ КнАГТУ в курсах «Материаловедение и технология производства материалов», «Технология производства сварных конструкций» и используется при выполнении научно-исследовательской работы студентами и аспирантами.

1. Долотов Б.И., Автоматическая сварка погруженным электродом с использованием присадочного материала из рубленой проволоки / Б.И.Долотов, А.А.Дашковский, Н.Б.Фейгенсон // Авиационная промышленность, 1986, № 8. -С. 44.

2. Куликов Ф.Р., Сварка высокопрочных титановых сплавов./ Ф.Р. Куликов, Замков В.Н., Кириллов Ю.Г., Кушниренко Н.А.- М., 1975.- 150с.

3. Горшков А.И., Применение ультразвуковой дефектоскопии при изучении механизма и кинетики замедленного разрушения сварных соединений из сплавов титана./А.И.Горшков, Б.А. Матюшкин// Сварочное производство,- №2, 1975.

4. Абдуллах В.М., Термодиффузия водорода при сварке титана / В.М. Абдуллах, А.Д. Шевелев, В.Д. Демченко // Автоматическая сварка. №1, 1980, С. 20-23.

5. Братухин А.Г., Технологическое обеспечение высокого качества, надёжности, ресурса авиационной техники / А.Г. Братухин М., В 2-х т.: 1996. Т.1, 524 е.; Т.2. 298с.

6. Водород в металлах. В 2-х т. Т.1. Основные свойства / Под ред. Г. Алефельда, И. Фелькля.-М., 1981.475 с.

7. Горощенко Я.Г. Химия титана. Киев, 1970., 415с.И. Дашковский А.А., Совершенствование сварочного производства / А.А.Дашковский, Т.Б. Бетлиевский // Авиационная промышленность. 1986, № 8. С. 42-44.

8. Двайер О. Теплообмен при кипении жидких металлов./ О.Двайер. М. , 1980. 516с.

9. Долотов Б.И., Автоматическая сварка погруженным ■ электродом с использованием присадочного материала из рубленной проволоки /A.А.Дашковский, Н.Б.Фейгенсон // Авиационная промышленность. 1986, № 8. С.44.

10. Металлургия и технология сварки титана и его сплавов/С.М. Гуревич,B.Н. Замков, В.Е. Блощук и др.; под ред. В.Н. Замкова. 2-е изд., доп. и перераб. Киев, 1986. 240с.

11. Муравьев В.И., Особенности изготовления и оценки качества крупногабаритных тонкостенных сварных конструкций из сплава ВТ20/ В.И. Муравьев//Авиационная промышленность. 1986, № 8. С. 15-18

12. Муравьев В.И. Термическая обработка сталей и сплавов в разреженной атмосфере // Авиационная промышленность. 1976, №11. С. 78-80.

13. Никифоров Г.Д., Частные случаи механизма образования пор при сварке плавлением титановых сплавов больших толщин / Г.Д.Никифоров, В.В. Редчиц // Авиационная промышленность. 1981, № 10. С. 38-41.

14. Петров Г.Л., Роль химической реакции в образовании пор при сварке титановых сплавов / Г.Л.Петров, А.Н. Хатунцев //Сварочное производство. 1975, №8. С. 57-58.

15. Редчиц В.В., Механизм зарождения в сварочной ванне пузырьков газа при сварке активных металлов / В.В. Редчиц, Г.Д. Никифоров //Сварочное производство. 1977, № 8. С.53-57.

16. Редчиц В.В., Предупреждение пор в сварных швах тонколистового титана и его сплавов / В.В. Редчиц, Г.Д. Никифоров, И.А. Волес //Сварочное производство. 1974, № 4. С. 7-10.

17. Редчиц В.В., Основные закономерности образования пор при сварке плавлением титана и его сплавов./ В.В. Редчиц, Г.Д. Никифоров, В.В. Фролов, Б.А. Колачев//Сварочное производство. 1987, № 5. С. 28-30.

18. Редчиц В.В., Оценка эффективности мер предупреждения пор в швах активных металлов при сварке плавлением различными способами /В.В. Редчиц, Г.Т. Лебедев, И.А. Вакс, Г.Д Никифоров. //Сварочное производство. 1979, №10. С. 12-14.

19. Никифоров Г.Д.,'Механизм зарождения в сварочной ванне пузырьков газа при сварке активных металлов / Г.Д. Никифоров, В.В. Редчиц // Сварочное производство. 1977, № 8. С 53-57.

20. Никифоров Г.Д., Кинетика роста газовых пузырьков в ванне при сварке; активных металлов // Физика и химия обработки материалов / Г.Д. Никифоров, В.В. Редчиц 1977, № 2. С. 123-130.

21. Марьин С.Б., Методы анализа систем: Учеб. пособие / С.Б.Марьин, Б.И. Долотов, Е А. Малашевская, В.Ю. Иванов. Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2005. - 106 с.

22. Никифоров Г.Д., Предупреждение пор в сварных швах тонколистового титана и его сплавов / Г.Д. Никифоров, В.В. Редчиц, И.Л. Более // Сварочное производство 1974, № 4. С. 7-10.

23. Волченко В. Н., Теория сварочных процессов: Учеб. для вузов по спец «Оборудование и технология сварочного произвоства» / В. Н. Волченко, В. М. Ямпольский, В. А. Винокуров др.; Под ред. В. В. Фролова. М.: Высш. шк., 1988.-559 с.

24. Лозеев Г.Е., Способ уменьшения пористости в сварочных швах / Г.Е Лозеев // Сварочное производство. 1975, № 8. С. 31-33.

25. Долотов Б.И., О возможности получения плотных швов на титановых сплавах / Б.И. Долотов, В.И. Муравьев, Б.Н. Марьин и др. // Сварочное производство. -1996, № 12. С. 6-8.

26. Горшков А.И. Некоторые вопросы образования пористости при сварке титана// Сварочное производство. 1968, № 7. - С. 21-23.

27. Тихомиров А.В. Состояние и машины для газолазерной резки металлов и неметаллических материалов/ А.В.'Тихомиров/- М., 1982. 40с.

28. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки металлов. /А.Г.Григорьянц.-М. 1989.304с.

29. Бабенко В.П., Газолазерная резка металлов./ В.П.Бабенко, В.П.Тычинский.- Л. ,1976. 34с.

30. Коваленко B.C., Малоотходные процессы резки лучом лазера./ В.С.Коваленко, В.В.Романенко, Л.М.Олещук.- Киев: 1987. 112с.

31. Дьюли У. Лазерная технология и анализ материалов: Пер. с англ. М.,1986. 504с.

32. Современные технологии авиастроения / А.Г. Братухин, Ю.Л. Иванов, Б.Н. Марьин и др. -М, 1999. 832 с.

33. Курс физической химии. — М.: Химия, 1969. -Т.1. -590 с.

34. Добаткин В.И., Газы и окислы в алюминиевых деформируемых сплавах / В.И. Добаткин, P.M. Габидуллин, В.А. Колачев и др. М., 1976. - 264 с.

35. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М., 1975.-512 с.

36. Черепнин Н.В. Вакуумные свойства материалов для электронных приборов. М.: Советское радио, 1966. - 350 с.

37. Зимон А.Д. Адгезия пыли и порошков. М., 1976. - 432 с.

38. Schram A. La desorpta sous vide lide Le Vide // Welding Journal/ 1963. № 103. P. 55.

39. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. М., 1964. - 715 с.

40. Ливанов В.А., Водород в титане. / В.А. Ливанов, А.А.Буханова, Б.А. Колачев.- М., 1962. 246 с.

41. А.с. 439363 СССР. Сварочный флюс / С.М. Гуревич, В.Н. Замков, В.П. Прилуцкий и др.

42. Мороз Л.С., Титан и его сплавы. / Л.С. Мороз, Б.Б. Чечулин, Н.В. Полин-Л., 1960.-515 с.

43. Горощенко Я.Г. Химия титана. Киев, 1970. - 415 с.

44. Бай А.С., Окисление титана и его сплавов./ А.С. Бай, Д.И. Лайнер- М., 1970.-315 с.

45. Лайнер Д.И., Бай А.С. Металлургия и горное дело // Известия АН СССР. 1963. - Т.6. - С. 126-131.

46. Муравьёв В.И. Обеспечение надёжности сварных конструкций из титановых сплавов Уч. пособие.

47. Каракозов Э.С., Диффузионная сварка титана / Э.С. Каракозов, JI.M. Орлова, В.В. Пешков, В.И. Григорьевский. М.: Металлургия, 1977. - 272 с.

48. Дёмкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970.-226 с.

49. Редчиц В.В., Вероятность образования соединения в твердой фазе при последовательном нагреве без приложения внешнего давления /В.В. Редчиц, И.А. Вакс, Б.А. Матюшкин и др. // Сварочное производство. 1979. - № 7. - С. 38-41.

50. Лозеев Г.Е., Процессы, протекающие в стыке сварного соединения, и их влияние на пористость металла шва/ Г.Е. Лозеев, А.И. Черницын, В.В. Фролов // Автоматическая сварка. 1977, № 2. - С. 25-30.

51. Муравьев В.И., Особенности изготовления и оценки качества крупногабаритных тонкостенных сварных конструкций из сплава ВТ20// Авиационная промышленность, 1986. №8.

52. Абдуллах В.М., Термодиффузия водорода при сварке титана / В.М. Абдуллах, А.Д. Шевелев, В.Д. Демченко и др. //Автоматическая сварка 1980, № I. С. 20-23.

53. Штамповка, сварка, пайка и термообработка титана и его сплавов в авиастроении / А.Г. Братухин, Ю.Л. Иванов, Б.Н. Марьин, В.И. Муравьев и др. -М.: Машиностроение, 1997. 600 с.