Исследование влияния формирования структуры поверхности свариваемых заготовок на несущую способность титановых конструкций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Матвеенко, Дмитрий Викторович

• Матвеенко, Дмитрий Викторович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Матвеенко, Дмитрий Викторович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование влияния формирования структуры поверхности свариваемых заготовок на несущую способность титановых конструкций»

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.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Матвеенко, Дмитрий Викторович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Матвеенко, Дмитрий Викторович, 2006 год

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.