shkolaput.ru 1 2


ОБЪЯВЛЕНИЕ О ЗАЩИТЕ КАНДИДАТСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ


Ф.И.О

Булков Алексей Борисович

Название диссертации

Разработка процесса диффузионной сварки титановых трехслойных панелей с использованием заполнителя с комбинированной микроструктурой

Специальность

05.03.06 - «Технологии и машины сварочного производства»

Отрасль науки

Технические науки

Шифр совета

Д 212.110.05

Тел. ученого секретаря

(499)141-9495

E-mail

a_paltievich@mati.ru

Предполагаемая дата защиты

20 ноября 2008

Место защиты диссертации

Оршанская, 3, ауд. 523А


Автореферат и текст объявления были размещены на сайте «МАТИ»−Российского государственного технологического университета им. К.Э.Циолковского в сети Интернет 16 октября 2008 года.


Ученый секретарь

диссертационного совета А.Р. Палтиевич


На правах рукописи


БУЛКОВ Алексей Борисович


РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ ТИТАНОВЫХ ТРЕХСЛОЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗАПОЛНИТЕЛЯ

С КОМБИНИРОВАННОЙ МИКРОСТРУКТУРОЙ


Специальность 05.03.06

Технологии и машины сварочного производства



АВТОРЕФЕРАТ




диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук




Москва 2008 г.




Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Воронежском государственном техническом университете


Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Пешков Владимир Владимирович


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Конкевич Валентин Юрьевич;

кандидат технических наук, доцент

Муравьев Иван Иванович


Ведущая организация: Воронежское акционерное

самолетостроительное общество

(ВАСО) г. Воронеж


Защита состоится 20 ноября 2008г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.110.05 в «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу: 121552, Москва, ул. Оршанская, 3, ауд. 523, корп.А.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского.


Автореферат разослан «____» октября 2008 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.110.05

к.т.н., доцент ______________ Палтиевич А.Р.


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При создании корпусных оболочек для авиационной и космической техники широкое применение находят крупногабаритные тонкостенные слоистые конструкции, представляющие сочетание несущих обшивок с заполнителем, которые образуют между собой тавровые соединения. Перспективным процессом для получения таких конструкций является диффузионная сварка. Однако, по технологии, когда используется заполнитель с крупнозернистой пластинчатой структурой (обладающей большим сопротивлением высокотемпературной деформации), а обшивки из сплава с глобулярной структурой, в зоне контакта возникает объемное напряженное состояние и развитие деформации ограниченно. Для создания условий, обеспечивающих развитие процесса диффузионной сварки и получение качественного соединения, необходимо чтобы толщина заготовок заполнителя з была примерно в 3 раза меньше толщины несущих обшивок 0. Но при изготовлении таких конструкций из серийно выпускаемых листовых сплавов (толщина которых   0,3 мм) толщины з и 0 бывают соизмеримы, при этом предел прочности, образующегося сварного соединения не превышает 50 % прочности основного металла.


Для повышения прочности соединения необходимо либо увеличивать 0  3з , но это влечет за собой увеличение массы конструкции; либо уменьшать з, но для этого необходимо использовать специальную титановую фольгу, которая серийно не выпускается и имеет стоимость более чем на порядок превосходящую стоимость листового проката.

Недостатком существующей технологии является снижение циклической прочности несущих обшивок за счет их утонения и возникновения концентраторов напряжений в зоне вдавливания вертикальной стенки в горизонтальную.

Повышение качества диффузионного соединения несущих обшивок с заполнителем может быть достигнуто использованием заполнителя с комбинированной микроструктурой, имеющего глобулярную структуру по его торцам и крупнозернистую пластинчатую – в остальном объеме заполнителя. Наличие в зоне контакта участков с глобулярной структурой должно интенсифицировать процесс образования соединения, а присутствие крупнозернистой пластинчатой – обеспечить повышение сопротивления высокотемпературной деформации заполнителя и, как следствие этого, развитие деформации в зоне контакта, отсутствие утонения обшивок и повышение прочности соединения.

Интенсификация процесса сварки и повышение качества соединения при использовании заполнителя с комбинированной микроструктурой будет достигаться при определенных размерах зон с глобулярной структурой по торцу заполнителя, однако вопрос о величине этой зоны, ее высокотемпературных свойствах и способах получения остается открытым.

В связи с вышесказанным представляется актуальным совершенствование процесса изготовления диффузионно-сварных титановых конструкций из листовых сплавов.

Работа выполнялась в рамках научного направления Воронежского государственного технического университета «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике».

Цель работы
. Разработка технологии процесса диффузионной сварки титановых трехслойных конструкций с использованием сотового заполнителя из материала с комбинированной микроструктурой, обеспечивающего повышение служебных характеристик изделия.


Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ процесса развития высокотемпературной деформации в зоне контакта при диффузионной сварке титановых тонкостенных конструкций таврового типа с учетом соотношения толщин свариваемых заготовок и их исходной микроструктуры.

2. Обосновать возможность и определить параметры электронного луча для получения локальной термической обработкой титановых полосовых заготовок сотового заполнителя с комбинированной микроструктурой заданных размеров.

3. Исследовать влияние технологических параметров диффузионной сварки и микроструктурного состояния свариваемых заготовок на кинетику развития процесса формирования сварного соединения и его механические свойства.

4. На основании результатов проведенных исследований разработать технологический процесс диффузионной сварки трехслойных конструкций с сотовым заполнителем.

Научная новизна.

1. Компьютерным моделированием напряженно-деформированного состояния деталей в зоне контакта в процессе вдавливания заполнителя в обшивку в условиях диффузионной сварки установлено, что под поверхностью заполнителя формируется «заторможенная» зона, находящаяся в состоянии всестороннего сжатия; для развития сварки и локализации деформации конструкции в зоне контакта необходимо использовать заполнитель с комбинированной микроструктурой, при этом высота участка с глобулярной структурой у заполнителя должна составлять не менее его толщины.

2. Получены аналитические зависимости для расчета температурных полей в полосе металла от действия поверхностного нормально-полосового источника, с учетом ограниченности размеров полосы по ширине и толщине. Предложен способ расчета температурных полей в полосе для случая распределения мощности электронного луча по пятну нагрева сложной формы.

  1. Установлены кинетические закономерности развития физического контакта при диффузионной сварке сплава ОТ4 с учетом исходного микроструктурного состояния свариваемых заготовок; получены зависимости, отражающие взаимосвязь между прочностью диффузионного соединения, степенью развития физического контакта и технологическими параметрами процесса.


Практическая значимость. Результаты выполненных исследований послужили основой для разработки на примере сплава ОТ4 новой технологии диффузионной сварки трехслойных конструкций с сотовым заполнителем из серийно выпускаемых листовых титановых сплавов.

Определены размеры необходимой ширины зоны с глобулярной равноосной структурой по торцам заполнителя, обеспечивающей интенсификацию процесса диффузионной сварки.

Предложено аналитическое выражение для определения мощности электронного луча, обеспечивающей температурное поле с требуемой шириной зоны нагрева полосы. Получена зависимость для определения длины участка обрабатываемой полосы с неустановившимся тепловым режимом.

Построены номограммы, позволяющие оценивать кинетику развития физического контакта и технологические параметры процесса диффузионной сварки сплава ОТ4 с учетом исходной микроструктуры свариваемых заготовок.

Определены режимы сварки, обеспечивающие требуемую прочность сотовых панелей при величине их остаточной деформации в пределах 0,3%.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается высоким уровнем совпадения экспериментальных данных и теоретических расчетов, систематическим характером экспериментальных исследований, использованием методов математической статистики и планирования экспериментов при их постановке и обработке результатов, а также практическим использованием полученных результатов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве» (Москва, МАТИ, 2003), Всероссийской с международным участием научно-технической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения Н.Г. Славянова (Пермь, 2004), XI Российской научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 2004), Международной конференции специалистов сварщиков (Запорожье, Украина, 2004); ежегодных научно-технических конференциях Воронежского государственного технического университета (2003-2008); научных семинарах кафедры сварки Воронежского государственного технического университета.


Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, автором сформулированы идеи и постановка задач исследований [3,4,6], проведены эксперименты [4-8,10,11], построены модели и выполнен их анализ [9,12,13], обработка результатов и теоретическое обобщение [3-13]. На разработанный контейнер для диффузионной сварки тонкостенных титановых конструкций получен патент [14].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложений; изложена на 147 страницах, содержит 70 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 109 наименований.


ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


Во введении обоснована актуальность работы, определены цель и задачи исследований, показаны научная новизна и практическое значение полученных результатов.

В первой главе рассмотрены сравнительные характеристики различных способов изготовления титановых сотовых тонкостенных конструкций. Делается вывод, что наиболее перспективным методом изготовления титановых сотовых пакетов является диффузионная сварка.

Однако, использование этого процесса связано с поиском путей, обеспечивающих получение диффузионного соединения с минимальной деформацией свариваемых заготовок.

Одним из путей получения качественного диффузионно-сварного соединения заготовок с величиной деформации в допустимых пределах является применение структурно-неоднородного заполнителя, у которого по его торцам расположены участки с глобулярной структурой, а в остальном объеме будет крупнозернистая пластинчатая. При этом значительное сопротивление высокотемпературной деформации зоны с пластинчатой микроструктурой обеспечит минимальную величину деформации сотоблока, а низкое сопротивление высокотемпературной деформации участка с мелкозернистой структурой - интенсификацию процесса формирования диффузионного соединения.


Интенсификация процесса сварки и повышение качества соединения при использовании заполнителя с комбинированной микроструктурой будет достигаться при определенных размерах зон с глобулярной структурой по торцу заполнителя, однако вопрос о величине этой зоны, ее высокотемпературных свойствах и способах получения остается открытым.

Решение этой задачи должно основываться на установлении закономерностей влияния геометрических размеров зон с различной структурой на их деформационную способность и свариваемость.

На основании анализа литературы можно сделать вывод, что необходимо рассмотреть вопросы:


  • влияние ползучести на изменение НДС при диффузионной сварке;

  • влияние мелкозернистой прокладки с высокой скоростью ползучести между соединяемыми деталями, материал которых имеет низкую скорость ползучести, на характер распределения напряжений в зоне соединения заготовок.

Сравнение методов решения позволяет говорить о том, что наиболее предпочтительным способом численной реализации данной задачи являются не прямые аналитические методы, а методы приближённого решения, одним из которых является метод конечных элементов. Подобный подход позволяет получать достаточно точные решения контактных задач. Подобная постановка задачи будет в большей степени отвечать реальным условиям и характеризоваться достаточной точностью.

Одним из способов получения структурно-неоднородного заполнителя является электронно-лучевой отжиг ленты. Использование электронного луча в качестве инструмента для термообработки полос из титановых сплавов весьма перспективно в связи с возможностями получения пятен нагрева различной формы за счет изменения фокусировки и колебаний луча по различным траекториям в широком диапазоне амплитуд.

Для определения температурного поля в полосе и выбора технологических параметров электронно-лучевой термообработки возможно использовать аналитические и численные методы, однако требуется составить аналитические выражения расчета температурного поля от поверхностного распределенного источника с учетом ограниченности ленты по ширине и разработать методику анализа тепловых процессов методом конечных элементов с учетом нелинейных свойств материала и коэффициента теплоотдачи с поверхности.


На основе анализа литературных данных были сформулированы проблемы и нерешённые вопросы, связанные с процессами изготовления и качеством диффузионно-сварных соединений сотовых конструкций из титановых сплавов и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены деформационные процессы в зоне контакта заполнителя обшивкой.

При диффузионной сварке титановых тонкостенных слоистых конструкций с сотовым заполнителем образование соединения таврового типа происходит в процессе деформации металла в зоне соединения, сопровождаемой “вдавливанием” заполнителя в несущие обшивки. О развитии деформации, характеризуемой глубиной вдавливания заполнителя в обшивку можно судить по профилограммам, снятым с поверхности обшивок (после механических испытаний соединения), с помощью профилографа – профилометра. Величина вдавливания, в зависимости от технологических параметров режима сварки и соотношения толщин листов несущих обшивок и заполнителя может достигать 10…15% от толщины обшивки.

Исследование процесса развития деформаций в контактной зоне проведено с помощью математического моделирования методом конечных элементов. Задача моделирования заключается в определении напряженно-деформированного состояния в объемах свариваемых заготовок, прилежащих к свариваемым поверхностям. При этом необходимо установить влияние микроструктуры заполнителя и обшивки и их относительной толщины на процесс развития деформаций и распределение напряжений.

На первом этапе рассматривали напряжено-деформированное состояние обшивки, предполагая заполнитель абсолютно жестким. Результаты моделирования позволяют выделить в приконтактной области обшивки четыре зоны, характеризуемых направлением и величиной перемещений материала. В первой, находящейся непосредственно под заполнителем, материал находится в состоянии всестороннего сжатия и перемещается вертикально вниз; по мере увеличения глубины вдавливания его скорость уменьшается. Во второй, окружающей зону контакта обшивки с технологическим листом, материал практически неподвижен и также наблюдается всесторонне сжатие, обусловленное силой трения по обшивке. С развитием процесса вдавливания трение заметно увеличивается. При использовании относительно тонкой обшивки контакт, в процессе сварки, сохраняется на более узком участке, как следствие, сила трения в стыке, препятствующая выдавливанию материала из под заполнителя значительно выше. Этот эффект может служить объяснением пониженной деформационной способности тонкой обшивки.


В качестве третьей зоны можно выделить участок обшивки под краем заполнителя, где локализуется пластическая деформация обшивки и приповерхностный слой справа от него. Материал в этой области затягивается вместе с заполнителем вниз под действием силы трения. Неравномерное распределение растягивающих напряжений по толщине листа создает изгибающий момент, отрывающий участки обшивки удаленные от контактной зоны от технологического листа. Это приводит к образованию прогибов на неподкрепленных участках и к развитию процесса схватывания между несущими обшивками и технологическим листом.

Четвертая зона расположена в средней части обшивки по высоте и правее оси симметрии модели. Для нее характерно значительное вертикальное и горизонтальное перемещение металла Наличие таких перемещений объясняется вытеснением материала расположенного между зонами 1 и 2 по мере развития процесса вдавливания. Направление перемещения зависит от толщины обшивки. В "тонкой" обшивке основное направление движения горизонтальное – перпендикулярно движению заполнителя, в "толстой" – движение материала направлено преимущественно вниз.

Сравнение результатов расчета для обшивок разной толщины показывает, что в случае 0з вертикальное перемещение металла, характерное для четвертой зоны обшивки толщиной 1 мм практически отсутствует. Очаг деформации (зона 1) быстро распространяется на всю глубину деформируемой детали, упираясь в зону 2. Сопротивление горизонтальному перемещению металла в зоне 2 возрастает за счет увеличения силы трения при отрыве периферийных участков обшивки от технологических листов. Движение металла возможно только в горизонтальном направлении, с преодолением значительного сопротивления окружающего зону деформации материала.

Для исследования влияния микроструктуры свариваемых заготовок на развитие процесса сварки и качество диффузионного соединения выполнены расчеты моделей с различными сочетания толщин и структур (рис. 1).




следующая страница >>