Введение к работе
Актуальность работы исходя из требований к эффективности, экономичности 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
-
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.
-
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.
-
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:
-
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.
-
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.
-
Результаты исследования природы формирования поверхности раздела и её адсорбционной способности в зависимости от вида раскроя и последующей обработки заготовок.
-
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,
-
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 докладыва
лись 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.; 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.; 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 к.т.н. Физулакову Р.А. за консультации, поддержку и внимание к работе.
