Введение к работе
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 53 была примерно в 3 раза меньше толщины несущих обшивок 50. Но при изготовлении таких конструкций из серийно выпускаемых листовых сплавов (толщина которых 5 > 0,3 мм) толщины 53 и б0 бывают соизмеримы, при этом предел прочности образующегося сварного соединения не превышает 50 % прочности основного металла.
Для повышения прочности соединения необходимо либо увеличивать 50 S 36,, но это влечет за собой увеличение массы конструкции; либо уменьшать 53, 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 выполнена в рамках научного направления ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» «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:
-
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.
-
Обосновать возможность и определить параметры электронного луча для получения локальной термической обработкой титановых полосовых заготовок сотового заполнителя с комбинированной микроструктурой заданных размеров.
-
Исследовать влияние технологических параметров диффузионной сварки и микроструктурного состояния свариваемых заготовок на кинетику развития процесса формирования сварного соединения и его механические свойства.
-
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 поверхно
стью заполнителя формируется «заторможенная» зона, находящаяся в со
стоянии всестороннего сжатия; для развития сварки и локализации дефор
мации конструкции в зоне контакта необходимо использовать заполнитель
с комбинированной микроструктурой, при этом высота участка с глобу
лярной структурой у заполнителя должна составлять не менее его толщи
ны.
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.
3. 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 допустимой величине их остаточной деформации.
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 техноло-
гии» (Курск, 2004), Международной конференции специалистов сварщиков (Запорожье, Украина, 2004); ежегодных научно-технических конференциях ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» (2003-2008); научных семинарах кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 1 - в издании, рекомендованном ВАК РФ. 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 [15].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложений, списка литературы го 109 наименований и 1 приложения. Основная часть работы изложена на 147 страницах, содержит 70 рисунков, 8 таблиц.
