Введение к работе
Актуальность темы исследования. Технологии изготовления деталей, узлов и летательных аппаратов (ЛА) в целом определяют ресурс изделия, его трудоемкость и себестоимость, стабильность и культуру производства. Существует постоянная взаимосвязь между конструкцией летательного аппарата и технологией его производства. Создание новых технологий, способных обеспечить получение деталей, удовлетворяющих высоким техническим требованиям, открывает дорогу для конструктивного совершенствования ЛА.
Ужесточение требований к работоспособности сварных конструкций ответственного назначения, изготовляемых на основе титановых сплавов, может быть удовлетворено высоким качеством сварных соединений. Общеизвестно, что при сварке плавлением титановых сплавов могут появляться поры. Отрицательное воздействие пор максимально при работе конструкций в условиях циклического нагружения. Снижение усталостных характеристик связано не только с действием пор как геометрических концентраторов напряжения, но в основном с уменьшением запаса пластичности металла вблизи границ пор, из-за увеличения в нём в несколько раз концентрации водорода.
На практике при изготовлении сварных конструкций в технических требованиях закладывается снижение предела прочности сварного шва на 10 % от предела прочности основного материала. При производстве данное снижение оказывается еще больше – 11-15 %. При исправлении дефектов, полученных при сварке (поры, подрезы, вольфрамовые включения и др.), подваркой происходит дальнейшее снижение предела прочности.
Из всего многообразия исследований причин порообразования при сварке плавлением титановых сплавов наиболее достоверной является концепция о решающей роли в образовании пор при сварке газообразующих веществ, адсорбированных на кромках деталей, высказанная в 1969 г. В.В. Редчицем совместно с Г.Д. Никифоровым, которая признана многими исследователями и которая постоянно подтверждается.
Таким образом, актуальным направлением исследования является повышение механических свойств сварного соединения идентичных свойствам основного материала, путем полного исключения пористости сварного шва, управление формированием структуры на поверхности свариваемых заготовок и проволоки, исключающих капиллярно-конденсированную влагу и создающих условия управления процессами термического цикла сварки (ТЦС), обеспечивающих высокие механические свойства металла шва.
Работа выполнялась в соответствии с научным направлением ГОУВПО «КнАГТУ» «Теоретические и технологические исследования управлением структурными изменениями в металлах, сталях и сплавов в процессе технологического цикла изготовления высоконадежных конструкций» и планом совместных работ о взаимном сотрудничестве от 03.03.2007 № 101 между ОАО «КнААПО» и ГОУВПО «КнАГТУ» «Обеспечение надежности сварных конструкций из титановых сплавов».
Целью настоящей работы является повышение надежности титановых конструкций за счет управления формированием структуры на поверхности свариваемых заготовок и проволоки, исключающих капиллярно-конденси-рованную влагу и создающих условия управления процессами термического цикла сварки (ТЦС), обеспечивающих высокие механические свойства металла шва.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Провести анализ влияния основных технологических операций изготовления титановых конструкций на их свойства и разработать метод их комплексного улучшения.
2. Разработать новый подход к количественной оценке десорбции капиллярно-конденсированной влаги на свариваемых кромках заготовок, дегазации сварочной ванны в процессе ТЦС и влияния ТЦС на структуру и свойства металла шва титановых конструкций.
3. Установить особенности изменения механических свойств металла шва титановых сплавов от ТЦС.
4. Исследовать условия порообразования при использовании присадочной проволоки в процессе ТЦС титановых сплавов.
5. Разработать параметры, контроля и диагностики качества присадочной проволоки (ПП) и условия её подачи, исключающие порообразование в процессе ТЦС титановых сплавов.
6. Установить критерии оптимальных режимов ТЦС обеспечивающих свойства металла шва, идентичные свойствам основного металла.
7. Изучить структуру и свойства металла шва титановых конструкций, полученных по новым технологическим процессам ТЦС.
8. Провести опытно-промышленную отработку и внедрить в производство новые технологические процессы изготовления надежных титановых конструкций.
Научная новизна
1. Установлены особенности десорбции капиллярно-конденсированной влаги с поверхности титановых заготовок как в процессе хранения, так и в процессе ТЦС. Впервые показана взаимосвязь между конденсированной влагой и содержанием водорода в поверхностном слое титановых заготовок, что позволило назначать режимы ТЦС, исключающие порообразование в металле шва.
2. Установлены зависимости показателей механических и эксплуатационных свойств от наличия капиллярно-конденсированной влаги на поверхности титановых заготовок и режимов ТЦС титановых конструкций.
3. Разработана и научно обоснована технология контроля качества и подачи ПП в сварочную ванну в процессе ТЦС титановых конструкций для получения беспористого металла шва с высокими показателями свойств.
Практическое значение полученных результатов заключается в следующем:
- разработана новая технология изготовления сложных (пространственной формы вафельного типа) конструкций из титановых сплавов, которая улучшает свойства и надежность летательных аппаратов;
- разработана технология контроля качества ПП;
- разработана методика контроля количества капиллярно-конденсиро-ванной влаги на поверхности титановых заготовок;
- технологические процессы находят своё применение на ОАО «КнААПО», разработаны рекомендации по внедрению их в отрасли;
- разработан новый метод исключения порообразования и оценки качества присадочной проволоки, а также метод управления формированием структуры металла шва ТЦС, позволяющий прогнозировать свойства и надежность титановых конструкций;
- результаты работы включены в учебный процесс выполнения курсовых и дипломных проектов в ГОУВПО «КнАГТУ» на кафедрах ТСП, МиТНМ и ТС.
Апробация работы. Основные результаты проведённых исследований были доложены и обсуждены на следующих научных конференциях и семинарах: ежегодных научно-технических конференциях аспирантов и студентов (Комсомольск-на-Амуре, 2006-2009гг.); международной научно-практической конференции «Повышение эффективности инвестиционной деятельности в Дальневосточном регионе и странах АТР» (Комсомольск-на-Амуре, 2006 г.); международной научной конференции «Материаловедение тугоплавких соединений. Достижения и проблемы» (Киев, 2008 г.); Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (Москва, 2008 г.); научно-практической конференции «Современные проблемы в технологии машиностроения» (Новосибирск, 2009г.); международной научно-практичес-кой конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» (Комсомольск-на-Амуре, 2009 г.); международном Российско-Китайском симпозиуме «Современные материалы и технологии 2009» (Хабаровск, 2009 г.); третьей Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2010 г.); на научных семинарах кафедры ТСП, МиТНМ и ТС.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, в оценке технологических возможностей изготовления надежных изделий из титановых сплавов; анализе литературных источников; в проведении экспериментов автором самостоятельно или при его непосредственном участии, с последующим анализом и обработкой полученных данных; в проведении оптических, металлографических, физико-механических и других исследований.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, большим объёмом статистических и экспериментальных данных и сопоставлением с данными других авторов.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 17 статьях, из них 3 работы в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Материалы работы изложены на 171 странице машинописного текста, содержат 18 таблиц и иллюстрированы 57 рисунками. Список литературы содержит 90 наименований.
