Исследование влияния формирования структуры поверхности свариваемых заготовок на несущую способность титановых конструкций

Актуальность проблемы. В конструкциях летательных аппаратов широко применяют крупногабаритные детали сложной пространственной формыцельносварные 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 работыпровести 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 раскрояисследование 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, 2002 г.- IV-я международная научно-техническая конференция «Лазерные технологии и средства их реализации» г. Санкт-Петербург, 2003 г. — 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, 2003 г.- Ш-я конкурсная конференция молодых специалистов авиационных, ракетокосмических и металлургических организаций России «Новые материалы и технологии в авиационной и ракетно-космической технике», г. Королёв. 2004 г. — П-я научно-практическая конференция молодых учёных и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности», ОКБ «Сухого », г. Москва, 2004 г.

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.