CC BY
2
УДК 621.98:539.376
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-3-232-233
К ОЦЕНКЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ОБЕЧАЕК ПРИ СВАРКЕ ДАВЛЕНИЕМ
В УСЛОВИЯХ ПОЛЗУЧЕСТИ
П.В. Романов
В статье приводятся результаты расчетов влияния различных технологических параметров на напряженно-деформированное состояние заготовок и необходимого времени проведения операции при сварке давлением обечаек шар-баллона в условиях ползучего течения материала. Проведена оценка влияния начальной анизотропии материала заготовки, величины осадки при пластической деформации и при деформации ползучести, размера очага деформации на повреждаемость материалов. Установлены зависимости изменения времени проведения операции от задаваемой величины напряжения при ползучести для алюминиевого сплава АМг6 и титанового сплава ВТ14.
Ключевые слова: ползучесть, анизотропия, деформации, скорость, напряжения, повреждаемость.
В авиакосмической технике, энергетической отрасли находят широкое применение сферические и тороидальные оболочки, которые предназначены для работы с агрессивными средами. Режимы работы таких изделий отличаются высокими статическими и динамическими нагрузками при экстремально высоких и низких температурах. Помимо прочностных качеств, к таким изделиям предъявляются повышенные требования по снижению весовых параметров. Для удовлетворения всех технических и эксплуатационных характеристик наиболее часто данные оболочки изготавливают из сплавов на основе алюминия и титана. Следующей проблемой становится подбор необходимых технологических режимов обработки данных материалов, позволяющих добиться заданных степеней деформации при оптимальном качестве получаемых оболочек. Как правило, труднодеформируемые малопластичные заготовки хорошо поддаются пластической обработке с нагревом зоны очага деформации [1-5].
Рассмотрим операцию соединения двух полусферических обечаек, схема которой показана на (рис. 1). Математическая модель процесса приведена в работе [6]. Особенностью технологического процесса сварки давлением высокопрочных материалов является наличие двух стадий. На первой стадии осуществляется пластическая осадка двух заготовок при заданной скорости деформирования и величине осадки. Затем внешнее давление значительно снижают и осуществляют выдержку под этим давлением. В этот период времени происходит деформация ползучести, сопровождаемая релаксацией напряжений. Величина деформации при ползучести определяется соотношением
£ =--(1)
1
где к = [2(1+3++2Д Т - коэффициент, учитывающий начальную анизотропию й материала заготовки [7-8]; к - высота очага деформации; Л1 - величина пластической осадки; Л2 - величина осадки при ползучести.
Рис. 1. Расчетная схема сварки обечаек давлением Время ползучести оценивалось по выражению
Ъ Л
^п о
(2)
Здесь о'еполз. - эквивалентное напряжение при ползучести, В, п - константы ползучести материала [1].
Оценка качества получаемого изделия проводилась по критерию, учитывающему накопление повреждаемо сти в материале заготовки [8]:
- для материалов, подчиняющихся деформационной теории по выражению
для материалов, подчиняющихся энергетической теории по выражению
^еполз.
ш =-,
Апр.(2^-40'
(3)
где £епр. - предельная эквивалентная деформация, Лпр. - предельная удельная работа разрушения при ползучести. Константы исследуемых материалов приведены в работах [1, 9, 10].
На рис. 2-8 приведены результаты исследований в виде графических зависимостей.
Рис. 2. Зависимость эквивалентной деформации ползучести £еполз. от величины осадки Лг при различной высоте очага пластической деформации для материалов АМг6 и ВТ14 (R = 1, = 3 мм): 1 - h = 5 мм;
2 - h = 7,5 мм; 3 - h = 10 мм
0,2 0,5 0,6 1,1 1,4 1,7 Я
Рис. 3. Зависимость эквивалентной деформации ползучести £еполз от коэффициента анизотропии Д при различной высоте очага пластической деформации для материалов АМг6 и ВТ14 (Л1 = 3 мм, Л2 = 1,5
мм): 1 - Л = мм; 2 - Л = 7,5 мм; 3 - Л = 10 мм
№
0,16 0,14 0,12 0,1 0,0В 0,D6 D,D4 0,02
i
г
4 3
1,7 Ат.Ж.Щ о, 05
i
^^^ 2
3
3,2 Al,ЛИИ
а б
Рис. 4. Зависимость повреждаемости ш от величины осадки Л2 при различной высоте очага пластической деформации (й = 1, = 3 мм): а - для сплава АМг6; б - для сплава ВТ14:1 - Л = 5 мм; 2 - Л = 7,5 мм;
3 - Л = 10 мм
Из полученных графических зависимостей видно, что эквивалентная деформация при ползучести определяется величиной осадки, размерами очага деформации и коэффициентом анизотропии. Увеличение осадки заготовки в диапазоне от 0,5 до 2 мм приводит к росту эквивалентной деформации в 2...4 раза, причем наибольшее влияние величины осадки наблюдается при меньших значениях высот очага пластической деформации. Изменение коэффициента анизотропии от 0,2 до 2 приводит к увеличению эквивалентной деформации ползучести в 2.2,5 раза.
1
2
3
а б
Рис. 5. Зависимость повреждаемости ш от коэффициента анизотропии й при различной высоте очага пластической деформации = 3 мм, й2 = 1,5 мм): а - для сплава АМг6; б - для сплава ВТ14:1 - Л = 5 мм; 2 - Л =
7,5 мм; 3 - Л = 10 мм
11кш,мин
1
/V
Т„а13,мин
.1
/ I
а б
Рис. 6. Зависимость времени ползучести {полз от эквивалентного напряжения при ползучести аеполз при различной высоте очага пластической деформации = 3 мм; й2 = 1,5 мм; й = 1): а - для сплава АМг6; б - для
сплава ВТ14:1 - Л = 5 мм; 2 - Л = 7,5 мм; 3 - Л = 10 мм
г„а13.иин
Ч NN. 3
. 2
1
10 15 го 15 ^еполз- МГ
а б
Рис. 7. Зависимость времени ползучести {полз от эквивалентного напряжения при ползучести аеполз при различных коэффициентах анизотропии й = 3 мм; Л2 = 1,5 мм; Л = 5 мм): а - для сплава АМг6; б - для
сплава ВТ14:1 - й = 0,2; 2 - й = 0,8; 3 - й = 1
. 3
/ 2
-1
\
3
, 2
1
- -
а б
Рис. 8. Зависимость времени ползучести {полз от эквивалентного напряжения при ползучести аеполз при различной величине осадки Л2 (Д± = 3 мм; Л = 5 мм; й = 1): а - для сплава АМг6; б - для сплава ВТ14:1 - Л2 = 1
мм; 2 - Л2 = 1,5 мм; 3 - Л2 = 2 мм
Проведена оценка влияния величины осадки при ползучести, высоты очага пластической деформации и анизотропии материала заготовки на процесс накопления повреждаемости. Рост величины осадки при ползучести от 0,5 до 2 мм приводит к увеличению повреждаемости в 3.. .4 раза для алюминиевого сплава АМг6. Для сплава ВТ14 существенным является изменение величины кратковременной осадки. Снижение кратковременной осадки с 3,5 до 2
234
мм уменьшает повреждаемость титанового сплава ВТ14 в 1,5.2 раза. Изменение коэффициента анизотропии от 0,2 до 2 увеличивает повреждаемость в 2.3 раза, как для алюминиевого АМг6, так и для титанового сплава ВТ14.
Время проведения процесса осадки в условиях ползучести в основном зависит от эквивалентного напряжения, задаваемого нажимным пуансоном при выдержке под давлением. Для алюминиевого сплава АМг6 оптимальным диапазоном эквивалентного напряжения при ползучести является 15.17 МПа, а для ВТ14 17.20 МПа. Уменьшение значений эквивалентного напряжения при ползучести приводит к существенному росту времени выдержки, а увеличение эквивалентных напряжений ведет к снижению диффузионных процессов между поверхностями заготовок и уменьшению качества получаемого соединения.
Выводы. 1. При расчете процессов сварки давлением необходим учет величины анизотропии материала заготовки, т.к. она оказывает существенное влияние на напряженно-деформированное состояние и силовые параметры операции.
2. Эквивалентная деформация при ползучести не зависит от свойств материала заготовки. На данный параметр оказывают влияние размеры очага деформации и величина осадки.
3. Время выдержки определяется эквивалентным напряжением при ползучести и величиной необходимой
осадки.
Список литературы
1. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов / С.П. Яковлев, В.Н. Чудин и др. М., Машиностроение. 2003. 427с.
2. Чудин В.Н. Сварка давлением деталей конструкций из высокопрочных материалов // Сварочное производство. 2019. №9 (1018). С. 22-24.
3. Платонов В.И., Чудин В.Н., Романов П.В. Сварка давлением оболочек при ползуче-пластическом сжатии // Вестник машиностроения. 2020. №12. С. 69-71.
4. Чудин В. Н., Пасынков А. А., Савинкова К. Я. Совмещенный процесс сварки давлением - газоформовки шаровой оболочки // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2018. № 10. С. 28-33. EDN YRRNXF.
5. Малинин Н.Н. Ползучесть в обработке металлов. М.: ИЗО «Юрайт», 2020, 402 с.
6. Платонов В.И., Романов П.В. Сварка давлением обечаек шар-баллона при ползуче-пластичности // Куз-нечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2023. № 1. С. 17-22.
7. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант, 1997. 330 с.
8. Теория обработки металлов давлением / Учебник для вузов / В.А. Голенков, С.П. Яковлев, С.А. Головин, С.С. Яковлев, В.Д. Кухарь / Под ред. В.А. Голенкова, С.П. Яковлева. М.: Машиностроение, 2009. 442 с.
9. Демин В.А., Черняев А.В., Платонов В.И., Коротков В.А. Методика экспериментального определения механических и пластических свойств материала при растяжении с повышенной температурой // Цветные металлы. 2019. №5. С. 66-73.
10. Черняев А.В., Усенко Н.А., Коротков В.А., Платонов В.И. Определение влияния скорости деформации на сопротивление деформированию при статическом растяжении с повышенной температурой // Цветные металлы. 2019. №5. С. 60-65.
Романов Павел Витальевич, аспирант, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
TO ASSESS THE INFLUENCE OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS ON THE STRESS-STRAIN STATE DURING PRESSURE WELDING OF SHELLS UNDER CREEP CONDITIONS
P.V. Romanov
The article presents the results of calculations of the influence of various technological parameters on the stressstrain state of workpieces during and during the operation during pressure welding of balloon shells under conditions of creeping material flow. The influence of the initial anisotropy of the workpiece material, the amount ofprecipitation during plastic deformation and creep deformation, and the size of the deformation site on the damage to materials has been evaluated. The dependences of the change in the time of the operation on the set value of the creep voltage for the aluminum alloy AMg6 and titanium alloy VT14 are established.
Key words: creep, anisotropy, deformations, velocity, stresses, damage.
Romanov Pavel Vitalievich, postgraduate, mpf-tula@rambler ru, Russia, Tula, Tula State University
