CC BY
73
УДК 621.791
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛА ПРИ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКЕ В УСЛОВИЯХ ПОЛЗУЧЕСТИ
А.Б. Булков, В.В. Пешков, В.Р. Петренко, Д.Н. Балбеков
На основании экспериментальных исследований, выполненных на образцах из титанового сплава, имитирующих оболочковую конструкцию, показано, что фактором, влияющим на развитие процесса сварки и качество диффузионного соединения, является микроструктура свариваемых заготовок.
В результате численного моделирования установлено, что в контактной зоне свариваемых деталей создается напряженно-деформированное состояние, обусловленное наличием сил трения в контакте между ними, неблагоприятное для развития деформаций свариваемых поверхностей
Ключевые слова: диффузионная сварка, титановые сплавы, деформация, математическое моделирование
При создании авиационной и космической техники широкое применение находят крупногабаритные тонкостенные конструкции, представляющие собой тело вращения двойной кривизны с толщиной стенки 3...4 мм, в которой расположены тракты охлаждения (рис. 1). Эти конструкции состоят из двух коаксиально собранных оболочек: внутренней - с оребренной стенкой и наружной -с гладкой поверхностью.
Перспективным процессом для получения таких конструкций является диффузионная сварка по технологической схеме, в которой сжимающее усилие создается давлением инертного газа Q в термокомпрессионной печи при вакуумировании межоболочковой полости конструкции.
Принципиально важной особенностью диффузионной сварки тонкостенных конструкций является то, что с одной стороны, необходимо прикладывать сварочное давление для развития
Булков Алексей Борисович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: [email protected] Пешков Владимир Владимирович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail:
Петренко Владимир Романович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 278-38-84 Балбеков Дмитрий Николаевич - ВГТУ, аспирант, тел. (473) 278-38-84
совместной деформации свариваемых заготовок и образования диффузионного соединения, а с другой - необходимо ограничивать величину пластической деформации свариваемых заготовок, приводящей к образованию прогибов на непод-крепленных участках и, как следствие этого, снижению сечения трактов охлаждения, что накладывает ограничения на величину сварочного давления.
Качественное диффузионно-сварное соединение должно выдержать внутреннее давление жидкости в межоболочковой полости до 60.70 МПа, при этом, например, прогиб оболочки на не-подкрепленном участке Ж не должен превышать
0,3 мм при ширине неподкрепленного участка (расстоянии между ребрами) 4 мм.
Параметрами, наиболее существенно влияющими на прочность соединения и высокотемпературную деформацию при диффузионной сварке, являются температура, давление, время выдержки и исходная микроструктура свариваемых заготовок. Температура сварки выбирается близкой к температуре полиморфного превращения, которая для сплава ОТ4 составляет 950.960 0С [1].
Экспериментальное исследование влияния технологических параметров на качество сварного соединения проводили на образцах, имитирующих оболочковую конструкцию (рис. 2).
—ж— jj Б~Б герметичный шод АЛС по контиви детали 1
2 \
у А-А
щ ■— В
^ і і ^ і *
І I
Рис. 2. Образец - имитатор: 1 - внешняя оболочка, 2 - внутренняя оболочка
Образцы, имитирующие внутренние оболочки изготавливали из листового проката сплава ОТ4, имеющего в состоянии поставки глобулярную микроструктуру. Диффузионную сварку образцов осуществляли в термокомпрессионной пе-
чи при давлениях аргона ^) 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 МПа, при этом среднее (задаваемое технологией) давление на контактной поверхности ребра и наружной оболочки, вычисленное по формуле p=Q(a+b)/b, составляло соответственно 0,25; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 МПа. Сваренные образцы опрессовы-вали на гидростенде давлением (Ропр) до разрушения.
Результаты испытаний сваренных образцов приведены на рис. 3. Из этих данных видно, что исходная микроструктура свариваемых заготовок оказывает существенное слияние на качество диффузионного соединения, характеризуемое величиной прочности соединения Ропр и накопленной деформацией свариваемых заготовок Д/.
Ропр, МПа А1 мм
полняется в двумерной постановке в условиях плоской деформации.
1
2
0,5-
ол
0,3-
0,2
0,1-
0,5 1,0 1,5 2,0 р, МПа
а б
Рис. 3. Зависимость величины разрушающего давления Ропр при гидроиспытаниях образцов-имитаторов (а) и величины прогибов А/ (б) от среднего сварочного давления р при использовании внешних оболочек из сплава со структурой: 1 - равноосной глобулярной; 2 -крупнозернистой пластинчатой (Т = 950 оС; Г = 5400 с)
Так как при диффузионной сварке титана и его сплавов в основе развития процесса образования соединения лежит высокотемпературная деформация металла в зоне соединения, то необходимо проанализировать распределение контактных (сварочных) давлений (рк) и вызываемых ими напряжений и деформаций (е) в зоне контакта свариваемых заготовок.
Исследование процесса развития деформаций в контактной зоне возможно выполнить с помощью математического моделирования численными методами, например, с помощью метода конечных элементов.
Задача моделирования заключается в определении кинетики изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) в объемах заготовок в процессе сварки. При этом необходимо учитывать влияние микроструктуры соединяемых деталей на процесс развития деформаций и распределение напряжений. Форма реальной поверхности заготовок (шероховатость) на данном структурном уровне исследования не учитывается.
Поскольку моделируемое изделие состоит из одинаковых многократно повторяющихся ячеек, симметричных относительно вертикальной оси, то его расчетную схему можно упростить, как показано на рис. 4, уменьшив объем вычислений при решении задачи. При этом на линиях симметрии перемещения узлов, перпендикулярные этим линиям, принимаются равными нулю (граничное условие показано на схеме знаком Д). Анализ вы-
Свойства материала деформируемого тела описано сочетанием ползучести с билинейным изотропным упрочнением. Такое сочетание позволяет моделировать сложное нелинейное поведение материала, при котором он может иметь начальную пластическую деформацию с упрочнением и, с течением времени, подвергается неупругим деформациям ползучести.
Предел текучести сплава ОТ4 принят равным 15 МПа. Модуль упругости сплава при температуре 950 0С определен экстраполяцией данных в область температур сварки и равен 5-104 МПа.
Для анализа процесса деформации использовались экспериментально полученные уравнения скорости установившейся ползучести титанового сплава ОТ4 в интервале температур Т=900 .960 0С и напряжений 0,1.. .5,0 МПа: мелкозернистая структура
1 ЛЛ 1 л5 1,2 -230000/КТ
є = 1,20-10 -о е ;
крупнозернистая структура
ТА 1а9 _2,4 -394000/КТ
е = 7,0-10 -о е .
Особенностью анализа процесса деформации деталей при диффузионной сварке является специфическое поведение их контактных поверхностей. При температурах, характерных для сварки, титановые сплавы имеют высокую склонность к схватыванию поверхностей при совместном деформировании и последующему образованию сварного соединения. Результатом этих процессов является отсутствие возможности взаимного проскальзывания деталей в плоскости стыка в процессе сварки. Описанное поведение поверхностей учитывается выбором соответствующего алгоритма решения контактной задачи - после того как поверхности вступили в контакт, их взаимное проскальзывание не происходит.
Проверка модели, выполненная путем сравнения расчетных и экспериментальных данных по величине прогиба внешней оболочки при различной ширине неподкрепленного участка, показала что погрешность не превышает 10 %.
При анализе напряженно-деформированного состояния (НДС) деталей в процессе сварки рас-
сматривались два варианта сочетания их микроструктур, показанные на рис. 5.
<ш>
Рис. 5. Варианты сочетания микроструктур заготовок: МЗ - мелкозернистая глобулярная; КР - крупнозернистая пластинчатая структура
В качестве критериев оценки напряженно-деформированного состояния в области контакта приняты:
• характер распределения продольных, поперечных и касательных компонент напряжений и деформаций;
• распределение эквивалентных напряжений и деформаций в зоне контакта.
В соответствии с работами [2, 4] предполагаем, что распределение компонент напряжений по сечению деталей определяет схему напряженного состояния, влияющую на способность металла претерпевать пластические деформации, а величина эквивалентных напряжений и деформаций позволяет судить о развитии процесса взаимодействия контактных поверхностей свариваемых заготовок.
Рассчитанное распределение контактного давления (рк) по ширине ребра в ряде точек в зависимости от времени сварки приведено на рис. 6.
Рк, МПа
Рис. 6. Изменение контактного давления в ряде точек ребра с течением времени (сплав ОТ4; I вариант сочетания микроструктур; Т = 950 оС; а = 4 мм; р=0,5 МПа; Q = 0,1 МПа)
Полученные зависимости показывают, что распределение контактного давления отличается большой неравномерностью, характеризуемой концентрацией напряжений у края ребра. Для участка, лежащего в средней части ребра, контактное давление рк меньше примерно в 2,5 раза среднего (задаваемого техпроцессом) давления р. С течением времени рк несколько выравнивается, однако даже к концу процесса сварки давления у края и в
средней точке ребра отличаются примерно на порядок.
Наблюдаемое некоторое выравнивание рк с течением времени можно объяснить его перераспределением, обусловленным совместной деформацией ребра и обшивки в процессе сварки. В начальной стадии сварки относительно тонкая обшивка начинает прогибаться, опираясь на края ребра, разгружая при этом его центральную область. С течением времени более нагруженные края ребра сминаются значительно интенсивнее средней части, давление в некоторой степени выравнивается. Аналогичная картина наблюдается при использовании II варианта сочетания микроструктур.
На начальном этапе сварки в объеме внешней заготовки создается распределение напряжений характерное для изгиба: преобладают горизонтальные напряжения, на выпуклой стороне волокна подвергаются растяжению, на вдавливаемой -сжатию, примерно на середине высоты сечения располагается нейтральная линия с нулевыми значениями напряжений. Максимальные значения напряжений наблюдаются в плоскостях, соответствующих середине ширины канала и средней части ребра внутренней оболочки.
Вертикальные напряжения являются для всего сечения напряжениями сжатия. В объеме оболочки, располагающемся над неподкрепленным участком, они близки к нулю, по мере приближения к опоре (ребру) возрастают до значений близких к среднему контактному давлению на контактной поверхности. Распределение напряжений по поверхности контакта заготовок в случае изготовления внешней оболочки из сплава с крупнозернистой структурой является относительно равномерным и картина распределения вертикальных напряжений по сечению практически не изменяется в процессе сварки. В случае использования для оболочки сплава с мелкозернистой структурой первоначальное распределение напряжений сходно с рассмотренным выше, но с течением времени прогиб оболочки приводит к увеличению напряжений на периферии контактного участка и снижению напряжения в средней его части.
Касательные напряжения в большей части внешней оболочки относительно невелики и возрастают в области, располагающейся над углом ребра внутренней оболочки и испытывающей сопротивление срезу. Распределение касательных напряжений практически неизменно в течение процесса сварки и слабо зависит от материала обшивки.
Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу, характеризующее способность к пластической деформации материала в зоне контакта заготовок, приведено на рис. 7.
Рис. 7. Распределение эквивалентных напряжений в зоне стыка (МПа), Г = 5400 с
Анализ компонент напряженного состояния показывает, что в средней части зоны контакта оболочек формируется НДС с трехосным сжатием материала. При этом вертикальная составляющая сжимающих напряжений вызвана приложенным давлением, а горизонтальная складывается из двух компонент: сжатие волокон от изгиба оболочки и сжатие под действием силы контактного трения на поверхности, тормозящей выдавливание материала из контактной зоны.
Как известно [5], такое напряженное состояние существенно понижает пластичность металла и, следовательно, препятствует развитию деформации в зоне сварки. Постепенное увеличение касательных напряжений в направлении от центра зоны контакта к периферии изменяет напряженное состояние и делает его благоприятным для развития процессов деформации материала.
Исходя из проведенного анализа следует ожидать, что в зоне соединения, соответствующей углу ребра внутренней обшивки, деформация материала начнется на ранних стадиях процесса сварки и будет иметь максимальные значения в течение всего времени ее проведения.
Поведение заготовок в процессе сварки определяется сопротивлением их материала высокотемпературной деформации. Для оболочки из материала с крупнозернистой пластинчатой структурой, имеющей более высокое сопротивление деформации при температуре сварки, рост прогиба А1 на неподкрепленных участках незначителен. Это определяет неизменное распределение напряжений по сечению и, как следствие, сохранение заторможенной зоны с постоянно высоким уровнем сжимающих напряжений в течение всего рассмотренного интервала времени.
При использовании в качестве материала оболочки сплава с мелкозернистой структурой, обладающей более низким сопротивлением ползучести, с течением времени в ней начинают развиваться процессы пластической деформации. Это приводит к росту прогиба оболочки на неподкреп-ленных участках.
Так как активное образование диффузионносварного соединения происходит в процессе деформации свариваемых поверхностей, то необходимо исследовать развитие деформаций во време-
ни, соответствующее рассмотренному напряженному состоянию.
В качестве контрольных выбраны точки (рис. 8) расположенные в средней плоскости ребра внутренней оболочки (.№3), на его краю (.№1) и на равном расстоянии между ними (№2).
Сравнение величины деформаций ползучести на контактной поверхности ребра показывает, что материал и величина прогиба наружной оболочки оказывают влияние на деформацию точек, расположенных в средней части ребра (рис. 8) - эквивалентная деформация материала в этой зоне для первого варианта сочетания микроструктур составляет 2.4 %, в то время как во втором варианте уровень деформации значительно меньше -
0.1,5 %. Меньший уровень деформации для второго варианта сочетания микроструктур можно объяснить тем, что крупнозернистая наружная обшивка, практически не прогибающаяся в процессе сварки, сдерживает развитие процессов деформации в прилегающих к ней зонах ребра за счет контактного трения.
а
Рис. 8. Зависимость эквивалентных деформаций точек поверхности ребра от времени а - I вариант; б - II вариант сочетания микроструктур (сплав ОТ4; Т = 950 оС; а = 4 мм; Q = 0,1 МПа)
Анализ влияния величины сварочного давления по исследуемым параметрам процесса показал, что при низком давлении ^=0,05 МПа), когда прогибы наружной обшивки невелики (Д{^0,05 мм), имеет место более равномерное распределение контактного давления рк по верхней кромке ребра (за исключением краевого участка х<0,15 мм) и соответствующее равномерное распределение деформации (рис. 9, кр. 1).
вершине которого при подаче испытательного давления во внутреннюю полость оболочковой конструкции возникает большая концентрация напряжений, способствующая разрушению.
в зоне стыка ребра с мелкозернистой оболочкой (сплав ОТ4; Т = 950 оС; а = 4 мм; Г = 5400 с); давление газа в термокомпрессионной печи Q, МПа: 1 - 0,05; 2 - 0,1; 3 -0,15; 4 - 0,2; 5 - 0,4
Однако величина деформации при этом на большей части поверхности не превышает 1 %, что можно считать причиной невысокой прочности соединения. Сварное соединение в первую очередь будет формироваться в зоне контакта края ребра и внешней обшивки, где концентрация напряжений приводит к достаточно большим деформациям. С увеличением давления (рис. 9, кривые 2, 3) степень деформации металла растет, обеспечивая развитие физического контакта между поверхностями и увеличение прочности. Вместе с тем растет неравномерность распределения деформации в зоне стыка. Это является следствием того, что в процессе деформации оболочка опирается на край ребра, создавая локальное увеличение давления и вызывая повышенную деформацию. Одновременно происходит увеличение прогиба оболочки на неподкрепленных участках, рост горизонтальных напряжений сжатия и формирование НДС с всесторонним сжатием материала. Это значительно понижает способность металла к деформации и уменьшает величину накопленной в процессе сварки деформации, несмотря на увеличение контактных напряжений (см. рис. 9, кривые 4, 5).
Одной из причин снижения прочности соединения (рис. 3, а) при повышении сварочного давления Q выше 0,2 МПа (р=1,0 МПа), может являться изменение его формы у края ребра. Как следует из рис. 10 увеличение прогиба приводит к образованию в зоне соединения острого угла, в
а б
Рис. 10. Форма зоны сварного соединения у края ребра: а - Q =0,05 МПа; б - Q =0,2 МПа; мелкозернистая структура
Анализ результатов экспериментальных исследований и математического моделирования позволил сделать следующие выводы:
1. Распределение контактных давлений в зоне стыка отличается большой неравномерностью, характеризуемой концентрацией напряжений у края ребра.
2. Воздействие на свариваемые заготовки сжимающего давления совместно с наличием трения и схватывания в зоне контакта приводит к формированию в средней части зоны контакта оболочек объемного напряженного состояния трехосного сжатия, снижающего деформационную способность металла и, как следствие этого, ухудшающего условия для развития физического контакта.
3. С увеличением давления, приложенного к свариваемым заготовкам, увеличивается неравномерность развития деформации в зоне стыка, при этом величина деформации средней части ребра практически не изменяется.
Литература
1. Петренко В.Р. Металловедение диффузионной сварки титана / Под ред. В.В. Пешкова. М.: Технология машиностроения, 2005. 315 с.
2. Красулин Ю.Л., Назаров Г.В. Микросварка давлением. - М.: Металлургия, 1976. - 160 с.
3. Каракозов Э.С. Соединение металлов в твердой фазе. - М.: Металлургия, 1976. - 264 с.
4. Махненко В.И., Квасницкий В.В., Ермолаев Г.В. Влияние физико-механических свойств соединяемых металлов и геометрии деталей на распределение напряжений при диффузионной сварке в вакууме // Автоматическая сварка. 2008. №1. С.5-11.
Воронежский государственный технический университет
SIMULATION OF HIGH TEMPERATURE DEFORMATION OF METAL IN DIFFUSION
WELDING IN A CREEP
A.B. Bulkov, V.V. Peshkov, V.R. Petrenko, D.N. Balbekov
Based on experimental studies carried out on samples of titanium alloy, simulating shell design, it shown that the factor influencing the development of the welding process and the quality of the diffusion junction, is a microstructure of welded blanks.
The numerical simulation revealed that the contact zone of the workpiece is created on the stress-strain state caused by the presence of friction in contact between them, delaying the development of deformations of welded surfaces
Key words: diffusion bonding, titanium alloys, deformation, mathematical simulation
