CC BY
77
УДК 621.983; 539.374
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ И ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ ЭЛЕМЕНТОВ МНОГОСЛОЙНЫХ ЛИСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ
В.Н. Чудин, А. А. Перепелкин, С.Н. Ларин
Приводятся результаты экспериментальных исследований процессов изотермического деформирования элементов многослойных листовых конструкций из высокопрочных материалов, сочетающие деформирование и диффузионную сварку давлением. Показаны технологические режимы процессов изотермического деформирования и сварки, подтвержденные результатами опытно-технологических работ. Установлены рекомендуемые режимы диффузионной сварки.
Ключевые слова: деформирование, температура, давление, сварка, технология, режимы, термофиксация, деталь, высокопрочные материал, пресс.
Корпуса емкостей, крыльев, люков имеют вафельную или стрингерную конструкцию. Это оболочки с разнесенными, связанными стенками, что позволяет им нести большие нагрузки при продольном изгибе и осевом сжатии. Типовой процесс - операции соединения заготовок диффузионной сваркой давлением и формообразования газом. Сварка обеспечивает соединение входящих элементов в твердой фазе, что сохраняет исходную структуру материала и не приводит к разупрочнению в зонах соединений. Эти факторы обеспечивают прочность, герметичность и коррозионную стойкость узлов изделий. Формообразование газом при необходимой температуре позволяет придать конструкциям сложные формы, а последующая операция термофиксации при медленном уменьшении температуры и давления газа закрепляет полученную геометрию изделия
[1 - 5].
Технологические схемы формообразования и диффузионной сварки оболочек приведены на рис. 1. Вафельную оболочку (панель) (рис. 1, а, б, в) изготавливают в следующей последовательности: формуемый лист 1 с наружним листом 2 (обшивкой) и пластинчатой решеткой 3 между ними устанавливают на закладных элементах в оснастке 4. Давлением пресса герметизируют сборку по контуру, вакуумируют и производят диффузионную сварку листов с решеткой в зонах их контакта 5. Подачей газа на лист 1 формуют его с образованием ячеек 6 до их полного оформления. При повышении давления происходит диффузионное соединение всех входящих элементов и образование единой неразъемной конструкции 7. Последующая выдержка под давлением обеспечивает прочностную и геометрическую термофиксацию изделия. Изготовление гофровой конструкции (рис. 1, г, д, е) включает диффузионную сварку листовых обшивок 1, 2 с листовым заполнителем 3 давлением газа в оснастке 4. При этом места,
не подлежащие соединению, закрыты антидиффузионным слоем. Сварка происходит по зонам 5. Далее подачей газа между листами производится формообразование полостей 6 до их окончательного оформления. Давлением газа листы калибруются до полного образования ячеек 6. Образуется конструкция 3-слойной оболочки 7. Возможен вариант технологии, при котором листы соединяют предварительно сваркой плавлением, после чего подвергают формообразованию газом.
Технологические режимы процессов формообразования и сварки, подтвержденные результатами опытно-технологических работ, представлены в табл. 1.
Рис. 1. Технологические схемы формообразования и сварки: а, б, в - вафельная конструкция; г, д, е - гофровая стрингерная конструкция
Технологическая схема соединения диффузионной сваркой с локальной осадкой показана на рис. 2. Она включает операции нагрева, ва-куумирования и последующей сварки осадкой в штампе.
Деформация в локальной зоне контакта создается за счет осадки одного или пары соединяемых элементов: для титановых сплавов - в пределах 0,1.. .0,2, для алюминиевых - до 0,3.
Таблица 1
Технологические режимы процессов формообразования и сварки
Материал Температура, °С Давление, МПа Время, мин
прессовая сварка / газоформовка / сварка газом
ВТ14 900 5-7 / 1-1,5 / 3-4 5 / 20-30 / 30
ВТ23 930
АМг6 500 / 500 / 520 10-12 / 0,7-1 / 3-5 5 / 10-20 / 45
1971,1911 500 / 500 / 520
Рис. 2. Технологическая схема сварки давлением с осадкой: 1 - наружные заготовки; 2 - зоны осадки;
3 - заготовки внутреннего набора; 4 - штамп; 5 - поверхности сварки
Величина осадки определяется состоянием поверхностей заготовок, т.е. наличием оксидной пленки, препятствующей соединению. При отсутствии пленки создаются условия для минимальных сил и деформаций, что вызывает необходимость проведения операций в безокислительной среде или вакууме. На титане пленка разрушается путем растворения кислорода в инертном газе, что упрощает операцию. Соединение алюминиевых сплавов проводят с осадкой в вакууме, причем оксидную пленку предварительно разрушают ионным травлением в инертном газе. Технологические режимы операций приведены в табл. 2.
Таблица 2
Технологические режимы
Материал Температура, °С Давление, МПа Осадка, % Время, мин
ВТ14, ВТ23 900 4-5 5-10 30-45
АМг6 510 10-15 10 30
1971 530 10-15 5-10 20-30
1911,1201 530 10-15 10-20 20-30
Ряд образцов изделий приведен на рис. 3.
Диффузионную сварку изделий проводили без припоя и с приложением давления, достаточного для создания необходимой пластической деформации соединяемых элементов. Технологические условия сварки позволяют посредством местной пластической деформации, создающей максимальное сближение поверхностей, и массопереноса (диффузии) атомов между двумя соединяемыми частями обеспечить равнопрочность зоны соединения и основного материала.
Рис. 3. Корпусные конструкции (опытно-промышленные образцы)
Температура соединения для свариваемых материалов составляет 0,5...0,7 температуры плавления материала. Повышение температуры приводит к ускорению взаимной диффузии атомов материалов через поверхность стыка и обеспечению благоприятных условий деформирования поверхностных слоев в этой зоне. Давление должно быть достаточным для заполнения всех пустот в областях соединений свариваемыми материалами. Деформация поверхностных слоев должна быть достаточной для разрушения поверхностных оксидов в зонах соединений.
Время протекания процесса сварки должно быть минимальным, что обосновано как физико-механическими, так и экономическими соображениями. Диффузионную сварку алюминиевых сплавов выполняют в вакууме, что предотвращает образование и рост оксидов на поверхностях. Титановые сплавы можно сваривать в проточном инертном газе, растворяющем пленку оксида.
После сварки по различным режимам образцы подвергали 1 аниям на растяжение до разрушения и металлографическому анализу структуры соединений.
Заготовки перед ионной обработкой травили в азотной кислоте с промывкой в теплой и холодной воде и последующей сушкой струей теплого воздуха. После химического травления заготовки подвергали ионной обработке в парах аргона и в вакууме напыляли медь на свариваемые поверхности.
В разомкнутом виде пакет исходных заготовок устанавливали в штамп и помещали в вакуумную пресс-камеру. После вакуумирования до 0,013 Па оснастку с заготовками нагревали до температуры сварки. Силой гидроштока заготовки сжимали через жесткий инструмент, выдерживали под давлением сварки, после чего постепенно снимали нагрузку, охлаждая
до 70 ° С, и раскрывали камеру и штамповую оснастку.
Микроструктуру сварных соединений выявляли после электролитической полировки в электролите и наблюдении в поляризованном свете на микроскопе "Неофот-32". В зоне контакта наблюдали общие рекристалли-зованные зерна и дефекты в виде несплошностей для сплава АМг6; для сплавов 1971 и 1911 характерно бездефектное соединение с образованием общих зерен.
По результатам технологических работ установлены рекомендуемые режимы диффузионной сварки. Лучшие условия для диффузионной сварки создаются в результате ионного травления поверхностей и нанесения слоя меди. Для сплава АМг6 процесс сварки недостаточно стабилен, общие зерна образуются не по всей поверхности контакта. При диффузионной сварке алюминиевых сплавов 1971 и 1911 образование общих зерен наблюдается практически по всей зоне соединения. Последующая термическая обработка (закалка при 450 ° С, охлаждение на воздухе, старение
при 110 ° С в течение 10 ч) обеспечивает прочность шва, близкую к прочности исходного материала.
О качественном диффузионном соединении свидетельствует тот факт, что при испытании на разрыв образцов разрушение происходило по основному материалу. Предел прочности составил 330.350 МПа. После термической обработки (закалка на воздухе + старение) прочностные характеристики увеличивались и предел прочности составлял 390 МПа. Установлено, что алюминиево-магниевые сплавы, не обеспечивая высокой стабильной прочности соединений, не упрочняются последующей термической обработкой. Перспективны цинкосодержащие сплавы типа 1971 и 1911 - мелкозернистые, термоупрочняемые. Сплав 1971 является дорогостоящим, так как имеет в составе скандий, а в сплаве 1911 мелкозернистость достигается режимами прокатки и термической обработки на стадии производства, что не приводит к его существенному удорожанию.
Процесс диффузионной сварки деталей из алюминиевых сплавов состоит из следующих операций:
подготовка исходных заготовок (обезжиривание и химическое травление, промывка, сушка);
ионное травление в аргоне при остаточном давлении 1,3 Па;
вакуумное напыление меди 0,5... 0,7 мкм;
сборка элементов конструкции, установка в вакуумную пресс-камеру;
вакуумирование до 0,0065 Па с нагревом до 510.530 ° С;
выдержка под технологическим давлением до 30 мин (сварка);
охлаждение в вакууме под нагрузкой с постепенным снятием давления и удаление готовой конструкции.
Результаты экспериментальных данных представлены в табл. 2.
Таким образом, разработан принципиально новый, инновационный технологический процесс изотермического деформирования совместно с диффузионной сваркой давлением высокопрочных материалов при изготовлении многослойных листовых конструкций деталей и узлов летательных аппаратов. Установлены рекомендуемые режимы диффузионной сварки.
Работа выполнена в рамках базовой части государственного задания №2014/227 на выполнение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2014-2020 годы и грантов РФФИ № 14-08-31225 мол_а и № 14-08-00066 а.
Список литературы
1. Manufacture of thin-wall spherical containers by deformation-welding / A.I. Ananev, Y.A. Sobolev, V.N. Chudin, S.S. Yakovlev // Welding International. 1999. Vol. 13. № 6. Р. 495-497.
2. Чудин В.Н., Соболев Я.А., Яковлев С.С. Технологические направления изотермического деформирования и диффузионной сварки высокопрочных сплавов // Технология машиностроения. 2000. № 2. С. 8-13.
3. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных металлов / С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, С.С. Яковлев, Я. А. Соболев. М: Машиностроение, 2004. 427 с.
4. Изотермическое формоизменение анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести / С. С. Яковлев, С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, В.И. Трегубов, А.В. Черняев. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.
5. Ковка и штамповка: справочник в 4 т. Т. 4. Листовая штамповка / под общ. ред. С.С. Яковлева; ред. совет: Е.И. Семенов (пред.) и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. 732 с.
75
Чудин Владимир Николаевич, д-р техн. наук, проф., mpf-tula@,rambler.ru, Россия, Москва, Институт путей сообщения,
Перепелкин Алексей Алексеевич, канд. техн. наук, доц., mpf-tiilaarambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ларин Сергей Николаевич, д-р техн. наук, доц., mpf-tulaaramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
TECHNOLOGICAL REGIMES OF ISOTHERMAL DEFORMA TION AND DIFFUSION WELDING ELEMENTS OF THEMULTILAYERED SHEET CONSTRUCTION
V.N. Chudin, A.A. Perepelkin, S.N. Larin
The results of experimental studies of isothermal deformation elements multilayer sheet structures of high-strength materials, combining deformation and diffusion bonding pressure. The paper presents the technological regimes during isothermal deformation and welding, confirmed by the results of research and technological work. Installed the recommended modes of diffusion bonding.
Key words: deformation temperature, pressure, welding technology, modes, thermo-fixing, detail, high material press.
Chudin Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Moscow, Moskow State University Ways of Communications,
Perepelkin Aleksey Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tiila a rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Larin Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
