авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Влияние термического цикла сварки и количества адсорбированной влаги на структуру, свойства металла и надежность конструкций из титановых сплавов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи








КЛЕШНИНА ОКСАНА НИКОЛАЕВНА

ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ЦИКЛА СВАРКИ

И КОЛИЧЕСТВА АДСОРБИРОВАННОЙ ВЛАГИ НА СТРУКТУРУ, СВОЙСТВА МЕТАЛЛА И НАДЕЖНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ

ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ


Специальность 05.02.10 – Сварка, родственные процессы и технологии

АВТОРЕФЕРАТ


диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (г. Комсомольск-на-Амуре)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Муравьёв Василий Илларионович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Феклистов Станислав Ильич

г. Москва

кандидат технических наук, доцент

Бекетов Андрей Борисович

г. Москва

Ведущая организация: Комсомольский на - Амуре

филиал ОАО «ОКБ Сухой»

Защита диссертации состоится « 27 » января 2011 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 217.042.03 при ОАО НПО «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ)» по адресу: 115088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д.4.

Е-mail: cniitmash@cniitmash.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической

библиотеке ЦНИИТМАШ

Автореферат разослан « 13» декабря 2010 г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения), просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 217.042.03,

кандидат технических наук С.М. Петушков

Общая характеристика

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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


Во введении изложена актуальность темы исследования, сформулирована цель и задачи диссертационной работы, раскрыта научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе представлен обзор и анализ литературных данных по существующим вопросам в области улучшения механических свойств и надёжности конструкций из титановых сплавов.

На сегодняшний день накоплен достаточно обширный материал, как в теоретическом, так и в практическом плане, по решению проблемы исключения порообразования в металле шва титановых конструкций. Следует отметить исследования Н.Ф. Казакова, В.И. Лукина, В.В. Редчица, Г.Д. Никифорова, В.В. Фролова, Б.А. Матюшкина, У. Цвиккера, В.Е. Панина, В.Е. Громова, Л.Б. Зуева, О.А. Троицкого, В.Е. Блощук, В.Н. Замкова, С.М. Гуревич, М.Х. Шоршорова, В.И. Муравьёва, Б.И. Долотова, Б.А. Колачёва, А.И. Горшкова и др.

Аналитическая оценка эффективности современных методов улучшения плотности и свойств металла шва конструкций из титановых сплавов позволила определить: факторы, определяющие свойства; виды дефектов и методы их устранения, а также возможные направления исследований по улучшению свойств.

Как показывает аналитическая оценка результатов исследований (табл.1), проблемы исключения пористости и доведения свойств металла шва до свойств основного металла не решены.





Во второй главе изложены методики проведения исследований.

В работе использовались как традиционные, так и специально разработанные исследования. Водород определяли спектральным методом с применением низковольтного импульсного разряда методом трех эталонов на спектрографе ИСП-51 в соответствии с ОСТ 90034-81. Исследование проводили на образцах размерами 505010 мм из титановых сплавов ВТ-1 и ВТ20, после различных видов механической обработки. Изменение содержания водорода в зависимости от вида обработки оценивали сравнением с содержанием водорода в основном металле, далее исследовали макро- и микроструктуру активного пятна.

Для аналитической оценки особенностей изменения механических свойств металла шва проведены исследования на листовых заготовках из сплава ВТ20 толщинами от 1,2 до 6 мм, различных плавок каждого типоразмера. Листовые заготовки и сварные швы были подвергнуты исследованиям макро- и


микроструктуры, испытаниям механических свойств на растяжение при комнатной температуре, испытаниям твердости. Химический состав поверхности титановых заготовок выполнен на мобильном оптико-эмиссионном анализаторе "ARK-met" фирмы "PPM-System". Содержание кислорода и азота анализированы методом импульсного нагрева испытуемого образца в токе инертного газа на приборе "ONH-2000" фирмы ETRA. По полученным результатам были построены зависимости механических свойств основного металла со свойствами сварных соединений от толщины, химического состава, режима сварки.

Для исследований качества проволоки были отобраны 2 бухты сварочной проволоки ВТ1-00, принятые по механическим свойствам, химическому составу и наличию рисок соответствующие марке ВТ1-00 ГОСТ 27265-87 «Проволока сварочная из титана и титановых сплавов». Сварку проводили на образцах-имитаторах ребристых панелей и технологических образцах из сплава ВТ20. Исследовали качество поверхности проволоки замером шероховатости, макро – микроструктуру, химический состав и примесей газов. Кроме того, проводились исследования воздействия сварочного тепла на разогрев присадочной проволоки в момент подачи ее в сварочную ванну и на дегазацию влаги с ее поверхности до момента погружения ее в расплав сварочной ванны.

Исследования влияния технологических факторов формирования поверхности раздела спец.образцов из сплава ВТ20 выполнены на установке, разработанной на кафедре МиТНМ ГОУВПО «КнАГТУ». Параллельно проведены статические испытания на растяжение на универсальной разрывной машине с механическим приводом согласно ГОСТ1497-84.

Для оценки эксплуатационной надежности опытных сварных титановых конструкций были проведены испытания натурных образцов на вибронадежность. С этой целью были разработаны и изготовлены натурные образцы из сплава ВТ20 толщиной 1,2 мм. Конструкция опытного образца в миниатюре представляла собой характерный участок силовой панели летательного аппарата. Испытания проводились на широкополосном электродинамическом преобразователе «Вибратор Ling Dynamic Systems» модели 954 MKII. Испытания на вибропрочность проводили на той же установке и с той же схемой крепления образца на вибростоле.

Третья глава посвящена исследованию взаимосвязи содержания водорода и адсорбированной влаги на поверхности заготовок под сварку из титановых сплавов. Приведены результаты исследования влияния различных методов подготовки кромок под сварку на количество адсорбированной влаги, определением процентного содержания водорода в поверхностном слое заготовок. Максимальное количество водорода содержится на поверхности раздела заготовки после раскроя на ножницах гильотинного типа (рис.1). Ещё большее содержание водорода в поверхностном слое, причём независимо от балла дефектности после внесения холодных образцов в тепло. Чем выше содержание легирующих элементов, тем выше поверхностное содержание водорода. Для всех видов обработки поверхностного слоя сплава ВТ20 содержание водорода более чем в 1,5 раза выше по сравнению с содержанием водорода в поверхностном слое технического титана ВТ1-00.

Балл дефектности в зависимости от вида обработки: 1 – чистовое шлифование, 3 – шабрение, 5 – чистовое фрезерование, 7 – грубое фрезерование, 9 – рубка на ножницах гильотинного типа.

Содержание водорода: I – в основном металле, II – после обезжиривания спиртом исходной поверхности, III – исходная поверхность после механической обработки, IV – после охлаждения до 10 °С и выдержки на воздухе при комнатной температуре 2 ч, V – сразу после охлаждения до 10 °С.

Рис.1. Изменение содержания водорода в поверхностном слое заготовок из титановых сплавов ВТ1-00 (а) и ВТ20 (б) в зависимости от балла дефектности, вызванного различными методами обработки, условиями хранения и последующей обработкой

Резкое изменение поверхностного содержания водорода после выдержки холодных образцов при комнатной температуре свидетельствует об испарении с поверхности поверхностно-адсорбированной влаги, как и при обезжиривании спиртом. В последнем случае наблюдается практически полное удаление с поверхности поверхностно-адсорбированной влаги и разница в значениях содержания водорода в основном металле и в поверхностном слое объясняется наличием капиллярно-конденсированной влаги, в дефектном слое, причём, чем балл дефектности слоя выше, тем больше в нём содержание водорода. Об этом свидетельствуют и исследования макро- и микроструктуры активного пятна (рис. 2). Вид активного пятна низковольтного импульсного дугового разряда и дугового разряда в значительной степени различаются в зависимости от различных видов обработки (рис. 2).

1 – грубое

фрезерование,

2 – чистовое

фрезерование,

3 – шабрение

Рис. 2. Вид активного пятна (увеличение 25 крат) низковольтного импульсного дугового разряда на поверхности образцов из сплава ВТ20

Наблюдается во всех случаях наличие темного ободка сразу за кратером выплеска металла различной ширины. Минимум ширины - у темного ободка активного пятна, полученного на шабрёной поверхности образца. Макро- и микроисследования (рис. 3) активного пятна свидетельствуют о том, что в процессе низковольтного импульсного дугового разряда происходят местный разогрев, плавление, испарение и выплеск металла, причём одинаковый по характеру образования как при определении содержания водорода в основном металле, так и при определении его в поверхностном слое. При этом одинаковые и процессы излучения, обусловленные образованием атомов и ионов в результате упругих и неупругих взаимодействий этих частиц в облаке низкотемпературной плазмы для возбуждения спектра линий водорода.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.