2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ..................................................... 4
Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШТАМПОСВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ .............................................. 13
1.1. Обзор устройств и методов гибки листовых заготовок .... 13
1.2. Конструктивно-технологический анализ изготовления панелей вафельного типа .............................. 20
1.3. Определяющие факторы технологических процессов штамповки, сварки и термообработки штампосварных заготовок ................................................ 25
1.4. Анализ существующих технологических процессов изготовления штампосварных титановых конструкций ....... 29
1.5. Выбор и обоснование исследований новых ресурсосберегающих технологических процессов изготовления штампосварных конструкций из титановых сплавов ............ 35
Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОГО ИЗГИБА С РАСТЯЖЕНИЕМ ЛИСТОВОЙ ЗАГОТОВКИ ............................... 38
2.1. Постановка задачи ..................................... 38
2.2. Алгоритм решения ...................................... 40
2.3. Определение поля радиусов кривизны линий скольжения .. 42
2.4. Исследование поля деформаций в пластической области ... 43
Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ШТАМПОСВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ......................... 50
3.1. Способы и устройства для определения остаточных напряжений ......................................... 50
3.2. Исследования режимов электроконтактного нагрева для листовой штамповки титановых заготовок ............. 53
3.3. Исследования формирования макро- и микроструктуры поверхностного рельефа стыкуемых кромок и их влияние на ад-
3
сорбцию и десорбцию загрязнений ......................... 67
3.4. Исследования проплавления толстостенных штампосварных титановых конструкций ........................... 75
3.5. Выводы ............................................. 86
Глава 4. ОСВОЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ В СЕРИЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ ................................................ 88
4.1. Деформирование с применением электроконтактного нагрева ............................................. 88
4.2. Деформирование с применением силовой интенсификации 93
4.3. Деформирование штампосварных конструкций с применением нагрева ........................................ 96
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ............................................... 103
Г ПРИЛОЖЕНИЯ ............................................... 115
4
ВВЕДЕНИЕ
В конструкции современных летательных аппаратов (ЛА) широко применяются тонколистовые панели вафельного типа, изготовленные фрезерованием плит из алюминиевого сплава В95пчТ2. С технологической точки зрения такие панели имеют следующие недостатки:
- подверженность трещинообразованию при их дальнейшем деформировании;
- невозможность сварки плавлением;
- низкий коэффициент использования материала (КИМ).
Повышенные требования к летным характеристикам современной
авиационной техники и необходимость ее эксплуатации в субтропических морских условиях привели к необходимости использования материалов с улучшенным комплексом механических свойств.
Таким материалом являются титановые сплавы, обладающие высокой удельной прочностью, вязкостью разрушения и сопротивлением усталости, а также имеющие высокую коррозионную стойкость.
Однако титановые сплавы менее технологичны по сравнению со сталями и алюминиевыми сплавами из-за низкой теплопроводности, высокой химической активности и ограниченных возможностей холодного деформирования. Средне- и высоколегированные двухфазные титановые сплавы практически не поддаются холодной штамповке из-за высокого сопротивления металла деформации, интенсивного упрочнения при деформации и склонности к растрескиванию и разрывам. Малолегированные титановые сплавы имеют пластичность при холодной штамповке в 2-3 раза хменьшую, чем коррозионностойкие стали. Свойства сварных соединений титановых сплавов ниже, чем у основного деформируемого металла. Кроме того, титановые сплавы склонны к порообразованию при сварке и образованию холодных трещин после сварки. Сопоставление стоимости материалов и технологии изготовления конструкций из титановых сплавов показывает, что экономическая целесообразность применения титановых сплавов в авиационной технике определяется затратами на их производство (рис. I). В связи с этим актуально совершенствование существующих и разработка новых эффективных технологических процессов штамповки, сварки, термической обработки при изготовлении штампосварных конструкций (ШСК) Л А из титановых сплавов, позволяющих:
АКТУАЛЬНОСТЬ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШТАМПОСВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЛА
Эффективность применении ІІІСК вместо стильных и алюминиевых конструкций:
- снижение массы для каждой детали: трубопровод ло 50%: обшивка - до 35%; силовая панель центроплана - до 14; лонжерон - ло 21 %; шпангоут - до 38%;
- высокие: удельный предел выносливости, вязкость разрушения, коррозионная стойкость
Технологичность ШСК в сравнении
со стильными н алюминиевыми конструкциями:
- штампуемость в холодную - низкая;
- обрабатываемость резанием - в 1,5 - 4 раза ниже, а с газопасышеннмм слоем в 3 8 раз ниже;
• стоимость мехобработки в 5 - 10 раз. а стоимость проката в 5 - 7 раз выше;
- нагрев ведет к газонасышению и ухудшению свойств;
- сварка сопровождается порообразованием, холодными трещинами и короблением.
новых технологических процессов пн отопления надежных ШСК с минимальными затратами обеспечивает:
- защиту от газонасыщсния поверхности заготовок при штамповке, Т/О и X ГО в атмосфере воздуха:
- высокую плотность и новые свойства металла сварного шва заготовок с использованием аффектов минимальной адсорбции загрязнений и самоочищения;
- повышение прочности при высокой пластичности, высокую точность заготовок и минимум усилий при формообразовании в условиях субкритнческой сверхиластичности.
• повышение КИМ с 0.1 до 0,85.
Годовая эффективность внедрения разработок: 97 млн. руб. (в иенах 1998 года)
Рис. 1. Основные характеристики исследования и разработки новых технологических процессов изготовления штампосварных конструкций ЛА
6
- осуществлять горячую листовую штамповку титановых сплавов и термическую обработку для снятия остаточных напряжений;
- при минимальной трудоемкости и себестоимости повысить КИМ основной номенклатуры деталей с 0,1 до 0,85;
- увеличить плотность сварных швов конструкций с формированием структуры сварного шва (СШ) и зоны термического влияния (ЗТВ) со свойствами, идентичными свойствам основного металла;
- улучшить физико-механические свойства и повысить ресурс изготавливаемых деталей.
Целью работы является исследование и разработка новых технологических процессов изготовления штампосварных конструкций из титановых сплавов, обеспечивающих экономию материальных и трудовых ресурсов и надежность в эксплуатации ЛА.
При выполнении диссертационной работы применялись как традиционные методы исследований диффузионного взаимодействия атмосферы с поверхностью титана и его сплавов, так и специально разработанные. Из числа известных использованы методики гравиметрии; спектроскопии на квантометре МФС-8, лазерном спектромикроанализаторе ЛМА-10; рентгеноспектроскопии на анализаторе "Спектроскан"; газового анализа методом вакуумплавления пробы с последующей газоадсорбционной хроматографией в потоке инертного газа; микроскопии на микроскопе ЫеойЛ-21; измерения микротвердости и т.э.д.с.; рентгеноскопии на установке ДРОН-1; исследования физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств ШСК из титановых сплавов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- на основе метода линий скольжения разработана математическая модель процесса изгиба листовых заготовок, позволяющая оценить предельные возможности процесса деформирования;
- установлен и исследован эффект упрочнения титановых сплавов после их деформации в температурном интервале фазового а-оД "пред-превращения", т. е. деформации в субкритической сверхпластичности;
- установлена взаимосвязь между видом сформированной макро- и микроструктуры рельефа поверхности кромок, наличием на ней защитной окисной пленки и окклюзии влаги и загрязнений с порообразованием в металле шва в тонкостенных штампосварных титановых конструкциях;
- экспериментально подтверждены процессы деформирования и сварки конструкций из титановых сплавов. Обнаружен эффект самопро-
7
извольного сжатия полоцилиндрического дугового разряда, при этом за счет концентрации энергии дугового разряда погруженным тороидальным электродом появляется возможность получать металл шва новой клиновидной формы проплава с новыми свойствами по сравнению со сваркой их обычным электродом;
- экспериментально установлены температурно-временные условия релаксации напряжений в труднодеформируемых титановых сплавах при тепловом воздействии и пластической деформации.
Научная новизна подтверждена патентами на изобретения, дипломом на научную идею № А-93 от 08.01.98, регистрационный номер № 93 "О самопроизвольном сжатии полоцилиндрического дугового разряда”, выданным Международной ассоциацией авторов научных открытий.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием апробированных методов теоретических и экспериментальных исследований, а также успешной реализацией разработанной технологии в промышленном производстве.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Разработаны технологические процессы изготовления ШСК из титановых сплавов, обеспечивающие снижение трудоемкости изготовления, повышение КИМ и получение деталей с новым комплексом свойств.
Разработаны и предложены рекомендации выбора условий (температура, время, давление) ведения процессов деформирования, сварки и термообработки конструкций из титановых сплавов на традиционном оборудовании в атмосфере воздуха.
Разработанные технологические процессы позволяют управлять формированием:
- структуры поверхностного слоя и свойствами штампованных заготовок, основанные на диффузионном взаимодействии с атмосферой воздуха при деформировании и термообработке;
- структуры металла СШ и околошовной зоны конструкций, основанные на защитных свойствах окисной пленки, а также на формировании поверхностной структуры стыкуемых кромок, обеспечивающих минимум адсорбированных загрязнений;
- структуры металла СШ и околошовной зоны силовых конструкций больших толщин, основанные на эффекте "самоочищения" титановых сплавов, а также использования новейшего тороидального электрода при сварке погруженной дугой;
8
- структуры основного металла и металла СШ с новым комплексом свойств, вызванных деформацией в состоянии "предпревращения" в области субкритической сверхпластичности.
Методы расчета и практические рекомендации, разработанные под руководством и при личном участии автора, нашли практическое применение на предприятиях авиационной промышленности. На КнААПО созданы цеха и комплексно-механизированные участки серийного изготовления деталей из титановых сплавов: штамповки листовых заготовок в температурном интервале «предпревращения» в области субкритической сверхпластичности при ЭТВ в воздушной среде; автоматической сварки ШСК с использованием при сварке тороидального электрода, обработки LUCK в воздушной среде.
Апробация работы заключается в том, что основные разделы и результаты работы доложены и обсуждены на XVII отраслевой научно-технической конференции "Пути технического перевооружения и развития производства в современных условиях" (г. Комсомольск-на-Амуре, 24 - 26 июня 1998 г.); V Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективные материалы, технологии, конструкции" (г. Красноярск, 27-29 мая 1999 г.); II Белорусском конгрессе по теоретической и прикладной механике "Механика-99" (г. Минск, Беларусь, 28 - 30 июня 1999 г.); XVIII Российской научно-технической конференции "Стратегия технического прогресса технологий производства XXI века" (г. Комсомольск-на-Амуре, 14 - 16 июля 1999 r.),V Российско-китайском международном симпозиуме "Новые материалы и технологии" (выездной семинар) (г. Комсомольск-на-Амуре, 3-5 августа, 1999 г.).
Работа в целом доложена, обсуждена, одобрена и рекомендована к защите на объединенном научном семинаре КнАГТУ и ИМиМ ДВО РАН (г. Комсомольск-на-Амуре, 1999 г.), а также на научном семинаре ИАПУ ДВО РАН (г. Владивосток, 2000 г.).
Содержание диссертации опубликовано в 22 научных трудах, в том числе в 2 монографиях, 3 изобретениях и научной идее.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 140 наименований и приложений. Изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 58 рисунков и 10 таблиц.
В первой главе проанализированы существующие технологические процессы изготовления ШСК из титановых сплавов, способы интенсифи-
9
кации традиционных процессов штамповки, сварки и термообработки.
Перевод изготовления конструкций на штамповку и сварку позволяет существенно повысить коэффициент использования металла в среднем для всех деталей более чем в 1,8 раза, а конкретно для панелей вафельного типа - более чем на порядок.
Заслуживает внимания разработка и исследование техпроцессов штамповки, сварки и термообработки с использованием природных свойств титановых сплавов: высокой коррозионной стойкости, обусловленной образованием на поверхности защитной окисной пленки; высокой термической активности, приводящей к самоочищению при сварке и полиморфного превращения а<->р, приводящего к увеличению пластичности. Уникальным свойством защитной пленки является ее способность в определенных температурно-временных условиях защищать изделия от наводороживания.
На основе анализа технологических процессов производства ШСК из титановых сплавов были поставлены следующие задачи:
- теоретические исследования процессов деформирования и сварки листовых заготовок в штампосварную панель;
- исследование влияния эффекта «самоочищения» и концентрации энергии дугового разряда погруженным тороидальным электродом на га-зонасыщение и рафинирование металла шва у заготовок больших толщин;
- исследование условий релаксации напряжений в ШСК из титановых сплавов при холодной деформации и тепловом воздействии;
- разработка ресурсосберегающих технологий штамповки, сварки и термической обработки ШСК из титановых сплавов.
Во второй главе в рамках модели жесткопластического тела строится математическая модель процесса изгиба листовой заготовки с натяжением при деформации вокруг обтяжного пуансона.
В третьей главе приведены экспериментальные исследования деформирования листовых заготовок и сварного шва при плавлении и кристаллизации.
Методика исследований заключается в следующем:
а) выбор оборудования и инструмента с учетом оптимальных схем нагрева, смазки, формы заготовки;
б) исследование деформаций;
в) сравнительный анализ основных расчетных параметров (усилие деформирования, скорость и т.д.) с экспериментальными;
10
г) исследование физико-механических характеристик;
д) исследование геометрических размеров;
е) исследование микро- и макроструктуры с определением критерия качества;
ж) проведение испытаний на усталостную прочность;
з) исследование влияния ЭТВ на пластичность и прочность деталей при формообразовании их из титановых сплавов.
Кроме того, приведены исследования влияния адсорбции и окклюзии загрязнений, величины окисной пленки и эффекта «самоочищения» на рафинирование металла шва при плавлении и кристаллизации, а также физико-механические свойства ШСК из титановых сплавов. Аналитическая оценка закономерностей рафинирования металла шва при плавлении и кристаллизации позволила определить пути получения металла шва высокой плотности. Формирование макро- и микроструктуры поверхностного рельефа стыкуемых кромок зависит от вида раскроя заготовок и способа последующей их обработки, и определяет количество адсорбированной влаги и загрязнений и, в конечном итоге, газонасыщение и плотность металла шва титановых сплавов.
Испытания механических свойств показали, что способ сварки (ЭЛС или СПВЭ) мало сказывается на механических свойствах СШ при сварке соединений из титанового сплава ВТ20. Оба способа обеспечивают достаточно стабильные и высокие значения пределов статистической и малоцикловой прочности, а также ударной вязкости, причем последняя несколько выше для СПВЭ.
В четвертой главе показано освоение в производстве процессов деформирования листовых заготовок и их сварки, а также режимов термической обработки ШСК в воздушной среде.
Выявленные закономерности кинетики и температурной зависимости релаксации предварительно созданных растягивающих напряжений в сплавах ОТ4 и ВТ20 позволили установить температурно-временные условия получения требуемой конфигурации и исключения коробления сложной, объемной ШСК из титановых сплавов, при этом для снятия остаточных напряжений достаточно произвести заневоливание ее в приспособление и отжечь в воздушной среде при температуре не менее 580 -650°С и времени выдержки не менее 2 - 0,5 ч соответственно.
Исследования влияния режимов отжига на физико-химические, механические и эксплуатационные свойства сплава ВТ20 применительно к
сварным панелям показали: глубина измененного слоя не превышает 1,5 -2 мкм; удаление окисного слоя перед отжигом травлением и опескоструи-ванием устраняет разницу в значениях микротвердости между поверхностью и сердцевиной после отжига на воздухе, в вакууме и аргоне; отжиг при температуре 580 - 650°С в воздушной среде по сравнению с отжигом в вакууме сплава ВТ20 приводит к увеличению малоцикловой усталостной прочности на 12 - 35%, а применение опескоструивания после отжига в воздушной среде по указанному режиму увеличивает малоцикловую усталость сплава ВТ20 более чем в два раза.
Результаты исследований находят практическое применение при изготовлении штампосварных конструкций (трубопровод гидрогазовых систем, обшивки хвостовой части фюзеляжа, силовая панель центроплана, лонжероны, шпангоуты) самолета СУ-27 и его модификаций.
Результаты проведенной работы по теоретическим и экспериментальным исследованиям используются на Комсомольском-на-Амуре АЛО и АООТ ОКБ Сухого.
Изготовление штампосварных конструкций при оптимальных параметрах процессов штамповки, сварки и термообработки позволило:
- сократить объем ручных работ в 2 - 3 раза, увеличить предельную степень деформации на 200 - 250 % улучшить точность на 2 - 4 квалитета;
- осуществлять горячую (при температурах предпревращения) листовую и объемную штамповку титановых сплавов и термическую обработку для снятия остаточных напряжений и химико-термическую обработку в атмосфере сухого воздуха;
- осуществлять беспористую сварку тонколистовых конструкций при соответствующей подготовке кромок и беспористую сварку толстостенных силовых конструкций в условиях эффекта «самоочищения» с формированием структуры сварного шва (СШ) и зоны термического влияния (ЗТВ) со свойствами, идентичными свойствами основного металла;
- при минимальной трудоемкости и себестоимости повысить КИМ основной номенклатуры деталей с 0,4 до 0,75;
- улучшить физико-механические свойства и повысить ресурс изготавливаемых деталей.
Анализ технико-экономической эффективности процессов штамповки, сварки и термообработки при изготовлении штампосварных конструкций, освоенных в опытном и серийном производстве, производился в соответствии с действующими методиками АН РФ, Стандартом предприятия и методическими материалами НИАТ.
- Київ+380960830922