V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Увеличение надежности и ресурса летательных аппаратов (ЛА) за счет исключения пористости и снижения остаточных сварочных напряжений, а также повышение механических свойств сварного соединения до свойств основного материала путем варьирования скорости охлаждения сварочной ванны и зоны термического влияния (ЗТВ) в интервале температур превращения α является актуальной проблемой сварки титановых сплавов.

Исследованию подвергались сварные соединения хвостовой части фюзеляжа и центроплана ЛА. Аналитическая оценка механических свойств основного металла, металла сварного шва и дефектов сварного шва производились по результатам входного и технологического контроля за четырехлетний период. При этом оценивалась зависимость свойств и дефектов сварного шва различных деталей от режимов сварки.

Таблица 1

Результаты расчетов длины сварочной ванны, времени пребывания металла в сварочной ванне в жидком состоянии и скорости охлаждения в интервале температур фазового α превращения в зависимости от режимов сварки

Толщина свариваемого металла, мм	Сварочный ток, А	Напряжение дуги, В	Скорость сварки, см/с	Длина сварочной ванны, см	Время пребывания металла в сварочной ванне в жидком состоянии, с	Скорость охлаждения, °С/с при температуре
						920 °С	1040 °С
1,2	80	8	0,556 0,278	1,824 1,824	3,28 6,56	1104,79 552,39	1419,05 709,52
	100	9	0,694 0,417	2,565 2,565	3,70 6,15	980,62 589,22	1259,55 756,82
1,5	90	9	0,556 0,278	2,310 2,310	4,15 8,30	879,92 436,46	1121,22 560,61
	110	10	0,694 0,417	3,135 3,135	4,52 7,52	802,33 482,09	1030,55 619,22
2,0	115	9	0,417	2,95	7,07	512,37	658,11
	140	10	0,556	3,990	7,18	505,10	648,70
2,5	260	9	0,208	6,690	32,06	113,04	145,19
	240	8	0,233	5,470	23,49	154,33	198,22
3,0	260	9	0,208	6,670	32,06	113,04	145,19
6,0	400	11	0,158	12,54	79,37	45,67	58,66

Для каждого вида сварного соединения и режима сварки рассчитывали длину расплавленной ванны (L), время (tB) пребывания металла в расплавленном состоянии, мгновенную скорость охлаждения (_о) в точке околошовной зоны (таблица 1).

Полученные данные показывают, что некоторые из рассчитанных режимов не обеспечивают оптимальных скоростей охлаждения в области α превращения при сопоставлении с данными Шоршорова М.Х.: либо меньше (113 – 145 С/с), либо больше (552 – 1419) С/с. Исходя из условия, что при сварке плавлением псевдо--титановых сплавов с увеличением скорости охлаждения в интервале фазового α превращения происходит непрерывное увеличение прочности, удалось построить зависимости изменения угла загиба и временного сопротивления разрыву от мгновенной скорости охлаждения (рис. 1).

 

Рис. 1 – Изменение угла загиба и предела прочности сварного шва сплава ВТ20 в зависимости от скорости охлаждения 1, 2, 3 – для сварного шва;

4 – для основного металла

 

Из теории Редчица-Никифорова известно, что при нагреве в процессе сварки кромки сдвигаются, и происходит образование твердофазного соединения в стыке кромок перед сварочной ванной, приводящее к завариванию дефектов торцов кромок и образованию газосодержащих замкнутых полостей, формирующих при расплавлении газовые пузырьки [1]. Таким образом, необходимо либо исключить дефекты торцов кромок, либо увеличить время существования расплавленной ванны для ее дегазации.

Исследования влияния скорости охлаждения в интервале фазового α превращения показали (рис. 2), что при увеличении времени существования сварочной ванны за счет уменьшения скорости охлаждения, происходит уменьшение не только количества пор, но и снижаются механические свойства. А увеличение скорости охлаждения ведет к росту числа пор в сварном шве. Поэтому, для снижения количества газовых пор в сварном шве наилучшим решением будет не снижение скорости охлаждения, а улучшение качества подготовки кромок свариваемых деталей под сварку.

Вид технологической операции подготовки кромок под сварку оказывает существенное влияние на формирование металла шва и его свойства по отношению к свойствам основного металла, а также на наличие в сварном шве различных дефектов, в частности, пор.

 

Рис. 2 – Изменение угла загиба, количества пор (n) на 100 мм сварного шва и временного сопротивления разрыву сварного шва сплава ВТ20 в зависимости от скорости охлаждения для листов толщиной 1,2 мм

1 и 3 – для сварного шва; 2 и 4 – для основного металла; для листов толщиной: а) 1,2 мм; б) 2,0 мм; в) 2,5 мм; г) 3,0 мм; д) 6,0 мм

 

Газолазерный раскрой заготовок перед сваркой полностью исключает образование пор в металле шва [2], а уменьшение времени существования расплавленной ванны и увеличение скорости охлаждения ее приводит к улучшению структуры и свойств металла шва, близких к свойствам основного металла.

Выводы

1. Режимы термического цикла сварки оказывают существенное влияние на механические свойства сварных соединений из титановых сплавов. С увеличением скорости сварки увеличивается скорость охлаждения сварного шва, уменьшается время существования расплавленной ванны и снижаются механические свойства.

2. При наличии на поверхности свариваемых кромок дефектов с капиллярно-конденсированной влагой увеличение скорости сварки приводит к увеличению числа пор в сварном шве.

3. Исследованиями установлено, что в сварных титановых конструкциях возможно получение свойств металла шва, идентичных свойствам основного металла, варьируя режимами термического цикла сварки при отсутствии дефектов на свариваемых кромках заготовок.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Пористость при сварке цветных металлов / В.В. Редчиц [и др.].  М.: Издательский центр «Технология машиностроения», 2002.  340 с.

2. Муравьев В.И. Проблемы порообразования в сварных швах титановых сплавов // МиТОМ, 2005. – №7. – с. 30 – 37.

Код для цитирования: Скопировать