Время выдержки под давлением при сварке заготовок из титана

Машиностроение и машиноведение

УДК 621.983; 539.974

ВРЕМЯ ВЫДЕРЖКИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ПРИ СВАРКЕ ЗАГОТОВОК ИЗ ТИТАНА

М.В. Семеноженков, В.В. Пешков

Приведены расчетные зависимости определения оптимального времени выдержки заготовок из титана под давлением при их сварке.

Исследовано влияние механических характеристик титановых сплавов на состояние ползучести и пластичности в зоне контакта соединяемых заготовок, а также на время технологического процесса. Приведены методика и результаты экспериментальных исследований, позволивших установить механические константы титановых сплавов и составить математические модели материалов ОТ4-1 и ВТ6. С использованием полученных моделей установлено влияние параметров технологического процесса сварки заготовок (температура, давление) на время, необходимое для получения качественного соединения.

Выполнено исследование напряженно-деформированного состояния в упругопластической области материала соединяемых заготовок в непосредственной близости от контактной зоны.

Выявлены кинематика вдавливания элементов конструкции и зависимость величины деформации металла от соотношения размеров заготовок. Показана зависимость вертикального перемещения металла листа от времени в точке, соответствующей центру заполнителя, и ее прямо пропорциональное увеличение со временем испытания.

Полученные результаты необходимы для оптимизации технологических процессов сварки заготовок из титановых сплавов

Ключевые слова: ползучесть, время, давление, деформации, напряженно-деформированное состояние, сварка

Процесс диффузионного соединения заготовок из титановых сплавов происходит в условиях пластических деформаций

приконтактных слоев металла, а также деформаций ползучести. Это указывает на важность обеспечения пластического состояния

приконтактных слоев соединяемых элементов (листов обшивки и заполнителя) и такого параметра, как время выдержки заготовок под давлением. В связи с этим разработка титановых сплавов с высокой ползучестью является актуальной проблемой [1].

В работе [2] при рассмотрении схемы поля скоростей и годографа деформаций процесса вдавливания заполнителя в обшивку получены зависимости, определяющие необходимое время выдержки заготовок под давлением при определенной температуре, обеспечивающее высокое качество соединения.

В соответствии с [3] состояние кратковременной ползучести материала -

эквивалентная скорость суммарной деформации = + ,

где %пл - эквивалентные скорости

деформации пластичности и деформации ползучести.

Состояние ползучести можно выразить уравнениями [3]:

iпз = в а эп ,

£э = ^ = В-апэ +

Л Л

-1 1 Лч - ПЛ —(-г)т (2) т А

Семеноженков Максим Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(473) 246-55-45 Пешков Владимир Владимирович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8(473) 246-55-45

где, сгэ, еэ - эквивалентные напряжение и

деформация соответственно,

А, В т, п - константы материала, t - время процесса ползучести. При п = 0 - жестко-пластическое состояние, при т = 0 - ползучесть.

Предел текучести и модуль упрочнения сплава ОТ4-1 для билинейной диаграммы «интенсивность напряжений - интенсивность деформаций» составляли 14 и 17 МПа соответственно.

Модуль упругости зависит от температуры нагрева заготовки и для сплава ОТ4-1 при температуре Т = 900 С можно определить экстраполяцией данных, приведенных в [2], в область температур сварки, его величина Е = 50000 МПа.

В работе [2] предлагается состояние свариваемости оценивать как

¥ = °э '8э / ап ,

где 0 < ¥ < 1; 0 < t < tК .

Полная свариваемость будет достигнута при

¥ = 1,

¥о = (В \  ^ + вэп)°э / ап = 1, где t0, ¥о - граничные значения.

Необходимое время технологического процесса

tОН = (АП - А  ех+т)  А~(1+п)  В-  еп1+п)т При задании условия полного снятия напряжений при выдержке соединяемых элементов (листы обшивки и заполнитель) в условиях постоянной деформации (полная релаксация на линиях разрыва), то из уравнения (2) получим

tO = В- • А-

1 - тп

Для определения механических

характеристик, необходимых при разработке математических моделей материалов элементов конструкции, из заготовок (материалы ОТ4-1, ВТ6) в виде листов (ГОСТ 1497-84) вырезали образцы для испытаний длиной рабочей части 80 мм и шириной 20 мм и наносили координатную сетку размером 15х15 мм. На испытательной машине Р-10 осуществляли одноосное растяжение образцов. С помощью нагревательного устройства образцы нагревали до температур 700, 800, 900 и 1000°С. Далее, по окончании испытаний по изменению размеров ячеек сетки и вычисляли величины деформаций. По результатам экспериментов получены значения констант титановых сплавов, которые приведены в таблице.

Константы материалов

т 0С 700 800 900 1000

ОТ4-1 т 0,042 0,037 0,03 0,026

ОТ4-1 А 120 85 64 51

ВТ6 т 0,044 0,04 0,031 0,029

ВТ6 А 123 87 65 54

а)

б)

Рис. 2. Эквивалентные деформации в области контакта заполнителя и листа обшивки: а) г = 1800 с; б) г = 3600 с

1- тп

п

Модели материалов использовались при вычислениях пластических деформации и деформации ползучести. На рис. 1 приведены расчетные зависимости давления и времени соединения заготовок.

0П-1

5 10 ц МПа

Рис. 1. Изменение необходимого времени выдержки от давления

Исследование напряженно-деформированного состояния в упругопластической области материала заготовок выполнено в непосредственной близости от контактной зоны соединяемых заготовок.

Установлено, что при Т = 900 С в процессе соединения происходит вдавливание элементов конструкции, и величина деформации металла зависит от соотношения размеров заготовок д01дз (д0, дз - толщины листа обшивки и заполнителя соответственно). При этом, например, зависимость вертикального перемещения металла листа от времени в точке (рис. 2), соответствующей центру заполнителя, при д0/дз>3,3 - увеличивается прямо пропорционально времени испытания (д0 = 1,0 мм).

Расположенная под заполнителем зона в нижней части листа обшивки, характеризуется минимальными перемещениями материала в течение всего процесса соединения.

Величина вертикальной деформации листа обшивки зависит от дс/дз возрастает по мере перемещения от центра заполнителя к его краю. Наибольшая деформация наблюдается в зоне концентрации напряжений под краем заполнителя. Пластическое течение материала в этой области приводит к перемещению материала в сторону заполнителя и последующему затягиванию вместе с ним вниз под действием силы трения.

Зона, расположенная под заполнителем в нижней части обшивки вблизи плоскости ее контакта, характеризуется минимальными перемещениями материала в течение всего процесса соединения.

Таким образом, получены зависимости, определяющие необходимое время выдержки заготовок из сплавов ОТ4-1 и ВТ6 под давлением при определенной температуре, обеспечивающее высокое качество соединения.

Литература

1. Хорев, А.И. Разработка листового титанового высокотемпературного сплава ВТ38, применяемого при температурах до 700°С [Текст] / А.И. Хорев // Вестник машиностроения. - 2014. - №5. С. 67-69.

2. Чудин, В.Н. Соединение элементов корпусных конструкций давлением [Текст] / В.Н. Чудин // Вестник машиностроения. - 2014.- №1. С. 78-80.

3. Работнов, Ю.Н. Кратковременная ползучесть [Текст] / Ю.Н. Работнов, С.Т. Милейко - М.: Наука, 1970. - 234 с.

Воронежский государственный технический университет

DELAY TIME UNDER PRESSURE WHEN IS WELDING TITANIM WORKPIECES

M.V. Semenozhenkov, Candidate of Technical Sciences, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: for_maxs@mail.ru

V.V. Peshkov, Doctor of Technical Sciences, Full Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: for_maxs@mail.ru

Were given calculated dependences definitions of hold time of workpieces from the titan under their pressure welding. Have been researched the influence of the mechanical characteristics of titanium alloys ductility and creep state in the contact zone the workpieces being joined, as well as the technological process. Were given the method and results of experimental studies, which allowed to establish the mechanical constants of titanium alloys and create mathematical models and materials OT4-1 VT6. Using the obtained models established the influence of process parameters of welding workpieces (temperature, pressure) for the time necessary to obtain a high-quality connection.

Conducted study of stress-strain states of material in the field of elastic-plastic joining workpieces in the vicinity of the contact zone.

Revealed the kinematics indentation of structural elements, and the dependence of the deformation of the metal from a ratio of sizes of workpieces. Shows the dependence of the vertical movement of the metal sheet from a time point corresponding to the center of the filler, and it is directly proportional to the increase in test time.

Obtained results are necessary for optimization of technological processes of welding workpieces made of titanium alloys.

Key words: creep, time, pressure, deformation, stress-strain state, welding

References

1. Horev, A.I. Razrabotka listovogo titanovogo vysokotemperaturnogo splava VT38, primenjaemogo pri temperaturah do 700С [Designing sheet high temperature titanium alloy VT38 used at temperatures up to 700°С] / A.I. Horev / Vestnik mashinostroenija, 2014. - №5. S. 67-69.

2. Chudin, V.N. Soedinenie jelementov korpusnyh konstrukcij davleniem [Joining of elements of hull structures by pressure] / V.N. Chudin / Vestnik mashinostroenija, 2014. - №1. S. 78-80.

3. Rabotnov, Ju.N. Kratkovremennaja polzuchest' [Short-term creep] / Ju.N. Rabotnov, S.T. Milejko - M.: Nauka, 1970. - 234 s.