Исследование влияния формирования структуры поверхности свариваемых заготовок на несущую способность титановых конструкций

• Автор: Матвеенко, Дмитрий Викторович
• Шифр специальности: 05.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Комсомольск-на-Амуре
• Количество страниц: 138 с. : ил.

Глава 1. АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ ТИТАНОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЛА
1.1. Аналитическая оценка дефектов металла шва сварных
титановых конструкций
1.2. Влияние плотности (пористости) металла шва на свойства
и надёжность титановых конструкций
1.3. Основные закономерности образования пор при кристаллизации металла шва и возможные варианты их исключения
1.4. Анализ современных достижений в области повышения плотности металла шва и обоснование выбора перспективного направления исследования
Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ГАЗОЛАЗЕРНОГО РАСКРОЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ РЕЛЬЕФА, СТРУКТУРЫ, ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ РЕЗА ТИТАНОВЫХ ЗАГОТОВОК
2.1. Обоснование выбора высококонцентрированного источника
энергии для раскроя заготовок
2.2. Формирование геометрических параметров реза, макрорельефа и структуры поверхности реза
2.3. Исследование температурных полей воздействия лазерного
луча при ГЛР титановых заготовок
2.4. Макро-, микроисследования и исследования микротвёрдости и газонасыщения поверхности реза после ГЛР заготовок
2.5. Химический состав и свойства заготовок после ГЛР
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИРОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА КРОМОК ЗАГОТОВОК НА ИХ АДСОРБЦИОННУЮ СПОСОБНОСТЬ ВЛАГИ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ
3.1. Макро-, микрорельеф и структура поверхности раздела
заготовок в зависимости от вида раскроя
3.2. Процессы адсорбции, хемосорбции и капиллярной конденсации загрязнений на поверхности титановых заготовок

3.3. Классификация технологических операций раскроя
заготовок в зависимости от природы разделения и
адсорбционной способности сформированной структуры
поверхности заготовки
Глава4. ФОРМИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА ШВА КОНСТРУКЦИЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВИДА РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ
4.1. Механизм формирования замкнутых полостей перед фронтом расплавленной ванны
4.2. Уровень дефектности (пористости) металла шва в зависимости
от вида раскроя заготовок и их последующей обработки
4.3. Исследование влияния уровня дефектности металла шва на его свойства
Глава 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ РАЗРАБОТОК В ТЕХНОЛОГИЮ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ЛА
5.1. Улучшение существующего технологического процесса изготовления титановых конструкций
5.2. Экономическое обоснование применения ГЛР в серийном производстве Л А
5.3. Общие выводы
Список литературы

Актуальность проблемы. В конструкциях летательных аппаратов широко применяют крупногабаритные детали сложной пространственной формы -цельносварные панели «вафельного» типа из титанового сплава ВТ-20. Данные детали являются силовыми элементами конструкции планера и во многом определяют надёжность и ресурс летательных аппаратов.
Сварка плавлением титановых сплавов сопровождается образованием химической и физической неоднородности металла в зоне соединения, что, как правило, ведёт к снижению технологических и эксплуатационных характеристик. При этом появляются поры и микротрещины в металле шва, снижаются механические характеристики.
Согласно статистическому анализу дефектов сварных соединений ребристых панелей и их имитаторов из титанового сплава ВТ-20, поры составляют от 43 до 56% общего числа дефектов.
Поры в сварных швах в несколько раз уменьшают не только статическую прочность, но и в большей мере усталостную прочность конструкций из титановых сплавов.
Поэтому эффективным средством увеличения надёжности и ресурса летательных аппаратов является исключение пористости в сварных титановых конструкциях.
На сегодняшний день, механизм порообразования достаточно тучек. Из аналитической оценки закономерностей порообразования следует, что наиболее достоверной является теория В.В. Редчица, Г.Д. Никифорова. При нагреве кромки сдвигаются, и происходит образование твёрдофазного соединения в стыке кромок перед сварочной ванной, приводящее к завариванию дефектов торца кромок и образованию газосодержащих замкнутых полостей, формирующих при расплавлении газовые пузырьки.
Таким образом, для повышения плотности и снижения пористости сварных швов при сварке плавлением титана и его сплавов необходимо исключить

вклад теплоты реакции в общий тепловой баланс уменьшается. При достижении температуры плавления оксида, особенно с поддувом кислорода, струя вытесняет жидкий оксид из зоны облучения и практически скачком переводит реакцию в новый режим с предельно высокой скоростью окисления и большим тепловым эффектом (непосредственный контакт кислорода с нагретым металлом), в результате чего металл воспламеняется, горит и переходит в автогенный неуправляемый режим резания.
В случае ГЛР титана в среде азота образуется устойчивый с высокой температурой плавления нитрид титана, который во все время плавления металла предохраняет от непосредственного контакта струю азота с расплавом металла и тем самым обеспечивает устойчивый управляемый режим резки, когда титан плавится, и газовая струя азота удаляет расплав из зоны реза. Этим объясняется улучшение качества поверхности реза (рисунок 12, 13). Наглядным примером служат бороздки на поверхности не только реза, но и грата (рисунок 14).
Из сказанного следует, что закристаллизовавшийся расплавленный металл в процессе ГЛР образцов титана, как в среде азота, так и в среде аргона, в большей степени сохранился в тонкой перемычке на которой держатся частицы грата, поскольку в открывшийся канал свободно устремляется вспомогательный газ.
Поскольку длительность локального нагрева участка металла до температуры плавления под воздействием лазерного излучения составляет

ти > 10’ с и примерно соизмерима со временем охлаждения канала реза до температуры окружающей среды, есть все основания полагать, что на поверхности реза формируется аморфная структура.
По данным [36] у большинства металлов IV группы периодической системы Д.И. Менделеева при быстром охлаждении расплавов идёт формирование аморфных сплавов, особенно это относится к титану, цирконию и гафнию. Кроме того, там же показано, изделия с аморфной структурой, полученные непосредственно из расплава представляется