WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Одним из способов получения структурно-неоднородного заполнителя является электронно-лучевой отжиг ленты. Использование электронного луча в качестве инструмента для термообработки полос из титановых сплавов весьма перспективно в связи с возможностями получения пятен нагрева различной формы за счет изменения фокусировки и колебаний луча по различным траекториям в широком диапазоне амплитуд.

Для определения температурного поля в полосе и выбора технологических параметров электронно-лучевой термообработки возможно использовать аналитические и численные методы, однако требуется составить аналитические выражения расчета температурного поля от поверхностного распределенного источника с учетом ограниченности ленты по ширине и разработать методику анализа тепловых процессов методом конечных элементов с учетом нелинейных свойств материала и коэффициента теплоотдачи с поверхности.

На основе анализа литературных данных были сформулированы проблемы и нерешённые вопросы, связанные с процессами изготовления и качеством диффузионно-сварных соединений сотовых конструкций из титановых сплавов и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены деформационные процессы в зоне контакта заполнителя обшивкой.

При диффузионной сварке титановых тонкостенных слоистых конструкций с сотовым заполнителем образование соединения таврового типа происходит в процессе деформации металла в зоне соединения, сопровождаемой “вдавливанием” заполнителя в несущие обшивки. О развитии деформации, характеризуемой глубиной вдавливания заполнителя в обшивку можно судить по профилограммам, снятым с поверхности обшивок (после механических испытаний соединения), с помощью профилографа – профилометра. Величина вдавливания, в зависимости от технологических параметров режима сварки и соотношения толщин листов несущих обшивок и заполнителя может достигать 10…15% от толщины обшивки.

Исследование процесса развития деформаций в контактной зоне проведено с помощью математического моделирования методом конечных элементов. Задача моделирования заключается в определении напряженно-деформированного состояния в объемах свариваемых заготовок, прилежащих к свариваемым поверхностям. При этом необходимо установить влияние микроструктуры заполнителя и обшивки и их относительной толщины на процесс развития деформаций и распределение напряжений.

На первом этапе рассматривали напряжено-деформированное состояние обшивки, предполагая заполнитель абсолютно жестким. Результаты моделирования позволяют выделить в приконтактной области обшивки четыре зоны, характеризуемых направлением и величиной перемещений материала. В первой, находящейся непосредственно под заполнителем, материал находится в состоянии всестороннего сжатия и перемещается вертикально вниз; по мере увеличения глубины вдавливания его скорость уменьшается. Во второй, окружающей зону контакта обшивки с технологическим листом, материал практически неподвижен и также наблюдается всесторонне сжатие, обусловленное силой трения по обшивке. С развитием процесса вдавливания трение заметно увеличивается. При использовании относительно тонкой обшивки контакт, в процессе сварки, сохраняется на более узком участке, как следствие, сила трения в стыке, препятствующая выдавливанию материала из под заполнителя значительно выше. Этот эффект может служить объяснением пониженной деформационной способности тонкой обшивки.

В качестве третьей зоны можно выделить участок обшивки под краем заполнителя, где локализуется пластическая деформация обшивки и приповерхностный слой справа от него. Материал в этой области затягивается вместе с заполнителем вниз под действием силы трения. Неравномерное распределение растягивающих напряжений по толщине листа создает изгибающий момент, отрывающий участки обшивки удаленные от контактной зоны от технологического листа. Это приводит к образованию прогибов на неподкрепленных участках и к развитию процесса схватывания между несущими обшивками и технологическим листом.

Четвертая зона расположена в средней части обшивки по высоте и правее оси симметрии модели. Для нее характерно значительное вертикальное и горизонтальное перемещение металла Наличие таких перемещений объясняется вытеснением материала расположенного между зонами 1 и 2 по мере развития процесса вдавливания. Направление перемещения зависит от толщины обшивки. В "тонкой" обшивке основное направление движения горизонтальное – перпендикулярно движению заполнителя, в "толстой" – движение материала направлено преимущественно вниз.

Сравнение результатов расчета для обшивок разной толщины показывает, что в случае 0з вертикальное перемещение металла, характерное для четвертой зоны обшивки толщиной 1 мм практически отсутствует. Очаг деформации (зона 1) быстро распространяется на всю глубину деформируемой детали, упираясь в зону 2. Сопротивление горизонтальному перемещению металла в зоне 2 возрастает за счет увеличения силы трения при отрыве периферийных участков обшивки от технологических листов. Движение металла возможно только в горизонтальном направлении, с преодолением значительного сопротивления окружающего зону деформации материала.

Для исследования влияния микроструктуры свариваемых заготовок на развитие процесса сварки и качество диффузионного соединения выполнены расчеты моделей с различными сочетания толщин и структур (рис. 1).

I II III

Рис.1. Геометрические схемы задач

Сопоставляя результаты моделирования с данными экспериментального исследования прочности диффузионного соединения, можно сделать выводы о влиянии относительной толщины обшивки и сочетания структур свариваемых материалов на качество диффузионного соединения.

Оптимальным сочетанием являются глобулярные мелкозернистые заполнитель и обшивка, рассчитанные во втором варианте модели. Высокая скорость ползучести материала обеспечивает большие деформации обоих тел в зоне соединения и, следовательно, высокую степень активации поверхностей даже в условиях затрудненной продольной деформации обшивки при ее относительно малой толщине. Это объясняется развитием поперечной деформации в процессе сварки.

В первом варианте эквивалентные деформации заполнителя и обшивки различается в несколько десятков раз. Т.к. эксперименты показывают высокое качество соединения можно сделать вывод, что необходимое для сварки образование физического контакта при смятии микровыступов и активация поверхностей обеспечиваются за счет деформации обшивки при величине эквивалентных деформаций ее материала в зоне стыка на уровне 8…10 %.

Для третьего варианта соединения, не обеспечивающего приемлемого качества сварки, характерно отсутствие деформации заполнителя и эквивалентные деформации материала на поверхности обшивки на уровне менее 3%. На основании результатов экспериментов можно заключить, что такие деформации материала обшивки не обеспечивают требуемой площади физического контакта и уровня активации поверхностей соединяемых деталей.

Оптимальный диапазон изменения высоты зоны с мелкозернистой структурой определялся из условия устойчивости заполнителя в процессе сварки и отсутствия контактного упрочнения. Испытаниями на модельных образцах установлено, что напряжение потери устойчивости линейно зависит от высоты зоны с мелкозернистой структурой, высота этой зоны может быть принята равной пяти толщинам заполнителя. Минимальная высота мелкозернистой зоны, обеспечивающая ее деформацию без контактного упрочнения приблизительно равна толщине стенки заполнителя.

В третьей главе обосновано применение электронно-лучевой термообработки полосовых заготовок сотовых заполнителей.

Для получения в обрабатываемой полосе зоны необходимых размеров, нагретой до температуры фазового перехода, была выбрана термообработка электронным лучом. Ее преимуществами являются: высокое качество защиты нагретого металла от взаимодействия с окружающей средой, возможность проводить термообработку с высокой скоростью и получать пятно нагрева практически любой формы.

Рассматривались варианты нагрева расфокусированным статическим лучом, лучом с колебаниями треугольной формы и лучом с пятном эллипсоидальной формы. Предварительный анализ показал, что термообработка статическим лучом возможна при ширине ленты не более 10…15 мм. Для получения пятна нагрева сложной формы необходимо специальное оборудование, поэтому в дальнейшем рассматривался нагрев расфокусированным лучом с пилообразными поперечными колебаниями.

Малая толщина полосы и значительная площадь пятна нагрева до высоких температур обуславливают существенные потери теплоты излучением. Выполненные расчеты показали, что величина потерь составляет 5…20 % при скоростях движения источника 15…100 м/ч. Это необходимо учитывать соответствующим снижением мощности источника в расчетах.

Как показали эксперименты, существует неравномерность прогрева по толщине при нагреве расфокусированным электронным лучом, поэтому в качестве исходной схемы выбран плоский слой с поверхностным точечным источником теплоты. С учетом нагрева колеблющимся лучом принимаем, что теплота выделяется на линии длиной l. Суммируя тепловыделение от бесконечно большого числа источников на линии, получим уравнение (1) для температурного поля от полосового нормально-распределенного источника на поверхности бесконечного тела толщиной.

(1)

Поскольку с точки зрения производительности процесса термообработки целесообразно использовать высокую скорость движения ленты, то расчет температурного поля можно (целесобразно) проводить по схеме быстродвижущегося источника, полагая, q, q/ = qП = const. Процесс распространения теплоты вдоль оси движения для этой схемы можно не принимать во внимание, а рассматривать только тепловые потоки вдоль осей у и z. Это приводит к упрощению расчетного выражения до вида (2).

. (2)

Для учета ограниченности полосы по ширине используем метод отражения, предполагающий что потерями тепла с торцевых поверхностях можно пренебречь. Расчетное выражение для быстродвижущегося источника в этом случае будет иметь вид (3).

(3)

Результаты расчета максимальных температур для нескольких точек с разным удалением от оси ленты приведены в таблице 1. Сравнение с экспериментальными данными показывает, что точность определения температуры является приемлемой.

Для удобства практического использования полученных результатов построена зависимость мощности электронного луча, обеспечивающей нагрев зоны заданной ширины до температуры Т, от скорости при заданной ширине ленты.

Таблица 1

Результаты экспериментального и расчетного определения температур

Скорость источника теплоты, м/ч

Расстояние точки от плоскости симметрии полосы, мм

10

12,5

15

расчет

эксперимент

расчет

эксперимент

расчет

эксперимент

30

-

1032

948

926

865

882

100

-

1058

912

938

814

825

На участке ленты, с которого начинается термообработка, тепловое поле имеет размеры меньше расчетных. Сотовая панель, в которой полоса используется в качестве заполнителя, будет иметь участки, где высокотемпературные деформации в процессе диффузионной сварки могут достичь недопустимых величин и привести к отбраковке изделия. В связи с этим определена длина таких участков на основе коэффициента теплонасыщения предложенного Н.Н Рыкалиным. По найденному времени построены зависимости длины участков ленты от скорости обработки.

В четвертой главе обоснован выбор режима диффузионной сварки заполнителя с несущими обшивками, обеспечивающий прочность соединения при испытаниях на отрыв 0,9В (где В - предел прочности свариваемого сплава), при допустимой деформации сотового заполнителя 1,0…1,5 %.

Известно, что процессом, лимитирующим образование диффузионного соединения при сварке титана и его сплавов, является стадия развития физического контакта, поэтому проведены исследования влияния технологических параметров: температуры, давления, времени сварки и исходного микроструктурного состояния свариваемого сплава (рис. 2) на кинетику развития контакта.

Рис. 2. Варианты сочетания микроструктур свариваемых образцов

(1 - глобулярная мелкозернистая, 2 – крупнозернистая пластинчатая)

Поскольку относительная площадь физического контакта, образующегося в условиях диффузионной сварки, стремится к 1, то выражение, описывающее кинетику этого процесса, можно представить в виде:

Fk = 1 – exp(–t/), (4)

где = k pn exp(E/RT) - постоянная, имеющая размерность времени, являющаяся функцией температуры и приложенного сжимающего давления

Установлено, что для первого варианта сочетания микроструктур эффективная активации процесса, контролирующего развитие физического контакта, составляет 221 кДж/моль. Найденное значение Е достаточно близко к значению энергии активации высокотемпературной ползучести сплава ОТ4 с исходной глобулярной микроструктурой. Это дает основание считать, что развитие физического контакта в I варианте сочетания микроструктур образцов, контролировалось высокотемпературной ползучестью.

Для II варианта развитие физического контакта, как и в первом случае, носит затухающий характер, но происходит значительно медленнее.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»