Технологічні основи забезпечення надійності зварних з’єднань конструкцій літальних апаратів з тонколистових алюмінієво-літієвих сплавів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВАТ Український науково-дослідний інститут авіаційної технології

УДК 669.717:629.7+621.791.019:620.192.7

Технологічні основи забезпечення надійності зварних з'єднань конструкцій літальних апаратів з тонколистових алюмінієво-літієвих сплавів

Спеціальність 05.07.04 - технологія виробництва літальних апаратів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Лабур Тетяна Михайлівна

Київ 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.

Захист відбудеться 15.04.2005 р. о 14 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.839.01 при ВАТ “Український науково-дослідний інститут авіаційної технології” за адресою: 04080, Київ-80, вул. Фрунзе 19-21.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ВАТ “Український науково-дослідний інститут авіаційної технології” за адресою: 04080, Київ-80, вул. Фрунзе 19-21.

Автореферат розісланий 11.03.2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д26.839.01, доктор технічних наук В.Ф. Забашта

АНОТАЦІЯ

Лабур Т.М. Технологічні основи забезпечення надійності зварних зєднань конструкцій літаючих апаратів із тонколистових алюмінієво-літієвих сплавів.

Дисертація на здобуття ступеня доктора технічних наук за фахом 05.07.04 - Технологія виробництва літальних апаратів.

ВАТ Український науково-дослідний інститут авіаційної технології, Київ, 2005.

Дисертація присвячена визначенню теплофізичних умов зварювання, які сприяють забезпеченню надійності зєднань типових елементів конструкцій літальних апаратів з тонколистових алюмінієво-літієвих сплавів (310мм) систем легування Al-Mg-Li (1421) та Al-Cu-Li (1460). Експериментально встановлена залежність міцності та вязкості окремих зон зварних зєднань і механізмів зародження та розповсюдження тріщин при руйнуванні від головних технологічних факторів зварювання: величини погонної енергії, хімічного складу присадкового матеріалу, форми шва та мікродефектів. На основі отриманих даних обґрунтовано ефективні технології, які забезпечують підвищення параметрів надійності зварних зєднань, включаючи зону сплавлення. Розроблені технологічні рекомендації щодо вибору оптимальних умов зварювання з тонколистових алюмінієво-літієвих сплаві.

Ключові слова: надійність, експлуатація, конструкції, зварювання плавленням, зварні зєднання, шов, зона сплавлення, зона термічного впливу, високоміцні алюмінієві сплави, присадковий дріт, неоднорідна структура, властивості, злами.

АННОТАЦИЯ

Лабур Т.М. Технологические основы обеспечения надёжности сварных соединений конструкций летательных аппаратов из тонколистовых алюминиево-литиевых сплавов.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.07.04 “Технология производства летательных аппаратов”.

ВАТ Украинский научно-исследовательский институт авиационной технологии, Киев, 2005.

Диссертация посвящена проблеме создания эффективных технологий сварки плавлением тонколистовых алюминиево-литиевых сплавов (3-10мм) систем легирования Al-Mg-Li (1421) и Al-Cu-Li (1460) для изготовления типовых элементов конструкций ЛА с улучшенными техническими характеристиками. Определена зависимость комплекса характеристик надёжности (прочности и вязкости разрушения) отдельных зон сварных соединений от технологических факторов: величины погонной энергии, состава сварочного материала, формы шва и дефектов. Впервые экспериментально установлено, что фактором технологического обеспечения надёжности сварных соединений выступают грубые образования фазовых частиц и интерметаллидных включений на границах кристаллитов шва и зерен основного металла в ЗТВ. Показано, что перегрев металла при сварке приводит к развитию неоднородности по содержанию легирующих элементов и примесей вследствие их сегрегации вдоль границ зерен, образования хрупких межзеренных прослоек из пересыщенных фаз, особенно на границе сплавления, где прослойки формируют плотный каркас вокруг зерен. Повышение концентрации напряжения, связанное с этим, облегчает зарождение трещины путём растрескивания фаз или нарушения контакта с матрицей, что снижает показатели прочности и вязкости сварных соединений. Условия зарождения трещин определяются размерами и объёмной доли фаз и включений, связанными с исходным состоянием сплава и способом сварки. Установлены закономерности снижения свойств соединений в зависимости от эксплуатационных факторов: изменения вида нагрузки, скорости деформации в широком температурном диапазоне (20623К) при наличии концентратора напряжения. На основе полученных результатов определены рациональные теплофизические условия сварки алюминиево-литиевых сплавов, обеспечивающие высокие значения параметров надёжности соединений. Показано, что протяжённость и объёмная доля участков структуры, в которой присутствуют хрупкие межкристаллитные (в швах), межзеренные (в ЗТВ) прослойки и микропустоты, приводящие к зарождению микротрещин. При регулировании условий сварки пульсирующей дугой или от источников высокой концентрации тепла отмечается улучшение структуры и физико-механических свойств сварных соединений не только в металле шва, но и в наиболее слабой зоне соединений - на границе его сплавления с основным металлом. Разработаны технологические рекомендаций по использованию эффективных технологий для обеспечения надёжности соединений типовых элементов при изготовлении конструкций.

Ключевые слова: надёжность, эксплуатация, типовые элементы конструкции, алюминиево-литиевые сплавы, сварка плавлением, сварные соединения, шов, зона сплавления, зона термического влияния, присадочная проволока, неоднородная структура, свойства, изломы.

ABSTRACT

Labur T.M. Technological fundamentals of providing the reliability of welded joints in structures of flying vehicles of plate aluminuim-lithium alloys. - Typescript.

Dissertation for scientific degree of Doctor of Science in Engineering in 05.07.04 speciality of Technology of aircraft production.

All-Ukrainian Joint Stock Company “Ukrainian Research Institute Aviation Technology”, Kyiv, 2005.

Thesis is devoted to determination of thermo-physical conditions of welding, which promote reliability of joints in typical elements of aircraft structures of sheet aluminium-lithium alloys (310 mm) of Al-Mg-Li (1421) and Al-Cu-Li (1460) alloying systems. Dependence of strength and toughness in individual zones of welded joints and mechanisms of crack initiation and propagation at fracture on the main process factors of welding was experimentally established, namely on the value of heat input, filler material composition, shape of the weld and defects. These data were the basis for substantiation of efficient technologies, providing higher parameters of reliability of welded joints, including the fusion zone. Technological recommendations were developed on selection of optimal conditions of welding structures of sheet aluminium-lithium alloys.

Keywords: welding modes, welded joints, weld, fusion zone, heat-affected zone, filler wire, aluminium-lithium alloys, structure, properties, strength, crack resistance, fracture relief.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Створення виробів нових модифікацій літальних апаратів (ЛА) з більш ефективними тактико-технічними та економічними параметрами, а також здатністю зберігати потрібні функції у часі, заданих режимах і умовах застосування, можливе при раціональному виборі матеріалів і технології з'єднання. Це висуває підвищені вимоги до властивостей матеріалу та їх зварних з'єднань. Використання в таких виробах нового класу алюмінієвих сплавів легованих літієм Al-Li-Mg (1420, 1421, 1423, 1424) и Al-Li-Cu (1450, 1451, 1460, 1461, 1463, 1464) дозволяє зменшити масу конструкції на 815% завдяки високій питомій міцності та підвищеному модулю пружності.

В умовах технологічних нагрівань, включаючи і зварювальні процеси, сплави виявляють схильність до окрихчення. В зварних з'єднаннях, які отримані різними способами зварювання дугою (плавким і неплавким електродом) та електронним променем спостерігається утворення неоднорідної структури і розміцнення металу в зоні термічного впливу. Це ускладнює технологію якісного виготовлення зварних вузлів конструкцій і зниження надійності експлуатації виробів в умовах гранично високих навантажень і дії низьких температур.

Для забезпечення заданого ресурсу за критерієм безпечності пошкодження зварної конструкції з алюмінієво-літієвих сплавів необхідно мати високі значення параметрів надійності - міцності та в'язкості. Без урахування цих властивостей, оцінки їх рівня і відповідності технічним вимогам експлуатації складно обґрунтувати вибір матеріалу і технологічних процесів. Тому в дисертації вирішена актуальна науково-практична проблема підвищення ефективності технологічних процесів для забезпечення надійності зварних з'єднань типових елементів конструкцій ЛА з тонколистових алюмінієво-літієвих сплавів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами и темами. Зміст основних розділів дисертації відображає тематику фундаментальних досліджень, які проводилися у ІЕЗ ім. Є.О. Патона та були спрямовані на підвищення працездатності зварних з'єднань високоміцних алюмінієвих сплавів і надійності експлуатації конструкцій різного призначення. Робота виконувалась за науково-технічними програмами державного рівня, в тому числі:- 0.72.01.04 - “Розробити і впровадити у виробництво технологічні процеси зварювання легких, кольорових, тугоплавких, активних, композиційних і різнорідних металів і сплавів, створити нові види зварних конструкцій”; 1.6.1.7.5 (Відділення ФТПМ НАНУ, протокол № 9 от 27.05.97 р.); - “Дослідити фізико-металургійні процеси зварювання плавленням перспективних матеріалів, включаючи складнолеговані сплави і композиційні матеріали на основі алюмінію і магнію, розробити принципову технологію зварювання транспортних конструкцій та виробів спеціального призначення; 1.6.1.7.6 (Відділення ФТПМ НАНУ, протокол № 7 от 20.04.2000 р.); - „Дослідити фізико-металургійні процеси та удосконалити способи зварювання сучасних і перспективних високоміцних сплавів і композитів на основі алюмінію з використанням різних джерел нагрівання".

Мета і задачі роботи. Мета дисертації - науково обґрунтувати ефективність технологічних методів забезпечення надійності зварних з'єднань типових елементів конструкцій ЛА з тонколистових алюмінієво-літієвих сплавів.

Для досягнення поставленої мети вирішені наступні основні задачі:

визначено вплив основних технологічних факторів зварювання плавленням на формування структури, рівня механічних властивостей і механізми руйнування зварних з'єднань тонколистових конструкцій ЛА з нових легких сплавів;

досліджено вплив величини погонної енергії зварювання та хімічного складу присадкових матеріалів на закономірності зародження тріщин і характер їх розповсюдження в зварних з'єднаннях при різних умовах експлуатації;

розроблено новий методологічний підхід, який дозволяє визначити ступінь впливу структурної та фізичної неоднорідності на характер зміни міцності та в'язкості руйнування зварних з'єднань;

встановлені значення міцності та в'язкості руйнування, що визначають рівень надійності зварних з'єднань в умовах граничного статичного навантаження в широкому діапазоні температур (2ч623К), включаючи кріогенні;

розроблені та впроваджені технологічні рекомендації стосовно зварювання, термічної і термомеханічної обробок типових елементів конструкції для забезпечення високої якості з'єднань і надійності їх експлуатації у виробах ракетно-космічної техніки.

Об'єктом дослідження є зварні з'єднання типових елементів вузлів з високоміцних алюмінієво-літієвих сплавів 1421 (Al-Li-Mg) и 1460 (Al-Li-Cu).

Предметом дослідження є закономірності зміни структури і властивостей (міцності та в'язкості руйнування) зварних з'єднань зазначених сплавів під впливом основних технологічних факторів: умов зварювання, хімічного складу присадкового дроту, утворення одиничних дефектів, форми шва с різним кутом нахилу границі сплавлення з основним металом з урахуванням складних умов експлуатації виробів відповідального призначення.

Методи дослідження. Для розробки концепції надійності зварних з'єднань використовувалися експериментальні методи комплексного дослідження процесів формування структури на основних ділянках зварних з'єднань: металу шва, зони сплавлення (ЗС), зони термічного впливу (ЗТВ) при дуговому зварюванні (плавким і неплавким електродом) і електронним променем, рівня їх фізико-механічних властивостей і механізмів руйнування. Програма випробування моделювала роботу типових елементів конструкції і відповідала технічним вимогам ГОСТ 25.506. Експерименти проводили в широкому діапазоні швидкостей деформування (3,310-54,310-3 м/с) з використанням універсальних машин: Інстрон-1251 і РУ-5. Для зміни температури випробування окрім повітряного середовища використовували сухий лід (200 К), рідкі азот (77К) і водень (20К). Гарячі випробування аж до 623К, щоб уникнути окислення металу, проводили в середовищі аргону. Обробку експериментальних результатів виконували за методом найменших квадратів. Для обґрунтування отриманих закономірностей використовували теоретичні підходи щодо аналізу умов втрати стійкості тіла і самочинного розповсюдження тріщини, а також принцип аналогії законів механіки в неоднорідній структурі. Повна статистична обробка експериментальних і розрахункових даних виконувалась на машині РДР11/04 фірми ІНСТРОН за програмою IMPACT. Розрахунки довірливих інтервалів виконували при ймовірності 0,95. Характер зміни структури та місце виникнення осередків руйнування визначали фрактографічним методом. Для ідентифікації об'єктів структури і фазового складу металу в зоні руйнування використовували методи оптичної металографії, рентгеноструктурного и мікрорентгеноспектрального аналізів. Обробка електронно-мікроскопічних зображень структури та інтегральної інтенсивності рентгенографічних даних виконувалася методами апроксимації за Гаусом і оптичного когерентного Фур'є-аналізу за допомогою ЕВМ, що дозволило визначити характер зернограничних явищ, які викликають збільшення крихкості металу и, як наслідок, зародження мікротріщин. Систематизацію результатів и побудову графічних залежностей виконували з використанням сучасних комп'ютерних технологій, включаючи програми Smage Pro 30 і Statistica 5.0.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше, відповідно до концепції надійності зварних з'єднань конструкцій ЛА, виконано системне комплексне дослідження і наукове обґрунтування впливу основних технологічних факторів (величини погонної енергії, складу основного металу і присадкового дроту, форми шва, одиничних дефектів, термічної та термомеханічної обробок) на структуру і властивості з'єднань алюмінієво-літієвих сплавів 1421 и 1460 при зварюванні дугою (плавким і неплавким електродом) та електронним променем. Експериментально встановлені закономірності зміни характеристик міцності та в'язкості руйнування, які визначають надійність типових елементів конструкцій ЛА з алюмінієво-літієвих сплавів. На їх основі встановлені раціональні умови зварювання, склад основного і присадкового матеріалу, послідовність виконання технологічних операцій для формування якісних зварних з'єднань і забезпечення необхідних робочих функцій при експлуатації.

Розроблено новій підхід до оцінки впливу технологічних факторів на характер зміни властивостей різних ділянок зварних з'єднань для встановлення взаємозв'язку характеристик руйнування з параметрами мікроструктури і виявлення причин погіршення властивостей у різних теплофізичних умовах зварювання плавленням. Його сутність полягає у дотримуванні єдиних принципів при виборі критеріїв базових теоретичних моделей процесу руйнування, незалежного визначення їх в експерименті та ідентифікації усіх важливих аспектів розвитку тріщини в основних зонах. Це дозволяє прослідкувати механізм мікроскопічних процесів, які знижують рівень працездатності зварних з'єднань, і порівняти їх з макроскопічними характеристиками.

Встановлено закономірності утворення структурної і фізичної неоднорідності у зварних з'єднаннях алюмінієво-літієвих сплавів 1421 и 1460 у різних теплофізичних умовах зварювання плавленням. Визначені умови формування однорідної структури з мінімальною кількістю крихких поміжкристалітних (в швах) або поміжзеренних (в ЗТВ) прошарків без неметалевих включень і мікропустот, що викликають зародження тріщин. Обґрунтовано комплекс технологічних методів і уточнено параметри їх реалізації, які виключають появу в зварних з'єднаннях крихких структурних складових і забезпечують умови гальмування тріщин, що підвищує на 10-20% параметри надійності (міцності та в'язкості) типових елементів конструкції з тонколистових алюмінієво-літієвих сплавів в широкому температурному діапазоні від 20 до 623К.

Запропонована емпірична модель, яка містить базу даних про співвідношення параметрів міцності та в'язкості руйнування металу зварних з'єднань у різних зонах термічного впливу при зварюванні плавленням в залежності від складу сплаву, ступеня дії технологічних факторів і структури. З її допомогою можна визначити вклад кожного з технологічних факторів для забезпечення надійності зварних з'єднань, описати характер їх впливу та вибрати раціональні умови технологічних процесів зварювання сплавів і обробки з'єднань.

Практичне значення отриманих результатів. Запропонована методика комплексної оцінки надійності зварних з'єднань конструкцій ЛА з алюмінієво-літієвих сплавів, які утримують структурну неоднорідність, за двопараметричним критерієм, що дозволяє уніфікувати процедуру експерименту, контролювати вірогідність інформації про зміну цих параметрів в залежності від умов зварювання, величини погонної енергії, хімічного складу присадкового матеріалу, наявності одиничних дефектів у швах, які супроводять зварювання плавленням.

Створено банк даних про вплив технологічних факторів зварювання на умови зародження і розповсюдження тріщин в зонах нагрівання. Він дозволяє прогнозувати поведінку зварних з'єднань складнолегованих сплавів на алюмінієвій основі в умовах експлуатації та ідентифікувати зруйновані об'єкти зварних вузлів і конструкцій відповідального призначення ЛА.

Розроблені технологічні рекомендації для вибору оптимальних способів і прийомів виготовлення зварних з'єднань типових елементів конструкції ЛА з тонколистових алюмінієво-літієвих сплавів 1421 и 1460. Висока якість з'єднань і надійність їх експлуатації забезпечуються при цьому шляхом створення умов зварювання, що запобігають утворенню осередків крихкого зародження тріщин у поміжкристалітних і поміжзерених прошарках та сприяють їх гальмуванню. Для досягнення цього рекомендується використовувати раціональні способи і режими зварювання, термічної і термомеханічної обробок, модифікування скандієм (0,40,6%) присадки, удосконалення складу основного металу, мінімізацію дефектів.

Впровадження у виробництво запропонованих конструктивно-технологічних рішень і технологічних рекомендацій забезпечують підвищення на 1020% параметрів надійності зварних з'єднань силових оболонок корпусів, баків для рідкого палива і інших елементів космічних апаратів. Результати роботи впроваджені у ДКБ “Південне” ім. М.К. Янгеля, на виробничому об'єднанні “Південний машинобудівний завод” ім. О.М. Макарова, а також НВО Машинобудування та Інституті машинознавства ім. А.А. Благонравова РАН (Російська Федерація). Використання більш ефективних технологій зварювання дозволяє розширити області застосування перспективних алюмінієво-літієвих сплавів, забезпечити зниження матеріалоємності і підвищити надійність ЛА. Впровадження результатів роботи дозволило отримати значний народногосподарчий ефект - понад 600 тис. грн. для одного виробу.

Особистий вклад пошукача. Основні результати дисертаційної роботи отримані пошукачем самостійно. В публікаціях, які виконані у співавторстві, пошукачу належить: - постановка задач дослідження про вплив основних технологічних факторів при зварюванні плавленням алюмінієво-літієвих сплавів 1421 и 1460 на зміну властивостей різних ділянок з'єднань, проведення випробувань і математична обробка отриманих даних, а також їх аналіз [3-7, 9, 17, 19-25, 27, 28, 30]; - розробка системи відбору і узагальнення експериментальних результатів, встановлення загальних закономірностей [1-9, 13-17, 19-23]; - дослідження процесів і механізмів при формуванні крихких ділянок структури, виявлення характеру їх зміни в залежності від теплофізичних умов зварювання і впливу на утворення локальних осередків зародження тріщин [1-7, 9, 11-18, 23-25, 28]; - узагальнення отриманих результатів і розробка системи ідентифікації рельєфних особливостей зламів, які утворюються при руйнуванні зварних з'єднань алюмінієво-літієвих сплавів і створення банка даних для прогнозування їх поведінки в складних умовах експлуатації [1-3, 6, 9, 11, 13, 24, 27]; - розробка наукових положень для забезпечення умов надійної експлуатації нероз'ємних з'єднань алюмінієво-літієвих сплавів при виконанні технологічних операцій по зварюванню, термічній і термомеханічній обробок [1, 2, 7, 12, 18, 23, 27, 28, 30].

Апробація результатів дисертації. Основні результати та положення доповідалися на міжнародних конференціях “Сучасні проблеми зварювання і ресурсу конструкцій” (Київ-2003 р.), “Зварні конструкції” (Київ-2000), “Зварювання у космосі та зварні конструкції космічного призначення”” (Київ-1994), “Механіка руйнування. Досягнення і проблеми” (Київ-1993), “Досягнення кріогенної техніки” (Київ-1994), “Конструкції та функціональні матеріали” (Львів-1993), всесоюзних конференціях “Актуальні проблеми зварювання кольорових металів” (Маріуполь-1990), “Міцність матеріалів і конструкцій при низьких температурах” (Вінниця-1991), республіканських конференціях и симпозіумах “Сталі та сплави кріогенної техніки” (Батумі-1993), на засіданні Міжнародного інституту зварювання (Флоренція, 2000). Робота в цілому обговорена на об'єднаному семінарі технологічних відділів ІЕЗ ім. Є.О. Патона.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в двох монографіях і 31 друкованих працях, в том числі 25 у виданнях, які входять в перелік наукових видань ВАК України.

Структура і обсяги роботи. Дисертаційна робота складається з 6 розділів, загальних висновків та викладена на 364 сторінках. Вона має 40 таблиць и 119 малюнків. Список літературних джерел включає 387 найменувань.

зварювання плавлення тріщина

2. ГОЛОВНА ЧАСТИНА

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета роботи та визначені задачі дослідження, описано об'єкт, предмет і методи дослідження, сформульована наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, наведені свідоцтва про апробації, публікації, структурі та обсягах роботи.

У першому розділі подано аналіз сучасного стану застосування в конструкціях ЛА алюмінієво-літієвих сплавів, які розроблені групою вчених і спеціалістів під керівництвом академіка Й.Н.Фрідляндера. Зазначені переваги сплавів - висока міцність і підвищений модуль пружності, використання яких дозволяє зменшити масу конструкції та підвищити її питому міцність (мал.1). Заміна клепаних з'єднань на зварювальні дозволила знизити на 24% масу конструкції фюзеляжу. Для елементів силового каркасу, шпангоутів, балок у лонжеронів була використана технологія електронно-променевого зварювання (ЕПЗ), а для збиральних комплексів планера, фюзеляжу, крила, а також їх обшивки та панелей - аргонодугове зварювання з присадковим дротом.

Водночас, зварювання плавленням - фізико-металургійний процес, який супроводжується зміною структури та властивостей основного металу в шві та навколо шовній зоні. Вони проявляються у розміцненні, високої схильності до утворення “гарячих” тріщин, формування неоднорідної структури і дефектів (пор і включень оксидних плівок). Пошук нових і удосконалення відомих технологічних рішень викликав створення прогресивних технологій підготовки, складання та зварювання типових елементів паливного бака з алюмінієво-літієвих сплавів у літаках і ракетах (мал.2). Найбільш значний вклад у розвиток наукових направлень в області технології зварювання і надійності зварних з'єднань при виробництві конструкцій ЛА внесли відомі вчені: Патон Б.Є., Абралов М.А., Бондарев А.А., Братухін А.Г., Денисов Б.С., Замков В.Н., Іщенко А.Я., Кривов Г.О., Конкевич В.Ю., Лобанов Л.М., Лукін В.І., , Рабкін Д.М., Редчиц В.В., Славін Г.А., Ющенко К.А. та інші.

В жорстких умовах експлуатації конструкцій ЛА, коли діють гранично високі навантаження і низькі температури, у алюмінієво-літієвих сплавів відмічається зниження в'язкості внаслідок окрихчення структурних складових, що обумовлено високою хімічною активністю легуючих елементів - літію і магнію. Це знижує надійність експлуатації зварних вузлів. Для забезпечення рівня безпечного ушкодження зварних з'єднань і можливості виконувати службові функції виробів важливо знати технологічні аспекти окрихчення в зоні нагрівання з використанням методів кількісної оцінки опору матеріалу руйнуванню. Тому здійснено аналіз відомих концепцій надійності конструкцій на основі модельного уявлення умов її роботи с дефектом (тріщиною). Показано, що зусиллями Бакши О.О., Брауна У., Броука Д., Дагдейла Д.С., Дроздовського Б.А., Єкоборі Т., Іванової В.С., Ірвіна П.Е., Кармана К., Красовського А.Я., Крафта Дж.М., Кемпбелла Дж., Кудряшова В.Г., Макклінтока Ф.А., Маркочева В.М., Махненко В.И., Махутова М.А., Морозова Е.М., Леонова М.Я., Ніколса Р., Орована Е., Панасюка В.В., Петча Н.Дж., Райса Дж., Романіва О.М., Ронея М., Серенсена С.В., Сроулі Дж., Стрижало В.О., Хагедорна К.Е., Цайслмайра Х.-Хр., Френкеля Я.И., Фрідмана Я.Б., Яреми С.Я. та інших вчених розроблені основи механіки руйнування щодо оцінки надійності конструкційних матеріалів.

Не дивлячись на широкі дослідження, сучасні знання процесу руйнування зварних з'єднань в конструкціях ще недостатні для забезпечення гарантованої роботи усіх елементів на стадії виготовлення та експлуатації. Особливо це стосується унікальних виробів ракетно-космічної техніки. В зв'язку з цим розглянуто сучасні уявлення про причини та механізми процесів зародження і розповсюдження тріщин при руйнуванні алюмінієвих сплавів і їх зварних з'єднань. Відзначено, що якість зварних з'єднань, рівень їх механічних властивостей і надійність залежать від режимів та умов виконання технологічних процесів. Вивчення їх впливу на структуру і службові характеристики зварних з'єднань є актуальним і складає основні задачі теперішнього дослідження. Проаналізовано шляхи удосконалення умов зварювання алюмінієво-літієвих сплавів с урахуванням металургійних, технологічних і експлуатаційних факторів. На основі проведеного аналізу сформульовані мета і задачі дисертації.

У другому розділі на основі експериментальних досліджень сформульована концепція надійності зварних з'єднань типових елементів конструкцій ЛА з алюмінієво-літієвих сплавів 1421 и 1460, яка враховує вплив технологічних аспектів зварювання поряд з металургійними та експлуатаційними факторами. Вона заключається у необхідності забезпечення зварним з'єднанням достатнього рівня основних службових властивостей (міцності та в'язкості), які дозволяють надійно і безпечно експлуатувати конструкцію (мал.3). Обґрунтовано вибір основних технологічних факторів, що впливають на формування структури, рівня механічних властивостей і механізми руйнування окремих зон зварних з'єднань. Показано, що відмінності поміж гетерогеними зернами, які лишаються від основного металу, і утвореними при зварюванні кристалітами шва викликають зростання рівня концентрації напруження у структурних зонах зварних з'єднань, що вливає на рівень їх фізико-механічних властивостей.

Для оцінки параметрів надійності зварних з'єднань, які утримують неоднорідну структуру, залучено новий підхід, що дозволило враховувати зміну властивостей матеріалу в окремих зонах

нагрівання. Його сутність полягає у дотримуванні єдиних принципів при виборі критеріїв базових теоретичних моделей процесу руйнування, незалежного визначення їх в експерименті та ідентифікації усіх важливих аспектів розвитку тріщини в основних зонах з'єднань в залежності від теплофізичних умов зварювання. Це дозволяє дослідити механізм протікання мікроскопічних процесів в результаті дії локальної або сумарної деформації, зародження і розповсюдження тріщини і порівняти їх з макроскопічними характеристиками опору металу руйнуванню. Вплив технологічних факторів при зварюванні алюмінієвих сплавів подається у вигляді схеми:

Для визначення зазначених залежностей було залучено енергетичний критерій руйнування, який передбачає наявність для кожної з зон термічного впливу зварного з'єднання критичного значення енергії руйнування (WР=0), що необхідний для утворення одиниці вільної поверхні зламу. Характер пружно-пластичних деформацій металу біля вершини тріщини дозволяє записати рівняння

dWР/dl =dU/dl+ dS/dl =0,

де U - величина потенціальної енергії деформації, S - величина поверхневої енергії при руйнуванні (S=- 2l, де 2 - поверхнева енергія на одиницю тріщини), l - довжина тріщини, яка розвивається. Величина потенціальної енергії деформації може бути подана рівнянням:

U= Р2 l 2/ 2E,

де Р - діюче напруження; l - довжина тріщини; E - модуль пружності. Підставляючи ці значення та виконуючи диференціювання по довжині тріщини, маємо: Р2 l / E = 2. Відношення 2l/E показує величину швидкості звільнення енергії деформації G при зародженні тріщини, тому з урахуванням товщини зварного з'єднання отриману залежність можна записати як: G = 2 або GН = 2Н. Швидкість звільнення енергії деформації при зародженні та розповсюдженні тріщин в зонах зварного з'єднання:

(КC)2 / Е i Н i = (КC i)2 Н i / Е i.

Визначаючи через коефіцієнт інтенсивності напруження, для плоского напруженого стану, який характерний для алюмінієвих сплавів і їх зварних з'єднань, отримуємо:

Н KC / E = 2 ( i Нi) / n

Критичне напруження зародження тріщини пов'язано з поверхневою енергією. Використовуючи її величину: ()i = 2Eii/li або коефіцієнт інтенсивності напруження: ()i = КCi/li, знаходимо вираз умов зародження тріщини в кожній зоні зварного з'єднання:

2 Е i i / l i = КC i / l i,, звідки i = КC i / 2 Е i .

Використання єдиної методики нанесення концентратора напруження і умов випробування зразків, які були вирізані з дослідних зон зварних з'єднань (Fi=F=const), дозволяють порівняти експериментальні значення властивостей (міцності та параметрів в'язкості руйнування) окремих структурних зон зварних з'єднань з урахуванням вимог механіки руйнування. Їх сутність зводиться до того, що номінальні розтягуючи нето-напруження, які діють при руйнуванні дослідних зразків зварних з'єднань, не повинні перевищувати границю плинності основного металу. В іншому випадку виникає неконтрольоване руйнування за рахунок пружної енергії, що накопичилась у системі машина-зразок при імітації умов руйнування.

Залежність прийнятих фізичних критеріїв (А) від досліджуваних технологічних факторів (C) може бути подано функцією: А = f(C), а система шуканих рівнянь як:

уР = f1 {(q), (B/Htgб), (P), (Sдеф )};

КС=f2 {(q), (B/Htgб ), (P), (Sдеф)};

дС=f3 {(q), (B/Htgб ), (P), (Sдеф)};

JC =f4 {(q), (B/Htgб ), (P), (Sдеф)};

ПРРТ=f5 {(q), (B/Htgб ), (P), (Sдеф )},

де q - питома величина погонної енергії; B/Htgб - форма шва c різним кутом нахилу (б) площини сплавлення з основним металом; P - хімічний склад зварювального дроту; Sдеф - дефекти (пори і оксидні плівки)

Слід зазначити, що багатовісність напруження в неоднорідній структурі затрудняє пластичну деформацію металу біля вершини надрізу (тріщини) і визначає рівень його опору зародженню та розвитку тріщини. Тому можливе використання критеріїв для оцінки структурних зон зварних з'єднань не рівнозначна. Для встановлення загальних закономірностей зміни їх властивостей і виявлення критичних умов втрати стійкості зварних з'єднань, що призводить до зниження їх надійності, були прийняті єдині принципи дослідження: - вибір одної з базових теоретичних моделей процесу руйнування; - встановлення не менш двох критеріїв моделі, які використовуються для незалежного визначення в експерименті; - ідентифікація усіх важливих аспектів процесу розвитку тріщини під час випробування, спираючись на діаграму руйнування (рис.4) і дані фрактографічного аналізу зламів зразків; - використання компактних і балкових зразків з концентратором напруження у вигляді тріщини втоми або надрізу радіусом 0,1мм; - дотримуванні єдиних принципів при виборі критеріїв прийомів нанесення тріщин (надрізів) на ділянках досліджуваних структурних зон зварних з'єднань для створення близьких за величиною локальних напружень стиску. Таким чином, незалежне експериментальне визначення критеріїв дозволило виявити основні аспекти процесу руйнування та його механізм на стадіях зародження і розповсюдження тріщини у металі шва і зоні термічного впливу, включи границю сплавлення, обґрунтувати явища, що мають місце при цьому у зварних з'єднаннях, порівняти їх поміж собою і характеристиками основного металу.

Досліджуючи поверховість зламів зразків, була розроблена система ідентифікації їх рельєфних особливостей, що дозволило створити банк даних для прогнозування поведінки зварних з'єднань алюмінієво-літієвих сплавів в реальних умовах експлуатації.

У третьому розділі розглядаються закономірності впливу технологічних факторів: величини погонної енергії зварювання, складу присадкового дроту, одиничних дефектів, форми шва на характеристики міцності та в'язкості в окремих зонах зварних з'єднань.

До числа найбільш важливих факторів слід віднести величину погонної енергії, оскільки від інтенсивності нагрівання, швидкості оплавлення та затвердіння шва залежить характер структурних перетворень у металі та рівень фізико-механічних властивостей, що відображають здатність металу виявляти опір росту тріщини в умовах напруженого стану (мал.5).

Порівняно з основним металом значення показників міцності та в'язкості руйнування зварних з'єднань алюмінієво-літієвих сплавів нижче на 10-20% і складає: Р=265295МПа, КС=21,523,7МПам, С=0,030,05мм, JС=2,54Дж/см2, УРРТ=3,85,2Дж/см2 (мал. 6 і 7, табл.1).

Таблиця 1 Вплив типа надрізу на величину критичного розкриття тріщини і J-інтеграл алюмінієвих сплавів 1421 і 1460 та їх зварних з'єднань

В металі шва зниження властивостей обумовлено малою швидкістю розпаду твердого розчину алюмінію при зварюванні плавленням, тому фазові перетворення не встигають розвинутися. В зоні термічного впливу цей процес пов'язаний з утворенням надлишкових фаз і втратою стабільного стану металу при нагріванні. Ступінь зниження залежить від хімічного складу сплаву і умов зварювання. Сплав з магнієм (1421) проявляє в меншій мірі таку схильність, ніж сплав з міддю 1460, тому показники КС і Р вищі на 1015%. Тріщини зароджуються на грубих фазових частках та інтерметалідних включеннях, що розташовані уздовж границь кристалітів шва і зерен основного металу в зоні термічного впливу (мал.8). Довжина тріщин визначається величиною об'ємної долі часток в основному металі, а також теплофізичними умовами зварювання в окремих зонах з'єднань. Перегрівання металу призводить до часткового оплавлення зерен основного металу, розвитку неоднорідності за складом легуючих елементів і домішок внаслідок їх сегрегації уздовж границь зерен і утворення крихких ділянок міжзерених прошарків з пересичених фаз.

Підвищення концентрації напруження при цьому полегшує зародження тріщини шляхом розтріскування фаз або порушення контакту з матрицею. На зламах зразків з надрізом уздовж границі сплавлення шва з основним металом відмічається більша кількість глибоких рельєфних та звивистих мікротріщин. Вони вказують на крихкість поміжзереного прошарку, яка має вигляд щільного каркасу евтектичних фаз, що утворилися при термічному впливі, і більш низький рівень напруження, необхідного для зародження тріщини, ніж у металі шва. В самих зернах спостерігається утворення плоских ділянок транскристалітного руйнування на границі матриця-інтерметалідна фаза, що дозволяє визнати ці фази осередками руйнування.

Відмічено, що схильність до окрихчення, яка спостерігається, пов'язана з наявністю в сплавах надмірної кількості інтерметалідних фаз, до складу яких входять домішки натрію, барію і кальцію, що попадають в метал під час виготовлення напівфабрикатів. Накопичення фаз уздовж границь зерен обумовлено їх високою хімічною активністю. В умовах термічного циклу зварювання це призводить до появи колоній крихких виділень і різкого зростання концентрації напруження, про що свідчать менші на 50МПа значення Р і на 8МПам КС (табл.2). З цього випливає, що процес зародження мікротріщин у зварних з'єднаннях можна обмежити шляхом зменшення розмірів часток при скороченні кількості шкідливих домішок ( Na, Ca, Ba) у сплавах до 0,01%. Міцність і в'язкість при цьому поліпшується в усіх зонах зварних з'єднань, включаючи і зону сплавлення (Р = 305320МПа).

Виконання дослідження дало підставу для ствердження, що для зварних з'єднань велике значення має спадковість таких металургійних ознак як: неоднорідність структури металу, об'ємна доля, форма і характер розташування включень тощо. Неоднакові значення показників Р та КС у різних напівфабрикатів (табл.3) свідчать про важливість шуканого стану структури для надійної експлуатації виробів ЛА. Формування більш однорідної структури напівфабрикатів, утворення субзеренної структури або рекристалізованих зерен, руйнування сітки фаз уздовж орієнтованого розміщення в листах, плитах і панелях поліпшує показники Р в середньому до 340, 325 і 308МПа, в'язкості руйнування КС - до 28,6; 27,5 і 27,0МПам, відповідно. Значення цих показників менше на 12-15% у напівфабрикатах типа смуги, штампування і поковки. Після зварювання вони знижуються ще на 1030%. Волокниста структура і стрічне розташування фаз призводить до поміжзереного характеру руйнування, що супроводжується скороченням в'язкості на 1520% та зменшенням в 3 рази об'ємної долі в'язких складових на рельєфі зламів.

Таблиця 2 Впив кількості домішок Na, Ba, Ca у сплаві 1421 на ударну вязкість (аТ) і показники в'язкості руйнування (КС, С, р, ПРРТ ) зварних з'єднань

Таблиця 3 Значення в'язкості руйнування різних напівфабрикатів сплавів 1421 та 1460

Примітка: 1. Наведено середньоарифметичні значення характеристик в'язкості руйнування за результатами випробування 5 зразків; 2. В чисельнику подані характеристики сплаву 1421, знаменнику - сплаву 1460.

Аналіз впливу теплофізичних умов зварювання на характер зміни Р і КС зварних з'єднань алюмінієво-літієвих сплавів різних систем легування показав, що шви сплавів з магнієм, які отримані дуговими способами зварювання (плавким і неплавким електродом) мають більшу на 1015% міцність, ніж шви сплавів з міддю при близьких значеннях показників КС (мал.6). Аналіз показників JС і ПРРТ при зародженні та розповсюдженні тріщини у залежності від величини погонної енергії показав, що у сплавів з міддю їх значення на 3040% більші, ніж у сплавів з магнієм. Це обумовлено утворенням більш когерентних до матриці часток внаслідок менших розмірів атомного діаметра міді (0,256нм), ніж магнію (0,32нм). Малі розміри виділень фаз і ширини поміжзереного проміжку, які утворюються в умовах зварювання електронним променем, підвищують опір металу зародженню і розповсюдженню тріщин в результаті збільшення відстані поміж включеннями, що знижує рівень концентрації напруження у металі і запобігає тим самим його окрихчення (мал.7). Меншими значеннями показників характеризується зона сплавлення. Їх рівень залежить від джерела нагрівання та теплофізичних умов зварювання. Таким чином, технологічним забезпеченням щодо підвищення параметрів надійності зварних з'єднань можуть бути режими нагрівання з меншою величиною погонної енергії, температурно-часові параметри якої стримують процеси утворення витягнутих уздовж границь структурних складових, які схильні до крихкого зародження тріщин.

До другої групи технологічних факторів відноситься хімічний склад присадкового дроту, який використовується при зварюванні алюмінієво-літієвих сплавів. Склад присадки для них має особливе значення, оскільки він повинен не тільки запобігати утворенню “гарячих тріщин”, але й забезпечити відповідний рівень властивостей металу шва. Як показали результати дослідження (табл. 4), добавка скандію у дріт в межах 0,40,6%, не тільки сприяє зростанню термічної стабільності сплавів і додатковому зміцненню швів, але й підвищує уР на 810%, КС на 1012%. Рівень деформаційного дС і енергетичних (JC, ПРРТ і KCV) показників при цьому зростає в 1,5-2 рази. Ефект пов'язаний з появою на стадії охолодження швів алюмініда скандію, який викликає подрібнення структурних складових, що обмежує розвиток утворених тріщин ефективними бар'єрами - границями зерен (мал.9). При наявності добавок скандію в основному та присадковому металі значення Р і КС збільшуються на 2025%.

У зв'язку з тим, що руйнування дослідних з'єднань часто відбувається на границі сплавлення, доцільно було визначити вплив такого технологічного фактора як форма шва. Її звичайно подають у вигляді співвідношення В/Н, де В - ширина шва, Н - товщина зварювального металу. Форма шва залежить від теплофізичних умов зварювання і відрізняється величиною кута (б) нахилу плоскості, яка відділяє шов від основного металу (мал.9). Плоскість руйнування зразків з надрізом уздовж границі сплавлення після випробування утримує три характерні структурні зони, які притаманні зонам зварних з'єднань: метал шва (1), границя спряженості (2) та основний метал (3). Їх розміри визначаються формою шва і теплофізичними умовами зварювання.

Таблиця 4 Параметри надійності металу шва алюмінієво-літієвого сплаву 1421 в залежності від кількості скандію у присадковому дроті СвАМг63

При цьому було відмічено, що зварні з'єднання сплавів обох систем легування проявляють однакову залежність показників надійності від величини кута нахилу зони сплавлення. Значення С и KCV збільшуються одночасно із зменшенням кута нахилу (табл.5). Оптимальне сполучення міцності та характеристик в'язкості руйнування можна отримати при розташуванні границі спряженості шва та основного металу під кутом нахилу 4045 град. відносно вісі з'єднання.

Таблиця 5 Залежність характеристик в'язкості руйнування від розташування границі сплавлення метала шва та основного метала

При дослідженні такого технологічного фактора як одиничні зварювальні дефекти невеликих розмірів (28% відносно перетину шва) було встановлено більш сильний (у 1,5-2 рази) вплив включень оксидної плівки на параметри надійності, ніж пор еквівалентного розміру (мал.10), що обумовлено особливостями їх фізичної природи, а також геометричними розмірами.

Діаметр пор дорівнював десятій долі міліметрів - від 0,1 до 0,3 мм, а товщина оксидної плівки - 61010-3мм. Параметри надійності метала шва сплавів 1421 і 1460 залежить від типу зварного дефекту - пори або оксидної плівки (табл.6). Тому допущені розміри пор у зварних з'єднаннях не повинні перевищувати 4% від поперечного перетину шва, а оксидної плівки - 2%.

Таблиця 6 Вплив зварних дефектів на параметри надійності металу шва сплавів 1421 и 1460

Примітка: В чисельнику подані дані для сплаву 1421 і його зварних з'єднань, в знаменнику - 1460.

В роботі отримано експериментальне підтвердження, що одним з ефективних технологічних способів підвищення параметрів надійності, зменшення розмірів дефектів у з'єднанні алюмінієво-літієвих сплавів є використання пульсуючих режимів дугового зварювання (IСВПР=275320А, IСВОБР=150180А, UСВ=1214В, VСВ=1012м/час). В цьому випадку у шві формується більш однорідна структура з меншими розмірами кристалітів (1530мкм) та рівномірним розташуванням включень, які утворюються у зварній ванні під гідродинамічним впливом пульсації дуги, що забезпечує високу стабільність фізико-механічних властивостей з'єднань напівфабрикатів різної товщин (табл.7).

Таблиця 7 Вплив об'ємної долі присадки СвАМг63 на параметри надійності шва сплаву 1421

Порівняння діапазону зміни параметрів міцності та в'язкості руйнування, які визначають надійність експлуатації зварних конструкцій, в залежності від досліджуваних технологічних факторів при зварюванні плавленням алюмінієво-літієвих сплавів показує, що їх вплив неоднозначний (табл.8). Діапазон їх дії на зміну параметрів надійності - уР і КС визначається природою технологічного фактора. Так, при зміні величини погонної енергії темп зростання в'язкості зварного з'єднання (КС) в 1,5 рази вищий, ніж границі міцності. Модифікування зварного дроту скандієм позитивно проявляється на значеннях показників КС і уР. Наявність зварних дефектів (пор і оксидних плівок) впливає в значній мірі (в 2-2,5 рази) на рівень в'язкості, ніж міцності зварних з'єднань. Аналогічна тенденція відмічається й при зміні форми шва. Темп зміни опору металу руйнуванню зварних з'єднань в три рази вищий, а ніж рівень міцності. Результати аналізу впливу конструктивного оформлення швів показує, що необхідно враховувати їх дію на надійність зварних з'єднань поряд з дотриманням точності геометричних розмірів, перетинів та конфігурації зварювальних елементів.

Таблиця 8 Діапазон зміни параметрів надійності в залежності від технологічних факторів зварювання плавленням сплавів 1421 і 1460

У четвертому розділі досліджено вплив технологічних процесів штучного старіння і термомеханічної обробки зварних з'єднань на характер зміни їх параметрів надійності.

Результати дослідження показали, що виконання перед зварюванням штучного старіння, в результаті якого відбувається викривлення кристалічної решітки, зміна розмірів блоків, ширини рентгенівських ліній (мал.11, а), сприяє приросту міцності та руйнуючого напруження металу в зоні сплавлення на 3040МПа порівняно з з'єднаннями без старіння (табл.9). В зоні сплавлення значення показників опору руйнуванню знижуються від 10 до 30%. Проведення штучного старіння після зварювання додатково дає збільшення міцності на 3070МПа, однак рівень в'язкості при цьому зменшується на 2040%. Тому вибір послідовності зварювання та старіння залежить від умов, які передбачаються при експлуатації зварних деталей та вузлів. Для отримання максимального рівня міцності з'єднань обробку слід проводити після зварювальних операцій, в інших випадках - до зварювання.

Таблиця 9 Вплив послідовності виконання штучного старіння на ступінь викривлення кристалічної решітки (?а/а), зміна розмірів блоків (Д), ширини рентгенівських ліній (В), рівень номінального руйнуючого напруження (уР) та питому роботу зародження (JC) і розповсюдження тріщини (ПРРТ) зварних з'єднань сплавів 1421 і 1460

Примітка: В чисельнику подані дані для зварних з'єднань сплаву 1460, в знаменнику - сплаву 1421.

Розглянуто також можливість використання різних видів термомеханічної обробки зварних з'єднань алюмінієво-літієвих сплавів. Показано, що сприятливе сполучення параметрів надійності може бути отримано при невеликих ступенях стискування (2-7%), які стимулюють протіканню в металі зони сплавлення повної або часткової перекристалізації, яка супроводжується дробленням зерен (мал.12) і підвищенням в'язкості (табл.10). При прокатці роликом шва під час зварювання міцність з'єднань (Р) підвищується на 15%. Значення ПРРТ не змінюється, а КС зростає на 510%, дС майже не знижується (на 23%). Ударна в'язкість сплаву 1460 знижується на 10%, а 1421 - на 20%. Короткочасна мікропластична деформація границі сплавлення шва з основним металом при обробці імпульсами одиничних зарядів детонуючим шнуром, хоча й сприяє підвищенню на 10-25% міцності, але при цьому змінюється характер виділення вторинних фаз і знижуються на 1545% показники ПРРТ і кут загину.

Використання вибухового плакування забезпечує збільшення на 1012% рівня Р і ПРРТ до 40%. Коефіцієнт міцності зварних з'єднань сплаву 1421 при цьому підвищується до 0,77, а сплаву 1460 - до 0,72. Після штучного старіння з'єднань приріст міцності дорівнює 422МПа (табл.11). Згідно даним мікрорентгеноспектрального аналізу з'єднань цьому сприяють утворення множинного ковзання уздовж непаралельних плоскостей зсуву, подрібнення зерен двійниками, зростанням ступеня мікровикривлення структурних складових (мал.11, б).