Введение
В настоящее времяактуальным является оснащение воздушного транспорта высокоэффективнымисамолетами. Это ставит перед самолетостроителями задачу улучшить качество выпускаемыхизделий, повысить их надежность и ресурс.
Одним из направленийрешения этой задачи является использование высокопрочных титановых сплавов.Обладая комплексом уникальных свойств, они нашли широкое применение вавиационных конструкциях в виде листовых деталей с шипами различной формы.
В авиационнойпромышленности при создании транспортных самолетов используют листовыеошипованные детали. Такие детали устанавливают в зонах интенсивного перемещениялюдей, техники, грузов с целью увеличения фрикционных свойств. Это трапы, двери– лестницы, рампы, стеллажи и т.д. Особым типом такой конструкции являетсянастил грузового пола транспортных самолетов, где листовые детали с шипамивключены в силовую схему агрегата[1-2]. К таким деталям предъявляютсятребования обеспечения высоких фрикционных свойств, механической прочности,герметичности и износостойкости.
Вследствие этого дляизготовления настилов полов самолетов используют высокопрочные титановыесплавы, например ВТ6С; ВТ16; СПТ2.
Процесс получения деталейпредставляет собой дуговое капельное дозированное нанесение на листовыезаготовки и последующее пластическое деформирование наплавленного металла изтитановых сплавов.
Процесс получения деталейиз этих заготовок характеризуется высоким уровнем трудозатрат, расходаматериалов, что повышает их стоимость. Кроме того, изготовление деталей связанос экологически вредным процессом химического фрезерования. Помимо этого, наУкраине не освоен выпуск продукции данного типа. Катаные панели с шипамизакупаются в России по высокой стоимости. Однако устойчивый спрос на даннуюпродукцию со стороны предприятий авиационной промышленности Украины заставляетискать альтернативные пути решения данной проблемы.
В связи с этимпредставляется актуальным исследование и внедрение таких методов полученияошипованных листовых титановых деталей с высокими эксплуатационными свойствами,которые обеспечили бы минимальный расход дорогостоящего материала, повышениеуровня автоматизации производства, улучшение условий труда.
1. Постановка задачи
В настоящее время приизготовлении ряда изделий авиационной техники, в конструкциях, где необходимыповышенные фрикционные свойства поверхности и снижение массы при неизменнойпрочности(настилы грузовых полов, переходы, трапы), местные выступы натонколистовых деталях (выступы для постановки крепежа), широко используютсялистовые детали с рифлением. Листы с рифлением разделяются на листы с замкнутымконтуром негладкой поверхности и листы с отдельно расположенными выступамиразличной формы[3,4]. Улучшенные фрикционные свойства конструкции, при равнойпрочности и минимуме массы, обеспечиваются применением листовых деталей с шипамис пирамидальными выступами на одном общем основании, которые наряду спрочностью листа должны иметь достаточную прочность соединения шипа соснованием. Применимость того или иного способа производства ошипованных листовопределяется размерами шипа, толщиной листа, родом материала. Современноесамолетостроение характеризуется резким расширением номенклатуры применяемыхматериалов (дорогостоящих, высокопрочных и труднодеформируемых) и одновременноповышенными требованиями к качеству и надежности деталей и узлов. Одним изтаких материалов является титан и его сплавы, которые благодаря наличиюкомплекса уникальных свойств, таких, как высокая удельная прочность иповышенная коррозионная стойкость, становятся незаменимыми в конструкциинастилов, переходов, трапов современных самолетов( АН-124-100% изВТ6С)[5].
Замена в конструкцииАН-124 листовых ошипованных деталей из Д16АТ, площадь которых составляет~480м², при сохранении прочностных показателей на детали из титановогосплава позволила уменьшить массу самолета на ~ 2400кг. Применяемые всамолетостроении листовые ошипованные детали характеризуются большойотносительной высотой шипа /> и отношением />. Получение такихдеталей является трудоемкой технологической задачей[6], от успешного решениякоторой зависят перспективы широкого внедрения титановых сплавов в самолетныеконструкции, где необходимы повышенные противоскользящие свойства.
1.1 Существующиеспособы получения ошипованных листовых деталей из титановых сплавов
Из всех существующихспособов производства листов с рифленой поверхностью наиболее распространеныследующие: механическая, химическая и электроимпульсная обработка[7,8];штамповка или чеканка[9]; прессование[10]; прокатка на штампе[11]; прокатка ввалках[12]; дуговая наплавка в />[13]. Но ни один из этих способовне может быть рекомендован для получения ошипованных деталей из высокопрочныхтитановых сплавов.
Листы с пирамидальнымишипами из титановых сплавов получают пластическим деформированием листовойзаготовки, клепкой шип-заклепок, приваркой предварительно изготовленных штучныхшипов, приваркой с последующей формовкой на контактных машинах цилиндрическихзаготовок.
Шипы на листовых деталяхполучают пластическим деформированием (штамповкой-вытяжкой) по схеме, приведеннойна рис.1.2, а. Лист помещается между электродами машины для контактной сварки.При включении сварочного тока поверхность листовой заготовки, находящаяся междунаружной кромкой вершины вытяжного пуансона и кромкой полости второго пуансона,подвергается интенсивному нагреву и при последующем сближении пуансоновпереходит в боковую поверхность шипа (вытяжка с утонением). Несмотря на то, чтотакая технология не увеличивает массу листа, она не нашла широкого примененияпотому, что такие детали имеют низкую износостойкость и, кроме того, прибольших нагрузках наблюдается смещение шипа.
Листовые заготовки сзаклепками-шипами [14]обеспечивают сцепляемость с объектами транспортировки, нообладают недостаточной надежностью соединения шипа с листом, так как в процессеэксплуатации заклепка расшатывается (рис.1.1). Кроме того, наличие отверстийдля заклепок ухудшает механическую прочность листа. Изготовление листов клепкойшип-заклепок показано на рис.1.2, б.
/>
Рис.1.1. Постановкаштучных шип-заклепок:
1-листовая заготовка;2-шип-заклепка; 3-гермет.
Получение ошипованныхлистовых деталей приваркой штучных шипов на лист является наиболеераспространенным технологическим процессом. Шипы в зависимости от их формы иразмеров приваривают к листу контактной[15], в том числе конденсаторной[16] илидуговой сваркой (рис.1.2, в)[17]. В процессе сварки и проковки происходитрасплавление и выход воблой металла буртика шипа, за счет чего и обеспечиваетсяприварка шипа к листовой заготовке. Листы с приваренными шипами имеют хорошуюсцепляемость с объектами транспортировки, но в связи с тем, что в процессесварки происходит окисление металла шипа и листовой заготовки в зоне нагрева(сварка осуществляется на воздухе), применение в ответственных конструкциях нерекомендуется. Трудоемкость способа очень высока, коэффициент использованияматериала низок, процесс сварки не автоматизирован.
Меньшую трудоемкостьизготовления имеют листы, где шип получают из цилиндрической заготовкиодновременной приваркой и формовкой (рис.1.1, г). По данной технологиицилиндрическую заготовку изготавливают из прутка, диаметр которого несколькоменьше диаметра готового шипа у основания. Масса заготовки больше массы шипа.Листовым заготовкам с такими шипами присущи те же недостатки, что и листам сприваренными. Однако в связи с еще более интенсивным нагревом без специальнойзащиты и невысокой стабильностью формы из-за быстрого износа формирующегоэлектрода область их применения еще более ограничена.
Перечисленные недостаткиизвестных способов изготовления ошипованных листовых деталей из титановыхсплавов свидетельствуют о том, что ни один из них не позволяет выполнять вкомплексе те технологические и эксплуатационные требования, которыепредъявляются к деталям конструкций самолета.
С учетом этого вНациональном аэрокосмическом университете им. Н.Е.Жуковского разработанавысокоэффективная технология изготовления ошипованных листовых деталей изтитановых сплавов с применением дугового дозированного нанесения на заготовки ипоследующего пластического деформирования наплавленного металла[18](наплавка(рис.1.3),штамповка в закрытом штампе(рис.1.4)), которая, как показали исследования,позволяет получать шипы с повышенными противоскользящими свойствами, имеющиевысокую стабильность массы, формы и размеров при хорошей прочности соединения слистом и надежной сцепляемости с объектами транспортировки.
/>
Рис.1.3. Дуговоедозированное нанесение на заготовку наплавленного металла.
/>
/>
Рис.1.2. Схемаизготовления листовых титановых ошипованных деталей самолета:а-штамповка-вытяжка на машинах для точечной контактной сварки; б-клепкашип-заклепок; в-контактная сварка шипа, полученного механообработкой; г-сваркас последующей формовкой цилиндрического образца; д-дуговая дозированнаянаплавка с последующей формовкой электродного металла.
Процесс нанесенияэлектродного металла аналогичен процессу дуговой сварки плавящимся электродом изаключается в следующем (рис.1.2, д): под наплавочную головку, в которуюподается электродная проволока, устанавливается заготовка, затем возбуждаетсяизвестным способами (от короткого замыкания или импульсного источника)электрическая дуга, в процессе горения которой происходит плавление электрода(формирование капли электродного металла) и нагрев заготовки, после образованиятребуемой массы расплавленного металла и необходимого разогрева местапостановки наплавленной точки, под действием независимого управляющеговоздействия происходит отделение и перенос капли на заготовку. Подборомсоответствующих режимов процесса плавления, нагрева и переноса расплавленного металлаобеспечиваются условия для соединения наплавленной точки с заготовкой по всейповерхности их соприкосновения.
детальзаготовка металл титановый
/>
Рис.1.4. Процессформообразования выступа штамповкой в закрытом штампе.
1.2 Выбор материаловдля изготовления ошипованных деталей
Современные промышленныетитановые сплавы основаны, как правило, на α- и β-твердых растворахили их смесях и делятся на α-, α+β и β-сплавы синтерметаллидами или без них. Приведенные в табл.1.2 обобщенные свойстватитановых сплавов различного типа показывают, что наибольший интерес дляиспользования в конструкции настила грузового пола транспортных самолетовпредставляют α+β-сплавы, имеющие высокую удельную прочность, хорошуюсвариваемость.
Основными трудностямисварки титана и его сплавов является их высокая активность по отношению к такимвредным примесям, как кислород, водород, азот, углерод, а также снижениепластичности сварных соединений в шве и зоне термического влияния вследствиеструктурных превращений при сварочном нагреве и охлаждении. С учетом этогосварка титановых сплавов осуществляется в защитных средах и при выборематериала предпочтение отдается сплавам, которые не требуют обязательнойтермической обработки сварного соединения для стабилизации структуры. К такимсплавам относятся все псевдо-α-сплавы(ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ПТ-3В, ВТ-20) ииз сплавов мартенситного класса сплавы ВТ6, ВТ6С[19].
Более высокиеэксплуатационные показатели имеют ошипованные детали, изготовленные из сплаваВТ6С. Сплав ВТ6С имеет хорошее сочетание прочности и пластичности в самыхразличных условиях, обладает умеренным дисперсионным твердением, сравнительнохорошо сваривается и формируется в листы. Сварное соединение ВТ6С как попрочности, так и по пластичности близко к основному металлу, не требуетобязательной термической обработки. Последующий отжиг сварного соединения неведет к заметному изменению его механических свойств.
В качестве присадочныхматериалов для сплава ВТ6С используются проволоки из ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ1, ВТ2-2,СПТ-2, ВТ6св.
На сплаве ВТ6Сравнопрочное основному металлу соединение шипа с листом можно получить,применяя в качестве наплавляемого материала ВТ6св. Использование ВТ1-00, ВТ1-0,ВТ1, ВТ2-2 ухудшает эксплуатационные показатели деталей с шипами, так как этисплавы имеют плохие механические свойства.
Таблица 1.2
Обобщенные свойстватитановых сплавов различного типа Свойство Титан технической чистоты α-сплавы (α+β)-сплавы Β-сплавы При 20°С (мягкий отжиг) 300…750 700…850 850…1050 900…1000 Горячая прочность
Низкая
(до 300°С)
Хорошая
(до 600°С)
Хорошая
(до 500°С)
Хорошая
(до 500°С) Сопротивление ползучести
Низкое
(до 250°С)
Хорошее
(до 450°С)
Хорошее
(до 450°С)
Хорошее
(до 480°С) Температурная стабильность Хорошая
Хорошая
(до 500°С…600°С)
Хорошая
(до 400°С…500°С)
Хорошая
(до 300°С) Способность к старению Нет Нет в большинстве случаев Есть Есть в большинстве случаев Деформируемость при 20°С При 300°С хорошая При 600°С…700°С хорошая При 500°С…650°С хорошая При 500°С хорошая Максимальная температура при одновременном нагружении До 300°С До 450°С…600°С До 300°С…450°С До 300°С Свариваемость Хорошая Хорошая От хорошей до плохой Хорошая
Менее грубая структураα’-фазы без снижения пластичности получается при наплавке на лист из ВТ: Ссплава СПТ-2, в состав которого входит цирконий, повышающий прочность безснижения пластичности и способствующий измельчению выпадающей α’-фазы.Сплав СПТ-2 по своим механическим свойствам близок к сплаву ВТ6С, обладаетвысокой износостойкостью, промышленное производство его хорошо освоено.
Из изложенного вышеследует, что наиболее целесообразно изготавливать листовые ошипованные деталипо предлагаемой технологии из сплава ВТ6С, в качестве материала шипа применятьсплав СПТ-2.
Листы из ВТ6С, всоответствии с ОСТ 1.90013-71, содержат: Al-5,3…6,8%, V-3,5…5,0%и примеси углерода, железа и кислорода не более 0,02; 0,07; 0,05%.
Сварочная проволока изСПТ-2(электрод) поставляется по ОСТ 1.90015-77 и содержит: Al-4…4,5%, V-2,5…3,0%, Zr-1,5…2,0%и примесей углерода, железа и кислорода не более 0,02; 0,07; 0,05%.
2. Исследование процесса дозированнойдуговой наплавки шипов-заготовок из титановых сплавов
Изготовление ошипованныхдеталей дуговой дозированной наплавкой с последующей формовкой электродногометалла предполагает, что окончательная форма шипа получается в результате формоизменениянаплавленной точки методами пластического деформирования.
С учетом общих требований,предъявляемых к самолетным конструкциям, наплавка должна обеспечить:
· стабильностьнаплавляемой массы;
· прочностьсоединения точки с листом;
· получение точекзаданной формы;
· высокую точностьпостановки шипа-заготовки.
Чтобы процесс наплавкимог удовлетворить перечисленным выше требованиям, необходимо решить ряд задач:
· созданиеоптимальных условий для стабильного формирования капель расплавленного металлазаданной массы на торце электрода;
· определениевозможности наплавки одиночных точек из титановых сплавов, применяемых дляизготовления шипа;
· разработкаспособов независимого управляемого переноса капель электродного металла,обеспечивающего требуемую точность дозирования и точность постановки;
· получениенаплавленных точек требуемых размеров и формы с заданной прочностью соединенияс листом.
Для решения этих задачнеобходимо изучить процесс плавления электрода; исследовать процесснезависимого переноса электродного металла; поставить условия, обеспечивающиесоединение капли с листом и получение наплавленной точки заданных размеров.
2.1 Сущность иосновные параметры процесса дуговой наплавки
Для выбора параметровпроцесса нанесения электродного металла на листовую заготовку дуговойдозированной наплавкой необходимы данные о количестве расплавленного металла иего температурном состоянии в зависимости от режима работы электрической дуги ихарактеристик электрода. Эти данные в литературе для исследуемого материалаотсутствуют, а экспериментальное определение />-коэффициент расплавления и />-температурырасплавленного металла, вызывает определенные трудности, так как они изменяютсяв определенных пределах[20,21].
Сущность процессанаплавки выступа заключается в том, что выступ заданной массы и формыполучается путём принудительного переноса на изделие капли жидкого металла,сформированной из отрезка электрода путем его оплавления. Схема процессаобразования выступа показана на рис. 2.1.
Листовая заготовка 4располагается на теплоотводящей медной подкладке 5. В зону наплавки подаётсязащитный газ. Исходя из отрезка требуемой массы капли, устанавливается необходимыйвылет электрода 1(рис. 2.1а). При подаче электрода 3 до упора в листовуюзаготовку и последующего его отвода от поверхности на расстояние порядка 1,5мм, возбуждается электрическая дуга, которая разогревает поверхность заготовкии плавит электрод.
На поверхности заготовкиобразуется локальная зона расплавления />, а на торце электрода формируетсякапля расплавленного металла (рис. 2б).
/>
Рис.2.1 схема процессанаплавки выступа.
По истечении времени,необходимого для формирования капли заданной массы и образования зонырасплавления />, на каплю воздействуюткратковременным потоком газа повышенной скорости />, в результате чего она отделяетсяот электрода и переносится в зону расплавления, образуя точечный выступ(рис.2.1в).
Основнымихарактеристиками сварного соединения (рис.2.2) являются:
/> — диаметр выступа у основания;
/> — высота выступа;
/> — форма выступа;
/> — диаметр зоны расплавления;
/> — глубина зоны расплавления;
/> — точность нанесения капли налистовую заготовку, характеризуемая радиальным отклонением центра наплавленноговыступа от центра зоны расплавления.
Характеристики сварногосоединения при электродуговой точечной наплавке зависят от режимов и условийсварки.
Анализ показывает, чтовсе параметры и факторы процесса наплавки могут быть условно разделены на двегруппы. К первой группе относятся параметры и факторы процесса, которые напротяжении всего периода проведения исследований практически не изменялись.
/>
Рис.2.2 Основныехарактеристики сварного соединения.
Однако правильный ихвыбор создаёт благоприятные условия для проведения процесса наплавки исущественно влияет на качественные характеристики сварного соединения. Втораягруппа параметров характеризуется значительными изменениями при проведенииэкспериментов. Данные параметры определяют режим наплавки.
Первая группа:
· род сварочноготока;
· полярностьсварочного тока;
· величина токадежурной дуги;
· способ переносакапли на листовую заготовку;
· цикл наплавки;
· диаметрэлектрода;
· род защитногогаза
Вторая группа:
· величинасварочного тока />;
· время горениясварочной дуги />;
· время задержкиотрыва капли />;
· параметрыпроцесса переноса капли;
· расход защитногогаза />
На первом этапеисследований был проведен выбор параметров первой группы. Выбор основывался нарекомендациях, приведенных в научно-технической литературе по сварке титановыхсплавов, на материалах исследований по наплавке Национального аэрокосмическогоуниверситета[22], а также на основе проведенных экспериментальных исследований .2.2 Выбор диаметра электродной проволоки
При электродуговойнаплавке выбор диаметра электродной проволоки является одним из основныхвопросов. От диаметра электрода во многом зависят характеристики электродуговойнаплавки:
n режимы наплавки;
n масса наплавленной точки;
n точность постановки капли;
n точность дозирования массы электродногометалла;
n параметры газодинамической системы;
n время существования капли наэлектроде.
Одной из основных задачэлектродуговой наплавки является формирование капли заданной массы из отрезкаэлектрода и перенос её в зону соединения.
Масса наплавленной точкиэлектрода равна:
/> (1)
где rэ — плотность материала электрода,dэ — диаметрэлектрода, lэ -вылет электрода.
Из (1) видно, чтозаданную массу выступа можно получить при различном диаметре электрода dэ и соответствующем вылете электрода lэ.
В связи с этим возникаетзадача определения оптимального диаметра электрода для формирования каплизаданной массы.
Приформировании капли одинаковой массы уменьшение диаметра электрода обеспечиваетулучшение условий отрыва капли.
/>С уменьшением диаметра электрода уменьшается и силаповерхностного натяжения, удерживающая каплю на электроде:
/>/> (2)
где s — коэффициентповерхностного натяжения.
Однако чрезмерноеуменьшение диаметра электрода имеет и свои недостатки.
1. Уменьшаетсяточность постановки выступа относительно зоны расплавления.
/>
2. Причиной данногонедостатка является увеличение вылета электрода, при уменьшении его диаметра, врезультате чего сброс капли происходит с большей высоты. При этом отклонениекапли от осевой линии увеличивается, вследствие чего наплавленный выступсмещается относительно центра зоны расплавления.(Рис.2.3)
3. Уменьшаетсявремя существования капли на электроде. Уменьшение времени существования каплина электроде может привести к неуправляемому её переносу, вследствие самоотрываот электрода под действием сил веса и электродинамических сил.
Условие существованиякапли на электроде записывается в следующем виде:
/>F
где SF — суммасил, способствующих отрыву капли;
Fs — сила поверхностного натяжения, удерживающая каплюна электроде.
С увеличением температурыкапли коэффициент поверхностного натяжения уменьшается, в связи, с чем можетвозникнуть отрыв капли от электрода. Отсюда можно сделать вывод, что длякаждого значения dэ существует критическая масса капли mкр, превышение которой приводит к самоотрыву её от электрода,что делает невозможным процесс управляемого переноса капли .
Следовательно, одним изусловий управляемого переноса капель жидкого металла является:
mк max
С уменьшением диаметраэлектрода dэ критическая масса капли уменьшается.
С увеличением диаметраэлектрода все недостатки, присущие меньшим диаметрам электрода переходят впреимущества и наоборот. На основании имеющихся статистических данных,полученных в ходе экспериментальных исследований дуговой точечной наплавки,установлены некоторые эмпирические зависимости связывающие диаметр капли,диаметр и вылет электрода.
1. Наиболее приемлемым соотношениеммежду диаметром капли dк и диаметром электрода dэ является:
dк »(2..2.25)dэ, (5)
2. Условие приемлемой точностидозирования массы электродного металла и точности нанесения наплавленноговыступа:
lэ »(5.0… 7.0)dэ (2.15)
Данное выражение отражаеткомпромисс между точностью нанесения и точностью дозирования массы капли. Сувеличением коэффициентов точность дозирования увеличивается, а точностьнанесения уменьшается.
На основаниивышеприведенного выбираем
/> , /> ,
/> , /> .
2.3Выбор способа переноса капель расплавленного металла
Перенос электродногометалла оказывает большое влияние на процесс формирования сварного соединения,от него также зависит стабильность дозирования электродного металла, точностьпостановки, размеры и форма наплавленной точки.
Для дозированногонанесения электродного металла необходим управляемый его перенос. Все способыуправляемого переноса можно условно разделить на три группы. К первой группеотносятся способы, при которых перенос электродного металла происходит за счетизменения величины и соотношения между силами, действующими в обычных условияхдуговой обработки[23].
Ко второй группеотносятся способы, при которых перенос электродного металла осуществляетсядополнительными управляющими силами, создающимися специальными приемами ивоздействиями (способы принудительного переноса). В качестве приемовиспользуется: движение с ускорением сварочной головки, электродной проволокиили мундштука (механические способы (рис.2.4, а)); наложение электромагнитныхполей (электромагнитные способы (рис.2.4, б)); подача дополнительных непрерывныхили импульсных потоков газа (газодинамические способы (рис.2.4, в)); изменениетока и напряжения дуги по определенной программе (импульсно-дуговые способы)[24].
/>
А б в
Рис.2.4. Способы отрывакапли от электрода.
К третьей группеотносятся комбинированные способы.
Анализ способовуправляемого переноса электродного металла показал, что для получения шипов налистовых деталях самолета со стабильностью массы ±5%, точностью постановки±1,0мм, с отношением /> наиболее целесообразно применятьпринудительные способы. Основными параметрами, характеризующими способуправляемого переноса, были приняты: точность постановки и стабильностьдозирования электродного металла.
Как видно из таблицы 2.3,для наплавки шипов из титановых сплавов наиболее приемлемым способомпринудительного отрыва капель является газодинамический. Электромагнитныйспособ из-за низкой электропроводности титановых сплавов требует высокойнапряженности электромагнитного поля, что сильно усложняет конструкцию горелкии магнитно-импульсной установки. Механические способы из-занеперпендикулярности поверхности раздела жидкой капли и электрода направлениюдвижения при разгоне не обеспечивают точности нанесения капель на лист. Крометого, в случае использования движущегося мундштука происходит перегрев, и износего рабочей части вследствие контактирования с расплавившимся металлом.
Таблица 2.3Способ управляемого переноса Точность дозирования Точность постановки Мат.ожид., мг пред.откл.,%
Коэффиц.
вариации Мат.ожид., мг пред.откл.,% Мода, мм 1.Механический
396,4/
-5,84;4,12 0,07 1,03/1,85 0,823 2.Электромагнитный
403,1/
-1,64;2,31 0,09 0,439/1,12 0,352 3.Газодинамический
401,7/
-2,88;1,67 0,01 0,384/0,98 0,3075
Газодинамический способобеспечивает приемлемую точность дозирования массы капель сплава СПТ-2 и имеетдостаточно высокую точность нанесения точки на поверхность листа. Способпозволяет достаточно просто и оперативно изменять параметры системы. Кнедостаткам газодинамического способа можно отнести дополнительный расходзащитного газа, и некоторое усложнение оборудования из-за наличиягазодинамической системы.
2.3.1 Состав и работагазодинамической системы
В состав газодинамическойсистемы входят элементы, обеспечивающие защиту зоны наплавки выступа,формирование импульсообразующего газа, а также элементы, обеспечивающиерегулировку параметров газодинамической системы (рис.2.5).
/>
Рис.2.5 Схема и составгазодинамической системы:
1-мундштук;
2-газодинамическое сопло.Предназначено для улучшения передачи энергии импульса газа капле расплавленногометалла;
3-клапан газодинамический.Предназначен для подачи импульсообразующего газа из ресивера в полость сопла;
4-ресивер. Предназначендля накопления энергии импульсообразующего газа;
5-редуктор низкогодавления. Предназначен для создания заданного давления в ресивере;
6-редуктор высокогодавления. Предназначен для снижения давления, поступающего из баллона;
7-расходомер защитногогаза;
8-баллон с аргоном.
При наплавке защитный газнепрерывно поступает в зону горения дуги через редуктор 6, расходомер 7,обеспечивая защиту зоны нагрева детали от повторного окисления.
Импульсообразующий газпоступает в ресивер 4 через редуктор 5. При открытии клапана 3 ресивера газповышенной скорости подается в сопло 2 и благодаря газодинамической силесформировавшаяся капля расплавленного металла отрывается от торца электрода ипереносится на изделие.
2.4 Выбор защитной среды
Титановые сплавы приповышенных температурах способны взаимодействовать с такими вредными примесями,как кислород, водород, азот, что необходимо учитывать при их обработке и сварке.
Наиболее эффективнымзащитным газом является аргон, который не токсичен, достаточно широкораспространен. Он имеет малый потенциал ионизации и небольшое сопротивлениепрохождения тока, благодаря чему обеспечивается устойчивое горение дуги призначительной ее длине.
С учетом этого придуговой точечной наплавке материала шипа деталь и электрод защищаются отдействия окружающего воздуха очищенным аргоном(99,5%Ar), который непрерывно подается в зону нагрева и создает нейтральнуюсреду.
В силу различных физическихсвойств аргон и гелий по разному влияют на процесс электродуговой сварки. Аргонв 1.5 раза тяжелее воздуха (плотность 1.78), а гелий гораздо легче воздуха(плотность 0.178). Поэтому при одинаковом качестве защиты зоны сварногосоединения расход аргона гораздо меньше, чем гелия.
Потенциал ионизацииаргона (15.7ЭВ) меньше, чем гелия (15.7ЭВ), в результате чего возбуждение игорение сварочной дуги в аргоне стабильное, даже при большой ее длине.
Характеристики дуги варгоне и гелии различны. При одинаковых токах, напряжение дуги в гелии выше,чем в аргоне, и дуга имеет большую проплавляющую способность, обеспечиваяравномерное проплавление. В аргоне проплавление неравномерное: более глубокое вцентре и меньше по краям сварного соединения.
Применение гелия, а такжесмесей с большим содержанием гелия (от 25% до 75%), приводит к повышениюкачества шва за счет высокой тепловой мощности дуги. Увеличивается не толькоглубина проплавления основного металла и скорость сварки, о и значительноснижается пористость швов, в 6…10 раз и выше [25]. Применение чистого гелияограничивается его высокой стоимостью и повышенным разбрызгиванием металла.Стоимость гелия примерно в 6 раз выше стоимости аргона. Учитывая высокуюпроплавляющую способность дуги в гелии, гелий и его смеси применяют в основномпри сварке элементов большой толщины (6…32мм).
На основе проведенногоанализа в качестве защитного газа выбран аргон со степенью очистки не менее99.97%.
2.5 Определениехарактеристик сварочного тока
Зависимости термофизическихсвойств сплава ВТ6С от температуры были взяты по рекомендациям [26,27].
Эффективным способомформирования необходимой зоны расплавления является управляемый теплоотвод снижней поверхности листа. Нагрев на теплоотводящей подставке не позволяет получитьсквозное проплавление, что для изготовления ошипованных листовых деталейявляется необходимым условием получения качественного соединения шипа с листом.При одних и тех же условиях размерами зоны, где нет контакта междутеплоотводящей подкладкой и листом. Нанесение расплавленного электродногометалла через некоторый промежуток времени после выключения тока дуги приводитк резкому перераспределению температуры в листе к моменту нанесения и куменьшению зоны расплавленного металла на поверхности листа. Ступенчатоеснижение тока дуги позволяет поддерживать необходимое температурное состояниезаготовки, обеспечивающее получение соединения наплавленной точки с листом.
Уменьшение тока основнойдуги при постоянстве выделяемой на ней энергии приводит к уменьшению температурыи зоны расплавленного металла.
При соответствующемподборе определенной величины тока, на конечной стадии процесса нагрева,возможно поддержание стабильной температуры в заданных точках листовой заготовки.
Таблица 2.5
Максимальная температураотдельных точек листовой заготовки при нагреве ее электрической дугойВарьируемые параметры процесса нагрева Расстояние от оси электрической дуги до рассматриваемой точки, мм (обратная сторона листа) 3 3,75 4,5 5,25
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
2.6 Цикл наплавки выступа
Процесс наплавки выступавключает в себя ряд операций. К ним относятся подача заданного отрезкаэлектрода в зону горения дуги, возбуждение дежурной дуги, включение ивыключение силовой дуги, устройство принудительного отрыва капли от электрода.Все эти операции должны выполняться в определенной последовательности и взаданные промежутки времени.
Учитывая высокие скороститечения процесса наплавки выступа, а также жёсткие требования к его стабильности,он ведется в автоматическом режиме по заданной программе.
Наплавку необходимопроизводить двумя каплями. В связи с этим цикл наплавки выступа имеет следующийвид (рис.3.1).
/>
Рис.3.1 Цикл наплавкивыступа
/> — время задержки включения силовойдуги. В течении данного времени осуществляется подача электродной проволоки />, возбуждение дежурнойдуги />,предварительная очистка и разогрев листовой заготовки. Обычно это времяколеблется в пределах 0,3…0,5 с.
/> — время горения силовой дуги />. В теченииэтого времени происходит плавление вылета электрода и формирование каплизаданной массы, образование расплавленной зоны соединения на листовой заготовке.
/> — время задержки выключениядежурной дуги и отрыва капли. Применение такой задержки повышает точностьнанесения капли.
/> — время паузы (выстоя) междунанесением первой и второй капли. Исследованиями установлено, что данныйпараметр играет большую роль в формировании выступа. Чрезмерное уменьшение /> приводит крастеканию наплавленной первой капли, а увеличение – к низкой прочностисоединения второй капли с первой.
/> - время действияимпульсообразующего газа.
Список использованнойлитературы
1. Корнилов И.И. Титан.-М.: Наука,1975 г.-310с.