Определение технологических условий получения бездефектных сварных соединений деталей из титанового сплава вт14 электронно-лучевой сваркой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение технологических условий получения бездефектных сварных соединений деталей из титанового сплава вт14 электронно-лучевой сваркой

Е.В. Карпович, И.А. Черныш

В работе выполнен анализ результатов механических испытаний и металлографических исследований образцов в виде пластин толщиной 16мм, 18 мм и 24 мм из титанового сплава ВТ14, полученных электронно-лучевой сваркой при различных технологических условиях. Установлено, что для получения бездефектных соединений из сплава ВТ14 необходимо применять специальные технологические приемы. Определено, что условия формирования соединений в замковых экваториальных швах шаробаллонов из титанового сплава ВТ14 отличаются от условий сварки пластин, что приводит к появлению дефектов в соединении.

Ключевые слова: высокопрочные титановые сплавы, электронно-лучевая сварка, дефекты сварного соединения

В роботі виконано аналіз результатів механічних випробувань і металографічних досліджень зразків у вигляді пластин товщиною 16мм, 18 мм і 24 мм з титанового сплаву ВТ14, отриманих електронно-променевим зварюванням у різних технологічних умовах. Встановлено, що для отримання бездефектних з'єднань зі сплаву ВТ14 необхідно застосовувати спеціальні технологічні прийоми. Визначено, що умови формування з'єднань в замкових екваторіальних швах шаробаллонів з титанового сплаву ВТ14 відрізняються від умов зварювання пластин, що призводить до виникнення дефектів у з'єднанні.

Ключові слова: високоміцні титанові сплави, електронно-променеве зварювання, дефекти зварного з'єднання

The paper analyzes the results of mechanical tests and metallographic studies of samples in the form of plates 16mm, 18mm and 24mm thick made of titanium alloy ВТ14 welded by electron beam welding under various technological conditions. It is established that for obtaining defect-free compounds from ВТ14 alloy special technological methods must be used. It is determined that the conditions for the formation of joints in the lock equatorial joints of balloballones from the titanium alloy ВТ14 differ from the conditions for plate welding, which leads to the appearance of defects in the joint.

Keywords: high-strength titanium alloys, electron-beam welding, defects of welded joints

Введение

Значительная часть сварных конструкций в узлах и агрегатах реактивных двигательных установок ракет-носителей и авиационной техники выполняются из коррозионностойких материалов. При этом требуемое качество сварных соединений обеспечивается не только тщательным контролем режимов сварки, но и за счет применения специальных технологических приемов. В зависимости от толщины и конфигурации свариваемых кромок, при сварке с полным проплавлением, могут использоваться специальные подкладки, устанавливаемые с обратной стороны шва, или замковые соединения. Окончательная конфигурация сварного соединения в конструкции достигается последующей механической обработкой. Однако данная технология применима только для соединений с доступом к верхней и нижней поверхности зоны сварки на всех этапах технологического процесса и не может использоваться для замкнутых закрытых сварных швов, используемых при сварке шаробаллонов системы предварительного наддува топливных баков.

Шаробаллоны изготавливаются из высокопрочных титановых сплавов и нержавеющей стали и применяются на всех современных ракетоносителях для подачи топлива под давлением в газогенератор и камеру сгорания. В процессе работы они находятся под действием внутреннего давления 22-34 МПа при криогенных температурах 77 К (-196 °С) и должны обеспечивать надёжную работу на протяжении всего цикла эксплуатации [1]. Конструктивной особенностью шаровых баллонов является расположение нижней стороны сварного соединения внутри замкнутой шаровой полости, что требует применения методов односторонней сварки, обеспечивающих надежное и качественное формирование сварного шва по всему периметру.

Анализ литературных данных и постановка задачи

Шаробаллоны из титановых сплавов составляют примерно 70 % от всего объема производства баллонов высокого давления. Их сварка выполняется методом автоматической аргонно-дуговой сварки погруженной дугой в камерах с контролируемой атмосферой. Основным недостатком применяемого метода является чувствительность длины дуги к колебаниям режимов сварки, что приводит к изменению ее проплавляющей способности и нестабильности геометрии сварного шва [2]. Способ сварки в вакууме полым катодом позволяет исключить указанный недостаток аргонно-дуговой сварки и получить дугу с одинаковой проплавляющей способностью при колебаниях ее длины в большом диапазоне [3]. Кроме того, сварка полым катодом в вакууме обеспечивает высокую степень защиты металла и повышенную концентрацию тепловой энергии. Однако данный метод сварки имеет ограниченное применение в производстве, так как позволяет получать качественный сварные соединения из деталей толщиной не белее 14 мм.

В работе [4] исследована сварка полым катодом пластин из титанового сплава ВТ6С толщиной 5 мм, 8 мм, 14 мм с целью отработки технологии сварки полусфер шаробаллонов. Механические свойства соединений соответствуют требуемым и достигаются при наличии зазора до 1 мм между свариваемыми кромками. Для обеспечения минимальной массы шаробаллона сварка проводилась без подкладных технологических пластин. Формирование шва обеспечивалось на весу.

Шаробаллоны большого диаметра изготавливаются из титанового сплава ВТ14 с толщиной полусфер 16...24 мм. При аналогичных условиях формирования сварного соединения необходима большая тепловая мощность дуги, что приведет к увеличению объема расплавленного металла, возрастанию в сварочной ванне гравитационных и гидродинамических сил, превышающих силы поверхностного натяжения в нижней части шва, разрыву пленки, вытеканию ванны и образованию дефектов в виде прожогов, которые недопустимы при любых видах сварки. Применение технологических подкладных элементов или замковых соединений при сварке полым катодом шаробаллонов большого диаметра с толщиной стенки 16...24 мм обеспечит более благоприятные условия формирования сварного соединения. Однако, геометрические параметры сварного шва и зоны термического влияния (ЗТВ) будут иметь значительные размеры, что может привести к снижению механических характеристик сварного соединения, значительным температурным деформациям в конструкции, повышению уровня остаточных напряжений и другим отрицательным явлениям сварочного процесса.

Получение сварных соединений из высокопрочных титановых сплавов значительной толщины с минимальными размерами сварного шва, ЗТВ и, соответственно, уровнем остаточных напряжений и деформаций возможно методом электронно-лучевой сварки, который также обеспечивает вакуумную защиту расплавленного металла в процессе сварки. В работе [5] рассмотрена сварка титановых сплавов и показано, что на сложных ответственных изделиях сварка в нижнем положении выполняется в большинстве случаев на подкладке и при толщине деталей от 10 до 70 мм. После сварки подкладка с расположенным в ней дефектным участком шва удаляется механической обработкой. Сварка полусфер шаробаллона также выполняется вертикальным лучом в нижнем положении, но подкладной технологичекий элемент оснастки не может быть удален, так как после сварки находится внутри замкнутой полости сферы. При таких технологических условиях формирования шва наиболее целесообразно использовать замковое соединение, при котором целостность сварной конструкции с одной стороны сварного шва будет обеспечиваться основным металлом полусферы, а с другой - сварным соединением. Требования к качеству сварного соединения должны соблюдаться не только в зоне свариваемых кромок, но и в зоне сплавления с замковой частью, так как наличие дефектов в этой области сварной конструкции может привести к появлению трещин и разрушению сварного шва.

Анализ значений механических характеристик сварных соединений из титанового сплава ВТ14, полученных ЭЛС и термообработанных, показал, что предел прочности на растяжение в сварном шве выше, чем у основного металла (ов = 1150 МПа) и составляет ов = 1180 МПа. При этом ударная вязкость сварного соединения (КСи = 2,7 10 Дж/м) ниже, чем у основного металла (КСи = 4,2-10 Дж/м) на 64 % [5] и не соответствуют требованиям конструкторской документации к шаробаллонам из титанового сплава ВТ14, согласно которым ударная вязкость должна быть не менее 2,5-10 Дж/м.

Пониженная пластичность сварных соединений из титанового сплава ВТ14 обуславливается как металлургическими процессами при ЭЛС, так и возможным наличием дефектов.

Наиболее распространенными дефектами сварных соединений из высокопрочных титановых сплавов являются поры, которые появляются в результате дегазации металла при нагревании электронным лучом [5, 6]. Поры малого размера не определяются неразрушающими методами контроля, которые имеют недостаточную разрешающую способность, что требует проведение металлографического анализа на микрошлифах. Присутствие микропористости в сварном шве снижает механические характеристики сварных соединений [5].

В связи с этим возникает задача определения технологических условий получения бездефектных сварных соединений деталей из титанового сплава ВТ14 с толщиной от 16мм до 24 мм методом ЭЛС, и апробация разработанных рекомендаций при изготовлении шаробаллонов из полусфер соответствующей толщины.

Цель и задачи исследования. Целью работы является определение технологических условий получения бездефектных сварных соединений деталей из титанового сплава ВТ14 с толщиной 16мм, 18 мм и 24 мм методом ЭЛС и проверка рекомендуемых условий при сварке кольцевых швов шаробаллонов, изготавливаемых из полусфер соответствующей толщины.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

- выполнить анализ результатов механических испытаний и металлографических исследований образцов толщиной 16мм, 18 мм и 24 мм, сваренных методом ЭЛС при различных технологических условиях, и определить рекомендуемые условия, которые обеспечат получение бездефектных сварных соединений с требуемым комплексом механических характеристик;

- определить общие условия получения бездефектных сварных соединений методом ЭЛС с требуемым комплексом механических характеристик в сварных конструкциях из титанового сплава ВТ14, изготовленных из деталей толщиной 16мм, 18 мм и 24 мм;

- проверить рекомендуемые технологические условия ЭЛС соединений деталей толщиной 16мм, 18 мм и 24 мм из титанового сплава ВТ14 при сварке кольцевых швов шаробаллонов, изготавливаемых из полусфер соответствующей толщины.

Материалы и методы исследований. Экспериментальная отработка технологии электронно-лучевой сварки проводилась на образцах в виде пластин из титанового сплава ВТ14 толщиной 16 мм, 18 мм, 24 мм. Сварка проводилась с различным количеством проходов и величиной смещения луча от оси стыка (таблица 1) на принятых технологических режимах ЭЛС, соответствующих свариваемым толщинам.

титановый электронный лучевой сварка