blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-2-99-108blackmet-1017Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИМИТИРУЮЩИХ НАДЕЖНОСТЬ (УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ) РЕБРИСТЫХ ТИТАНОВЫХ ПАНЕЛЕЙRESEARCH OF THE TECHNOLOGICAL MANUFACTURING OPERATIONS LIMITING THE RELIABILITY (FATIGUE STRENGTH) OF RIBBED TITANIUM PANELSБахматовП. В.BakhmatovP. V.

Кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Машиностроение и металлургия»

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor, Head of the Chair “Mechanical Engineering and Metallurgy”

mim@knastu.ruМуравьевВ. И.Murav’evV. I.

Доктор технических наук, профессор кафедры «Машиностроение и металлургия»

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Mechanical Engineering and Metallurgy“

mim@knastu.ruКомсомольский-на-Амуре государственный технический университетРоссияKomsomolsk-on-Amur State Technical UniversityRussian Federation20170103201760299108Copyright © Бахматов П.В., Муравьев В.И., 20172017Бахматов П.В., Муравьев В.И.Bakhmatov P.V., Murav’ev V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1017

Как известно, титановые сплавы по ряду особенностей (высокая удельная прочность, сопротивление усталости, вязкость разрушения и коррозионная стойкость) нашли широкое применение в авиакосмической технике, в том числе и в ребристых панелях. К изделиям такого рода предъявляют повышенные требования качества сварных соединений и размерной точности всей конструкции. Сварка плавлением титановых сплавов приводит к образованию неоднородностей зоны соединения и к снижению технологических и эксплуатационных характеристик изделия, геометрические размеры конструкции искажаются по причине возникновения сварочных напряжений, появляются поры и микротрещины в металле шва, снижаются механические характеристики и другие показатели. Все вышесказанное требует комплексного анализа технологического процесса изготовления титановых ребристых панелей: от изготовления полуфабрикатов до окончательной операции термической обработки готового изделия с позиции выявления наиболее весомых в отношении дефектности операций. Операции изготовления заготовок, в том числе подготовка их под сварку, режимы сварки и последующей термической обработки влияют на статическую и цикловую прочность сварных ребристых титановых панелей в зависимости от количества и суммарной площади дефектов сварного шва. В работе приведены исследования, результаты которых позволяют прогнозировать свойства и надежность сварных конструкций и добиваться идентичности свойств основного металла и металла шва с гарантией отсутствия как внутренних, так и наружных дефектов в зависимости от выбора комплекса технологических мероприятий. Показано, что сварка с определенной скоростью охлаждения в интервале температур фазового превращения, чистовое фрезерование, обкатка и очистка (обезжиривание и обезвоживание) поверхности стыкуемых кромок, низкий отжиг после сварки в воздушной атмосфере и последующее опескоструивание, газолазерный раскрой (ГЛР) в среде вспомогательного газа азота или аргона или комбинированных заготовок ГЛР и раскрой фрезерованием являются определяющими соответствие свойств и надежности сварных соединений основному металлу ребристых панелей из сплава ВТ20. 

As it is known, titanium alloys due to a number of features (high specific strength, fatigue resistance, fracture toughness and corrosion resistance) are widely used in aerospace engineering, including ribbed panels. For products of this kind it is necessary to meet high requirements of quality of welded joints and dimensional accuracy of the construction. Fusion welding of titanium alloys results in the formation of inhomogeneities in the connection zone and in the reduction of technological and operational performance. The geometric dimensions of design are distorted due to occurrence of welding stresses, pores and microcracks appear in the weld metal, mechanical properties and other parameters are reduced. These facts require a comprehensive analysis of the manufacturing process of titanium ribbed panels: from the manufacturing of semi-finished products to the final stage of heat treatment of the finished product from the point of detection of the most significant in relation to defects in operations. The blank manufacturing operations, including their preparation for welding, welding and subsequent heat treatment regimes affect the cyclic and static strength of welded ribbed titanium panels depending on the number and total area of welding defects. The article presents the research that allows to predict the properties and reliability of welded structures and to achieve identity of the properties of basic metal and weld metal with the lack of a guarantee of both internal and external defects, depending on the choice of the complex technological measures. It is shown that a certain welding cooling rate in the range of phase transformation temperatures, finish milling, running and cleaning (degreasing and dehydration) of the surface of abutting edges, low annealing after welding in the air and subsequent sand cleaning; GLC in the auxiliary gas medium of nitrogen or argon or the combined GLC blanks and cutting by milling determine correspondence of properties and reliability of the welded joints of base metal of ribbed panels from VT20 alloy.

титановые сплавыподготовка под сваркусварка плавлениемкачество соединенийtitanium alloyspreparation for weldingfusion weldingquality of connectionsReferencesОбеспечение надежности конструкций из титановых сплавов / В.И. Муравьев, П.В. Бахматов, Б.И. Долотов и др. / Под ред. В.И. Муравьева. – М.: «Эком», 2009. – 752 с.Murav’ev V.I., Bakhmatov P.V., Dolotov B.I. etc. Obespechenie nadezhnosti konstruktsii iz titanovykh splavov [Ensuring the reliability of structures from titanium alloys]. Murav’ev V.I. ed. Moscow: “Ekom”, 2009, 752 p. (In Russ.).Christoph Leyens. Titanium and titanium alloys: fundamentals and applications. – Manfred Peters Wiley, 2003. – 532 p.Christoph Leyens. Titanium and titanium alloys: fundamentals and applications. Manfred Peters Wiley, 2003, 532 p.Металлургия и технология сварки титана и его сплавов / С.М. Гуревич, В.Н. Замков, В.Е. Блащук и др. / Под ред. В.Н. Замкова. – Киев: Наукова думка, 1986. – 240 с.Gurevich S.M., Zamkov V.N., Blashchuk V.E. etc. Metallurgiya i tekhnologiya svarki titana i ego splavov [Metallurgy and technology of welding of titanium and its alloys]. Zamkov V.N. ed. Kiev: Naukova dumka, 1986, 240 p. (In Russ.).Froes F.H., Mashl S.J., Hebeisen J.C. etc. The Technologies of titanium powder metallurgy // JOM. 2004. Vol. 56. No. 11. P. 46 – 48.Froes F.H., Mashl S.J., Hebeisen J.C., Moxson V.S., Duz V.A. The Technologies of titanium powder metallurgy. JOM. 2004, vol. 56, no. 11, pp. 46–48.Гуревич С.М. Справочник по сварке цветных металлов. – Киев: Наукова думка, 1990. – 512 с.Gurevich S.M. Spravochnik po svarke tsvetnykh metallov [Handbook on welding of non-ferrous metals]. Kiev: Naukova dumka, 1990, 512 p. (In Russ.).Howard S. Avery. Hard surfacing by fusion welding: monographs on wear, Literary Licensing. – LLC, 2013. – 110 p.Howard S. Avery. Hard surfacing by fusion welding: monographs on wear. Literary Licensing, LLC, 2013, 110 p.Сварные соединения титановых сплавов / В.Н. Моисеев, Ф.Р. Куликов, Ю.Г. Кириллов и др. – М.: Металлургия, 1979. – 248 с.Moiseev V.N., Kulikov F.R., Kirillov Yu.G., Shokholova L.V., Vas’kin Yu.V. Svarnye soedineniya titanovykh splavov [Welded joints of titanium alloys]. Moscow: Metallurgiya, 1979, 248 p. (In Russ.).Сварка высокопрочных титановых сплавов / С.М. Гуревич, Ф.Р. Куликов, В.Н. Замков и др. – М.: Машиностроение, 1975. – 150 с.Gurevich S.M., Kulikov F.R., Zamkov V.N. etc. Svarka vysokoprochnykh titanovykh splavov [Welding of high-strength titanium alloys]. Moscow: Mashinostroenie, 1975, 150 p. (In Russ.).Welding and joining of aerospace materials / M.C. Chaturvedi ed. – Woodhead Publishing Limited, 2012. – 448 p.Welding and joining of aerospace materials. Chaturvedi M.C. ed. Woodhead Publishing Limited, 2012, 448 p.Пористость при сварке цветных металлов / В.В. Редчиц, В.А. Фролов, В.А. Казаков, В.И. Лукин. – М.: Технология машиностроения, 2002. – 447 с.Redchits V.V., Frolov V.A., Kazakov V.A., Lukin V.I. Poristost’ pri svarke tsvetnykh metallov [Porosity at welding of non-ferrous metals]. Moscow: Tekhnologiya mashinostroeniya, 2002, 447 p. (In Russ.).Коломенский А.Б., Муравьев И.И., Колачев Б.А. и др. Влияние режимов отжига на циклическую прочность сварных соединений технического титана ВТ1-0 // Автоматическая сварка. 1988. № 8. С. 8 – 10.Kolomenskii A.B., Murav’ev I.I., Kolachev B.A. etc. Influence of annealing conditions on cyclic strength of welded joints of commercial VT1-0 titanium. Avtomaticheskaya svarka. 1988, no. 8, pp.  8–10. (In Russ.).Коломенский А.Б., Муравьев И.И., Колачев Б.А. и др. Влияние режимов отжига на циклическую и кратковременную прочность титана и сплава ОТИ // ФХММ. 1994. № 4. С. 120 – 122.Kolomenskii A.B., Murav’ev I.I., Kolachev B.A. etc. Influence of annealing conditions on cyclical and short-term strength of titanium and OTI alloy. FKhMM. 1994, no. 4, pp. 120–122. (In Russ.).Дятлов В.И., Абралов М.А., Шнайдер Б.И. Первичная кристаллизация жидкой ванны при сварке металлов малых толщин // Автоматическая сварка. 1967. № 1. С. 26 – 30.Dyatlov V.I., Abralov M.A., Shnaider B.I. Primary crystallization of molten bath at welding of metals with small thicknesses. Avtomaticheskaya svarka. 1967, no. 1, pp. 26–30. (In Russ.).Хрупкие разрушения сварных конструкций / В. Холл, К. Кихара, В. Зут, А. Уэллс / Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1974. – 320 с.Hall W.J., Kihara H., Soete W., Wells A.A. Brittle Fracture of Welded Plate. Prentice-Hall, 1967. (Russ.ed.: Hall W., Kihara H., Soete  W., Wells A. Khrupkie razrusheniya svarnykh konstruktsii. Moscow: Metallurgiya, 1974, 320 p.).Ikeda K., Kihara H. Brittle fracture strength of welded joints // Welding research supplement. 1970. No. 3. P. 106 – 114.Ikeda K., Kihara H. Brittle fracture strength of welded joints. Welding research supplement. 1970, no. 3, pp. 106–114.Грабин В.Ф. Металловедение сварки плавлением. – Киев: Наукова думка. 1982. – 415 с.Grabin V.F. Metallovedenie svarki plavleniem [Metal technology by fusion welding]. Kiev: Naukova dumka, 1982, 415 p. (In Russ.).John C. Lippold, Samuel D. Kiser, John N. DuPont. Welding metallurgy and weldability of nickel-base alloys / ed. John Wiley and Sons, Inc. – Hoboken, New Jersey, 2009. – 440 p.John C. Lippold, Samuel D. Kiser, John N. DuPont. Welding metallurgy and weldability of nickel-base alloys. John Wiley and Sons eds., Inc. Hoboken, New Jersey, 2009, 440 p.Велицкий А.В. Проблемы использования виброобработки вместо термообработки // Тяжелое машиностроение. 1992. № 8. С. 20 – 22.Velitskii A.V. Problems of use of vibration treatment instead of heat treatment. Tyazheloe mashinostroenie. 1992, no. 8, pp. 20–22. (In Russ.).Патон Б.Е., Лобанов Л.М., Кныш В.В. и др. Бездеформационная сварка стрингерных панелей из титанового сплава ВТ20 // Автоматическая сварка. 2014. № 9. С. 7 – 18.Paton B.E., Lobanov L.M., Knysh V.V., Pavlovskii V.I., Prilutskii  V.P., Timoshenko A.N., Goncharov P.V., Guan’ Tsyao. Deformation-free welding of stringer panels made from VT20 titanium alloy. Avtomaticheskaya svarka. 2014, no. 9, pp. 7–18. (In Russ.).Муравьев В.И., Бахматов П.В. Доминирующие факторы образования поверхности раздела, вызывающие капиллярную конденсацию загрязнений и дефектность металла шва титановых конструкций // Сварка и диагностика. 2016. № 3. С. 11 – 16.Murav’ev V.I., Bakhmatov P.V. Dominant factors of formation of the interface, causing capillary condensation of impurities and defects of weld metal of titanium constructions. Svarka i diagnostika. 2016, no. 3, pp. 11–16. (In Russ.).Шоршоров М.Х., Мещеряков В.Н. Фазовые превращения и изменения свойств сплавов титана при сварке. Атлас. – М.: Наука, 1973. – 159 с.Shorshorov M.Kh., Meshcheryakov V.N. Fazovye prevrashcheniya i izmeneniya svoistv splavov titana pri svarke. Atlas [Phase transformations and changes in the properties of titanium alloys at welding. Atlas]. Moscow: Nauka, 1973, 159 p. (In Russ.).Srikumar Banerjee, Pradip Mukhopadhyay. Phase transformations. Examples from titanium and zirconium alloys. – Elsevier, 2007. – 840 p.Srikumar Banerjee, Pradip Mukhopadhyay. Phase transformations. Examples from titanium and zirconium alloys. Elsevier, 2007, 840 p.Froes F.H. Titanium: Physical metallurgy, processing, and applications. – ASM International, 2015. – 404 p.Froes F.H. Titanium: physical metallurgy, processing, and applications. ASM International, 2015, 404 p.Шевченко В.В., Лабанова Н.Н., Иванищева Г.А. Влияние температуры нагрева в вакууме на рельеф поверхности листов из титановых сплавов // ФХММ. 1985. № 5. С. 12 – 14.Shevchenko V.V., Labanova N.N., Ivanishcheva G.A. Influence of the heating temperature in a vacuum on the surface topography of titanium alloy sheets. FKhMM. 1985, no. 5, pp. 12–14. (In Russ.).Муравьев В.И., Бахматов П.В., Фролов А.В. Перспективные металлургические и технологические процессы производства, повышающие надежность изделий из конструкционных материалов. – Комсомольск-на-Амуре: изд. КнАГТУ, 2016. – 330 с.Murav’ev V.I., Bakhmatov P.V., FrolovA.V. Perspektivnye metallurgicheskie i tekhnologicheskie protsessy proizvodstva, povyshayushchie nadezhnost’ izdelii iz konstruktsionnykh materialov [Advanced metallurgical and technological production processes, increasing reliability of products from structural materials]. Komsomol’sk-onAmur: izd. KnAGTU, 2016, 330 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.