Математическое моделирование термодеформационных процессов при сваркопайке стыковых соединений типа титан-алюминий
Разработана математическая модель термодеформационных процессов при сваркопайке стыковых соединений титана и алюминия, в рамках которой осуществлен анализ этих процессов и даны рекомендации по оптимизации производства направляющих кресел пассажирских авиалайнеров с разнородными соединениями....
Gespeichert in:
| Datum: | 2007 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2007
|
| Schriftenreihe: | Автоматическая сварка |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102069 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Математическое моделирование термодеформационных процессов при сваркопайке стыковых соединений типа титан-алюминий / В.И. Махненко, А.С. Миленин, А.П. Семенов // Автоматическая сварка. — 2007. — № 11 (655). — С. 5-9. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102069 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1020692025-02-23T20:04:14Z Математическое моделирование термодеформационных процессов при сваркопайке стыковых соединений типа титан-алюминий Mathematical modeling of thermodeformational processes in braze welding of butt joints of titanium-aluminium type Махненко, В.И. Миленин, А.С. Семенов, А.П. Научно-технический раздел Разработана математическая модель термодеформационных процессов при сваркопайке стыковых соединений титана и алюминия, в рамках которой осуществлен анализ этих процессов и даны рекомендации по оптимизации производства направляющих кресел пассажирских авиалайнеров с разнородными соединениями. Mathematical model of thermal-deformation processes occurring in braze-welding of butt joints between titanium and aluminium was developed. Analysis of these processes was conducted within the frames of this model, and recommendations were worked out for optimisation of production of passenger aircraft seat guides comprising dissimilar welded joints. Авторы исследования признательны доктору Томасу Преториусу и его коллегам из BIAS (Германия) за плодотворное сотрудничество, благодаря которому проведена корректная валидация полученных результатов 2007 Article Математическое моделирование термодеформационных процессов при сваркопайке стыковых соединений типа титан-алюминий / В.И. Махненко, А.С. Миленин, А.П. Семенов // Автоматическая сварка. — 2007. — № 11 (655). — С. 5-9. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102069 621.791:069.71:669.295 ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Махненко, В.И. Миленин, А.С. Семенов, А.П. Математическое моделирование термодеформационных процессов при сваркопайке стыковых соединений типа титан-алюминий Автоматическая сварка |
| description |
Разработана математическая модель термодеформационных процессов при сваркопайке стыковых соединений титана и алюминия, в рамках которой осуществлен анализ этих процессов и даны рекомендации по оптимизации производства направляющих кресел пассажирских авиалайнеров с разнородными соединениями. |
| format |
Article |
| author |
Махненко, В.И. Миленин, А.С. Семенов, А.П. |
| author_facet |
Махненко, В.И. Миленин, А.С. Семенов, А.П. |
| author_sort |
Махненко, В.И. |
| title |
Математическое моделирование термодеформационных процессов при сваркопайке стыковых соединений типа титан-алюминий |
| title_short |
Математическое моделирование термодеформационных процессов при сваркопайке стыковых соединений типа титан-алюминий |
| title_full |
Математическое моделирование термодеформационных процессов при сваркопайке стыковых соединений типа титан-алюминий |
| title_fullStr |
Математическое моделирование термодеформационных процессов при сваркопайке стыковых соединений типа титан-алюминий |
| title_full_unstemmed |
Математическое моделирование термодеформационных процессов при сваркопайке стыковых соединений типа титан-алюминий |
| title_sort |
математическое моделирование термодеформационных процессов при сваркопайке стыковых соединений типа титан-алюминий |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102069 |
| citation_txt |
Математическое моделирование термодеформационных процессов при сваркопайке стыковых соединений типа титан-алюминий / В.И. Махненко, А.С. Миленин, А.П. Семенов // Автоматическая сварка. — 2007. — № 11 (655). — С. 5-9. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT mahnenkovi matematičeskoemodelirovanietermodeformacionnyhprocessovprisvarkopajkestykovyhsoedinenijtipatitanalûminij AT mileninas matematičeskoemodelirovanietermodeformacionnyhprocessovprisvarkopajkestykovyhsoedinenijtipatitanalûminij AT semenovap matematičeskoemodelirovanietermodeformacionnyhprocessovprisvarkopajkestykovyhsoedinenijtipatitanalûminij AT mahnenkovi mathematicalmodelingofthermodeformationalprocessesinbrazeweldingofbuttjointsoftitaniumaluminiumtype AT mileninas mathematicalmodelingofthermodeformationalprocessesinbrazeweldingofbuttjointsoftitaniumaluminiumtype AT semenovap mathematicalmodelingofthermodeformationalprocessesinbrazeweldingofbuttjointsoftitaniumaluminiumtype |
| first_indexed |
2025-11-24T21:20:48Z |
| last_indexed |
2025-11-24T21:20:48Z |
| _version_ |
1849708247996432384 |
| fulltext |
УДК 621.791:069.71:669.295
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
ПРИ СВАРКОПАЙКЕ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
ТИПА ТИТАН–АЛЮМИНИЙ
Академик НАН Украины В. И. МАХНЕНКО, А. С. МИЛЕНИН, А. П. СЕМЕНОВ, инженеры
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Разработана математическая модель термодеформационных процессов при сваркопайке стыковых соединений титана
и алюминия, в рамках которой осуществлен анализ этих процессов и даны рекомендации по оптимизации производ-
ства направляющих кресел пассажирских авиалайнеров с разнородными соединениями.
К л ю ч е в ы е с л о в а : математическое моделирование,
сваркопайка, титан, алюминий, термодеформирование, ос-
таточное напряженно-деформированное состояние
В настоящее время применение сварки для по-
лучения неразъемных соединений металлических
деталей находит все большее распространение, в
частности в такой достаточно консервативной с
точки зрения внедрения сварочных технологий
отрасли, как авиастроение [1, 2].
Наиболее распространенными конструкцион-
ными материалами в авиастроении являются алю-
миний, титан и их сплавы [3]. С этой точки зрения
определенный интерес представляют разнород-
ные сварные соединения титана и алюминия.
Сварка разнородных соединений нередко
представляет собой комплекс сложных взаимос-
вязанных физико-химических, термокинетичес-
ких и металлургических процессов, которые в
итоге определяют качество сварного соединения,
что в свою очередь усложняет процесс оптими-
зации соответствующей технологии сварки [4, 5].
Экспериментальные исследования в этой области
являются сложными и дорогостоящими, а полу-
ченные результаты не всегда однозначными, по-
этому целесообразно использовать математичес-
кое моделирование кинетики процессов, имею-
щих место при получении разнородных сварных
соединений, на базе соответствующих численных
методов [6].
Качество и работоспособность разнородных
сварных соединений определяются как процесса-
ми реакционной диффузии, которые могут при-
вести к образованию хрупких интерметаллидных
прослоек, так и кинетикой полей деформаций, что
определяет конечную форму изделия, и напря-
жений, которые могут снизить работоспособность
узла, стимулировать формирование горячих тре-
щин, а также процессов стресс-коррозии.
При сварке изделий большой длины изменение
их формы может иметь существенное значение.
В частности, проблема предварительной оценки
сварочных деформаций стала актуальной при оп-
тимизации разработанного в Институте приклад-
ных лучевых технологий (BIAS, Бремен, Герма-
ния) процесса производства титан-алюминиевых
сварных направляющих кресел — элементов кон-
струкции семейства пассажирских авиалайнеров
А380 производства концерна «Airbus» [1].
Рассматриваемая конструкция — сварная нап-
равляющая кресел (рис. 1, а) — представляет собой
двутавровую балку переменного профиля, сварен-
ную продольным швом, одна половина которой из-
готовлена из титанового сплава Ti–6Al–4V (хими-
ческий состав, мас. %: 5,3…6,8 Al; 3,5…5,3 V; 0,5 N;
0,1 C; 0,0125 H; 0,3 Fe), а вторая — из алюмини-
евого сплава АА6056 (химический состав, мас. %:
0,7…1,3 Si; 0,5 Fe; 0,5…1,1 Cu; 0,4…0,1 Mn; 0,6…1,2
Mg; 0,25 Cr; 0,1…0,7 Zn).
Экспериментальные исследования кинетики
температурного поля и термодеформационного
состояния балки проводили в процессе ее сварки
из тех же материалов сходной, но несколько уп-
рощенной конструкции, элементы которой пред-
ставлены на рис. 1, б. Во избежание формиро-
вания хрупких реактивных фаз в зоне разнород-
ного контакта для получения неразъемного сое-
динения титановой и алюминиевой части конс-
трукции используется сваркопайка. Суть указан-
ного сварочного процесса заключается в том, что
технологические параметры подбираются таким
образом, чтобы плавилась только алюминиевая
часть изделия, а титановая оставалась твердой.
При этом жидкий алюминий смачивает поверх-
ность титана и образует с ним сварнопаяный кон-
такт [1, 4–6].
Сварка титановой и алюминиевой частей из-
делия выполнена двумя лазерными лучами с обе-
их его сторон. При этом лучи одновременно пе-© В. И. Махненко, А. С. Миленин, А. П. Семенов, 2007
11/2007 5
ремещаются вдоль сварного шва, как показано на
рис. 2 (двойной стрелкой обозначено направление
движения лазерного источника нагрева вдоль сва-
риваемого образца). Изделие находится в оснас-
тке, обеспечивающей равномерное прижатие к
опорному столу (прижимающее распределенное
усилие Pq), осевое усилие Pz воздействует рав-
номерно на плоскость торца свариваемого изде-
лия посредством поршня, форма которого пов-
торяет геометрию поперечного сечения балки, а
перемещающаяся «каретка» с лазером, прижима-
ющей силой P1 воздействует на верхнюю плос-
кость — алюминиевую полку.
Схема сварнопаяного соединения, представле-
на на рис. 3, а геометрические параметры раз-
нородной направляющей кресел, а также сварной
балки упрощенной конструкции — в табл. 1.
Технологические параметры процесса сварки
стыкового соединения следующие:
Скорость перемещения источника вдоль соединения
направляющей кресел (балки упрощенной
конструкции), мм/с ...............................................4,33 (3,67)
Мощность каждого из источников, кВт .............1,75
Диаметр сварочного пятна, мм ............................5
Прижимающая сила на «каретке» P1, H .............754
Прижимающее распределенное
усилие Pq, Н/мм .....................................................4,41
Осевое усилие Pz, H ..............................................376
Для описания термодеформационных процес-
сов сваркопайки разнородной титан-алюминиевой
балки типа направляющей кресел разработана и
реализована математическая модель.
Коэффициент полезного действия (КПД) ла-
зерного источника нагрева зависит от таких па-
Рис. 1. Внешний вид сваривае-
мых деталей — направляющей
кресел (а) и балки упрощенной
конструкции для эксперимен-
тальных исследований (б): 1, 2 —
соответственно алюминиевая и
титановая часть сварной балки
Рис. 2. Схема процесса получе-
ния лазерной сваркой соедине-
ния титан–алюминий: а — вид
сбоку; б — торец; 1, 2 — соответ-
ственно титановая и алюминие-
вая часть изделия; 3 — лазерный
источник сварочного нагрева;
4 — поршень, обеспечивающий
осевое усилие; 5 — опорный стол
Рис. 3. Схема сварнопаяного соединения
Т а б л и ц а 1. Геометрические параметры разнородной направляющей кресел и сварной балки упрощенной
конструкции
Конструкция Длина балки,
мм
Толщина части стенки балки, мм Толщина
алюминиевой
полки балки, мм
Высота части стенки балки, мм
Al Ti Al Ti
Направляющая кресел 1000 2,0 1,8 3,2 38,4 42,6
Балка упрощенной конструкции 1000 2,0 1,9 5,0 42,0 48,0
6 11/2007
раметров, как распределение энергии в сварочном
пятне, угол падения светового пучка на поверх-
ность, состояние поверхности и др. В связи с этим
целесообразно экспериментальным путем опреде-
лить значения этого коэффициента отдельно для
каждого конкретного случая сварки.
В рассматриваемом случае КПД лазера при
воздействии на каждую из частей разнородной
поверхности находили путем сравнения темпера-
турных циклов в различных точках изделия, эк-
спериментально измеренных в процессе сварки
с помощью набора термопар, с кинетикой тем-
пературного поля, полученной численным реше-
нием уравнения теплопроводности [7].
Используемые для расчета свойства титанового
и алюминиевого сплавов приведены в табл. 2.
Наилучшее соответствие численных и экспе-
риментальных данных по температурным циклам,
а также по форме проплавления наблюдается со
значением коэффициента эффективности источ-
ника сварочного нагрева 0,17 и 0,35 (соответст-
венно при воздействии на поверхность алюминия
и титана). Разница в значениях эффективности
теплового воздействия лазера на эти металлы выз-
вана в первую очередь большей по сравнению с
титаном отражающей способностью поверхности
алюминия.
Полученные значения коэффициента эффек-
тивности позволяют с достаточно высокой точ-
ностью рассчитать кинетику температурного поля
в изделии при сварочном процессе. Результаты
этого расчета и их экспериментальные данные
приведены на рис. 4.
Методика численного определения полей нап-
ряжений и деформаций, формирующихся в процес-
се сварки, основана на решении соответствующих
задач нестационарной термопластичности путем
последовательного прослеживания развития упру-
гопластических деформаций с исходного состо-
яния (перед началом сварки) и вплоть до конеч-
ного состояния (после полного охлаждения и сня-
тия технологической оснастки [8]). Поскольку длина
свариваемой разнородной балки значительно превос-
ходит характерные размеры поперечного сечения, то
для описания деформирования ее оси вследствие не-
равномерного нагрева может быть использована дву-
мерная модель кинетики напряженно-деформирован-
ного состояния. При этом учитывался тот факт, что
изделие является симметричным относительно плос-
кости xОz (см. рис. 3).
Как показано на рис. 5, а, экспериментальное
значение максимального остаточного прогиба
алюминиевой полки балки упрощенной конс-
трукции при рассматриваемых технологических
параметрах составляет 8 мм, что с хорошей сте-
пенью точности соотносится с расчетными дан-
ными, представленными на рис. 5, б.
При сварке направляющей кресел численный
анализ в рамках модели показал, что максимальное
остаточное изгибное перемещение Uх алюминиевой
полки составляет менее 10,5 мм (рис. 6, а).
Для того чтобы исключить из технологичес-
кого цикла последующую обработку изделия с
целью уменьшения кривизны оси сварной балки,
степень остаточного деформирования может быть
снижена путем оптимизации сварочного процес-
са. Это может быть сделано посредством изме-
нения силового воздействия на изделие в оснастке
при сварке или смещения положения линии свар-
ного шва (т. е. изменением соотношения длины
алюминиевой и титановой частей стенки сварной
балки).
Как показал численный расчет, изменение уси-
лий в оснастке малоэффективно, поскольку даже
жесткое закрепление (что означает равенство ну-
лю текущих изгибных перемещений оси) умень-
Т а б л и ц а 2. Физические свойства титанового и алюминиевого сплавов, используемые в математической модели
[8–10]
Физический параметр
Температура, оС
20 100 200 300 400 500 600 700
Ti–6Al–4V
Теплопроводность, Дж/(оС⋅см⋅с) 0,059 0,072 0,086 0,100 0,114 0,128 0,142 0,156
Теплоемкость, Дж/(см3⋅оС) 2,48 2,50 2,57 2,70 2,83 3,01 3,23 3,54
Предел текучести, МПа 1060 870 720 630 570 460 350 230
Модуль Юнга, ГПа 119 115 110 104 97 91 85 80
Коэффициент линейного расширения, 105⋅оС–1 0,71 0,80 0,89 0,92 0,94 0,96 0,97 0,98
AA6056
Теплопроводность, Дж/(оС⋅см⋅с) 1,1 1,2 1,4 1,5 1,6 1,8 2,0 5,0
Теплоемкость, Дж/(см3⋅оС) 2,50 2,60 2,70 2,80 2,90 2,95 3,00 3,00
Предел текучести, МПа 220 213 200 188 140 100 20 20
Модуль Юнга, ГПа 98 95 90 80 70 60 50 40
Коэффициент линейного расширения, 104⋅оС–1 0,23 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27 0,28 0,28
11/2007 7
шает остаточные максимальные перемещения на
2…3 мм.
Наилучший эффект в данном случае дает сме-
щение положения линии сварного шва в сторону
титановой части изделия (что желательно с точки
зрения снижения массы конструкции). Так, сме-
щение линии шва на 26 мм в этом направлении
влечет уменьшение остаточного изгиба направ-
ляющей кресел более чем в 3 раза (рис. 6, б).
Рис. 5. Остаточный изгиб сварной балки упрощенной конструкции, измеренной экспериментально, (а) и перемещения Uх ее
оси по линии шва в различные моменты времени t согласно расчету (б)
Рис. 6. Перемещения Uх оси сварнопаяной направляющей кресел в различные моменты времени t согласно численному
расчету: а — исходная конфигурация; б — оптимизированное положение сварного шва (смещение на 26 мм в сторону
титановой части)
Рис. 4. Расчетные (кривые) и экспериментальные (точки) значения температурных циклов, полученные на различном
расстоянии l от края титановой кромки в сторону титановой (а) и алюминиевой (б) частей изделия
8 11/2007
Выводы
1. На основе математического моделирования ки-
нетики температурного поля при лазерной свар-
копайке титан-алюминиевой конструкции (нап-
равляющей кресел пассажирских авиалайнеров)
путем сравнения экспериментальных и численных
результатов получены значения коэффициента
эффективности теплового воздействия лазера на
поверхность алюминия и титана, составляющие
соответственно 0,17 и 0,35.
2. Исследования термодеформационных про-
цессов при сваркопайке встык титан-алюминие-
вой направляющей кресел и модельной упрощен-
ной конструкции показали, что остаточные из-
гибные перемещения достигают соответственно
10,5 и 8,5 мм, что хорошо соотносится с экспе-
риментальными данными.
3. Обнаружено, что уменьшение остаточных из-
гибов путем варьирования усилий, прикладывае-
мых к свариваемому изделию в оснастке, вплоть
до жесткого закрепления малоэффективно.
4. Снижение степени остаточного деформиро-
вания может быть достигнуто смещением поло-
жения сварного шва в сторону титановой части
балки: при изменении положения линии шва на
26 мм максимальный остаточный прогиб умень-
шится в 3 раза по сравнению с первоначальной
геометрией сварного соединения.
Авторы исследования признательны доктору
Томасу Преториусу и его коллегам из BIAS (Гер-
мания) за плодотворное сотрудничество, благо-
даря которому проведена корректная валидация
полученных результатов.
1. Kreimer M., Vollertsen F. Processing titanium-aluminum
hybrid joints for aircraft applications // Proc. of the Third in-
tern. WLT-conf. on lasers in manufacturing, Munich, June,
2005. — Munich, 2005. — P. 238–243.
2. Light-weight structures produced by laser beam joining for
future applications in automobile and aerospace industry /
E. Schubert, M. Klassen, Y. Zernez et al. // J. of Materials
Proc. Technology. — 2001. — 115, № 1. — P. 2–8.
3. Williams J. C., Starke Jr. E. A. Progress in structural materi-
als for aerospace systems // Acta Materialia. — 2003. —
№ 51. — P. 5775–5799.
4. Металлургия и технология сварки титана и его сплавов /
Под ред. В. Н. Замкова. — Киев: Наук. думка, 1986. —
240 с.
5. Рабкин Д. М., Рябов В. Р., Гуревич С. М. Сварка разно-
родных материалов. — Киев: Техніка, 1975. — 206 с.
6. Рябов В. Р. Сварка алюминия и его сплавов с другими
металлами. — Киев: Наук. думка, 1983. — 264 с.
7. Numerical methods of the predictions of welding stresses
and distortions / V. I. Makhnenko, E. A. Velikoivanenko,
V. E. Pochinok et al. — Amsterdam: Harwood Acad. publ.,
1999. — Vol. 13, pt. 1. — 146 р. — (Welding and Surfacing
Rev.).
8. Jordan A. Input data for Abaqus simulation LABRA: Theory
manual. — Rhode Island: Hibbit, Karlsson & Sorensen Inc.,
2006. — 68 p.
9. Wischhusen B.-M., Kreimeyer M. Second progress report of
laser joining development for aluminum-titanium seat tracks
at BIAS. — Bremen: BIAS-Verlag, 2006. — 44 p.
10. Boyer R., Welsch G., Collings E. W. Materials properties
Handbook. Titanium alloys. — Miami: ASM International,
1994. — 1169 p.
Mathematical model of thermal-deformation processes occurring in braze-welding of butt joints between titanium and
aluminium was developed. Analysis of these processes was conducted within the frames of this model, and recommendations
were worked out for optimisation of production of passenger aircraft seat guides comprising dissimilar welded joints.
Поступила в редакцию 26.02.2007
Вышел в свет очередной (№ 18) выпуск журнала фирмы «Fronius»
Weld+Vision на русском языке
От редактора 3-6
Определенное звучание каждого покупаемого предмета
Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы 7-11
Процесс дизайна на примере свободной формы представления текста
Плазменная сварка в эру цифровых технологий
Компания 12-13
Открытие нового центра материально-технического обеспечения
Кратко и по существу 14-15
Новости от «Fronius»
Практические примеры 16-19
VarioSynergic соединяет границы
Компания 20-21
Путь к совершенному дизайну
Информация для путешественников 22-23
Мексика приглашает на крупное культурное событие
По вопросам заказа просьба обращаться в редакцию журнала «Автоматическая сварка»
Тел./факс: (38044) 528-34-84, 529-26-23, 528-04-86; E-mail: journal@paton.kiev.ua
11/2007 9
|