АНАЛИЗ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ АВИАЦИОННЫХ БАЛОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

НА ОСНОВЕ РЕЗУЛЬТАТОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

А.С. Миленин, А.П. Семёнов Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины

E-mail: asmilenin@ukr.net

Введение. Использование наукоёмких инновационных сварочных технологий позволяет реализовывать сварные узлы конструкций различного назначения. В частности, можно отметить устойчивую тенденцию использования сварки для производства конструкционных элементов авиационного назначения [1]–[2]. Несмотря на то, что современные технологии позволяют получать сварные соединения высокого качества, сварные конструкции авиационного назначения (в особенности применительно к пассажирской авиации) по большей части, относятся к некритичным, в частности, к различным балочным конструкциям палубных перекрытий. Основные требования к таким конструкциям – небольшой вес, отсутствие дефектов и высокая сопротивляемость усталостному разрушению. Чтобы гарантировать высокое качество сварных соединений, соответствующие технологии сварки должны быть тщательно оптимизированы, и наиболее эффективным способ решения задачи промышленной оптимизации является использование результатов математического и компьютерного моделирования наряду с соответствующими экспериментальными верификационными и валидационными исследованиями.

Один из примеров использования такого комплексного подхода – лазерная сваркопайка конструкций авиалайнера Airbus A380 (Рис. 1), состоящих из элементов из титанового сплава Ti6Al4V и алюминиевого сплава AA6056 T6. Из-за высокой стоимости экспериментальных исследований этого технологического цикла, большое внимание уделялось результатам численных исследований. Для того, чтобы оценить физическую и технологическую свариваемость конкретного разнородного соединения, был разработан проблемно ориентированный комплекс компьютерных программ, позволяющий исследовать и анализировать типичные процессы, имеющие место в рассматриваемом технологическом цикле. Такой подход дал возможность выявить влияние различных технологических параметров сварочного процесса на кинетику температурного поля температуры, напряженно-деформированное состояния, риск образования характерных дефектов разнородной сварной

конструкции характерный риск (интерметаллидные включения и горячие трещины), зависимость изгибных деформаций балочной конструкции от особенностей реализации и режимов термической послесварочной обработки.

Другой подобный проект, который был реализован в Институте электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины с использованием подхода численных экспериментов, является технология электронно-лучевой сварки тонкостенных балочных титановых конструкций пола авиалайнера Боинг 747 (сплав Ti6Al4V), имеющих двутавровый профиль и волнообразную стенку, что позволяет получить высокую жесткость балки при минимальном весе конструкции (Рис. 2). Компьютерное моделирование кинетики полей температуры, напряжений и деформаций в процессе сварки вплоть до остаточного состояния наряду с известными режимами эксплуатации этих конструкционных элементов позволило оценить ресурс из безопасной эксплуатации и гарантировать требуемое качество сварной конструкций.

Технология сварки рассматриваемых двутавровых балочных конструкций, основные принципы математического моделирования процессов при сварке. Для сварки разнородной конструкции, показанной в Рис. 1 в Бременском Институте прикладных лучевых технологий (Bremer Institut fur angewandte Strahltechnik, BIAS, Бремен, Германия) была разработана технологическая схема лазерной сваркопайки [3]. Расположенные симметрично лазерные лучи расплавляют край алюминиевой части конструкции (имеющую профильное утолщение для того, чтобы не использовать присадочную проволоку), при этом жидкий алюминий стекает под действием гравитации смачивая твёрдую поверхность титановой части, формируя таким образом сварнопаяное соединение. Перемещение подвижной системы фокусировки лазера с подведёнными к ней оптоволоконными световодами вдоль балочной конструкции позволяет получить продольный сварной шов.

(а) (б)

Рис. 1. Упрощенная геометрия поперечного сечения (a) и внешний вид разнородных свариваемых частей (б)

титан-алюминиевой двутавровой балочной конструкции (направляющих кресел пассажирского авиалайнера

Airbus A380)

Для детального анализа состояния разнородной балочной конструкции необходимо выполнить следующие этапы численного исследования процесса сваркопайки: вычисление поля температур вплоть до полного охлаждения конструкции; определение риска образования хрупких интерметаллидных прослоек в области поверхностного контакта жидкого алюминия и твёрдого титана; анализ кинетики напряжённо-деформированного состояния изделия при сваркопайке и послесварочной термообработке соответственно приложенным нагрузкам в оснастке после высвобождения сваренной конструкции; оценка риска образования горячих трещин в алюминиевой части конструкционного элемента. Ввиду характерных для производства титан-алюминиевых балочных конструкций высоких скоростей сварки, целесообразным является использование соответствующим образом адаптированных двумерных математических моделей процессов. Известным приближением, используемым при описании сварки протяжённых конструкций с продольным сварным швом, является численное описание распределения температур в поперечных сечениях конструкции наряду с приближением плоского деформированного состояния [4]. При этом, для учёта аксиально распределённого усилия в технологической оснастке используются соотношения внешнего момента, которые дополняют так называемую 2D-X-модель. В рамках разработанной модели внешний теплообмен рассмотрен следующим образом: сток тепла описывается законом Ньютона, источник тепла распределён согласно распределению Гаусса. Характерной особенностью при этом является различие коэффициента эффективности нагрева лазером титановой и алюминиевой поверхностей.

Отсутствие контакта жидких фаз в рассматриваемой технологии не позволяет гарантировать отсутствие в сварном соединении хрупких интерметаллидных прослоек, которые могут существенно повлиять на качество конструкции.

Экспериментальные и теоретические исследования в этой области показали, что в случае поверхностного контакта жидкого алюминия и твердого титана в течение относительно малого периода времени (как это имеет место при сваркопайке), возможно формирование слоёв состава TiAl3 [5]. Это интерметаллидное соединение имеет низкие эксплуатационные свойства, поэтому прослойки TiAl3 значительной толщины в разнородном титан-алюминиевом соединении могут существенно снизить характеристики сварного узла.

(а) (б)

Рис. 2. Схема (а) и внешний вид (б) сложнопрофильных двутавровых титановых балочных элементов палубы

(балок пола) авиалайнера Boeing 747.

Специфичной особенностью процессов реакционной диффузии при поверхностном взаимодействии титана и алюминиям является наличие латентного периода образования слоёв TiAl3 значительной толщины (более 5 мкм). Таким образом, в случае соответствующей оптимизации процесса сваркопайки возможно избежать длительного перегрева разнородного контакта и минимизировать количество образующейся интерметаллидной фазы. Температурная зависимость латентного периода образования интерметллидного соединения в стационарном случае приведена на рис. 3.

В случае нестационарного температурного поля может быть использована концепция коэффициента риска интерметаллидообразования , значение которого вычисляется следующим образом:

0

0

dt tT

(1)

где t0 – обозримое время контакта данной точки твердого титана с жидким алюминия; T=T(t) – зависимость температуры в данной точке от времени t, 0<t<t0; τ(T) – функциональная зависимость длительности латентного периода от температуры, которая приведена на рис. 3.

В таком случае выполнение условия 1 вдоль всей поверхности разнородного контакта гарантирует отсутствие интерметаллидных слоёв значительной толщины.

Методика численного определения напряжённо-деформированного состояния конструкции при сварке и послесварочной обработке основана на конечно-элементном решении соответствующих уравнений нестационарной термопластичности посредством последовательного прослеживания упруго-пластических деформаций, начиная с исходного состояния перед сваркой вплоть до полного охлаждения изделия и снятия технологических нагрузок в оснастке. В рамках настоящего исследования предполагалось, что физические процессы при сварке достаточно быстротечны, чтобы считать деформации ползучести незначительными.

Рис. 3. Температурная зависимость латентного периода

образования интерметаллидного соединения TiAl3 в области поверхностного контакта твердого титана и

жидкого алюминия [5].

Вычисление распределения кривизны оси балочной сварной конструкции позволяет анализировать влияние локального температурного воздействия при сварке и величины силового воздействия на изделие в оснастке на текущее и остаточное изгибное состояние сварной балки.

Как сварка, так и послесварочная термообработка разнородных титан-алюминиевых конструкций имеет свои характерные особенности, которые необходимо принимать во внимание при моделировании. Прежде всего, существенное различие термокинетических и механических свойств титана и алюминия предполагает существенное мелкость пространственно-временного разбиение при конечно-элементном описании, что, как следствие, требует аккуратной оптимизации численного исследования с точки зрения использования ресурса вычислительной техники. С другой стороны, формирование в области разнородного стыка существенных градиентов физических полей (температуры, напряжений, деформаций) формирует в области сварного шва, фактически, концентратор напряжений, что должно приниматься во внимание при

оптимизации процесса сварки и послесварочной обработки.

Общепринятым критерием горячего растрескивания [6] является выполнение в области металла с линейным размером, достаточным для зарождения трещинообразного дефекта, следующих условий:

1. пластические деформации, накопившиеся в процессе охлаждения в температурном интервале хрупкости, должны быть больше некоторого критического значения;

2. соответствующие нормальные компоненты тензора напряжений должны быть положительными

Таким образом, с целью анализа риска формирования горячих трещин в алюминиевой части разнородной конструкции при сварке необходимым этапом численного исследования является расчёт кинетики пластических деформаций.

Для сварки сложнопрофильной титановой балки пола (см. рис. 2) в Институте электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины была разработана технология электронно-лучевой сварки [7]. Сварка производится в вакуумной камере сфокусированным электронным пучком, движущимся вдоль криволинейного сварного шва. Использование электронного луча в качестве источника локального сварочного нагрева напряду с необходимым наличием вакуума позволяет избежать загрязнения титана примесями внедрения и гарантировать физическую свариваемость конструкции. Единственным явлением, которое в таком случае может повлиять на качество сварного соединения – утонение типа усадки в области высоких температур металла, вызванные существенными пластическими деформациями.

Методика численного анализа распределения температур, напряжений и деформаций в этом случае сходна с той, которая была изложена выше для случая разнородной конструкции. При этом практический интерес представляет сопротивляемость такой конструкции разрушению под действием циклических нагрузок. Эксплуатационная нагрузка подобных балочных конструкций может быть описана изгибающим моментом Mx и перерезывающими усилиями Pz вдоль оси. При этом распределение нормальных уzz и тангенциальных уzx напряжений может быть описано следующим образом [8]:

2

, ;

, ,

xxx

zz

zxH

Mx z zI x

P xx z z zdz

z I x

(2)

где

, если 2 2, если 2 2

s s

W s s

H z Hz

H z H

,

дs –толщина полки двутаврового профиля, дW – толщина стенки.

Дальнейший анализ диаграммы Веллера усталостной прочности сварных соединений из титанового сплава Ti6Al4V позволяет исследовать качество такой конструкции и гарантировать её достаточный ресурс при эксплуатации под действием переменных нагрузок.

Результаты и обсуждение. Лазерная сваркопайка титан-алюминиевых балочных конструкций. Для получения адекватных результатов численных исследований необходимым входным параметром является эффективность нагрева лазерным источником поверхности изделия при сварке. Этот параметр зависит от многих факторов, таких как состояние поверхности, характер падения луча, локальная атмосфера в области сварочного нагрева и т.п. Поэтому целесообразным является экспериментальное определение значения эффективности нагрева для каждого конкретного производственного цикла. В рассматриваемом случае сваркопайки титан-алюминиевых конструкций производилось измерение термического цикла в характерных точках модельной конструкции, и путём варьирования эффективности нагрева в пучке было получено наилучшее соответствие численных и экспериментальных данных при значениях ηAl=0,17 и ηTi=0,30, что вполне согласуется с известным фактом большей отражающей способности алюминиевой поверхности в сравнении с титановой.

Пример расчёта численной методики оценки коэффициента риска интерметаллидообразования χ в зависимости от основных технологических параметров процесса (мощности источников q и скорости их движения относительно сварного стыка v) приведен на рис. 4. Как видно из приведенных данных, величина χ увеличивается с ростом q и с уменьшением v, что объясняется более высокой максимальной температурой в области разнородного контакта и большим временем пребывания исследуемой области при высоких температурах. Максимальное значение коэффициента χ близко к 1, из чего можно сделать вывод, что при таких режимах сварки небольшие изменения температурных режимов или геомтерии соединения могут приводить к перегреву и формированию включений TiAl3 значительной толщины.

Рис. 4. Зависимость максимальных значений от технологических параметров сваркопайки.

В рамках разработанных численных моделей

было исследовано влияние различных технологических параметров сваркопайки на напряженно-деформированное состояние разнородной балочной конструкции. Как показали численные и экспериментальные исследования (см. рис. 5) изгибные деформации балки после сварки и уровень растягивающих напряжений в области разнородного контакта могут достигать существенных значений (q=1750 Вт, v=4,33 мм/c).

Одним из подходов по снижению уровня остаточных изгибных деформаций является оптимизации геометрии конструкции. В частности, изменение положение сварного шва, то есть соотношение титановой и алюминиевой части стенки двутаврового профиля без изменения его суммарной длины, оказывает влияние на величину остаточного деформированного состояния, как это показано на рис. 6. Эта зависимость характеризуется наличием экстремальной точки, которая отвечает максимальным остаточным изгибным деформациям. При этом существует такое положение сварного шва, когда усадочные деформации создают в алюминиевой и в титановой части изделия уравновешенные термомеханические усилия, при этом изгибные деформации минимальны. Но для рассматриваемой конструкции такое положение сварного шва невозможно, так оно находится близко к титановой полке, что не допустимо в рамках разработанной технологической схемы сварки (в силу наличия передвижных камер с атмосферой аргона, которые обеспечивают защитную атмосферу в области максимального нагрева металла).

Другим подходом, позволяющим уменьшить остаточные деформации в такого рода конструкциях, является изменение тепловложения и усилий в технологической оснастке. Но варьирование тепловложения в широком диапазоне может повлечь плохую свариваемость конструкции, в то время как локальность нагрева не позволяет существенно

воздействовать внешним распределённым усилием на напряжённо-деформированное состояние балки в целом.

Наиболее эффективным путём снижения уровня остаточных напряжений и деформаций является послесварочная термообработка, которая подразумевает либо локальный, либо общий нагрев конструкции.

(а) (б)

Рис. 5. Распределение остаточных напряжений zz (a) и форма оси сварнопаяной титан-алюминиевой балочной

конструкции (б) после сварки Общая термообработка является действенным

механизмом снижения остаточных напряжений и деформаций в сварных узлах, так как позволяет избежать роста пластических деформаций, вызванных градиентом температур в металле. В настоящей работе был рассмотрен следующий подход к общей термообработке разнородной конструкции: сварная балка выпрямляется в оснастке и равномерно нагревается в печи с атмосферой защитного газа до фиксированной контролируемой температуры, после чего остывает. Поскольку деформации текучести приняты незначительными (время термообработки невелико), то единственным переменным параметром такого процесса является максимальная температура равномерного нагрева конструкции.

Рис. 6. Расчетная зависимость максимальных величин

изгиба сварной титан-алюминиевой балочной конструкции от положения сварного шва.

Влияние общей термообработки на напряжённо-

деформированное состояние разнородной конструкции приведено на рис. 7. Как видно из этих данных,

температура равномерного нагрева 310 oC является оптимальной для минимизации остаточных изгибных деформаций разнородной конструкции, тогда как более высокие температуры нагрева могут вызвать перераспределение высоких напряжений в области, которые нее были подвержены сварочному нагреву, и вызвать увеличение изгибных деформаций.

Рис. 7. Влияние температуры общей термической

обработки на максимальный остаточный изгиб (а) и распределение напряжений (б) в разнородной титан-

алюминиевой конструкции

Как уже упоминалось выше, для анализа риска горячего растрескивания в алюминиевой части разнородного изделия при сварке необходим анализ процесса накопления пластических деформаций металла при остывании в температурном интервале хрупкости (ТИХ).

Критическим значением пластических деформаций в ТИХ алюминиевого сплава АА6056 Т6 560–640 оС является 0,0028 [9]. Как показал численный анализ, значения пластических деформаций pxx и pyy (см. систему координат на рис.) отрицательны и не могут повлечь образование горячих трещин. Что касается аксиального направления, то пластические деформации pzz положительны и достаточно велики (около 0,0020), что говорит об определённой возможности появления продольных горячих трещин. Несмотря на то, что критическое значение пластических деформаций не достигается для всего диапазона технологических параметров, вероятность появления таких дефектов необходимо учитывать при изменении геометрии сварного соединения или при использовании алюминиевого сплава меньшей трещиностойкости.

Результаты и обсуждение. Электронно-лучевая сварка двутавровых титановых балочных конструкций. Хорошая свариваемость титанового сплава Ti6Al4V позволяет гарантировать высокое качество конструкции, показанной на рис. 2. Единственным дефектом, который наблюдался в процессе производства, было локальное утонение типа подреза на полке двутаврового профиля в области сварного шва. Численный анализ пластических деформаций в области сварки показал незначительный

уровень пластического деформирования в области предполагаемой усадки (менее 0,03, см. рис. 8), что позволило определить причиной такого рода дефекта конструкции ошибочный выбор режимов сварки. Соответствующая коррекция температурно-силового воздействия на сварной узел при сварке позволила получать сварное соединение без дефектов.

Важнейшим этапом численного исследования процесса электронно-лучевой сварки титановой сложнопрофильной конструкции была оценка ресурса её последующей эксплуатации в соответствии с известными условиями нагружения, которые описываются распределениями моментов и и перерезывающих сил (см. рис. 9).

Рис. 8. Остаточные пластические деформации pzz в

плоскости шва сложнопрофильной титановой конструкции.

Рис. 9. Распределение изгибающих моментов Mx и

перерезывающих сил Pz вдоль конструкции балочной титановой конструкции.

На основе численных методик, описанных выше,

были определены максимальные и минимальные напряжения в критическом сечении сварной конструкции х=0. Для конструкции, показанной на рис. 2, они составляют, соответственно, max=513 МПа и min=-531,6 МПа, амплитуда напряжений a=523,3 МПа. Согласно [10] предел усталости сварных соединений из

сплава Ti6Al4V на базе 105 нагружения составляет 588 МПа не учитывать остаточные нерелаксированные напряжения, то имеет место достаточно большой запас прочности 627/522,3=1,2 по напряжениям, что даёт более чем 2,5-кратный запас по долговечности (при m>5 на кривой Веллера), что достаточно для конструкций такого типа.

Рис. 10. Распределения остаточных напряжений zz в области сварного соединения в поперечном сечении титановой конструкции после сварки Выводы 1. Разработан комплекс математических моделей и реализованы соответствующие компьютерные программы для численного исследования процессов сварки типичных балочных конструкций авиационного назначения: титан-алюминиевых двутавровых направляющих кресел и титановых балок пола. 2. Выявлены особенности кинетики пластического деформирования металла в процессе сваркопайки конструкций из титана и алюминия с позиций риска образования горячих трещин в алюминиевой части разнородного соединения. Установлено существенное развитие пластических деформаций вдоль сварного стыка и риск формирования поперечных горячих трещин в металле шва. 3. Определен характер влияния нагрева при сваркопайке титан-алюминиевых конструкций на риск образования охрупчивающих интерметаллидных слоев в области разнородного поверхностного контакта. Показана чувствительность процессов реакционной диффузии в области разнородного соединения к варьированию технологических параметров сварки при значительном тепловложении. 4. С помощью разработанного пакета компьютерных программ произведена серия численных исследований кинетики напряжённо-деформированного состояния разнородных направляющих кресел в процессе их сваркопайки. Показана возможность существенного

деформирования оси сварнопаяной балочной конструкции вследствие значительного различия механических свойств используемых титанового и алюминиевого сплавов (до 10 мм). 5. Проведено численное исследование влияния положения сварного шва на величину максимальных остаточных изгибных деформаций разнородной балочной конструкции после сварки. Установлено, что их уменьшение возможно достигнуть за счёт такого изменения конструкции. Сокращение высоты титановой части стенки двутаврового профиля является предпочтительным технологическим решением с точки зрения уменьшения веса рассматриваемой балочной конструкции. 6. Показано, что зона сварных соединений сварной титановой балки пола обладает достаточно высокой сопротивляемостью образованию усталостных трещин на базе 8∙104 циклов при заданных изгибных нагрузках.

Благодарность. Авторы исследования признательны доктору Томасу Преториусу и его коллегам из BIAS (Германия), благодаря плодотворному сотрудничеству с которыми была произведена корректная валидация полученных результатов.

Литература 1. Light-weight structures produced by laser beam

joining for future applications in automobile and aerospace industry. //E. Schubert, M. Klassen, I. Zerner et al. – Journal of Materials Processing Technology. – 2001. –№115. – P. 2–8.

2. Dave V. R., Hartman D. A., and Cola M. J. In-process quality assurance for aerospace welding //Welding J. – 2009. – № 2. – Р. 28-32.

3. Kreimer M., Vollertsen F. Processing titanium-aluminum hybrid joints for aircraft applications: Proc. of the Third International WLT-Conf. on Lasers in Manufacturing, Munich, June, 2005. – Munich, 2005, P. 238–243.

4. Makhnenko V, Milenin A. Analysis of the Thermodeformed State of Laser Brazed-Welded Ti-Al Beam Structures by Means of Mathematical Modelling. Proc. of the IWOTE’08: Int. Workshop on Thermal Forming and Welding Distortion, April 22–23, 2008 Bremen, Germany. Edited by F. Vollertsen and J. Sakkiettibutra, Р. 323-332.

5. Сабокарь В.К., Замков В.Н., Киреев Л.С. Особенности аргоно-дуговой и диффузионной сварки титана с алюминием. //Автоматическая Сварка. – 1998. – №1. – C. 14–17.

6. Прохоров Н.Н. Физические процессы в металлах при сварке. Т.2, Металлургия, Москва, 1976. – 600 с.

7. Назаренко О. K. Современное оборудование ИЭС им. Е.О. Патона для электронно-лучевой сварки //Автоматическая сварка. – 2008. – № 10. – 10. – С. 36-40.

8. Горынин Г.Л., Немировский Ю.В. Продольно-поперечный изгиб слоистых балок в трехмерной постановке //Прикладная механика и техническая физика. - 2004. - Т. 45, N 6. - С. 133-143