Способ изготовления многослойных панелей

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ 1756073 УБЛИ 19 1)5 В 23 К 20 ТЕ Б ТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕАВТОРСКОМУ СВИД(71) Институт проблем сверхпластичностиметаллов АН СССР(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ(57) Использование: изготовление многослойных панелей стрингерного типа. Сущность изобретения; получают швы,формирующие силовую структуру, панели Изобретение относится к сварке металлов давлением и может быть использовано в авиационной и машиностроительной промышленности при изготовлении многослойных панелей стрингерного типа.Известен способ изготовления многослойных панелей, при котором слоистую конструкцию получают из металлических листов, по меньшей мере один иэ которых изготовлен иэ сплава со сверхпластичными свойствами. Для этого минимум два листа, один иэ которых изготовлен из указанного сплава, накладывают один на другой и соединяют на заданных участках сваркой не- сплошным швом, Сборку герметизируют по периметру и.получают устройство для впуска сжатого газа в зазор между листами. Затем сборку устанавливают в полость ограничительного приспособления между его шириной, равной 2 т, при этом 1 определяют из выражений 0,5 11СС 1,т 0 г . Ь-ащра 2 + - у -тЪ+а)Г Яа элементарной ячейки силовой структуры наполнителя панели стрингерного типа, когда - 1 ит 1=0,64 т 0,когда - 1. Втомслучае. Ь Ьаакогда сварные швы в листовых заготовках наполнителя выполняют контактной шовной сваркой, производят отжиг при температуре Т - Тпп 30-50 С, где Тпп температура (а + р) -ффпревращения наполнителя. 3 ил. верхней и нижней плитами таким образом, чтобы лист из сверхпластичного сплава находился против одной плиты приспособления на заданном расстоянии от ее поверхности. После чего ее нагревают до температуры сверхпластической деформации и подают сжатый газ в зазор между листами. При этом создается разность давлений в зазоре и окружающей атмосфере, в результате чего по меньшей мере один лист деформируется между сварными швами. образуя перегородки слоистой конструкции,Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления многослойных панелей стиргерного типа, в котором изготавливают ячеистые тонкостенные конструкции из листовых Т-сплавов, используя диффузионную сварку. осуществляя деформирование в интервале температур прояв%+ааца 30 35 щения 50 ления у этих сплавов явления сверхпластичности. Ячеистую панель образуют из периферийных кроющих листов - обшивок и центральной вставки - наполнителя. Последний выполняют в виде пакета из двух листов, герметично по контуру и предварительно в определенной последовательности сваренных между собой контактной точечной или другимйспособами сварки. С одной из сторон в такой пакет вварена трубка для подачи во внутрьпакетб газа или легкопроникающего и подвижного вещества. При нагреве под действием внутреннего давления пакет расширяется и в местах наименьшей жесткости (между точками сварки) прижимается к кроющим листам, которые охвачены ограничителями, В этих местах возникают точечные сварные соединения. При относительно невысоком давлении пакет расйрямляется частично, приобретая многокупольную форму, при большем давлении - многокупольное коробчатое сечение.При сварке двух листов, образующих наполнитель; контактной шовной; точечной или иными видами сварки плавления формируется соединение, характеризующееся повышейной жесткостью и не способное к деформации под действием малых(не более 2,0 МПа) нагрузок, Поэтому в зоне соединения в процессе изготовления панелей с наполнителем коробчатого типа происходит образование характерного валика. Этот валик является одной из причин. появления разнотолщинности в этой части формируемых конструктивных элементов наполнителя, Кроме того, труднодеформируемый валик является причиной образования непроваров в центральной части силовых структур по обе стороны от него.Рассматривая случаи изготовления панелей стрингерного типа из тонколйстовых материалов, толщина которых в йсходном состоянии лежит в пределах 0,1+0,8 мм, и особенно при соотношении -1, прихоЬадйтся сталкиваться с проблемой брака, вызванного высокой степенью разнотолщинности формуемых элементов наполнителя, которая если и не приводит к преждевременному их разрушению и разгерметизации полостей пакета, то существенно снижает несущие характеристики изделия в целом. В значительной степени это связано с отсутствием обоснованных ограничений на ширину швов, образующих силовую структуру панелей,Все это отрицательно сказывается на эксплуатационных характеристиках многослойных ячеистых конструкций, таких как жесткость и усталостная прочность.Целью изобретения является повышение качества панелей эа счет снижения разнотолщин ности силовых структур наполнителя, а также за счет исключения образования непроваров в их средней части по обе стороны от валика.Поставленная цель достигается способом изготовления многослойных ячеистых панелей иэ листовых Т-сплавов, состоящих из обшивок и наполнителя методом совмещения газовой формовки в условиях сверх- пластичности с диффузионной сваркой, при котором наполнитель сОстоит, по меньшей мере, из двух листов, которые предварительно сваривают, нанося швы, образующие в процессе формовки наполнителя его силовую структуру- ребра жесткости любыми иэ известных способов сварки.Предлагаемое техническОе решение отличается от прототипа тем, что при изготовлении панелей стрингерного типа швы, формирующие силовую структуру будущей панели, выполняют шириной равной 21, при этом т определяют иэ выражения где 10 - исходйая толщина наполнителя;а, Ь - ширина и высота элементарной ячейки силовой структуры наполнителя панели стрингерного типа, в том случае, когда Ьа и а = 0,64 Ь, когда -1.ЬаКроме того, когда сварные швы в листовых заготовках наполнителя выполняют контактной шовной сваркой, производят отжиг наполнителя при температуре Т = =Тпп - (30 - 50) С,где Тпп - температура (а+Я -+ф превраОперацию термообработки по указанным режимам можно осуществлять отдель- . но до сборки наполнителя с обшивками в пакет или непосредственно перед формовкой, Принципиального значения это не имеет. В общем случае все определяется длительностью изготовления панелей. Чем больше в одном цикле нагрева будет совмещено операций, тем это экономически выгоднее.Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что предложено20 25 30 35 40 45 50 ограничивать (на стадии изготовления исходной заготовки ширину швов наполнителя, образующих силовую структуру панелей в зависимости от геометрических размеров последних. Ограничения обосновываются многочисленными экспериментами,Выполнение швов шириной, превышающей укаэанные ограничения, приводит к деформации листовых заготовок изгибом на угол более 90 и, как следствие, к появлению утонения в зоне шва, а также к появлению несплошностей, характерных для прототипа, которые невозможно удалить последующей формовкой.Вместе с тем изготовление швов шириной 2 т, где т менее 0,51 ь с одной стороны приводит к снижению удельной жесткости конструкций в среднем на 20 - 30 оь за счет утонения в зоне сварки, а с другой стороны труднодостижимо на существующем оборудовании с требуемой надежностью. Последнее обстоятельство является еще одним аргументом в пользу введения нижнего ограничения с0,5 о.В некоторых случаях при изготовлении панелей экономически выгодно выполнять швы контактной шовной сваркой. Однако заявляемые ограничения ширины швов могут быть реализованы только при использо вании нестабильных режимов сварки.На фиг. 1 представлена многослойная ячеистая панель стрингерного типа, общий вид; на фиг. 2 - участок наполнителя в исходном состоянии, проваренный швом, образующим при его формовке силовую структуру панели; нэ фиг. 3 - расчетная схема элементарной ячейки наполнителя для определения ширины шва, образующего силовую структуру панели, где - первый этап формовки, свободная формовка наполнителя, П - второй этап формовки наполйителя после касания с обшивкой панели.Многослойные ячеистые панели стрингерного типа можно характеризовать геометрическими размерами элементарной яцейки силового набора: высотой элементов наполнителя или строительной высоты 2 Ь, расстоянием между ними 2 а, шириной силовых элементов наполнителя панели 2 ь.и исходной толщиной листовой заготовки наполнителя то (фиг.2).Процесс получения многослойных панелей заключается в том, что выбирают четыре листовых заготовки преимущественно иэ титановых сплавов, две из которых идут на изготовление наполнителя, а две на изготовление обшивок. Заготовки зачищэют, удаляя грязь вращающейся металлической щеткой и обезжиривают, промывая вспирте или в ацетоне. Два листа, образующие наполнитель, накладывают один на другой и проваривают любым из известных способов. При этом сварку осуществляют в соответствии с конструкцией силовой структуры наполнителя, Возможны различные варианты, однако ниже рассмотрен способ изготовления панелей, имеющих наполнитель в виде не пересекающихся параллельных ребер жесткости. В рассматриваемом случае заготовки наполнителя проваривают параллельными швами, имеющими ширину 2 т на расстоянии 2 а друг от друга, После этого пакет герметиэируют, обваривая его по контуру герметичным швом и устанавливают между листовыми заготовками - обшивками. Полученную сборку-пакет помещают вштамп и нагревают в защитной среде, вкачестве которой может выступать инертный газ или вакуум. После выхода температуры пакета на уровень, необходимый для сверхпластической деформации нэполнителя, подают рабочую среду в определенные полости пакета, изменяя давление по соответствующей программе. В этот момент происходит формовка чаполнителя и его диффузионная сварка с обшивками, По завершению процесса изготовления многослойных ячеистых панелей давление и температуру снижают,штамп разбирают и извлекают готовое изделие, Для получения панелей высокого качества необходимо соблюдать определенные ограничения, наложенные на ширину швов, образующих силовую структуру панелей,Рассмотрим аналитический метод определения зависимости ширины указанных швов от геометрических размеров получаемой панели, Для этого обратимся к фиг, 3. Предположим, что элементарная ячейка силовой структуры наполнителя имеет достаточную протяженность, чтобы в процессе формовки наполнителя в его центральной части развивались условия плоской деформации. Кроме того, свойства материала в процессе формовки не исйытцвают значительных изменений. Следовательно, можно поддерживать постоянной эффективную скорость деформации при условии образования на формуемом элементе нэполнителя постоянного эффективного напряжения пластического течения. Далее допустим, что в процессе деформации (1 этап формовки) неподкрепленные участки формуемых элементов наполнителя удерживают цилиндрическую форму, толщина их достаточно мала по сравнению с радиусом кривизны, постоянна по всей длине, а деформация их в точке касания с обшивочным листом прекращается (1 этап формовки наполнителя). И наконец допустим, что оптимальной ширинойзоны сварного соединения будет величина,равная 2 а, или удвоенная толщина неподкрепленной части мембраны для моментавремени, когда радиус кривизны мембраный равен половине строительной высоты элементарной ячейки силовой структуры панеЬли Ь, это в том случае, если - 1, и В,равное а. если -1,ЬаПоэтому весь расчет сводится к опредеЬлению е для двух случаев: А - когда -1;аи В - когда -1.ЬаСлучай А. Для этапа формовки законсохранения обьема Чо = Ч примет следующий вид: тоа=ь АВ =Ьй а2+Ь 2=2 агстд - ,Ьадля значения Ь получают следующее выражение: ь,-)нй)- Для И этапа формовкиия объема Чо = Чк будет оющим выражением:ьа - (а - Ь) + - 4 - аь+ь 2 дЬ2После преобразования и подстановки ь из выражения (1), получаем следующее знаение для толщины мембраны 1: закон сохранепределен следуоа+ д Принимают ( л) - 2,14, и проведя окончательные преобразования, получают. Случай В, Закон сохранения объема дл данного сдучая можно записать в следую щем аиде.откуда искомая величин равна2-ь 0,64 то. Случай А, когда -1.Ь а ослойную ячеистую пабшивок и наполнителя,Пример 1. Изготавливали мно нель, состоящую из15 20 5 40 45 5 методом совмещения газостатической формовки в условиях сверхпластичности с диффузионной сваркой. Размеры панели следующие: длина 200 мм; ширина 150 мм, строительная высота (высота элементарной ячейки силового набора наполнителя 2 Ь) равна 14,0 мм, расстояние между силовыми элементами панели, ребрами жесткости (ширина элементарной ячейки наполнителя 0 2 а) равно 30 мм. Силовые элементы выполияли параллельными стороне панели равной 200 мм. В качестве материала обшивок и наполнителя испольэовали листы титанового сплава АТтолщиной 0,4 мм.Наполнитель изготавливали следующим образом.Листовые заготовки зачищали металлической щеткой, затем промывали в технически чистом ацетоне. Непосредственно перед сборкой в пачку для нанесения швов, образующих силовую структуру панели, заготовки йромывали в ванне с зтиловым спиртом, Затем накладывали одна на другую и проваривали лазерной сваркой вдоль стороны панели, равной 200,0 мм, выполняя четыре параллельных шва на расстоянии 30,0 мм друг от друга.Сварку осуществляли на установке"КВАНТ" в среде газообразного Аг. Ши рину швов рассчитывали поформуле(2). Приэтом расчетная ширина была выбрана равной тг = 0,64 мм, Замеры установили, что фактическая ширина тьотклонялась от расчетной в пределах й 0,1 мм.После изготовления наполнителя его устанавливали между двумя обшивочными ли-стами, образуя пакет, Пакет герметизировали, обваривая по контуру аргоно-дуговой сваркой, и привали штуцеры.В результате последней операции в пакете образуются две полости: внутренняя между листами наполнителя и внешняя между листами обшивки и наполнителем.Эти полости соединяли с автоматическим газо-распределительным пультом и источником газообразного аргона, .Затем пакет устанавливали в штампе,нагревали в защитной среде-аргоне до температуры Т = 860 С и выдерживали 30 мин О для выравнивания температуры по всемуобъему пакета, а затем осуществляя формовку и сварку, Формовка наполнителя и обшивочных листов, а также диффузионная сварка наполнителя с обшивочными листами происходила в результате подачи газообразного Аг во внутреннюю и внешнюю полости в определенной последовательности и по определенной программе, которая обеспечивала дефоомирование листовых заготовок наполнителя в условиях сверхметаллографических исследований околошовной зоны сварного соединения, выпол 20 30 35 40 45 50 55 пластичности. Давление изменяли от 0 до 2,0 МПа в течение 2 ч, а затем выдерживали при этом давлении и температуре в течение еще 1 ч,После завершения рабочего цикла давление снижали до атмосферного, штамп медленно охлаждали до комнатной температуры, разбирали и извлекали готовую деталь. В результате проведенных ненного лазерной сваркой, обнаружить непровары с размером более 10,0 мкм не удалось, Разнотолщинность элементов наполнителя в указанной зоне отсутствовала.П о и м е р 2, Случай В, когда - 1.Ьфд а Аналогично случаю А из того же материала были изготовлены многослойные ячеистые панели с измененными геометрическими размерами элементарной ячейки наполнителя Ь " 12 мм, а = 10,0 мм. Ширину швов в этом случае рассчитывали по формуле (3), она была равной т = 0,5 мм. Швы выполняли также, как и в примере 1 лазерной сваркой на установке КВАНТ,Режим формовки и диффузионной сварки был тоже выбран аналогично примеру 1, Металлографический анализ образцов полученных панелей,.показал их высокое качество,П ри м е р 3, Изготавливали многослойную ячеистую панель, состоящую иэ обшивок и наполнителя по дополнительному пункту формулы изобретения. Материал и размеры панели были аналогичны примеру Однако наполнитель был выполнен иначе: две листовые заготовки зачищали металлической щеткой, обезжиривали и укладывали в пачку одна на другую, а сварку выполняли на контактной шовной машине МШ. Швы располагали параллельно друг другу в стороне, равной 200,0 мм, Количество швов четыре, расстояние между ними 30,0 мм,Ширину швов рассчитывали аналогично примеру 1 по формуле (2), Расчетная. ширина равна 0,64 мм, Проведенные замеры ширины шва (методом металлографического и фрактаграфического анализов) установилизначительный разброс по длине шва 200,0мм. Он оказался равным + 0,2 + 0,25 мм.Полученный наполнитель устанавливэли между двумя обшивочными листами и обваривэли по контуру аргоно-дуговой сваркой, затем приваривали штуцеры, В результате этих действий в пакете образовывались две полости: внешняя и внутренняя, которые посредством системы штуцеров и трубопроводов соединяли с автоматическим газораспределительным пультом, Пакет устанавливали в штампе. нагревали в газообразном Аг до температуры 860 С и выдерживали в течение 2 ч приэтой температуре. Температура 860 С для сплава ВТ является оптимальной температурой сверхпластической деформации, о чем свидетельствуют исследования по изучению комплекса высокотемпературных механических свойств, данные металлографических исследований и фрактогрэфии поверхности разрушения образцов.Заявляемый интервал температур тер мообрэботки Т =- Тпп (30 - 50) С, где Тпп длярасстриваемого сплава ВТравна 900 С, оказывает положительное влияние на сварные соединения, выполненные контактной шовной сваркой, с использованием нестабильных режимов, Это выражается в выравнивании ширины шва и повышении прочности соединения. Металлографическим анализом установлено, что отклонение от номинала расчетного значения снижает ся до величины . 0,15 мм, расчет и прочность с тр = 340 МПа до т ссРР - 480 МПа,После выдержки осуществляли подачугазообразного Аг во внешнюю и внутреннюю полости пакета в определенной последовательности и по программе, обеспечивающей формовку нэполнителя в режиме сверхпластичности, с эффективной скоростью еформэции материала листов е = 10 - 10 с, Величина рабочего давления увеличилась от 0 до 2,0 МПа в течении 2,0 ч, а диффузионнуюсварку обшивок и наполнителя выполняли за счет выдержки пакета под давлением 2,0 МПа (давление подавалось во внутреннюю полость пакета) в течение 14 ч. Затем давление снижали до атмосферного, штамп медленно охлаждали до комнатной температуры, разбирали и извлекали готовую деталь,Выводы, полученные в результате проведенных металлографических исследований образцов панелей, механических испытаний конструкций на стенде, атакже в составе изделий, полностью совпадают с выводами примера 1, и свидетельствуют о высоком качестве многослойных ячеистых конструкций,Предлагаемый способ позволяет повысить эксплуатационные характеристики панелей, жесткость в среднем на 15-20 за счет снижения разнотолщинности формуе-.мых элементов наполнителя, усталостную прочность в среднем на 10-20% эа счет улучшения качества наполнителя в зоне сварки плавлением.Кроме того, позволяет снизить брак при изготовлении панелей за счет исключения разрушения наполнителя в околошовной зоне или в зоне сваРочного валика и его последующей разгерметизации, а также 5 расширить конструкторские и технологические возможности метода изготовления панелей за счет увеличения отношения - вЬ а среднем на 30 - 40. 10Формула изобретения1, Способ изготовления многослойных панелей стрингерного типа из листовых титановых сплавов, состоящих из обшивок и наполнителя в условиях сверхпластичности, 15 при котором осуществляют сварку листов наполнителя, а затем его диффузионную сварку с обшивками одновременно с гаэовойформовкой, отличающийся тем, что, с целью повышения качества панелей 20 путем исключения непроваров и снижения разнотолщинности, сварные швы наполнителя выполняют шириной, равной 2 т, приэтом т определяют иэ выражений0,5 с т.ь Ф," а+7 Ь а+ ) аГС 9 акогда Ь/а 51,где то - исходная толщина наполнителя,э, Ь - половина соответственно ширины и высоты элементарной ячейки силовой структуры наполнителя панели,иа,641 о, когда Ыа1,2. Способ по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что при контактной сварке листов наполнителя производят отжиг при температуреТ Тм - (30-50) С,где Тл - температура (а +Д -фф превращения материала наполнителя.1756073Составитель О.Кайбышев Редактор А.Мотыль Техред М.Моргентал Корректор А.Долийич Заказ 3048 Тираж ,Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10