RU2569444C2 - Diffusion welding of thin-wall laminar titanium structures - Google Patents
Diffusion welding of thin-wall laminar titanium structures Download PDFInfo
- Publication number
- RU2569444C2 RU2569444C2 RU2013127340/02A RU2013127340A RU2569444C2 RU 2569444 C2 RU2569444 C2 RU 2569444C2 RU 2013127340/02 A RU2013127340/02 A RU 2013127340/02A RU 2013127340 A RU2013127340 A RU 2013127340A RU 2569444 C2 RU2569444 C2 RU 2569444C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- welding
- titanium alloy
- pressure
- titanium
- welded
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к диффузионной сварке и может быть использовано при изготовлении титановых тонкостенных слоистых конструкций с поверхностью контактирования, представляющей собой сочетание соединений простейшей формы с малым сечением, например сложных трехмерных конструкций в аэрокосмических приложениях, таких как сотовый заполнитель, вентиляторная лопатка, воздухозаборник, а также выпускного окна в ускорительной технике.The invention relates to diffusion welding and can be used in the manufacture of titanium thin-walled layered structures with a contact surface, which is a combination of simple shapes with a small cross section, for example, complex three-dimensional structures in aerospace applications, such as a honeycomb core, a fan blade, an air intake, and also an exhaust windows in accelerator technology.
Известен способ диффузионной сварки пакета для изготовления пустотелой вентиляторной лопатки сверхпластической формовкой, включающий сборку пакета из трех заготовок состава Ti-6Al-4V толщиной 1,0 мм с размеченными участками, подвергаемыми соединению шириной 8 мм и 20 мм и не подвергаемыми соединению, и последующее размещение пакета в нагревательном блоке пресса между плоскими плитами. При осуществлении способа диффузионной сварки используют режимы, характеризующиеся известными значениями температуры и давления. В частности, после нагрева до температуры 850°C и достижения глубины вакуума не менее 1,33 Па к пакету прикладывают усилие пресса, обеспечивая давление 2 МПа, и выдерживают под давлением в течение 2 часов для осуществления процесса диффузионной сварки (описание к патенту RU 2291019 С2, МПК B21D 53/78 (2006.01), B21D 26/02 (2006.01), опубликовано 10.01.2007).A known method of diffusion welding of a bag for the manufacture of a hollow fan blade by superplastic molding, comprising assembling a bag of three blanks of the composition Ti-6Al-4V with a thickness of 1.0 mm with marked areas subjected to joining with a width of 8 mm and 20 mm and not subject to joining, and subsequent placement package in the heating block of the press between the flat plates. When implementing the method of diffusion welding using modes characterized by known values of temperature and pressure. In particular, after heating to a temperature of 850 ° C and reaching a vacuum depth of at least 1.33 Pa, a press force is applied to the bag, providing a pressure of 2 MPa, and is kept under pressure for 2 hours to carry out the diffusion welding process (description of patent RU 2291019 C2, IPC B21D 53/78 (2006.01), B21D 26/02 (2006.01), published January 10, 2007).
Известен способ диффузионной сварки пакета для изготовления сотового заполнителя из титановых сплавов, при котором на участки листовых заготовок из фольги, не подлежащие соединению, наносят материал, препятствующий сварке, на участках, подлежащих соединению, размещают технологические листовые азотированные листовые прокладки шириной стороны соты. Листовые заготовки с прокладками собирают в пакет, помещают в штамп, в условиях вакуума нагревают до температуры полиморфного превращения титанового сплава материала заготовок и сдавливают в два этапа. На первом этапе формуют на заготовках гофры путем осадки сотопакета до смыкания прокладок по высоте. На втором этапе соединяют заготовки сотопакета и усилие сдавливания выбирают из условия создания прокладками на соединяемых участках давления 2 МПа. По завершении процесса диффузионной сварки из предварительно сформованных ячеек полученного полуфабриката извлекают стальные прокладки, и полуфабрикат растягивают до получения сотового блока с окончательно сформованными ячейками (описание к патенту RU 2397054 С1, МПК B23K 20/18 (2006.01), B23K 101/02 (2006.01), опубликовано 20.08.2010).There is a method of diffusion welding of a bag for the manufacture of a honeycomb core made of titanium alloys, in which the material that impedes welding is applied to sections of sheet blanks made of foil that are not to be joined, and technological nitrided sheet gaskets with honeycomb width are placed in areas to be joined. Sheet blanks with gaskets are collected in a bag, placed in a stamp, under vacuum, heated to the polymorphic transformation temperature of the titanium alloy of the workpiece material and squeezed in two stages. At the first stage, corrugations are formed on the blanks by settling the honeycomb packet until the gaskets are closed in height. At the second stage, the honeycomb blanks are connected and the compressive force is selected from the conditions for creating gaskets on the connected pressure sections of 2 MPa. Upon completion of the diffusion welding process, steel gaskets are removed from the preformed cells of the obtained semi-finished product, and the semi-finished product is stretched to obtain a honeycomb block with finally formed cells (description to patent RU 2397054 C1, IPC B23K 20/18 (2006.01), B23K 101/02 (2006.01) published on 08/20/2010).
Недостатком известных способов является использование для диффузионной сварки режимов, характеризующихся известными значениями температуры и давления в соответствии с титановым сплавом материала заготовок.A disadvantage of the known methods is the use for diffusion welding of modes characterized by known values of temperature and pressure in accordance with the titanium alloy of the workpiece material.
В известных способах используется технологическая оснастка из стальных листов, обладающих при диффузионной сварке большим сопротивлением высокотемпературной деформации, чем свариваемые титановые заготовки. В этом случае титановые элементы слоистой конструкции можно рассматривать как пластичную (мягкую) прослойку, расположенную между «жесткой» стальной технологической оснасткой.In the known methods, tooling is used from steel sheets having, during diffusion welding, a higher resistance to high-temperature deformation than welded titanium billets. In this case, titanium elements of a layered structure can be considered as a plastic (soft) layer located between the "rigid" steel tooling.
В условиях диффузионной сварки при контакте титана со стальной оснасткой из-за наличия трения имеет место сдерживание сталью деформации титана, т.е. происходит так называемое «контактное упрочнение» титана. Поскольку в основе образования диффузионного соединения лежит высокотемпературная деформация свариваемых заготовок под действием сжимающего давления, то развитие «контактного упрочнения» может приводить к снижению скорости ползучести титана и ухудшению качества диффузионного соединения.In the conditions of diffusion welding, when titanium comes in contact with steel equipment, due to the presence of friction, the steel deters titanium deformation, i.e. the so-called "contact hardening" of titanium occurs. Since the formation of a diffusion joint is based on the high-temperature deformation of the welded workpieces under the action of compressive pressure, the development of “contact hardening” can lead to a decrease in the creep rate of titanium and a deterioration in the quality of the diffusion joint.
Степень «контактного упрочнения» (ограниченности деформации) для случая сжатия «пластичного» слоя титана, расположенного между двумя «жесткими» слоями стали зависит как от технологических параметров испытания (температуры, приложенного давления), так и от геометрических размеров «пластичного» слоя - его относительной высоты λ (λ=h/d, где h - высота, d - диаметр или ширина слоя).The degree of “contact hardening” (limited deformation) for the case of compression of a “plastic” titanium layer located between two “hard” steel layers depends both on the technological parameters of the test (temperature, applied pressure) and on the geometric dimensions of the “plastic” layer — its relative height λ (λ = h / d, where h is the height, d is the diameter or width of the layer).
Таким образом, при разработке технологии диффузионной сварки титановых тонкостенных слоистых конструкций необходимо корректировать режимы сварки, и в частности сварочное давление, с учетом относительной высоты λ свариваемых участков в условиях высокотемпературной деформации и развития контактного упрочнения в свариваемых титановых заготовках.Thus, when developing the technology of diffusion welding of titanium thin-walled layered structures, it is necessary to adjust the welding conditions, and in particular the welding pressure, taking into account the relative height λ of the welded sections under conditions of high temperature deformation and the development of contact hardening in the welded titanium billets.
Задача полезной модели - повышение качества сварного соединения за счет совершенствования технологии диффузионной сварки с использованием стальной оснастки при изготовлении титановых тонкостенных слоистых конструкций с сочетанием соединений малых сечений и относительной высотой λ свариваемых слоев менее 2,0.The objective of the utility model is to improve the quality of the welded joint by improving the diffusion welding technology using steel tools in the manufacture of titanium thin-walled layered structures with a combination of small sections and a relative height λ of the welded layers of less than 2.0.
Технический результат - снижение контактного трения между стальной оснасткой и титановыми деталями свариваемой конструкции.EFFECT: reduced contact friction between steel tooling and titanium parts of a welded structure.
Технический результат достигается тем, что в способе диффузионной сварки тонкостенных слоистых титановых конструкций с относительной высотой λ, свариваемых участков менее 2,0, при котором пакет свариваемых заготовок размещают в стальной оснастке, сборку нагревают и в условиях вакуума осуществляют сварку под давлением в процессе изотермической выдержки в интервале температуры полиморфного превращения материала заготовок, отличающийся тем, что давление сварки py определяют из условия:The technical result is achieved by the fact that in the method of diffusion welding of thin-walled layered titanium structures with a relative height λ, the welded sections are less than 2.0, in which the package of welded workpieces is placed in a steel tool, the assembly is heated and under vacuum conditions, pressure welding isothermally held in the temperature range of the polymorphic transformation of the workpiece material, characterized in that the welding pressure p y is determined from the condition:
где p - давление образования физического контакта между поверхностями заготовок с λ≥2,0, МПа; ky - числовой коэффициент, учитывающий относительную высоту свариваемых участков и упрочнение титанового сплава материала заготовок в условиях сжатия при температуре сварки, 1,0<ky<5,64; n - эмпирический коэффициент, характеризующий влияние давления сварки на изменение скорости ползучести титанового сплава материала заготовок.where p is the pressure of physical contact between the surfaces of the workpieces with λ≥2.0, MPa; k y is a numerical coefficient taking into account the relative height of the welded sections and hardening of the titanium alloy of the workpiece material under compression at the welding temperature, 1.0 <k y <5.64; n is an empirical coefficient characterizing the effect of welding pressure on the change in creep rate of a titanium alloy of the workpiece material.
Условие (1) установлено экспериментально и позволяет определить давление py, которое необходимо приложить к титановым заготовкам, находящимся в стесненных условиях (λ<2,0), чтобы обеспечить их ползучесть со скоростью έy, равной скорости ползучести έ заготовок из того титанового сплава, находящихся в свободном состоянии (k≥2,0) при известном давлении p образования физического контакта.Condition (1) is established experimentally and allows you to determine the pressure p y , which must be applied to titanium billets in cramped conditions (λ <2.0) to ensure their creep with a speed έ y equal to the creep rate έ of billets from that titanium alloy in a free state (k≥2.0) at a known pressure p of the formation of physical contact.
На фиг.1 изображена пустотелая вентиляторная лопатка; на фиг.2 - элемент воздухозаборника; на фиг.3 - секция выпускного окна ускорителя электронов.Figure 1 shows a hollow fan blade; figure 2 - element of the air intake; figure 3 is a section of the exhaust window of the electron accelerator.
Примеры расчета сварочного давления при осуществлении диффузионной сварки тонкостенных слоистых титановых конструкций с относительной высотой λ свариваемых участков менее 2,0.Examples of calculation of welding pressure during diffusion welding of thin-walled layered titanium structures with a relative height λ of welded sections of less than 2.0.
Для указанных конструкций величину числового значения ky рассчитывали по экспериментально установленной зависимости ky=0,954+0,197/(0,042+λ)2. Величину коэффициента n определяли экспериментально для каждого титанового сплава, принимая его равным аппроксимирующиму коэффициенту в уравнении изменения скорости ползучести вида έ=k·pn·exp(E/RT), где k - коэффициент пропорциональности, сек-1; p - численное значение сварочного давления, измеренного в МПа; n - эмпирический коэффициент, характеризующий ползучесть материала заготовок; E - энергия активации, Дж/моль; R - газовая постоянная, Дж/(К·моль); Т - температура нагрева, К.For these structures, the numerical value of k y was calculated from the experimentally established dependence k y = 0.954 + 0.197 / (0.042 + λ) 2 . The value of the coefficient n was determined experimentally for each titanium alloy, taking it equal to the approximating coefficient in the equation for changing the creep rate of the form έ = k · p n · exp (E / RT), where k is the proportionality coefficient, sec -1 ; p is the numerical value of the welding pressure measured in MPa; n is an empirical coefficient characterizing the creep of the workpiece material; E is the activation energy, J / mol; R is the gas constant, J / (K · mol); T is the heating temperature, K.
Пример 1Example 1
Пакет для изготовления пустотелой вентиляторной лопатки (фиг.1) из заготовок 1, 2, 3 состава сплава ВТ6 (Ti-6Al-4V) толщиной 1,0 мм (h/2) с участками 4, подвергаемыми соединению минимальной ширины 8 мм (d). Относительная высота свариваемых участков λ=(1,0+1,0)/8=0,25.Package for the manufacture of a hollow fan blade (Fig. 1) from
Величину сварочного давления py определяли, принимая для вычислений расчетное значение коэффициентов ky=3,41 и n=0,9 и давление p=2 МПа. Согласно численному расчету по зависимости (1) py=3,411/0,9·2=3,91·2=7,82 МПа.The quantity of the welding pressure p y determined, taking for computing the estimated value of the coefficients k y = 3,41 and n = 0,9 and p = pressure of 2 MPa. According to a numerical calculation according to dependence (1), p y = 3.41 1 / 0.9 · 2 = 3.91 · 2 = 7.82 MPa.
Процесс диффузионной сварки ведут по режиму:The diffusion welding process is carried out according to the mode:
нагрев до температуры сварки T=990°C, сварочное давление py=7,82 МПа поддерживают в течение 60 минут.heating to a welding temperature T = 990 ° C; welding pressure p y = 7.82 MPa is maintained for 60 minutes.
Пример 2Example 2
Элемент воздухозаборника (фиг. 2) из заготовок сплава ОТ4 толщиной 0,3 мм (h/2), состоящий гофрированного листа 5 с гофрами шириной 6 мм (d) в местах соединения с плоским листом 6. Относительная высота свариваемых участков λ=(0,3+0,3)/6=0,1.The air intake element (Fig. 2) from OT4 alloy blanks with a thickness of 0.3 mm (h / 2), consisting of a
Величину сварочного давления py определяли, принимая для вычислений расчетное значение коэффициентов ky=2,92 и n=1,2 и давление p=2 МПа. Согласно численному расчету py=2,921/1,2·2=2,44·2=4,88 МПа.The value of the welding pressure p y was determined by taking the calculated values of the coefficients k y = 2.92 and n = 1.2 and the pressure p = 2 MPa for calculations. According to a numerical calculation, p y = 2.92 1 / 1.2 · 2 = 2.44 · 2 = 4.88 MPa.
Процесс диффузионной сварки ведут по режиму:The diffusion welding process is carried out according to the mode:
нагрев до температуры сварки Т=950°C, сварочное давление py=4,88 МПа поддерживают в течение 50 мин.heating to a welding temperature T = 950 ° C; welding pressure p y = 4.88 MPa is maintained for 50 minutes.
Пример 3Example 3
Секция выпускного окна ускорителя электронов (фиг.3) из заготовок сплава ВТ14, состоящая из двух опорных решеток 7, 8 толщиной 1,2 мм с овальными отверстиями и перемычками 9 с минимальной шириной d в 2,0 мм в местах соединения с фольгой 10 толщиной 0,08 мм, расположенной между ними. Относительная высота свариваемых участков λ=(1,2+1,2+0,08)/2,0=1,24.Section of the exit window of the electron accelerator (Fig. 3) from VT14 alloy blanks, consisting of two
Величину сварочного давления py определяли, принимая для вычислений расчетное значение коэффициентов ky=2,02 и n=1,2 и давление p=2 МПа. Согласно численному расчету py=2,021/1,2·2=2,44·2=3,6 МПа.The value of the welding pressure p y was determined by taking the calculated values of the coefficients k y = 2.02 and n = 1.2 and the pressure p = 2 MPa for calculations. According to a numerical calculation, p y = 2.02 1 / 1.2 · 2 = 2.44 · 2 = 3.6 MPa.
Процесс диффузионной сварки ведут по режиму:The diffusion welding process is carried out according to the mode:
нагрев до температуры сварки Т=950°C, сварочное давление py=3,6 МПа поддерживают в течение 65 мин.heating to a welding temperature T = 950 ° C; welding pressure p y = 3.6 MPa is maintained for 65 minutes.
Claims (1)
Ру =pky 1/n, МПа, где
ky - числовой коэффициент, равный 1,0<ky<5,64, учитывающий относительную высоту свариваемых участков λ=h/d, где h - высота, d - диаметр или ширина свариваемого слоя, и упрочнение титанового сплава заготовок в условиях сжатия при температуре сварки,
n - эмпирический коэффициент, характеризующий влияние давления сварки на изменение скорости έ ползучести титанового сплава заготовок, который определяют экспериментально для каждого титанового сплава, принимая его равным аппроксимирующему коэффициенту в уравнении изменения скорости ползучести титанового сплава έ=k·pn·exp(E/RT), где
k - коэффициент пропорциональности, сек-1;
р - численное значение сварочного давления, МПа;
Е - энергия активации, Дж/моль;
R - газовая постоянная, Дж/(К·моль);
Т - температура нагрева, К. The method of diffusion welding of thin-walled layered titanium structures, including placing a package of welded billets of titanium alloy in a steel tool, heating the assembly and welding under pressure in a vacuum during isothermal holding in the temperature range of polymorphic transformation of titanium alloy billets, characterized in that the welding pressure p I have to be applied to the workpiece of the titanium alloy being in compression conditions in steel tooling of conditions ensuring creep έ blanks at a rate in equal to έ creep speed in free state blanks from the same titanium alloy at a pressure p of the physical contact between their surfaces, wherein the welding pressure is determined from the condition:
P y = pk y 1 / n , MPa, where
k y is a numerical coefficient equal to 1.0 <k y <5.64, taking into account the relative height of the welded sections λ = h / d, where h is the height, d is the diameter or width of the welded layer, and hardening of the titanium alloy of the workpieces under compression at welding temperature
n is an empirical coefficient characterizing the influence of the welding pressure on the creep rate έ of the titanium alloy of the billets, which is determined experimentally for each titanium alloy, taking it equal to the approximating coefficient in the equation for changing the creep rate of the titanium alloy έ = k · p n · exp (E / RT ), where
k is the coefficient of proportionality, sec -1 ;
p is the numerical value of the welding pressure, MPa;
E is the activation energy, J / mol;
R is the gas constant, J / (K · mol);
T is the heating temperature, K.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013127340/02A RU2569444C2 (en) | 2013-06-14 | 2013-06-14 | Diffusion welding of thin-wall laminar titanium structures |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013127340/02A RU2569444C2 (en) | 2013-06-14 | 2013-06-14 | Diffusion welding of thin-wall laminar titanium structures |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013127340A RU2013127340A (en) | 2014-12-20 |
RU2569444C2 true RU2569444C2 (en) | 2015-11-27 |
Family
ID=53278257
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013127340/02A RU2569444C2 (en) | 2013-06-14 | 2013-06-14 | Diffusion welding of thin-wall laminar titanium structures |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2569444C2 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU959954A1 (en) * | 1981-03-30 | 1982-09-23 | Предприятие П/Я Г-4774 | Pack for producing multilayer sheets |
SU1662790A1 (en) * | 1989-06-23 | 1991-07-15 | Предприятие П/Я А-1233 | Method for making multiple-layer structures by diffusion welding |
US5881459A (en) * | 1996-09-27 | 1999-03-16 | Mcdonnell Douglas Corporation | Pressure communication for superplastically formed, diffusion bonded panels and method of manufacture |
US20090026246A9 (en) * | 2004-03-31 | 2009-01-29 | The Boeing Company | Superplastic forming of titanium assemblies |
RU2397054C1 (en) * | 2008-12-22 | 2010-08-20 | Воронежский государственный технический университет | Method for manufacturing of honeycomb from titanium alloys by means of diffusion welding |
-
2013
- 2013-06-14 RU RU2013127340/02A patent/RU2569444C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU959954A1 (en) * | 1981-03-30 | 1982-09-23 | Предприятие П/Я Г-4774 | Pack for producing multilayer sheets |
SU1662790A1 (en) * | 1989-06-23 | 1991-07-15 | Предприятие П/Я А-1233 | Method for making multiple-layer structures by diffusion welding |
US5881459A (en) * | 1996-09-27 | 1999-03-16 | Mcdonnell Douglas Corporation | Pressure communication for superplastically formed, diffusion bonded panels and method of manufacture |
US20090026246A9 (en) * | 2004-03-31 | 2009-01-29 | The Boeing Company | Superplastic forming of titanium assemblies |
RU2397054C1 (en) * | 2008-12-22 | 2010-08-20 | Воронежский государственный технический университет | Method for manufacturing of honeycomb from titanium alloys by means of diffusion welding |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013127340A (en) | 2014-12-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Chen et al. | Effect of acoustic softening on the thermal-mechanical process of ultrasonic welding | |
He et al. | Numerical and experimental investigations of extensible die clinching | |
Chen et al. | Mechanical analysis of ultrasonic welding considering knurl pattern of sonotrode tip | |
SE469927B (en) | Methods for the preparation of superplastically formed and diffusion-bonded articles and the articles produced thereby | |
JP6737374B2 (en) | Press processing apparatus and press processing method | |
RU2412017C2 (en) | Method of producing hollow fan vane | |
Gisario et al. | Laser-assisted bending of Titanium Grade-2 sheets: Experimental analysis and numerical simulation | |
RU2005109282A (en) | METHOD FOR PRODUCING PRODUCTS BY SUPERPLASTIC FORMING AND DIFFUSION WELDING | |
CN103753119A (en) | Lightweight wall panel superplastic forming production method | |
Kesharwani et al. | Improvement in limiting drawing ratio of aluminum tailored friction stir welded blanks using modified conical tractrix die | |
CN104561848A (en) | Creep age forming technological method | |
CN105290739B (en) | The laying increasing material manufacturing method of abnormally-structured titanium alloy member based on diffusion connection | |
Deng et al. | Springback and hardness of aluminum alloy sheet part manufactured by warm forming process using non-isothermal dies | |
Dewang et al. | Prediction of crack location and propagation in stretch flanging process of aluminum alloy AA-5052 sheet using FEM simulation | |
Aljibori et al. | Finite element analysis of sheet metal forming process | |
RU2569444C2 (en) | Diffusion welding of thin-wall laminar titanium structures | |
Wei et al. | Formability influenced by process loading path of double sheet hydroforming | |
CN106808172B (en) | A kind of preparation method of titanium alloy component hot forming tool | |
Tang et al. | Superplastic forming process applied to aero-industrial strakelet: wrinkling, thickness, and microstructure analysis | |
EP2837439A2 (en) | A method of reducing wrinkles in pressed sheet metal components | |
Wang et al. | Hot flow behavior characterization for predicting the titanium alloy TC4 hollow blade surface Sinkage defects in the SPF/DB process | |
Essa et al. | Variation of the residual stresses and springback in sheet bending from plane-strain to plane-stress condition using finite element modelling | |
Tseng et al. | Finite element verification on constitutive law of AZ31 magnesium alloy at 400° C | |
Fratini et al. | Modelling aspects in accumulative roll bonding process by explicit finite element analysis | |
RU2397054C1 (en) | Method for manufacturing of honeycomb from titanium alloys by means of diffusion welding |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151123 |