RU2456142C2

RU2456142C2 - Method of friction seam welding of parts from titanium alloys

Info

Publication number: RU2456142C2
Application number: RU2010138039/02A
Authority: RU
Inventors: Аскар Джамилевич Мингажев (RU); Аскар Джамилевич Мингажев; Анатолий Михайлович Смыслов (RU); Анатолий Михайлович Смыслов; Марина Константиновна Смыслова (RU); Марина Константиновна Смыслова; Сагит Хамитович Даутов (RU); Сагит Хамитович Даутов; Александр Юрьевич Медведев (RU); Александр Юрьевич Медведев; Алексей Сергеевич Селиванов (RU); Алексей Сергеевич Селиванов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение"
Priority date: 2010-09-13
Filing date: 2010-09-13
Publication date: 2012-07-20
Also published as: RU2010138039A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention may be used in jointing vane root and turbomachine disk together by friction, particularly, in production or repair of turbomachine monoblocks from titanium alloys. In heating, work pieces are pressed against each other along contact surface with force making welding pressure at preset amplitude and frequency of relative displacement of parts along said contact surface. Forging is performed after workpiece reciprocation shutdown on applying forging force. Workpiece forging is performed in two steps. At first stage, forging is combined with ultrasound processing at 10 Hz to 100 Hz. At forging second step, ultrasound processing is shutdown. Application pressure in welding varies from 30 MPa to 180 MPa, while forging pressure at first and second steps varies from 160 MPa to 320 MPa. Forging first step interval makes 0.1 s-1.5 s, while that of second step makes 0.2-2 s. Coefficient of welding specific power input varies from 2.2 kW to 3.2 kW.

EFFECT: forging combined with machining, higher quality and performances.

7 cl, 6 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к сварке трением и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, например при производстве или ремонте моноблоков турбомашин из титановых сплавов.The invention relates to friction welding and can be used in various engineering industries, for example, in the production or repair of monoblocks of turbomachines from titanium alloys.

Нагрев поверхностей соединяемых сваркой трением деталей может осуществляться либо за счет вращения одной из деталей относительно другой, либо за счет линейного колебательного движения [например, европейский патент №0719614, МПК B23K 20/12], либо за счет углового колебательного движения [европейский патент №0624420, МПК B23K 20/12, и патент РФ №2043891, МПК B23K 20/12]. При этом наиболее распространенными и разработанными способами сварки трением являются ротационная сварка и перемешивающая сварка трением [Сварка трением: Справочник / В.К.Лебедев, И.А.Черненко, Р.Михальски и др.; Под общ. ред. В.К.Лебедева, И.А.Черненко, В.И.Билля. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. - 236 с.].Heating of surfaces connected by friction welding parts can be carried out either due to the rotation of one of the parts relative to another, or due to linear vibrational motion [for example, European patent No. 0719614, IPC B23K 20/12], or due to angular vibrational movement [European patent No. 0624420 , IPC B23K 20/12, and RF patent No. 2043891, IPC B23K 20/12]. In this case, the most common and developed methods of friction welding are rotational welding and mixing friction welding [Friction welding: Reference / V.K. Lebedev, I.A. Chernenko, R. Mikhalsky, etc .; Under the total. ed. V.K. Lebedeva, I.A. Chernenko, V.I. Bill. - L .: Mechanical engineering. Leningra. Department, 1987. - 236 p.].

Известен также способ сварки трением [АС СССР №1512740, опубл. 07.10.89, БИ №37], включающий стадию нагрева, на которой детали приводят в относительное вращение при постоянном приложении контактного давления, и стадию проковки, которую осуществляют после прекращения вращения. Сварка по этому способу производится в температурном интервале, обеспечивающем отсутствие условий закалки быстрорежущей стали в зоне термического влияния.There is also known a method of friction welding [AS USSR No. 1512740, publ. 07.10.89, BI No. 37], including a heating stage, in which the parts are brought into relative rotation with constant contact pressure being applied, and a forging stage, which is carried out after the rotation is stopped. Welding by this method is carried out in the temperature range, ensuring the absence of conditions for hardening of high speed steel in the heat affected zone.

Недостатками известных способов сварки трением являются либо их непригодность [АС СССР №1512740], либо низкая стабильность качества сварных соединений [европейский патент №0624420, МПК B23K 20/12, и патент РФ №2043891, МПК B23K 20/12] применительно для таких деталей, как лопатки турбомашин, вследствие высокой вероятности возникновения непроваров и подрезов, вызываемых выхватыванием поверхностных слоев металла, прилегающего к стыку, гратом. Эти недостатки вызываются неравномерностью нагрева стыка по всему сечению.The disadvantages of the known methods of friction welding are either their unsuitability [USSR AS No. 1512740] or low stability of the quality of welded joints [European patent No. 0624420, IPC B23K 20/12, and RF patent No. 2043891, IPC B23K 20/12] for such parts , like the blades of turbomachines, due to the high probability of the occurrence of imperfections and undercuts caused by snatching of the surface layers of the metal adjacent to the joint with grata. These disadvantages are caused by the uneven heating of the joint over the entire cross section.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ линейной сварки трением деталей из сплавов, включающий стадию нагрева, на которой заготовки прижимают друг к другу по контактным поверхностям с усилием, обеспечивающим давление процесса сварки стыка при заданной амплитуде и частоте относительного перемещения заготовок вдоль их контактных поверхностей, и стадию проковки, осуществляемую после прекращения возвратно-поступательных перемещений заготовок приложением давления проковки [патент США №7,125,227, МПК B23K 20/12, Process for manufacturing or repairing a monobloc bladed disc, 2006 г.]. Указанный способ позволяет изготавливать моноблоки лопаточных дисков турбомашин или производить их ремонт.The closest technical solution, selected as a prototype, is a method of linear friction welding of parts made of alloys, including a heating step, in which the workpieces are pressed against each other along contact surfaces with a force that ensures the pressure of the joint welding process at a given amplitude and frequency of the relative movement of the workpieces along their contact surfaces, and the forging stage, carried out after the termination of the reciprocating movements of the workpieces by applying the forging pressure [US patent No. 7.125, 227, IPC B23K 20/12, Process for manufacturing or repairing a monobloc bladed disc, 2006]. The specified method allows the manufacture of monoblocks of blade vanes of turbomachines or repair them.

Процессы линейной сварки трением становятся ключевыми технологиями формирования сварных соединений из трудносвариваемых материалов и могут быть широко использованы в ремонтном производстве. Достоинством линейной сварки трением является минимальная подготовка поверхностей к свариванию. Линейная сварка трением достаточно активно применяется в авиадвигателестроении для соединения лопаток с дисками [Corzo M., Torres Y., Anglada M., Mateo A. Fracture behaviour of linear friction welds in titanium alloys // Anales de la Mecanica de Fractura. - V.1, 2007. - Pp.75-80].Linear friction welding processes are becoming the key technologies for the formation of welded joints from difficult to weld materials and can be widely used in the repair industry. The advantage of linear friction welding is the minimal preparation of surfaces for welding. Linear friction welding is quite actively used in aircraft engine manufacturing to connect blades to disks [Corzo M., Torres Y., Anglada M., Mateo A. Fracture behavior of linear friction welds in titanium alloys // Anales de la Mecanica de Fractura. - V.1, 2007. - Pp. 75-80].

Однако известный способ линейной сварки трением деталей [патент США №7,125,227, МПК B23K 20/12, Process for manufacturing or repairing a monobloc bladed disc, 2006 г.] не позволяет получать качественные сварные соединения, обеспечивающие высокие эксплуатационные свойства деталей.However, the known method of linear friction welding of parts [US patent No. 7,125,227, IPC B23K 20/12, Process for manufacturing or repairing a monobloc bladed disc, 2006] does not allow to obtain high-quality welded joints that provide high performance properties of the parts.

Задача, решаемая предлагаемым способом, заключается в повышении качества сварных соединений, обеспечивающих высокие эксплуатационные свойства деталей, за счет совмещения стадии проковки с упрочняющей ультразвуковой обработкой.The problem solved by the proposed method is to improve the quality of welded joints, providing high performance properties of parts, by combining the forging stage with hardening ultrasonic treatment.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе линейной сварки трением деталей из титановых сплавов, включающем стадию нагрева, на которой заготовки прижимают друг к другу по контактным поверхностям с усилием, обеспечивающим давление процесса сварки стыка при заданной амплитуде и частоте относительного перемещения деталей вдоль их контактных поверхностей, и стадию проковки, осуществляемую после прекращения возвратно-поступательных перемещений деталей приложением давления проковки, в отличие от прототипа проковку детали проводят в два этапа: на первом этапе совмещают с ультразвуковой обработкой, которую проводят при частоте от 10 кГц до 100 кГц, а на втором этапе проковки процесс ультразвуковой обработки прекращают.The solution to this problem is achieved by the fact that in a linear friction welding of titanium alloy parts, comprising a heating step, in which the workpieces are pressed against each other along contact surfaces with a force that ensures the pressure of the joint welding process at a given amplitude and frequency of relative movement of parts along their contact surfaces, and the stage of forging, carried out after the cessation of the reciprocating movements of the parts by applying the pressure of the forging, in contrast to the prototype forging parts carried out in two stages: at the first stage they are combined with ultrasonic treatment, which is carried out at a frequency of 10 kHz to 100 kHz, and at the second stage of forging, the ultrasonic processing process is stopped.

Решение поставленной задачи достигается также тем, что в способе линейной сварки трением деталей из титановых сплавов величину давления процесса сварки берут равной от 30 МПа до 180 МПа, время от 0,3 с до 6 с, амплитуду от 1 мм до 3 мм и частоту от 40 до 80 Гц, а на первом и втором этапах проковки величину давления задают от 160 МПа до 320 МПа, причем время первого этапа проковки берут от 0,1 с до 1,5 с, а время второго этапа проковки берут от 0,2 с до 2 с, при этом возможны следующие варианты способа: возвратно-поступательное перемещение деталей осуществляют с интервалом времени их остановки от 0,05 с до 0,3 с; в качестве свариваемых деталей из титановых сплавов используют перо лопатки и диск турбомашины.The solution of this problem is also achieved by the fact that in the method of linear friction welding of parts made of titanium alloys, the pressure of the welding process is taken from 30 MPa to 180 MPa, time from 0.3 s to 6 s, amplitude from 1 mm to 3 mm and frequency from 40 to 80 Hz, and in the first and second stages of forging, the pressure is set from 160 MPa to 320 MPa, and the time of the first stage of forging is taken from 0.1 s to 1.5 s, and the time of the second stage of forging is taken from 0.2 s up to 2 s, while the following options are possible: reciprocating movement of parts is carried out with the time interval for their stop from 0.05 s to 0.3 s; as welded parts from titanium alloys, a feather blade and a turbomachine disk are used.

Решение поставленной задачи достигается также тем, что в способе линейной сварки трением деталей из титановых сплавов коэффициент удельной подводимой мощности при сварке деталей турбомашин выбирают от 2,2 кВт до 3,2 кВт.The solution to this problem is also achieved by the fact that in the method of linear friction welding of parts made of titanium alloys, the specific input power coefficient for welding parts of turbomachines is selected from 2.2 kW to 3.2 kW.

Решение поставленной задачи достигается также тем, что в способе линейной сварки трением деталей из титановых сплавов нагрев осуществляют в температурном интервале сверхпластичности металла одной из заготовок.The solution to this problem is also achieved by the fact that in the linear friction welding method of parts made of titanium alloys, heating is carried out in the temperature range of the superplasticity of the metal of one of the workpieces.

В процессе возвратно-поступательного движения деталей подлежащие свариванию поверхности прижимаются для образования плотного контакта. Генерируемая в плоскости сварки теплота способствует пластической деформации приповерхностных объемов свариваемых материалов деталей. В процессе сварки вязко-пластичные слои металла перемещаются к границам свариваемой поверхности. При этом происходит удаление окислов и загрязнений, которые могут присутствовать в зоне сварки. Короткая длительность процесса сварки (несколько секунд) обеспечивает малую зону термического влияния. Для обеспечения точности сварки необходимо предусматривать мероприятия для устранения перекосов и погрешностей расположения свариваемых поверхностей. Процесс формирования сварного шва достаточно сложен и определяется трибологическими свойствами контакта, особенностями протекания процессов внутреннего трения и пластической деформации, а также физико-химическими и металлургическими аспектами.During the reciprocating movement of the parts, the surfaces to be welded are pressed to form a tight contact. Heat generated in the welding plane promotes plastic deformation of the surface volumes of the materials to be welded. During the welding process, the visco-plastic layers of the metal move to the boundaries of the surface being welded. This removes oxides and contaminants that may be present in the weld zone. The short duration of the welding process (several seconds) provides a small area of thermal influence. To ensure the accuracy of welding, it is necessary to provide measures to eliminate distortions and errors in the location of the surfaces to be welded. The process of forming a weld is quite complicated and is determined by the tribological properties of the contact, the features of the processes of internal friction and plastic deformation, as well as physico-chemical and metallurgical aspects.

Для осуществления интенсивного нагрева поверхностей стыка соединяемых заготовок, а также для качественного удаления загрязнений и окислов из зоны контакта необходимо производить подвод значительной энергии, которая определяется, при прочих равных условиях, частотой и амплитудой возвратно-поступательного движения заготовок, а также усилием их прижатия. При этом одна и та же величина подводимой энергии может быть получена при различном сочетании указанных параметров процесса сварки и свойства сварного соединения во всех этих случаях будут различаться.In order to carry out intensive heating of the junction surfaces of the joined workpieces, as well as to remove contaminants and oxides from the contact zone, it is necessary to supply significant energy, which is determined, ceteris paribus, by the frequency and amplitude of the reciprocating motion of the workpieces, as well as by the force of their pressing. In this case, the same amount of input energy can be obtained with a different combination of the indicated parameters of the welding process and the properties of the welded joint in all these cases will differ.

Первые стадии нагрева места стыка деталей требуют интенсивного нагрева и значительных амплитуд для удаления загрязнений через флеш. Так, например, диапазон амплитуд от 1 мм до 2 мм недостаточен для удаления загрязнений и окислов из зоны контакта деталей. В то же время качественное удаление загрязнений и окислов происходит при амплитудах от 3 мм до 5 мм.The first stages of heating the junction of parts require intensive heating and significant amplitudes to remove contaminants through a flash. So, for example, the range of amplitudes from 1 mm to 2 mm is not enough to remove contaminants and oxides from the contact zone of parts. At the same time, high-quality removal of contaminants and oxides occurs at amplitudes from 3 mm to 5 mm.

В то же время для более качественного формирования шва с меньшими значениями остаточных напряжений и дефектов более целесообразен плавный переход от стадии нагрева к стадии проковки.At the same time, for a better weld formation with lower residual stresses and defects, a more smooth transition from the heating stage to the forging stage is more appropriate.

Так, при сварке известным способом титановых сплавов, таких, например, как Ti-6Al-4V, в зоне центра сварки микроструктура из первоначальной бимодальной α-β, а в процессе трения полностью переходит в однофазную β-структуру. Измерение температуры в процессе сварки показало, что в зоне сварки она превышает 1100°C, т.е. превышает температуру β-перехода в 995°C. В зоне сварки существенно уменьшается размер зерна: он составляет от 3,8 до 5,3 мкм против 12,5 мкм в исходном материале. Исследование характера и величин остаточных напряжений и деформаций после сварки сплава Ti-6Al-4V показало, что изменение деформаций и напряжений максимально в направлении нормали к поверхности сварного шва.So, when welding in a known manner titanium alloys, such as, for example, Ti-6Al-4V, in the zone of the welding center, the microstructure is from the initial bimodal α-β, and in the process of friction completely passes into a single-phase β-structure. Temperature measurement during the welding process showed that in the welding zone it exceeds 1100 ° C, i.e. exceeds the β-transition temperature of 995 ° C. In the welding zone, the grain size is significantly reduced: it is from 3.8 to 5.3 μm versus 12.5 μm in the starting material. The study of the nature and values of residual stresses and strains after welding of the Ti-6Al-4V alloy showed that the change in strains and stresses is maximum in the direction normal to the surface of the weld.

Кроме того, применение упрочняющей ультразвуковой обработки позволяет значительно повысить эксплуатационные свойства сварного соединения. Благодаря одновременному применению дополнительного воздействия на материал электромагнитными импульсами с ультразвуковой частотой 10-100 кГц, на поверхности контакта свариваемых деталей создаются зоны повышенного давления, обеспечивающего дополнительное уплотнение шва и оптимальное избыточное давление в материале, необходимое для эффективного перемешивания материала в замкнутом объеме и удаления загрязнений. В результате получается более плотный однородный шов по всему сечению. Воздействие ультразвуковых импульсов на дефектную структуру формируемого стыка приводит к дополнительному локальному тепловому воздействию, особенно интенсивно проявляющемуся в области его структурных дефектов. Это приводит к значительной интенсификации процессов восстановления структуры материала в областях с повышенной плотностью дефектов, которые протекают без перегрева основной массы металла обрабатываемой детали. Кроме того, дополнительным преимуществом от использования ультразвуковых импульсов является эффект упрочнения.In addition, the use of hardening ultrasonic treatment can significantly improve the operational properties of the welded joint. Due to the simultaneous use of additional exposure to the material with electromagnetic pulses with an ultrasonic frequency of 10-100 kHz, high pressure zones are created on the contact surface of the parts to be welded, providing additional sealing of the seam and optimal overpressure in the material necessary for efficient mixing of the material in a closed volume and removal of contaminants. The result is a denser, uniform seam throughout the section. The effect of ultrasonic pulses on the defective structure of the formed joint leads to an additional local thermal effect, which is especially intense in the region of its structural defects. This leads to a significant intensification of the processes of restoring the structure of the material in areas with increased density of defects that occur without overheating of the bulk of the metal of the workpiece. In addition, the hardening effect is an additional advantage of using ultrasonic pulses.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими схемами и графиками (фиг.1-6). Фиг.1-6 содержат: свариваемый образец 1, плоскости контакта 2, свариваемый образец 3, зависимость предела текучести от температуры 4, точка Р2 для нарастающей силы 5, точка Р1 для нарастающей силы 6, точка Р1 для постоянной во времени силы 7 (Lx, Ly, Lz - линии, проходящие через геометрический центр О контактирующей плоскости 2; F - прижимная сила; Ox, Oy, Oz - оси координат; Р1 - точка, расположенная в геометрическом центре поверхности контакта, Р3 и Р4 - точки, соответствующие смещению в вертикальном направлении относительно точки Р1 на один и два элемента соответственно, Р2 соответствует центру ребра, лежащего в плоскости контакта и перпендикулярного направлению движения; стрелки, направленные навстречу друг другу, - направление движения образцов).The invention is illustrated by the following diagrams and graphs (Fig.1-6). Figures 1-6 contain: a welded sample 1, a contact plane 2, a welded sample 3, the dependence of yield strength on temperature 4, point P2 for increasing force 5, point P1 for increasing force 6, point P1 for time-constant force 7 (Lx , Ly, Lz are the lines passing through the geometric center O of the contacting plane 2; F is the clamping force; Ox, Oy, Oz are the coordinate axes; P1 is the point located in the geometric center of the contact surface, P3 and P4 are the points corresponding to the displacement in vertical direction relative to point P1 by one and two elements, respectively GOVERNMENTAL, P2 corresponds to the center rib lying in the contact plane and perpendicular to the direction of travel arrows pointing towards each other, - the direction of motion of the samples).

На фиг.1-6 представлены: фиг.1 - схема задания контрольных линий для определения распределения температуры; фиг.2 - неравномерная разметочная сетка; фиг.3 - расположение контрольных точек Р1, Р2, Р3, Р4; фиг.4 - зависимость температуры в контрольных точках от времени (а - Р1, б - Р2, в - Р3, г - Р4,); фиг.5 - зависимость напряжения в контрольных точках от времени (а - Р1, б - Р2, в - Р3, г - Р4,); фиг.6 - зависимость напряжения от температуры.Figure 1-6 presents: figure 1 - diagram of the control lines for determining the temperature distribution; figure 2 - uneven marking grid; figure 3 - location of control points P1, P2, P3, P4; figure 4 - the dependence of temperature at control points on time (a - P1, b - P2, c - P3, g - P4,); figure 5 - the dependence of the voltage at the control points on time (a - P1, b - P2, c - P3, g - P4,); 6 is a dependence of voltage on temperature.

Для оценки влияния параметров процесса сварки были проведены следующие исследования. Вначале были проанализированы наиболее важные для процесса линейной сварки трением факторы:To assess the influence of welding process parameters, the following studies were carried out. First, the most important factors for the linear friction welding process were analyzed:

1. Из-за высоких механических нагрузок (прижимное усилие образцов при сварке) приводит к появлению больших напряжений;1. Due to high mechanical loads (clamping force of the samples during welding) leads to the appearance of high stresses;

2. Скорость нагрева в результате трения является высокой (порядка 700 K за 1 с), что приводит к появлению больших градиентов температур (нагрев происходит значительно быстрее, чем перераспределение тепла за счет теплопроводности образца);2. The heating rate as a result of friction is high (of the order of 700 K per 1 s), which leads to the appearance of large temperature gradients (heating occurs much faster than redistribution of heat due to the thermal conductivity of the sample);

3. Задача является трехмерной и единственной симметрией является зеркальная симметрия относительно вертикальной плоскости, параллельной направлению движения образцов, что позволяет уменьшить количество элементов только вдвое. Расчет нельзя свести к плоской задаче.3. The problem is three-dimensional and the only symmetry is mirror symmetry with respect to a vertical plane parallel to the direction of movement of the samples, which allows to reduce the number of elements only by half. Calculation cannot be reduced to a flat task.

Моделирование проводили на мелкой трехмерной сетке (с большим количеством элементов) и с малым шагом по времени (большое количество интервалов для небольшого промежутка времени). Для анализа полученных результатов были выбраны следующие линии: Lx, Ly, Lz - линии, проходящие через геометрический центр О контактирующей плоскости 2 (фиг.1). По этим линиям был получен характер распределения температуры во времени вдоль направления движения образца 1, в направлении действия прижимной силы F и в направлении, перпендикулярном движению образца 1 и прижимной силы F. Неравномерная сетка, используемая для дальнейших расчетов, показана на фиг.2.Modeling was carried out on a fine three-dimensional grid (with a large number of elements) and with a small time step (a large number of intervals for a short period of time). To analyze the results, the following lines were selected: Lx, Ly, Lz — lines passing through the geometric center O of the contacting plane 2 (Fig. 1). The nature of the temperature distribution over time along the direction of motion of sample 1, in the direction of action of the clamping force F and in the direction perpendicular to the movement of sample 1 and clamping force F. The uneven grid used for further calculations is shown in Fig. 2.

Дальнейшие расчеты проводились для двух случаев: когда прижимная нагрузка F во время всего процесса постепенно нарастает и прикладывается постоянная сила (фиг.2). Исследования показали, что температура вблизи плоскости контакта 2 в результате трения образцов 1 и 3 возрастает от комнатной температуры до 886°C. Распределение температур в плоскости xOz останется более или менее равномерным в области постоянного контакта 2 и снижается на концах образцов 1 и 3 вдоль оси движения из-за непостоянного контакта этих областей. Во время отсутствия контакта в этих крайних областях прекращается нагрев за счет трения и происходит охлаждение за счет переноса тепла вдоль вертикальной оси (т.к. градиент температур вдоль оси Оу значительно выше, чем вдоль оси Ох, то дополнительный нагрев за счет более теплых областей вдоль Ox не компенсируется охлаждением за счет более холодных областей вдоль оси Оу). Со временем происходит нагрев областей вдали от поверхности контакта 2 за счет теплопереноса вглубь образцов 1 и 3, однако за время моделирования (0,5 с) область нагрева меняется незначительно и остается в пределах узкой предконтактной области. Распределение напряжений концентрируется вблизи поверхности контакта 2 для верхнего образца 1 и равномерно распределяется в объеме второго образца 3. На нижней плоскости нижнего образца 3 возникают сильные напряжения (в результате фиксации этой плоскости).Further calculations were carried out for two cases: when the pressing load F gradually increases during the whole process and a constant force is applied (Fig. 2). Studies have shown that the temperature near contact plane 2 as a result of friction of samples 1 and 3 increases from room temperature to 886 ° C. The temperature distribution in the xOz plane will remain more or less uniform in the region of constant contact 2 and decreases at the ends of samples 1 and 3 along the axis of motion due to the non-constant contact of these regions. During the absence of contact in these extreme regions, heating due to friction ceases and cooling occurs due to heat transfer along the vertical axis (since the temperature gradient along the Oy axis is much higher than along the Ox axis, additional heating due to warmer regions along Ox is not compensated by cooling due to colder regions along the Oy axis). Over time, the regions away from the contact surface 2 are heated due to the heat transfer deep into samples 1 and 3, however, during the simulation (0.5 s), the heating region changes insignificantly and remains within the narrow precontact region. The stress distribution is concentrated near the contact surface 2 for the upper sample 1 and is evenly distributed in the volume of the second sample 3. Strong stresses arise on the lower plane of the lower sample 3 (as a result of fixing this plane).

Для контроля значений для поля температур и поля напряжений от времени выберем контрольные точки: Р1 - расположенную в геометрическом центре поверхности контакта, Р3 и Р4 - точки, соответствующие смещению в вертикальном направлении относительно точки Р1 на один и два элемента соответственно, Р2 соответствует центру ребра, лежащего в плоскости контакта и перпендикулярного направлению движения (фиг.3). Зависимость температуры в контрольных точках от времени показана на фигуре 4. В точке Р2, где контакт сохраняется только половину периода, температура в среднем растет, но в течение периода есть промежутки нагрева и остывания. В центре плоскости контакта рост температуры со временем становится более равномерным. Незначительные колебания могут быть объяснены наличием градиента температуры в направлении Ох, где граничные точки испытывают сильные перепады температуры (например, точка Р2). При переходе вглубь образца относительно точки Р1 (т.е. к точкам Р3 и Р4) колебания температуры затухают и зависимость становится равномерно и монотонно возрастающей. Результаты для значений поля напряжений в различных точках вблизи поверхности контакта представлены на фигуре 5. Значительный перепад напряжений в точке Р2 объясняется наличием периодов времени, когда контакта со вторым образцом нет. В среднем напряжения во всех точках монотонно и линейно возрастают в соответствии с ростом прижимной силы. Основным результатом моделирования линейной сварки трением для второй фазы (переход от упругой деформации к пластической) является точное определение момента времени, когда появляются пластические деформации. Критерием является определение предела текучести - значения напряжения в элементе образца, когда появляется остаточная деформация. Предел текучести сильно зависит от температуры, что наблюдается в экспериментах по определению предела текучести (фиг.6, линия 4).To control the values for the temperature and stress fields from time to time, we select the control points: P1 - located in the geometric center of the contact surface, P3 and P4 - points corresponding to the displacement in the vertical direction relative to the point P1 by one and two elements, respectively, P2 corresponds to the center of the rib, lying in the plane of contact and perpendicular to the direction of movement (figure 3). The temperature dependence of the control points on time is shown in Figure 4. At point P2, where the contact remains only half the period, the temperature rises on average, but during the period there are intervals of heating and cooling. In the center of the contact plane, the temperature increase with time becomes more uniform. Slight fluctuations can be explained by the presence of a temperature gradient in the direction Ox, where the boundary points experience strong temperature changes (for example, point P2). When moving deeper into the sample relative to the point P1 (i.e., to the points P3 and P4), the temperature fluctuations decay and the dependence becomes uniformly and monotonically increasing. The results for the stress field values at various points near the contact surface are presented in Figure 5. The significant voltage drop at point P2 is explained by the presence of time periods when there is no contact with the second sample. On average, stresses at all points monotonously and linearly increase in accordance with the increase in downforce. The main result of modeling linear friction welding for the second phase (the transition from elastic to plastic deformation) is the exact determination of the time when plastic deformations appear. The criterion is the determination of the yield strength - the stress value in the sample element when residual deformation appears. The yield strength is highly dependent on temperature, which is observed in experiments to determine the yield strength (Fig.6, line 4).

В процессе моделирования авторами были получены зависимости напряжений от температуры в различных точках образца и для различного характера приложения прижимной силы (фиг.6): для нарастающей силы (линия 5 - точка Р2, линия 6 - точка Р1) и для постоянной во времени силы (линия 7 - точка Р1). Как видно из графика (фиг.6), предел текучести достигается в точках в плоскости контакта для температуры порядка 1040 K. Причем пластичность в граничных точках достигается раньше, чем вблизи центра плоскости контакта, но данный переход не является устойчивым (из-за резких колебаний напряжений в граничной области).In the process of modeling, the authors obtained the dependence of stresses on temperature at various points of the sample and for different types of application of downforce (Fig. 6): for increasing force (line 5 - point P2, line 6 - point P1) and for a constant force in time ( line 7 - point P1). As can be seen from the graph (Fig.6), the yield strength is reached at points in the contact plane for a temperature of the order of 1040 K. Moreover, the plasticity at the boundary points is reached earlier than near the center of the contact plane, but this transition is not stable (due to sharp fluctuations stresses in the boundary region).

Способ осуществляется следующим образом. На собранные встык и зафиксированные соединяемые детали устанавливают одно из известных устройств для линейной сварки трением [например, патент РФ №2280546, МПК B23K 20/12. Инструмент для фиксации лопаток и его применение для сварки лопаток трением. Опубл. 27.07.2006 г. Бюл. №21]. Затем задают требуемое усилие прижатия, выбирая его из диапазона значений от 160 МПа до 320 МПа, устанавливают требуемые значения стадии нагрева, усилия проковки и параметров ультразвуковой обработки первого этапа проковки, которые выбирают из диапазона частот от 10 кГц до 100 кГц. Причем время первого этапа берут от 0,1 с до 1,5 с, а время второго этапа берут от 0,2 с до 2 с, а интервал времени остановки возвратно-поступательных перемещений деталей составляет от 0,05 с до 0,3 с. Затем включают сварочное устройство, запрограммированное согласно выбранным параметрам процесса, и производят весь цикл сварки с упрочняющей ультразвуковой обработкой.The method is as follows. One of the known devices for linear friction welding [for example, RF patent No. 2280546, IPC B23K 20/12 is installed on assembled butt and fixed connected parts. Tool for fixing the blades and its use for welding the blades by friction. Publ. July 27, 2006 Bull. No. 21]. Then, the required pressing force is set, choosing it from the range of values from 160 MPa to 320 MPa, the required values of the heating stage, the forging force and the ultrasonic processing parameters of the first forging stage are selected, which are selected from the frequency range from 10 kHz to 100 kHz. Moreover, the time of the first stage is taken from 0.1 s to 1.5 s, and the time of the second stage is taken from 0.2 s to 2 s, and the time interval for stopping the reciprocating movements of parts is from 0.05 s to 0.3 s . Then include a welding device programmed according to the selected process parameters, and produce the entire welding cycle with hardening ultrasonic treatment.

Пример. С целью оценки эксплуатационных свойств деталей из титановых сплавов (ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22), полученных по предлагаемому способу и способу-прототипу, были проведены следующие исследования. Были изготовлены две партии лопаток. Первая партия лопаток изготавливалась по способу-прототипу, а вторая - в соответствии с предлагаемым способом.Example. In order to assess the operational properties of parts made of titanium alloys (VT6, VT14, VT3-1, VT22) obtained by the proposed method and the prototype method, the following studies were carried out. Two batches of blades were made. The first batch of blades was made by the prototype method, and the second - in accordance with the proposed method.

Линейную сварку трением деталей по способу-прототипу осуществляли по следующим режимам. Амплитуда: 3 мм (неудовлетворительный результат (Н.Р.)); 4 мм (Н.Р.); 5 мм (Н.Р.). Частота: 15 Гц (Н.Р.); 30 Гц (Н.Р.); 45 Гц (Н.Р.); 60 Гц (Н.Р.); 70 Гц (Н.Р.). Величина давления процесса сварки: 30 МПа (Н.Р.); 60 МПа (Н.Р.); 120 МПа (Н.Р.); 180 МПа (Н.Р.). Величина давления проковки: 160 МПа (Н.Р.); 260 МПа (Н.Р.); 320 МПа (Н.Р.).Linear friction welding of parts according to the prototype method was carried out according to the following modes. Amplitude: 3 mm (unsatisfactory result (N.R.)); 4 mm (N.R.); 5 mm (N.R.). Frequency: 15 Hz (N.R.); 30 Hz (N.R.); 45 Hz (N.R.); 60 Hz (N.R.); 70 Hz (N.R.). The pressure of the welding process: 30 MPa (N.R.); 60 MPa (N.R.); 120 MPa (N.R.); 180 MPa (N.R.). Forging pressure value: 160 MPa (N.R.); 260 MPa (N.R.); 320 MPa (N.R.).

Линейную сварку трением деталей по предлагаемому способу осуществляли по следующим режимам. Этап нагрева: амплитуда: 0,8 мм (неудовлетворительный результат (Н.Р.)); 1 мм; 2 мм; 3 мм; 4 мм (Н.Р.). Частота: 35 Гц (Н.Р.); 140 Гц; 50 Гц; 60 Гц; 80 Гц; 85 Гц (Н.Р.). Величина давления процесса сварки: 26 МПа (Н.Р.); 30 МПа; 60 МПа; 120 МПа; 180 МПа; 190 МПа (Н.Р.). Время: 0,2 с (Н.Р.); 0,3 с; 6 с; 7 с (Н.Р.). Время остановки возвратно-поступательных перемещений заготовок составляло 0,03 с (Н.Р.); 0,05 с; 0,3 с; 0,4 с. (Н.Р.). Величина давления проковки: 150 МПа (Н.Р.); 160 МПа; 260 МПа; 320 МПа; 330 МПа (Н.Р.). Параметры процесса ультразвуковой обработки: 10 кГц до 100 кГц, 8 кГц (Н.Р.); 10 кГц; 30 кГц; 60 кГц; 100 кГц; 110 кГц (Н.Р.).Linear friction welding of parts according to the proposed method was carried out according to the following modes. Heating step: amplitude: 0.8 mm (unsatisfactory result (N.R.)); 1 mm; 2 mm; 3 mm; 4 mm (N.R.). Frequency: 35 Hz (N.R.); 140 Hz; 50 Hz; 60 Hz; 80 Hz; 85 Hz (N.R.). The pressure of the welding process: 26 MPa (N.R.); 30 MPa; 60 MPa; 120 MPa; 180 MPa; 190 MPa (N.R.). Time: 0.2 s (N.R.); 0.3 s; 6 s; 7 s (N.R.). The stopping time of the reciprocating movements of the workpieces was 0.03 s (N.R.); 0.05 s; 0.3 s; 0.4 sec (N.R.). Forging pressure value: 150 MPa (N.R.); 160 MPa; 260 MPa; 320 MPa; 330 MPa (N.R.). The parameters of the ultrasonic processing process: 10 kHz to 100 kHz, 8 kHz (N.R.); 10 kHz; 30 kHz; 60 kHz; 100 kHz; 110 kHz (N.R.).

Коэффициент удельной подводимой мощности PI брался равным 2,0 кВт (Н.Р.); 2,2 кВт; 2,6 кВт; 3,2 кВт; 3,4 кВт (Н.Р.). Коэффициент удельной подводимой мощности PI определялся по формуле:The coefficient of specific input power PI was taken equal to 2.0 kW (N.R.); 2.2 kW; 2.6 kW; 3.2 kW; 3.4 kW (N.R.). The specific power input factor PI was determined by the formula:

где а - амплитуда, f - частота, Р - давление трения, А - площадь поверхности сварки, k₁ - коэффициент, учитывающий геометрию сечений контактных поверхностей (для лопаток k₁ брался равным: 1,03 (Н.Р.); 1,04; 1,06; 1,08; 1,09 (Н.Р.)), k₂ - коэффициент, учитывающий изменение условий теплоотвода от контактных поверхностей (для контакта типа блиск k₂ брался равным: 1,01 (Н.Р.); 1,02; 1,03; 1,06; 1,07 (Н.Р.)).where a is the amplitude, f is the frequency, P is the friction pressure, A is the surface area of the weld, k ₁ is a coefficient taking into account the geometry of the sections of the contact surfaces (for blades k _{1 was} taken to be: 1.03 (N.R.); 1, 04; 1.06; 1.08; 1.09 (N.R.)), k ₂ - coefficient taking into account the change in the conditions of heat removal from the contact surfaces (for blisk type contact, k _{2 was} taken to be 1.01 (N.R. .); 1.02; 1.03; 1.06; 1.07 (N.R.)).

Нагрев в предлагаемом способе линейной сварки трением осуществлялся также в температурном интервале сверхпластичности металла одной из заготовок (параметры процессов сварки которых для приведенных выше титановых сплавов являются ноу-хау). ((Н.Р.) означает появление технологических дефектов в сварном соединении или низкие эксплуатационные свойства.)Heating in the proposed method of linear friction welding was also carried out in the temperature range of the superplasticity of the metal of one of the workpieces (the welding process parameters for which are titanium alloys are know-how). ((N.R.) means the appearance of technological defects in the welded joint or low performance properties.)

Испытания, проведенные на выносливость и циклическую прочность лопаток из титановых сплавов в условиях эксплуатационных температур (при 300-450°C) на воздухе, показали, что условный предел выносливости (σ₁) лопаток в среднем составляет по способу-прототипу 290-325 МПа (Н.Р.), а по предлагаемому способу 425-440 МПа.Tests carried out on the endurance and cyclic strength of titanium alloy blades at operating temperatures (at 300-450 ° C) in air showed that the average endurance limit (σ ₁ ) of the blades on average is 290-325 MPa according to the prototype method ( N.R.), and according to the proposed method, 425-440 MPa.

Повышение предела выносливости у лопаток, полученных сваркой по предлагаемому способу, указывает на то, что при применении одного из следующих вариантов проведения линейной сварки трением: стадия нагрева, на которой заготовки прижимают друг к другу по контактным поверхностям с усилием, обеспечивающим давление процесса сварки стыка при заданной амплитуде и частоте относительного перемещения заготовок вдоль их контактных поверхностей, и стадия проковки, осуществляемая после прекращения возвратно-поступательных перемещений заготовок приложением давления проковки; проведение проковки детали в два этапа: на первом этапе совмещают с ультразвуковой обработкой, которую проводят при частоте от 10 кГц до 100 кГц, а на втором этапе проковки процесс ультразвуковой обработки прекращают; использование величины давления процесса сварки от 30 МПа до 180 МПа, времени от 0,3 с до 6 с, амплитуды от 1 мм до 3 мм и частоты от 40 до 80 Гц; использование на первом и втором этапах проковки давления от 160 МПа до 320 МПа при времени первого этапа проковки от 0,1 с до 1,5 с и времени второго этапа проковки от 0,2 с до 2 с; возвратно-поступательное перемещение заготовок осуществляют с интервалом времени их остановки от 0,05 с до 0,3 с; в качестве свариваемых заготовок из титановых сплавов используют перо лопатки и диск турбомашины; коэффициент удельной подводимой мощности при сварке деталей турбомашин выбирают от 2,2 кВт до 3,2 кВт; осуществление нагрева в температурном интервале сверхпластичности металла одной из заготовок, - решается поставленная в предлагаемом техническом решении задача - повысить качество сварных соединений и обеспечить высокие эксплуатационные свойства деталей за счет совмещения стадии проковки с упрочняющей ультразвуковой обработкой.An increase in the endurance limit for blades obtained by welding by the proposed method indicates that when applying one of the following linear friction welding options: a heating stage, in which the workpieces are pressed against each other along contact surfaces with a force that ensures the pressure of the joint welding process at the given amplitude and frequency of the relative movement of the workpieces along their contact surfaces, and the stage of forging, carried out after the termination of the reciprocating movements of the workpieces Appendix forging pressure; forging parts in two stages: at the first stage they are combined with ultrasonic processing, which is carried out at a frequency of 10 kHz to 100 kHz, and at the second stage of forging, the ultrasonic processing process is stopped; using the pressure of the welding process from 30 MPa to 180 MPa, time from 0.3 s to 6 s, amplitude from 1 mm to 3 mm and frequencies from 40 to 80 Hz; use at the first and second stages of forging pressure from 160 MPa to 320 MPa at a time of the first stage of forging from 0.1 s to 1.5 s and time of the second stage of forging from 0.2 s to 2 s; reciprocating movement of the workpieces is carried out with an interval of time for their stop from 0.05 s to 0.3 s; as welded blanks from titanium alloys, a feather blade and a turbomachine disk are used; the coefficient of specific input power when welding parts of turbomachines is chosen from 2.2 kW to 3.2 kW; the implementation of heating in the temperature range of the superplasticity of the metal of one of the billets, - the task set in the proposed technical solution is solved - to improve the quality of welded joints and to ensure high performance properties of parts by combining the forging stage with hardening ultrasonic treatment.

Claims

1. Способ линейной сварки трением деталей из титановых сплавов, включающий стадию нагрева, на которой детали прижимают друг к другу по контактным поверхностям с усилием, обеспечивающим давление процесса сварки стыка при заданной амплитуде и частоте относительного перемещения деталей вдоль их контактных поверхностей, и стадию проковки, осуществляемую после прекращения возвратно-поступательных перемещений деталей приложением давления проковки, отличающийся тем, что проковку детали проводят в два этапа, при этом на первом этапе ее совмещают с ультразвуковой обработкой, которую проводят при частоте от 10 до 100 кГц, а на втором этапе проковки процесс ультразвуковой обработки прекращают.1. A method of linear friction welding of parts made of titanium alloys, including a heating stage, in which the parts are pressed against each other along the contact surfaces with a force that provides pressure to the joint welding process at a given amplitude and frequency of relative movement of the parts along their contact surfaces, and the forging stage, carried out after the cessation of the reciprocating movements of the parts by application of the forging pressure, characterized in that the forging of the part is carried out in two stages, while at the first stage it is combined ayut with ultrasound treatment, which is carried out at a frequency of 10 to 100 kHz, and the second stage forging process of ultrasonic treatment is stopped.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину давления процесса сварки берут равной от 30 до 180 МПа, время от 0,3 до 6 с, амплитуду от 1 до 3 мм и частоту от 40 до 80 Гц, на первом и втором этапах проковки величину давления задают от 160 до 320 МПа, причем время первого этапа проковки берут от 0,1 до 1,5 с, а время второго этапа проковки берут от 0,2 до 2 с.2. The method according to claim 1, characterized in that the pressure of the welding process is taken equal to from 30 to 180 MPa, the time is from 0.3 to 6 s, the amplitude is from 1 to 3 mm and the frequency is from 40 to 80 Hz, at the first and in the second stages of forging, the pressure value is set from 160 to 320 MPa, the time of the first stage of forging is taken from 0.1 to 1.5 s, and the time of the second stage of forging is taken from 0.2 to 2 s.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что возвратно-поступательное перемещение заготовок осуществляют с интервалом времени их остановки от 0,05 до 0,3 с.3. The method according to claim 2, characterized in that the reciprocating movement of the workpieces is carried out with an interval of time for their stop from 0.05 to 0.3 s.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве свариваемых деталей из титановых сплавов используют перо лопатки и диск турбомашины.4. The method according to claim 3, characterized in that as the parts to be welded from titanium alloys, a feather blade and a disk of a turbomachine are used.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что коэффициент удельной подводимой мощности при сварке деталей турбомашины выбирают от 2,2 до 3,2 кВт.5. The method according to claim 4, characterized in that the ratio of the specific input power when welding parts of a turbomachine is selected from 2.2 to 3.2 kW.

6. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что нагрев осуществляют в температурном интервале сверхпластичности металла одной из деталей.6. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the heating is carried out in the temperature range of the superplasticity of the metal of one of the parts.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что нагрев осуществляют в температурном интервале сверхпластичности металла одной из деталей. 7. The method according to claim 5, characterized in that the heating is carried out in the temperature range of the superplasticity of the metal of one of the parts.