CC BY
0
DOI: 10.24412/2077-8481-2024-1-5-13 УДК 621.791
А. А. БУРИН
A. И. ПОБОЛЬ
B. Г. ЗАЛЕССКИЙ, д-р физ.-мат. наук И. Л. ПОБОЛЬ, д-р техн. наук, проф.
Физико-технический институт НАН Беларуси (Минск, Беларусь)
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА КУЛАКОВ ШАРНИРА РАВНЫХ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ АВТОМОБИЛЕЙ
Аннотация
Изучена возможность соединения с применением электронно-лучевой сварки элементов кулаков шарнира равных угловых скоростей, изготовленных из трудно свариваемой стали 40Х. Выявлены структурные особенности материала соединения при проведении сварки «холодного» изделия и с предварительным нагревом материала свариваемой детали. Проведены стендовые испытания на статическую прочность при кручении партии изготовленных изделий.
Ключевые слова:
электронно-лучевая сварка, шарнир равных угловых скоростей, структура, статическая прочность. Для цитирования:
Электронно-лучевая сварка кулаков шарнира равных угловых скоростей автомобилей / А. А. Бу-рин, А. И. Поболь, В. Г. Залесский, И. Л. Поболь // Вестник Белорусско-Российского университета. -2024. - № 1 (82). - С. 5-13.
Введение
Первые публикации о возможностях электронно-лучевой сварки (ЭЛС) появились в конце 1950-х гг. [1-3], с тех пор этот метод привлекает постоянное внимание и широко используется для получения надежных соединений в деталях из большинства сталей, металлов и их сплавов. ЭЛС применяется для изготовления ответственных изделий авиакосмического назначения, ядерной энергетики и др. Появляются все новые применения этого практически неисчерпаемого метода высокоэнергетического воздействия. ЭЛС используется в «зеленой» энергетике, незаменима, в частности, при изготовлении деталей большой толщины в ветрогенераторах [4]. Нагрев материалов с использованием источни-
ков электронов накального и плазменного типов применяется для реализации широкого спектра технологий инженерии поверхности [5-7]. Огромный интерес проявляется к реализации аддитивных технологий выращивания изделий с использованием электронно-лучевого нагрева и исходного материала в виде порошка или проволоки, в том числе путем подачи в зону плавления проволок различного состава [8-10]. Применение именно электронного луча в качестве источника нагрева обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с другими вариантами аддитивных технологий (более высокие производительность процесса выращивания, качество материала полученной заготовки, возможность обрабатывать высокоактивные металлы и сплавы). Большое внимание
©о Бурин А. А., Поболь А. И., Залесский В. Г., Поболь И. Л., 2024
уделяется получению соединений разнородных материалов (в том числе с применением промежуточных материалов) путем ЭЛС.
Для сварки применяется электронный пучок с удельной мощностью 104..5108 Вт/см2; чем больше толщина металла, тем она должна быть выше [1-3]. Основными преимуществами метода ЭЛС являются возможность, благодаря обеспечению высокой плотности энергии, получения глубокого сварного шва (до 200 мм и более) с минимальной шириной, высокая скорость сварки. Соотношение глубины проплавления и ширины шва легко регулируется. Затраты погонной энергии для получения идентичной небольшой глубины шва при ЭЛС примерно в 5 раз меньше, чем при дуговой сварке. При повышении глубины разница еще более существенна. Из-за малого удельного тепловложения в материал удается максимально снизить и даже практически устранить деформацию изделия. Благодаря легкой повторяемости режимов сварки гарантируется стабильность качества соединения. Имеется возможность избежать роста размеров зерна расплавленного металла в шве. Свойства сварных соединений при ЭЛС этих сталей в значительной степени определяются параметрами сварочного термического цикла: скоростью нагрева и охлаждения металла, длительностью пребывания выше температуры интенсивного роста зерна.
В последние годы ЭЛС все активнее используется для изготовления изделий основного производства машиностроительных предприятий страны (в ОАО «МТЗ», ОАО «БЕЛАЗ», ОАО «Амкодор», ОАО «МЗКТ», УП «Минотор Сервис», ОАО «УКХ «БКМ» и др.). Применяется ЭЛС также при изготовлении ряда элементов эндопротезов тазобедренного сустава в ЗАО «Ал-тимед» [11]. Многолетним опытом применения изделий со сварными соединениями ЭЛС подтверждено обеспечение
равнопрочности с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном шве и зоне термического влияния.
Между тем получение с использованием ЭЛС соединений материалов, относящихся к трудно свариваемым, в том числе сталей с достаточно высоким содержанием углерода, приходится решать применительно к конкретным типам изделий совместно конструкторам, технологам предприятий и специалистам, использующим оборудование ЭЛС. Для предотвращения образования остаточных деформаций в процессе изготовления изделий с использованием сварки с минимизацией материальных и временных затрат применяется конечноэлементное моделирование напряженнодеформированного состояния деталей. Такой метод использован при создании с использованием ЭЛС новой конструкции сверхпроводящего резонатора из ниобия [12]. Следует признать, что и в случае ЭЛС, при которой можно организовать точный контроль всех технологических параметров процесса, выбор их окончательных значений для сварки новых изделий должен выполняться путем сочетания моделирования и проведения экспериментов.
Результаты исследований
Сотрудниками ФТИ НАН Беларуси и ОАО «МАЗ» опробовано использование электронно-лучевой сварки при изготовлении деталей «Кулак внутренний». Задачами работы являлись упрощение конструкции шарнира равных угловых скоростей (ШРУС), снижение массы детали, отработка получения надежного соединения в этих ответственных изделиях путем ЭЛС и стендовые испытания на статическую прочность при кручении партии изготовленных изделий.
Шарниры равных угловых скоростей служат для передачи крутящего момента от двигателя на колеса автомобиля. В ОАО «МАЗ» на основе анализа
возможностей создания с применением ЭЛС равнопрочных узлов из менее массивных (по сравнению с используемыми) заготовок разработана новая конструкция внутреннего кулака (рис. 1). ШРУС из стали 40Х ГОСТ 4543-2016 имеют длину 735 мм, диаметр детали в
зоне сварки 55 мм. Масса изделия новой конструкции 11,7 кг, что, по информации разработчика, на 17 % меньше массы кулака, изготавливаемого по применяемой технологии (14,2 кг). При выполнении ЭЛС требовалось обеспечить высокий уровень качества сварного шва.
Рис. 1. Эскиз внутреннего кулака новой конструкции
Широко используемая конструкционная сталь 40Х относится к группе трудно свариваемых, чувствительна к перепадам температур и образованию трещин, раковин и прочих дефектов. При проведении электронно-лучевой обработки в режиме скоростного нагрева с расплавлением металла в зоне сварного шва (длительность процесса передачи тепла в свариваемый металл при ЭЛС исследуемого ШРУС составляет порядка 10 с) температура остальной части заготовки практически не повышается и соответствует температуре окружающей среды. Такой вариант можно назвать сваркой «холодного» изделия. В результате после выключения источника нагрева (луча) имеются условия для реализации процесса самозакалки путем отвода тепла в холодную массу. В сварном шве стали 40Х при таких условиях формируются закалочные структуры с твердостью HV 560...750. Этот метод используется для закалки поверхности деталей машиностроения с получением слоев толщиной 0,2...1,7 мм [5, 6]. При проведении ЭЛС изделий из этой стали с получением швов глубиной 3 мм и более в сварном соединении образуются трещины.
Распространенным методом предотвращения дефектов при всех методах
сварки является предварительный нагрев детали. В случае традиционных методов сварки применяют нагрев заготовки газовой горелкой или в печи. Применение электронно-лучевого источника воздействия дает возможность нагревать все изделие до требуемой температуры благодаря возможности точного знания количества теплоты, передаваемой детали, путем контроля всех параметров электронно-лучевой обработки.
Проведение электронно-лучевой сварки
ЭЛС выполнялась в ФТИ НАН Беларуси на установке ЭЛУ^Б/PZ EB 2,5-15 (рис. 2) вертикально направляемым лучом. Кулаки шарнира размещались в горизонтальном положении в оснастке, скорость вращения деталей регулировалась. Рациональные режимы ЭЛС (мощность луча 6,3 кВт, расстояние от среза электронной пушки 450 мм до поверхности, ток фокусирования 750 мА, скорость перемещения зоны нагрева 10 мм/c) отработаны c использованием образцов-свидетелей, имитирующих зону выполнения сварки (рис. 3). ЭЛС выполнялась без разделки кромок и использования присадочных материалов.
Рис. 2. Установка ЭЛУ^Б/PZ EB 2,5-15
I Материал заготовок СтальЬОХ ГОСТ 4543-71
%
2.0бщие допуски по ГОСТ 30893.1, НК, /?/4, */7j-
Рис. 3. Эскиз образца-свидетеля
Предварительный подогрев детали в области свариваемого участка проводился развернутым расфокусированным электронным лучом. Луч - удобный в применении источник нагрева изделия непосредственно перед выполнением операции ЭЛС. Подогрев до заранее определенной температуры снижает скорость охлаждения материала в зоне соединения и предотвращает формирование в стали закалочных структур.
а)
Металлографические и микродюрометрические исследования зоны соединения
Внешний вид шва ЭЛС приведен на рис. 4, а. Методом эрозионного разрезания проволокой с последующим шлифованием и полированием изготовлены шлифы образцов в направлении, поперечном сварному шву (фото поперечного сечения участка в районе сварного шва показано на рис. 4, б).
б)
Рис. 4. Шов ЭЛС (х 3): а - внешний вид; б - поперечное сечение
В соединении выделяются непосредственно сварной шов (его границы соответствуют более темным участкам) и зона термического влияния (примыкающие к шву более светлые участки). Сварной шов включает верхнюю расширенную часть и зону проплавления со стенками, близкими к параллельным. Глубина сварного шва (определялась на поперечном шлифе образца-свидетеля) составляла 18 мм. Его ширина в верхней части шва равна 8 мм и 1,5...0,8 мм -в средней и нижней.
На рис. 5 показаны профили микротвердости материала сварного соединения. Приведенные значения получены
при измерении вдоль линии, параллельной поверхности, на расстоянии 5,5 и 16,5 мм от неё. Видно некоторое повышение твердости стали с HV 230 (что соответствует основному материалу) до HV 350. При выполнении стандартной объемной закалки твердость стали 40Х достигает величины HV 560...750 в зависимости от режимов термообработки. Такой небольшой рост твердости при ЭЛС обеспечен предварительным нагревом зоны сварки и относительно низкой скоростью охлаждения металла шва путем отвода тепла в менее нагретые части детали. Структура материала шва соответствует троосто-сорбиту (рис. 6).
HVO.l
а)
1, мкм
Рис. 5. Распределение микротвердости стали в и 16,5 мм (б) от поверхности образца
б)
400 ■
ш*
_ ■ ■ - ■ L ■
■ ■ _ ++ •
• . ■у ■ П ■ "
■
150
О 2000 4000 5000 8000 10000 12000
l, мкм
сварном соединении на расстоянии 5,5 мм (а)
а)
б)
х 200
х 200
х 100
х 200
Рис. 6. Микроструктура материала сварного соединения стали 40Х: средняя часть шва (а), корень шва (б), переходная зона между швом и зоной термического влияния (в) и зона термического влияния вблизи средней часть шва (г)
Испытания на статическую прочность деталей
После ЭЛС заготовок и окончательного механического изготовления деталей в ОАО «МАЗ» поверхность кулаков шарнира подвергалась закалке ТВЧ с получением глубины закалённого слоя 3,0...3,2 мм с твердостью материала 54...56 HRC.
Проведены стендовые испытания на статическую прочность при кручении партии изготовленных изделий (выполнены в соответствии с ГОСТ 3565-80 Металлы. Метод испытания на кручение). Схема стенда и места подключения датчиков крутящего момента и угла закручивания вала представлены на рис. 7.
Рис. 7. Кинематическая схема стенда для проведения испытаний кулаков внутренних на статическую прочность при кручении: 1 - стойка; 2 - испытуемый шарнир; 3 - датчик угла поворота; 4 - блок тензоусилителей; 5 - планетарный редуктор; 6 - карданный вал; 7 - многоканальная измерительная система; 8 - датчик крутящего момента; 9 - планетарный редуктор; 10 - электродвигатель
Регистрировались крутящий момент на приводном валу стенда и угол поворота приводного вала стенда. Для измерений и записи значений крутящего момента и угла поворота приводного вала стенда использовалась многоканальная измерительная система DATRON MEEP-10 в комплекте с блоком тензоусилителей KWS 501. Запись сигналов
от датчиков крутящего момента и угла поворота приводного вала стенда осуществлялась с частотой 10 Гц.
Зависимость угла закручивания одного из испытанных внутренних кулаков от величины нагружающего крутящего момента представлена на рис. 8. Ход зависимости для всех шести внутренних кулаков практически идентичен.
Рис. 8. Зависимость величины крутящего момента от угла закручивания внутреннего левого (а) и внутреннего правого (б)кулаков
При испытаниях внутренних правых и левых кулаков, изготовленных с использованием ЭЛС, начало пластической деформации наступало при крутящем моменте 14,09...16,78 кНм, предел прочности - при моменте
18,11...19,54 кНм (табл. 1). По конструкторской документации сварной шов кулаков должен обеспечивать прочность при максимальном крутящем моменте 18,0 кНм.
Табл. 1. Результаты испытаний кулаков внутренних на статическую прочность при кручении
Номер образца Крутящий моментМКр, кН-м (начало пластической деформации) Крутящий моментМКр, кН-м (предел прочности)
1 15,09 18,59
2 14,09 18,11
3 16,78 19,54
4 14,87 19,05
5 15,43 19,03
6 16,14 19,07
При испытаниях на статическую прочность во всех случаях происходило разрушение внутренних кулаков (левых и правых) в месте перехода тела кулака в вилку и деформация вилки. Разрушения (повреждения) кулаков на участке расположения сварного шва отсутствовали. Таким образом, все испытанные кулаки по статической прочности при кручении соответствуют требованиям конструкторской документации.
В ОАО «МАЗ» рассматривается вопрос об использовании ШРУС новой конструкции в серийных автомобилях.
Выводы
Предварительный подогрев деталей, изготовленных из трудно сварива-
емых сталей (в частности, 40Х), в области сварного шва непосредственно перед выполнением операции ЭЛС с использованием развернутого расфокусированного электронного луча дает возможность формировать бездефектные соединения на тяжелонагруженных изделиях.
Стендовые испытания на статическую прочность партии изготовленных кулаков ШРУС при кручении подтвердили высокие прочностные свойства сварного соединения, выполненного электронно-лучевой сваркой.
Применение ЭЛС дает возможность упростить конструкцию, снизить массу кулака ШРУС на 17 % и обеспечивает достижение требуемых высоких прочностных свойств изделия.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ литературы
1. Schiller, S. Elektronenstrahltechnologie Wissenschaftliche / S. Schiller, U. Heisig, S. Panzer. -Stuttgart: Verlagsgesellschaft, 1977. - 400 s.
2. Рыкалин, Н. Н. Основы электронно-лучевой обработки материалов / Н. Н. Рыкалин, И. В. Зуев, А. А. Углов. - Москва: Машиностроение, 1978. - 239 c.
3. Электронно-лучевая сварка / О. К. Назаренко [и др.]. - Киев: Наукова думка, 1987. - 256 с.
4. Fatigue performance of longitudinal seam welds made by rapidweld electron beam welding for use in monopiles / C. Johnston [et al.] // WindEurope Bilbao. - Conference & Exhibition, Bilbao, 5-7 April 2022.
5. Шипко, А. А. Упрочнение сталей и сплавов с использованием электронно-лучевого нагрева / А. А. Шипко, И. Л. Поболь, И. Г. Урбан. - Минск: Навука i тэхшка, 1995. - 280 с.
6. Zenker, R. Elektronenstrahl-Randschichtbehandlung / R. 2епкег. - Planegg: Pro-Beam, 2003. - 72 s.
7. Физика и технология плазменных эмиссионных систем / Н. А. Бабинов [и др.]. - Санкт-Петербург: ЛЭТИ, 2014. - 263 с.
8. Особенности структурообразования заготовок, полученных методом электронно-лучевой послойной наплавки из стали аустенитного класса / А. А. Бакиновский [и др.] // Электронно-лучевая сварка и смежные технологии: материалы 2 Междунар. конф., Москва, 14-17 нояб. 2017 г. - Москва: МЭИ, 2017. - С. 282-291.
9. Сайт компании «Червона хвиля» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://xbeam3d.com. -Дата доступа: 21.01.2024.
10. Аддитивные технологии в производстве металлических конструкций / А. В. Щербаков [и др.]. - Москва: МЭИ, 2022. - 675 с.
11. Электронно-лучевая сварка заготовок эндопротезов типа Остина Мура из сплава системы Со-Сг-Мо / А. А. Бакиновский [и др.] // Новые технологии и материалы, автоматизация производства: материалы Междунар. науч.-техн. конф., Брест, 27-28 мая 2019 г. - Брест: БрГТУ, 2019. - С. 132-135.
12. Поболь, А. И. Конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния деталей из Си и Nb после электронно-лучевой сварки. Ч. 1: Свойства материалов / А. И. Поболь // Современные методы и технологии создания и обработки материалов: сб. науч. тр.: в 2 кн. - Минск: ФТИ НАН Беларуси, 2020. - Кн. 2. - С. 213-225.
Статья сдана в редакцию 12 февраля 2024 года
Контакты:
burinalexandr@gmail.com (Бурин Александр Алексеевич); alex.pobol@gmail.com (Поболь Алексей Игоревич); v.zalesski@phti.by (Залесский Виталий Геннадьевич); pobol.igor@gmail.com (Поболь Игорь Леонидович).
A. A. BURIN, A. I. POBOL, V. G. ZALESSKY, I. L. POBOL
ELECTRON BEAM WELDING OF VEHICLE CONSTANT VELOCITY JOINTS
Abstract
The possibility of connecting elements of the constant velocity joint made of difficult-to-weld 40X steel by using electron beam welding has been studied. The structural features of the joint material have been revealed when welding a cold' product and with preheating the same material of the part being welded. Bench tests for static torsional strength of a batch of welded products have been carried out.
Keywords:
electron beam welding, constant velocity joint, structure, static strength.
For citation:
Electron beam welding of vehicle constant velocity joints / A. A. Burin, A. I. Pobol, V. G. Zalessky, I. L. Pobol // Belarusian-Russian University Bulletin. - 2024. - № 1 (82). - P. 5-13.
