CC BY
23
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДУГОВОЙ ПАЙКИ В ВАКУУМЕ
Неровный В.М. ©
Профессор, д.т.н., кафедра «Технологии сварки и диагностики» Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
Аннотация
Для расширения технологических возможностей и повышения эффективности процесса высокотемпературной пайки в вакууме малоразмерных соединений на деталях типа лопаток целесообразно применять не общий нагрев, а местный, т.е. локальный. В качестве локального источника энергии на ряде предприятий применяется дуговой разряд с полым катодом в вакууме. Общая удельная энергия процесса упрочнения контактных поверхностей бандажных полок рабочих лопаток дуговой пайкой в 2 раза меньше, чем при пайке в вакууме с общим нагревом, а удельная энергия самого процесса пайки меньше, соответственно, в 20-40 раз.
Ключевые слова: высокотемпературная пайка, вакуум, дуговой разряд, энергетическая эффективность.
Keywords: high-temperature brazing, vacuum, arc discharge, energy efficiency.
Процессы сварки и пайки приобретают все большее значение в технологии производства и ремонта деталей газовых турбин, что обусловлено рядом причин как технического, так и экономического характера.
Вместе с тем, при изготовлении и ремонте лопаток газовых турбин, выполненных из литейных высокожаропрочных сплавов на никелевой основе с суммарным содержанием алюминия и титана свыше 5%, ведущим процессом является высокотемпературная пайка с общим нагревом в вакууме и контролируемой атмосфере [1,2].
Однако применение общего высокотемпературного нагрева в вакууме для пайки малоразмерных соединений в локальном участке лопаток по технико-экономическим соображениям не всегда рационально из-за низкой энергетической эффективности процесса, значительных капитальных и эксплуатационных затрат и высокой энергоемкости процесса.
По нашему мнению, для расширения технологических возможностей и повышения эффективности процесса высокотемпературной пайки в вакууме малоразмерных соединений на деталях типа лопаток (герметизация знаковых отверстий, упрочнение контактных поверхностей, восстановление форм и размеров изношенных поверхностей в локальных участках и т. д.) представляется перспективным применять не общий нагрев, а местный, т. е. локальный. Подтверждением этому является применение в технологиях изготовления и ремонта лопаток современных газовых турбин на ряде предприятий процесса дуговой пайки в вакууме [3], где в качестве локального источника энергии применяется дуговой разряд с полым катодом (ДРПК).
Особенностью ДРПК является то, что через термоэмиссионый катод, выполненный в виде полого цилиндра из тугоплавкого металла (тантала или вольфрама) с внутренним диаметром полости от 2 до 6 мм, подается рабочий газ (аргон) в количестве 0,5-3 мг/c. Благодаря этому внутри полости катода всегда имеются условия для обеспечения необходимой концентрации плазмы при любых сколь угодно малых внешних давлениях в
вакуумной камере (от 10-3 до 10 Па) и ДРПК стабильно существует в широком диапазоне токов от 5 до 100 А и выше (рис. 1).
© Неровный В.М., 2016 г.
При давлении в камере (6-8)-10-2 Па основная часть энергии ДРПК (76-88 %) выделяется на аноде-изделии. Потери энергии во внешнем столбе ДРПК не превышает 2-3 % от его общей мощности, поэтому эффективный КПД разряда с увеличением длины дугового промежутка практически не изменяется. По характеру радиального распределения плотности мощности по пятну нагрева ДРПК вполне можно представить как нормально-круговой источник теплоты [4]. Исследования тепловых характеристик ДРПК показали его высокую эффективность и технологическую гибкость как локального источника энергии. Так, регулирование параметров режима в диапазоне - ток разряда от 5 до 60 А; длина дугового промежутка от 0,5 до 8,0 см; подача аргона через полость катода от 0,3 до1,5 мг/с -позволяет изменять эффективную мощность от 200 до 1200 Вт, коэффициент ее
сосредоточенности от 0,2 до 20 см-2, плотность мощности в центре пятна нагрева от 10 до 6000 Вт/см2, диаметр пятна нагрева от 0,8 до 6,0 см.
Рис. 1. Схема дугового разряда с полым катодом в вакууме
На токах свыше 80 А путем сканирования внешнего столба ДРПК по двум ортогональным координатам удается получить зону нагрева различной по площади от 4 до 80 см2 и конфигурации с плотностью мощности от 20 до 500 Вт/см2 и более. Следовательно, ДРПК в вакууме является технологически гибким и универсальным источником энергии, у которого тепловые характеристики могут плавно изменяться в широких пределах: от источника тепла соизмеримого по тепловым характеристикам с пламенем газовой горелки до высококонцентрированного, приближающегося к параметрам сканируемого электронного луча [5].
Расчетная оценка тепловых процессов при высокотемпературной пайке жаропрочных сплавов на никелевой основе локальными источниками энергии в вакууме, а также экспериментальные исследования показали, что неподвижным ДРПК можно получить сквозной прогрев при толщине детали от 1 до 4 мм длиной от 12 до 4 мм соответственно. При этом эффективная мощность ДРПК находится в диапазоне от 250 до 750 Вт. Для получения сквозного прогрева на деталях толщиной свыше 4 мм необходимо использовать двух координатное сканирование внешнего столба ДРПК, обеспечивающего в зоне нагрева
плотность мощности в пределах 40-160 Вт/см2.
Проведем сравнительный анализ энергетической эффективности на примере процесса упрочнения и восстановления контактных поверхностей бандажных полок рабочих лопаток
авиационных турбореактивных двигателей методами дуговой пайки в вакууме (рис. 2) и пайкой с общим нагревом в вакууме.
Рис. 2. Внешний вид процесса локального нагрева бандажной полки для дуговой
пайки в вакууме
Толщина полки лопатки 2 мм, длина напаиваемой пластины 5 мм, т.е. площадь
паяного шва 10 мм2. Поскольку бандажная полка имеет две контактных поверхности,
2
суммарная площадь паяного шва составляет 20 мм (рис. 3).
Рис. 3. Внешний вид восстановленных контактных поверхностей бандажной полки рабочей лопатки дуговой пайкой в вакууме
Считаем, что загрузка партии лопаток в вакуумную печь и в вакуумную камеру для пайки ДРПК одинакова и составляет 80 штук. Общее время дуговой пайки лопаток с учетом получения требуемого давления в вакуумной камере не превышает 4 часов. С учетом времени на загрузку и выгрузку приспособления в вакуумную камеру партию лопаток можно вполне запаять за одну рабочую смену. Параметры режима ДРПК при пайке: ток разряда 1214 А, напряжение 31-32 В, длина дугового промежутка 1,7 см, т.е. полная мощность ДРПК порядка 430 Вт. Электрическая мощность вакуумной системы установки для дуговой пайки -7 кВт. Следовательно, удельная энергия процесса дуговой напайки пластин с учетом существования разряда и при переходе от лопатки к лопатке равна 430-4-3600/(20-80)= 3870 Дж/мм2. С учетом затрат энергии на вакуумную систему общая энергетическая эффективность на паяное соединение, время общей работы которой равно 6 часам, составит
3870+7000-6-3600/(20-80)=98370 Дж/мм2.
В то же время полный цикл пайки этой же партии лопаток, например, в вакуумной печи ИО59.008. составляет порядка 10-12 ч. Нагрев партии лопаток и выдержка при
температуре пайки 1,5 ч, охлаждение лопаток до 200 оС (8-10 ч). Общее время работы вакуумной системы порядка 14 ч. Технические характеристики вакуумной электропечи -потребляемая мощность 40 кВт. В результате общая удельная энергия при пайке с общим
нагревом партии лопаток примерно равна 200000 Дж/мм2. При этом энергия расходуется на нагрев не только всей партии лопаток, но и приспособления.
Таким образом, общая удельная энергия процесса упрочнения контактных поверхностей бандажных полок рабочих лопаток дуговой пайкой в 2 раза меньше, чем при пайке в вакууме с общим нагревом, а удельная энергия самого процесса пайки меньше, соответственно, в 20-40 раз. При этом надо учесть, что при дуговой пайке в вакууме процесс осуществляется при минимальном термическом воздействии на перо лопатки, т.е. наиболее нагруженная часть лопатки практически не нагревается и ее эксплуатационные свойства сохраняются.
Литература
1. Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных установок /Под ред. Симса Ч.Т., Столоффа Н.С., Хагеля У.К.: Пер. с англ. В 2-х книгах. Кн.2./Под ред. Шалина Р.Е. - М.: Металлургия, 1995. - 384 с.
2. Сорокин Л.И., Лукин В.И., Багдасаров Ю.С. Свариваемость литейных жаропрочных никелевых сплавов типа ЖС6 /Сварочное производство, 1997.-№ 6. - С. 12-17.
3. Современные технологии в производстве газотурбинных двигателей /Колл. авторов; Под ред. А.Г. Братухина, Г.К. Язова, Б.Е. Карасева.- М.: Машиностроение, 1997. - 416 с.
4. Кархин В.А. Тепловые процессы при сварке. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. 646 с.
5. Неровный В. М., Ямпольский В. М. Сварочные дуговые процессы в вакууме. - М.: Машиностроение. 2002.- 264 с.
