CC BY
1
УДК 629.78.048.7:621.791.722
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-8-521 -522
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ НА КАЧЕСТВО ЗАМЫКАЮЩЕГО ШВА РЕГУЛЯТОРА ДАВЛЕНИЯ
К.Н. Коржов, Л.И. Паршуков, Ю.В. Соколова, А.В. Анцев
В настоящей работе представлены результаты исследований влияния параметров электронно-лучевой сварки на замыкающие сварные швы соединений из аустенитной стали 12Х18Н10Т. Показаны результаты исследования новых режимов сварки, примененных при изготовлении образцов регуляторов давления контурных тепловых труб. Для оценки и управления напряженно-деформированным состоянием сварного шва регулятора давления была создана математическая модель. В модели учитывается возникновение деформаций при сварке первоначального участка кольцевого соединения, приводящего к изгибу в области сварного шва. Из анализа предложенной математической модели был определен способ увеличения расстояния защемления клапана в корпусе при его сварке с крышкой: увеличение зазора между клапаном и корпусом за счет нагрева корпуса перед сваркой до 200 С и создание сварного шва участками, расположенными на диаметрально противоположных сторонах сварного соединения. В связи с асимметрией исследуемого сварного соединения также был рассмотрен пример использования импульсной сварки для уменьшения деформации и проведена экспериментальная работа по определению погонной энергии сварки крышки и корпуса регулятора, не приводящей к заклиниванию клапана в корпусе регулятора. Полученные сварные швы были подвергнуты рентгенографическому контролю на наличие дефектов. По результатам изготовления партии из 8 регуляторов давления в соответствии с предложенными рекомендациями ни у одного из регуляторов не было заклинивания клапана в результате ресурсных испытаний из-за деформаций, обусловленных остаточными деформациями сварного шва.
Ключевые слова: асимметричное соединение; электронно-лучевая сварка; импульсная сварка, аустенит-ная сталь 12Х18Н10Т, предварительный подогрев.
Контурные тепловые трубы являются важным элементом системы обеспечения теплового режима космических аппаратов, одним из элементов которой является регулятор давления. Регулятор перераспределяет потоки теплоносителя в системе охлаждения в зависимости от мощности теплового потока. При ресурсных испытаниях регуляторов может происходить заклинивание клапана в корпусе регулятора. Дополнительными исследованиями установлено, что это обусловлено деформацией внутренней поверхности отверстия корпуса в зоне шва, соединяющего корпус регулятора с его крышкой. Появление дефектов обусловлено особенностью кольцевых сварных швов:
- деформация близлежащих областей на заключительной стадии создания неразъемного соединения корпуса регулятора с крышкой;
- асимметричность сварного соединения типа С90 (ОСТ 92-1021-80) из-за имеющихся различий в толщине стыка сварного соединения.
Применение электронно-лучевой сварки позволяет решить эти проблемы за счет управления значениями теплового источника при сварке металлов, которое обеспечивает высокие значения отношения глубины проплавле-ния к ширине шва и достижение минимальных размеров зоны термического влияния и деформаций, а также получение высоких механических характеристики сварных соединений.
Настоящее исследование является продолжением работ по развитию технологии сварки различных элементов системы обеспечения теплового режима в АО «НПО Лавочкина» [1, 2].
Методика исследования. Теоретическое исследование температурного и напряженно-деформированного состояния материала при локальном тепловом воздействии в трубчатых телах выполнено в рамках структурно-аналитической теории прочности [3]. Эксперименты проводились на образцах, взятых из места приварки крышки к корпусу регулятора (рис. 1).
Ö,
Сварку выполняли на электронно-лучевой установке. Исследования макроструктуры велись с помощью металлографического микроскопа типа ММР-4.
Для оценки величины деформации образцов, у которых крышку с корпусом регулятора сваривали без клапана, использовали два метода:
- рентгенографические исследования сваренных образцов;
- метод контроля деформации внутреннего отверстия корпуса регулятора с помощью калибра-пробки.
Контроль за выполнением технических требований к качеству полученного сварного шва обеспечивали рентгенографическим контролем наличия дефектов (по требованиям II категории ОСТ 92-1114-80): пор, трещин, окисных пленок, непроваров. Испытания на прочность образцов со сварными швами проводили при внутреннем давлении 60 кгс/см2 в течение 5 минут. Испытания на герметичность проводили при внутреннем давлении 40 кгс/см2 в 10 %-ной гелиево-воздушной смеси (ГВС) в вакуумной камере.
Технические требования, предъявляемые при изготовлении клапана и корпуса регулятора в области сопряжения, соответственно составляют 07g5 и 07Н6.
Результаты исследований. Температурные поля в образцах кольцевых сварных соединений определяли из решения уравнений теплопроводности при двигающемся по поверхности образцов гауссовском источнике тепла с учетом потерь за счет излучения по закону Стефана-Больцмана [4, 5]. Особенностью сварки или иного локального теплового воздействия на кольцевые соединения является увеличение температуры области сварного соединения. В связи с этим во время полного оборота регулятора вокруг оси, ток луча (мощность) уменьшали линейно до 70 % от начального значения, как при локальном нагреве, так и при сварке.
Использование математической модели, описывающей температурное поле в свариваемом регуляторе давления, позволило выбрать оптимальные режимы электронно-лучевой сварки, снизить уровень остаточных напряжений в металле сварного шва и, следовательно, уменьшить деформации внутреннего отверстия корпуса регулятора.
Для оценки и управления напряженно-деформированным состоянием сварного шва регулятора была создана математическая модель. В модели учитывается возникновение деформаций при сварке первоначального участка кольцевого соединения, приводящего к изгибу в области сварного шва и соответственно, к защемлению клапана во внутреннем отверстии корпуса регулятора. Радиус кривизны изгиба определяли из соотношения:
г = к/е , (1)
где к - толщина сварного шва; е - деформация сварного соединения при сварке в результате литейной усадки стали.
В рассматриваемом случае для первоначального участка сварки к = 1 мм, е = 2 %, поэтому г = 1/0,02 = 50 мм.
Используя уравнения аналитической геометрии для прямой и окружности, были написаны уравнения для клапана (2) и для изгиба корпуса (3) при сварке с крышкой. Учитывая что согласно техническим требованиям конструкторской документации максимальный зазор между клапаном и внутренним отверстием корпуса составляет не более 0,02 мм, то система уравнений, необходимая для определения расстояния от сварного шва до защемления клапана в корпусе после сварки, примет вид:
У = 49,98; (2)
г 2 = У2 + X2, (3)
Подставляя значения радиуса (1) и уравнение клапана (2) в уравнение (3), получили значение координаты X как расстояние от сварного шва до защемления клапана во внутреннем отверстии корпуса, сваренного с крышкой:
502 = 49,982 + х2. (4)
Из уравнения (4) получено расстояние от сварного шва до места заклинивания клапана во внутреннем отверстии корпуса при его сварке с крышкой регулятора. Данное заклинивание происходит на расстоянии 1,4 мм от сварного шва. Из это результата следует что при данных допусках к геометрическим размерам сопрягаемых деталей регулятора (клапана 07q5, корпуса 07Н6) и способе сварки заклинивание клапана будет происходить с большой вероятностью. Из анализа предложенной выше математической модели можно определить способ увеличения расстояния защемления клапана в корпусе при его сварке с крышкой: увеличение зазора между клапаном и корпусом за счет нагрева корпуса перед сваркой до 200 °С. При этом абсолютное предельное допустимое отклонение диаметра d200 отверстия корпуса при нагреве определим из выражения:
¿200 = d ■ (1 + а-м), (5)
где d - диаметр внутреннего отверстия корпуса при комнатной температуре, а - коэффициент линейного расширения стали 12Х18Н10Т, равный 17- 10-6 1/°С [6, таблица 18], М - приращение температуры корпуса при нагреве, 200 °.
При подстановке необходимых значений в выражение (5) 0( 7,009-(1 +17- 10-6 -200) получим увеличение внутреннего диаметра до величины 07,03 мм, что соответствует 07Н9, а зазор между корпусом и капаном увеличивается до 0,048 мм. Подставляя рассчитанные параметры в уравнение (4), можно определить координату пересечения клапана с корпусом в результате сварки с предварительным подогревом корпуса. Таким образом заклинивание клапана произойдет на расстоянии 2,19 мм от сварного соединения, а значит нагрев способствует снижению вероятности заклинивания клапана.
Вторым этапом предлагаемого способа является увеличение расстояние до точки заклинивания клапана за счет прихваток, смысл которого заключается в создании сварного шва участками, расположенными на диаметрально противоположной стороне сварного соединения. При этом радиус кривизны от первоначального участка сварного шва существенно уменьшается за счет наложение изгиба от противоположного участка сварного шва и расстояние до заклинивания (координата X ) превзойдет длину внутреннего отверстия корпуса.
Кроме перечисленных выше способов, известны способы уменьшения деформации при импульсной сварке. В связи с асимметрией исследуемого сварного соединения также был рассмотрен пример использования импульсной сварки для уменьшения деформации [7, 8]. Импульсная сварка электронным лучом не приводит к большим деформациям в области прецизионного движения деталей (в нашем случае в клапане регулятора) и при этом обеспе-
чиваются прочность и герметичность сварного шва с меньшей погонной энергией. Кроме того, учитывая, что толщина кромок сварного соединения элементов регулятора составляет 1 мм из стали 12Х18Н10Т, то по ОСТ 92-115181 [9] для данного типа соединения, сварку следует проводить импульсным электронным лучом.
Так как сварные соединения регулятора асимметричны, то при локальном нагреве и сварке использовали асимметричную развертку, позволяющую делить вклад погонной энергии электронного луча в сварное соединение в соотношении от 2 до 4 раз. При локальной термообработке 80 % от общей мощности электронного луча было направлено на нагрев корпуса. Остальные 20 % погонной энергии использовались на очистку поверхностей сварного соединения от загрязнений. Асимметрия развертки при сварке была выбрана следующим образом: 70 % от погонной энергии электронного луча использовалось для плавления корпуса, а 30 % для плавления крышки. Мощность электронного луча при сварке была в 2 раза больше мощности при локальной термообработке, а величина амплитуды развертки в случае локального нагрева в 1,5 раза превосходила амплитуду развертки электронного луча при сварке.
Была проведена экспериментальная работа по определению погонной энергии сварки крышки и корпуса регулятора, не приводящей к заклиниванию клапана в корпусе регулятора. Сварку производили по трем импульсным режимам с частотой 6 Гц: максимальная (начальная в момент начала сварки) погонная энергия соответственно составляла 54,6, 60,1 и 43,7 Дж/мм; минимальная погонная энергия соответственно составляла в конце режима сварки 43,7, 49,1 и 32,7 Дж/мм. После полного охлаждения свариваемого регулятора с помощью калибра-пробки 07,0Н6 проверяли диаметр внутреннего отверстия корпуса регулятора. Было установлено, что два первых режима приводят к деформации внутреннего отверстия корпуса регулятора и препятствует проникновению калибра-пробки в отверстие корпуса. Третий режим сварки кольцевого шва не привел к существенной деформации внутреннего отверстия корпуса регулятора. Калибр-пробка легко проходил во внутреннее отверстие до и после сварки. Таким образом, третий сварочный режим был выбран как оптимальный. Проверка деформации внутреннего отверстия корпуса допус-ковым методом контроля с использованием калибра-пробки показала, что деформация корпуса находится в интервале допуска для данного отверстия.
Полученные сварные швы были подвергнуты рентгенографическому контролю на наличие дефектов. Согласно данным исследованиям дефекты в сварных швах не обнаружены. Металлографические исследования также показали отсутствие дефектов в сварном шве, сваренном на оптимальном режиме (рис. 2).
Рис. 2. Макроструктура сварного шва регулятора (10Х)
Далее в соответствии с конструкторской документацией были проведенные испытания на прочность и герметичность [10]. Результаты испытаний на прочность показали, что сварные швы выдерживают давление 60 кгс/см2 в течение 5 минут без разрушения. Испытания на герметичность сварных швов в вакуумной камере с подачей 10 % ГВС при внутреннем давлении 40 кгс/см2 показали, что негерметичность составляет не более Ы0"5 л-мкм рт. ст./с. Данные результаты полностью соответствуют техническим требованиям конструкторской документации.
Выводы. Определенный режим импульсной электронно-лучевой сварки замыкающего сварного шва регулятора давления не приводит к фазовой и химической неоднородности металла шва относительно основного материала.
При полученном режиме сварки отсутствует неприемлемая деформация области прецизионного движения клапана регулятора.
По результатам изготовления партии из 8 регуляторов давления на оптимальном режиме ни у одного из регуляторов не было заклинивания клапана в результате ресурсных испытаний из-за деформаций, обусловленных остаточными деформациями сварного шва.
Список литературы
1. Паршуков Л.И. Панин Ю.В. Коржов К.Н. Новая технология электронно-лучевой сварки для соединения разнородных материалов аксиальных тепловых труб // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. 2020. № 4. С. 50-54.
2. Коржов К.Н., Паршуков Л.И., Соколова Ю.В. Исследование влияния параметров электронно-лучевой сварки на качество швов тепловых труб // Вестник НПО Лавочкина. 2023. №4. С. 107-110.
3. Лихачев В.А., Малинин В.Г. Структурно-аналитическая теория прочности. Л.: Наука, 1992. 400 с.
4. ГОСТ 14249-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. М.: ИПК Издательство стандартов, 2008. 53 с.
5. Крайнов А.Ю., Миньков Л.Л. Численные методы решения задач тепло- и массопереноса : учеб. пособие. Томск: STT, 2016. 92 с.
6. Кузнецов Г.В., Шеремет М.А. Разностные методы решения задач теплопроводности: учебное пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2007. 172 с.
7. Сидоров В.П., Мельзитдинова А.В. Электронно-лучевая сварка. Технологические особенности и оборудование : учеб. пособие. Тольятти: Изд-во ТГУ, 2013. 96 с.
8. Технология электронной сварки металлов и сплавов плавлением / Под ред. акад. Б.Е. Патона. М.: Машиностроение, 1974. 768 с.
9. ОСТ 92-1151-81. Сварка электронно-лучевая деталей из металлов и сплавов. Технические требования.
60 с.
10. РД 26-12-29-88. Правила проведения пневматических испытаний изделий на прочность и герметичность.
Коржов Кирилл Николаевич, начальник отдела, [email protected], Россия, Химки, АО «НПО Лавочкина»,
Паршуков Леонид Иванович, канд. физ.-мат. наук, ведущий инженер, [email protected], Россия, Химки, АО «НПО Лавочкина»,
Соколова Юлия Васильевна, канд. техн. наук, ведущий специалист, sokolovaIUV@laspace. ru, Россия, Химки, АО «НПО Лавочкина»,
Анцев Александр Витальевич, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
STUDY OF THE INFLUENCE OF ELECTRON BEAM WELDING PARAMETERS ON THE QUALITY OF THE CLOSING
WELD OF A PRESSURE REGULATOR
K.N. Korzhov, L.I. Parshukov, Y. V. Sokolova, A. V. Antsev
This paper presents the results of studies of the influence of electron beam welding parameters on closing welds ofjoints made of 12Х18Н10Т austenitic steel. The results of a study of new welding modes used in the manufacture of samples of loop heat pipe pressure regulators are shown. A mathematical model was created to evaluate and control the stressstrain state of the weld of the pressure regulator. The model takes into account the occurrence of deformations during welding of the initial section of the ring joint, leading to bending in the weld area. Based on the analysis of the proposed mathematical model, a method was determined for increasing the distance of the valve jamming in the housing during its welding to the cover: increasing the gap between the valve and the housing by heating the housing to 200 C before welding and creating a weld in sections located on diametrically opposite sides of the welded joint. In connection with the asymmetry of the welded joint under study, an example of using pulse welding to reduce deformation was also considered and experimental work was carried out to determine the linear energy of welding the cover and the regulator housing that does not lead to jamming of the valve in the regulator housing. The resulting welds were subjected to radiographic testing for defects. Based on the results of manufacturing a batch of 8 pressure regulators in accordance with the proposed recommendations, none of the regulators had a valve jamming as a result of resource tests due to deformations caused by residual deformations of the weld.
Key words: asymmetric connection; electron beam welding; pulse welding, austenitic steel 12Х18Н10Т, preheating.
Korzhov Kirill Nikolaevich, head of the department, KorzhovKN@laspace. ru, Russia, Moscow region, Khimki, Lavochkin Association,
Parshukov Leonid Ivanovich, candidate of physical and mathematical sciences, lead engineer, Parshu-kovLI@laspace. ru, Russia, Moscow region, Khimki, Lavochkin Association,
Sokolova Yulia Vasilievna, candidate of technical science, leading specialist, sokolovaIUV@laspace. ru, Russia, Moscow region, Khimki, Lavochkin Association,
Antsev Alexander Vitalyievich, doctor of technical science, docent, head of the department, a. antsev@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
