CC BY
4
УДК 621.791
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ
В РАКЕТОСТРОЕНИИ
М.А. Уланов Научный руководитель - О. А. Платонов
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф.Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е -mail: MichaelUlanoff@yandex.ru
В исследовании рассматривается технологический способ сварки в производстве ракетно-космической техники (РКТ), основанный на использовании энергии, высвобождаемой при торможении потока ускоренных электронов в свариваемых материалах. Основной задачей работы является рассмотрение технологических методов борьбы с дефектами сварных соединений при ЭЛС, а также способа управления фокусом луча, который бы позволил в процессе сварки поддерживать заданную величину положения фокуса.
Ключевые слова: космонавтика, ракетно-космическая техника, электронно-лучевая сварка, лазерная сварка, сварка в космосе, стабилизация луча, дефекты сварных соединений при ЭЛС.
FEATURES OF ELECTRON BEAM WELDING TECHNOLOGY IN ROCKET ENGINEERING
M.A. Ulanov Scientific supervisor - O.A. Platonov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: MichaelUlanoff@yandex.ru
The study examines the technological method of welding in the production of rocket and space technology (RCT), based on the use of energy released when the flow of accelerated electrons in the materials being welded is decelerated. The main objective of the work is to consider technological methods for combating defects in welded joints with ELS, as well as a method for controlling the focus of the beam, which would allow maintaining a given value of the focus position during welding.
Keywords: astronautics, rocket and space technology, electron beam welding, laser welding, welding in space, beam stabilization, defects in welded joints during EBW.
Введение. Лазерная и электронно-лучевая сварка являются технологическими способами сварки, имеющими ряд преимуществ по сравнению с традиционными [1, c. 5-6]: а) Большие возможности, обеспеченные локальностью сварочного нагрева, способствуют применению ЭЛС для соединения микродеталей в приборостроении; б) Электронный луч успешно применяется в машиностроении для сварки готовых изделий из высокопрочных сталей и сплавов на основе титана и алюминия. Высокие физико-механические характеристики сварного соединения непосредственно после сварки позволяют исключить последующую
Секция «Перспективные технологии и производство РКТ двойного назначения»
механическую и термическую обработку; в) Обеспечение получения минимальной металлоемкости сварочной ванны и соответственно минимальных деформаций изделия; г) Достижение максимальной скорости кристаллизации металла; д) Совершенство технологии сварки разнородных металлов; е) Высокая степень автоматизации;
Современное применение ЭЛС в РКТ. Начиная с 60-х годов, электронно-лучевую сварку используют в производстве двигательных установок ракетно-космических комплексов. Её применение для получения неразъёмных соединений в сочетании с новыми высокопрочными материалами позволило создать двигатели нового поколения с высокими эксплуатационными характеристиками.
Так, в НПО "Техномаш" освоена электронно-лучевая локальная сварка в вакууме узлов значительных габаритов, например, кольцевых секций топливных баков носителя "Энергия" из термически управляемого алюминиевого сплава. Новая перспективная область применения электронно-лучевой сварки - работы в условиях космического пространства. Электронно-лучевая сварка широко применяется в технологии микроэлектроники, а также при герметизации металостеклянных корпусов вакуумных приборов, для сварки химически активных и разнородных материалов [2, с. 22].
Также широко используется электронно-лучевая сварка в вакууме на предприятии АО «Красмаш». ЭЛС используется для сварки конструкций из алюминиевых сплавов, конструкционных, нержавеющих, жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов и сплавов на основе никеля толщиной до 32 мм в установке общего вакуумирования с выполнением: кольцевых сварных швов диаметром до 2000 мм, максимальной длиной до 3350 мм; круговых сварных швов врезных фланцев от 60 до 190 мм в обечайках; продольных сварных швов длинной до 3200 мм плит максимальными габаритами 3200 x 3200 мм; кольцевых сварных швов днищ высотой до 1500 мм, диаметром до 1900 мм, и высотой до 1000 мм, диаметром до 3000 мм [3].
Там же производится разработка промышленной технологии и изготовление оборудования для электронно-лучевой сварки шпангоутов и врезных фланцев в конические и сферические днища изделий РКТ.
Основные недостатки при использовании электронно-лучевой сварки. Основные виды дефектов, встречающихся при ЭЛС и причины их возникновения перечислены в таблице 1 [4].
Таблица 1
Дефекты сварных соединений при ЭЛС
Дефект Причины возникновения
Непровар 1. Недостаточная мощность луча. 2. Погрешности совмещения луча с плоскостью стыка. 3. Намагничивание детали.
Неполномерность и провисание 1. Завышенная мощность луча. 2. Занижена скорость сварки. 3. Металлургическая нестабильность ванны.
Кратеры 1. Резкое изменение мощности и плоскости луча. 2. Выброс металла ванны в результате металлургической нестабильности ванны.
Поры и раковины 1. Плохая очистка свариваемой поверхности. 2. Высокая газонасыщенность металла. 3. Высокая скорость сварки. 4. Неблагоприятная форма шва.
Трещины 1. Малая деформационная способность металла в температурном интервале хрупкости. 2. Неправильно подобранный режим по погонной энергии и току фокусировки. 3. Нетехнологичность конструкции узла. 4. Большие внутренние напряжения.
При электронно-лучевой сварке есть ряд специальных приёмов, позволяющих улучшить качество сварного шва:
1. Сварка наклонным лучом (отклонение порядка 5-7°) позволяет уменьшить такие дефекты в сварном шве, как поры и несплошность металла, а также позволяет добиться равномерной кристаллизации металла.
2. Использование присадки для легирования металла шва и для восполнения испаряющихся в процессе сварки элементов.
3. Для улучшения отхождения газов и пара из металла, сварку ведут на дисперсной прокладке из гранул или мелко нарубленной сварочной проволоки.
4. Сварку ведут тандемом из двух электронных пушек разной мощности. Более мощная пушка выполняет проплавление, а менее мощная пушка формирует корень канала, либо хвостовую часть ванны.
5. Двустороннюю сварку выполняют одновременно с двух сторон стыка или последовательно, примерно на половину толщины металла.
6. Для сварки одновременно двух и более стыков выполняют расщепление луча с помощью отклоняющей системы.
7. По окончании сварки выполняют так называемый «косметический» проход. Это повторный проход, который призван устранить дефекты сварного шва как внешние, так и внутренние. Он осуществляется на минимально необходимую глубину на мягких режимах с недофокусировкой или перефокусировкой луча.
Фокусировка электронного луча определяет положение его минимального сечения относительно поверхности свариваемого изделия и управляется током фокусирующей катушки электронно-лучевой установки. Фокусировка оказывает значительное воздействие на процесс формирования шва и является одним из решающих факторов, влияющих на качество сварного соединения. Даже небольшие отклонения величины тока, протекающего в фокусирующей катушке (~1-5% от максимального значения) приводят к заметным изменениям формы сварного шва. На качество сварного соединения влияют точность совмещения луча с плоскостью стыка, положение минимального сечения (фокуса) пучка электронов в канале проплавления. Это существенно влияет на глубину проплавления, форму шва и образование в нем дефектов.
Рассеяние и переотражение электронов в пучке приводит к расфокусировке луча при стабильном токе фокусирующей системы. Для получения информации о положении луча относительно стыка и положении фокуса луча относительно свариваемых поверхностей используются такие сопутствующие ЭЛС явления, как вторичная электронная эмиссия и рентгеновское излучение из зоны сварки. Работы по этой проблематике уже проводились в Сибирском государственном университете науки и технологий имени академика М.Ф.Решетнева. В лабораторных условиях СибГУ имени М. Ф. Решетнева на электроннолучевой установке ЭЛУ-8 испытывалось устройство автоматического слежения за стыком и фокусировки электронного луча реализовано на базе микроконтроллера 82М32Б405Я0Т6. Сваривались кольцевые образцы толщиной 20 мм и диаметром 500 мм из материалов АМГ-6 и Х18Н10Т. Погрешность совмещения луча со стыком не превышает 0,15 мм [5].
Тенденции развития ЭЛС. Существенное расширение промышленного использования ЭЛС в РКТ связано с возможностью эффективного производства с ее помощью изделий из конструкционных металлов и сплавов больших толщин (до 300 мм): сосудов высокого давления, элементов корпусов ракетной техники, двигательных установок ракетно-космических комплексов. Другим достоинством ЭЛС является ее возможность быть финишной операцией при сварке металлов толщиной до 80 мм. Однако для этого необходимо создавать высокопроизводительный и высоконадежный технологический процесс, удовлетворяющий лучшим стандартам качества. В связи с этим имеется ряд проблем в теории, технологии и технике ЭЛС, успешное решение которых нередко требует
Секция «{Перспективные технологии и производство РКТ двойного назначения»»
объединения усилий многих исследовательских центров. В области теории важнейшей задачей является создание расчетных моделей процесса сварки в различных условиях и электроннооптических системах сварочных электронных пушек, которые позволяли бы прогнозировать с хорошей точностью параметры сварных швов, режимы сварки, параметры электронных пучков и оптимальную конфигурацию элементов электронно-оптических систем. В области технологии ЭЛС важнейшими проблемами являются совершенствование способов: замыкания кольцевых швов, ремонта дефектных участков швов, размагничивания изделий перед сваркой, выведения электронного луча в атмосферу инертных газов (вневакуумная сварка), сварки в низком вакууме, сварки разнородных материалов; глубокое изучение влияния нейтронного облучения на характеристики сварных соединений. В области создания оборудования для ЭЛС главной проблемой является снижение стоимости оборудования при увеличении его производительности. Для решения этих задач необходимо: развивать мощные инверторные источники питания сварочных электронных пушек и совершенствовать системы откачки вакуумных камер, обеспечивая безмасляный вакуум и малое время вакуумирования [6, с. 26].
Библиографические ссылки
1. Электронно-лучевая сварка. Назаренко О.К., Истомин Е.И., Локшин В.Е. — Харьков: Харьковская типография, 1985. — 127 с. (дата обращения 15.03.2022).
2. Кеменов В.Н., Нестеров С.Б. Вакуумная техника и технология: - М.: Издательство МЭИ, 2002. - 84 с. (дата обращения 16.03.2022);
3. Сварочное производство и пайка. [Электронный ресурс]. URL: http://www.krasm.com/production/production.aspx?DocId=996&ItemId=105 (дата обращения 16.03.2022);
4. Овчинников В.В. Сварщик на лазерных и электронно-лучевых сварочных установках: уч. пособие / В.В. Овчинников. — М.: Издательство центр «Академия», 2008. — 64 с. — (Сварщик). (дата обращения 15.03.2022).
5. В. Я., Богданов В. В., Платонов О. А. Устройство автоматического наведения на стык и фокусировки луча при электронно-лучевой сварке // Сибирский аэрокосмический журнал. 2021. Т. 22, № 3. С. 517-525. Doi: 10.31772/2712-8970-2021-22-3-517-525. (дата обращения 29.03.2022);
6. Сидоров, В.П. Электронно-лучевая сварка. Технологические особенности и оборудование : учеб. пособие / В.П. Сидоров, А.В. Мельзитдинова. - Тольятти : Изд-во ТГУ, 2013. - 96 с.: обл. (дата обращения 16.03.2022);
© Уланов М. А., 2022
