CC BY
1
УДК 621.79
ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ В ПРОИЗВОДСТВЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
П. А. Есина, А. Р. Галиев 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 E-mail: albert-galiev-2001@mail.ru, polina_alex13@mail.ru
В данной работе приводятся особенности и ключевые проблемы эффективного применения электронно-лучевой сварки в ракетостроении. Анализируется схема установки электронно-лучевой сварки и дальнейшие перспективы ее развития.
Ключевые слова: электронно-лучевая сварка, вакуум, проблема, ракетно-космическая техника, электронный луч
APPLICATION OF ELECTRON-BEAM WELDING IN THE PRODUCTION OF ROCKET AND SPACE EQUIPMENT
P. A. Esina, A. R. Galiev Scientific supervisor - O. A. Platonov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: albert-galiev-2001@mail.ru, polina_alex13@mail.ru
This paper presents the features and key problems of the effective use of electron beam welding in rocket science. The scheme of the installation of electron-beam welding and further prospects for its development are analyzed.
Key words: electron-beam welding, vacuum, problem, rocket and space technology, electron beam
В последние десятилетия наблюдается интенсивный рост ракетно-космической отрасли во многих странах мира. Для развития ракетной космической техники (РКТ) внедряют инновационные технологии, повышающие характеристики создаваемых изделий. Одним из данных направлений является увеличение удельно массогабаритных характеристик РКТ, упрочнение изготавливаемого изделия, снижение энергопотребления и уменьшение себестоимости изготовления корпусных конструкций. Для этого на оборонно-промышленном комплексе применяется широкий спектр сварных соединений, среди которых особого результата добился способ электронно-лучевой сварки (ЭЛС) в вакууме.
ЭЛС основана на потреблении тепла, выделяющегося при возникновении остросфокусированного потока ускоренно движущихся электронов, имеющих высокую энергию. Следует заметить, что явление термического воздействия электронных пучков на твердые материалы было уже известно довольно давно, однако благодаря развитию вакуумной техники и электронной оптики такой источник нагрева получил популярность в сварке [1].
Для создания ответственных сварных соединений, которые должны отличаться особой прочностью и справляться с высоконагруженными узлами деталей из термически
Секция «Перспективные технологии и производство РКТ двойного назначения»
упрочненных материалов конструкции, где проблематично или вообще невозможна последующая термообработка применяется ЭЛС. Такой вид сварки позволяет обеспечить максимальную пластичность и вязкость свариваемых соединений, которые сопровождается чистотой шва и отсутствием деформации в вакууме [2].
Говоря уже о самом процессе сваривания возникает ряд проблем. Основной проблемой применения ЭЛС является образование полостей и не провары в корне шва которые приводят к ухудшению эксплуатационных характеристик, поэтому устройство ЭЛС требует точной и длительной настройки режима работы, который заранее разработан высококвалифицированным мастером и имеет заданные значения. Значения режима работы зависят от свариваемого материала и толщины изделия, это на прямую влияет на регулирование подаваемого напряжения и фокусировку пучка направленных электронов в устройстве ЭЛС. При сварке требуется тщательно подготовить свариваемую поверхность механическим или химическим путем для удаления оксидной пленки на поверхности металла и избавиться остаточную намагниченность материала. Обработанное изделие обязательно помещается в рабочую зону, т.к. вне вакуума применение ЭЛС не целесообразно. Учитывая рассмотренные проблемы данный вид сварки является сложным и для многих недоступным в связи со своей высокой стоимостью установок, но именно этот современный высокотехнологичный вид сварки обеспечивает высокое качество и достаточную глубину проварки [3].
Рис. 1. Схема электронно-лучевой сварки: 1 - электрическая спираль, 2 - катод, 3 - прикатодный электрод, 4 - ускоряющий электрод, 5 - фокусирующая система, 6 - вакуум, 7 - отклоняющая система, 8 - свариваемое изделие,
9 - вакуумная камера, 10- электрический луч
Основным компонентом является электронный луч, который создается особым прибором — электронной пушкой. Как видно из рисунка 1, пушка имеет катод (2), который размещен внутри прикатодного электрода (3). На определенном расстоянии от катода располагается ускоряющий электрод с отверстием — анод (4). Пушка питается электрической энергией от высоковольтного источника постоянного тока (5). Чтобы в процессе электронно-лучевой сварки заряд источника не расходовался на преодоление молекул воздуха или другого газа, обработку материала выполняют в условиях вакуума с внутренним давлением от 10-1 до 10-3 Па. Электронно-лучевая сварка предназначена для сваривания тугоплавких изделий различной толщины в вакууме за счет луча скоростного потока электронов. Для того чтобы заряд не тратился на преодоление молекул какого-либо газа ЭЛС применяется в вакууме, тем самым создается практически идеальная инертная среда для сварки. Технический вакуум применяется в ЭЛС для выполнения таких функций, как: дает возможность поверхность свариваемых изделий, практически не соприкасаясь с воздухом, придает химическую защиту для катода,
более эффективная защита металла от взаимодействия его с окружающей атмосферой, воздействует на удаление оксидных пленок [4]. Данный способ сваривания деталей заключается в преобразовании кинетической энергии движущимися электронами в тепловую энергию, необходимую для плавления металлической кромки. Сфокусированный в небольшой пучок луч в зависимости от приложенного напряжения обеспечивает сверхвысокую плотность мощности, в результате чего электроны проходят на определенную глубину.
Преимущественными задачами управления процессом ЭЛС является контроль параметров сварного шва и совмещение электронного пучка с провариваемым стыком. Применение систем автоматического слежения за стыком при использовании ЭЛС вошло в эксплуатацию на промышленные объекты спустя двадцать лет исследований. Одна из автоматических систем слежения с использованием феррозондового датчика стыка осуществляется наведением магнитного поля высокой частоты в свариваемое изделие, далее происходит выведение с помощью датчика информации о положении стыка, после чего она преобразуется и попадает на электропривод исполнительного механизма, корректирующего положение электронно-лучевой пушки. Исследуемая точность такого автоматического наведения электронного пучка на стык свариваемого изделия составляет около ± 0,2 мм при скорости ухода стыка 0,72 мм/с. Преимуществом такого рода датчиков являются их приемлемая стоимость конструкции, их прочность и высокая надежность [5].
Говоря о перспективах развития ЭЛС, рассматриваемый вид сварки является наиболее современным и высокотехнологичным с помощью которой открылись возможности выполнять точные и аккуратные сварные швы высокой прочности необходимые для РКТ. Данное направление сваривания деталей изделий имеет большие возможности и поэтому проводятся многие экспериментально-теоретические исследования, такие как динамическое влияние на электронный луч в процессе сварки, сварка разнородных материалов, моделирование процесса сварки для получение необходимого химического состава сварного шва и автоматическая корректировка пучка электронов при сварке. Выделяются ресурсы для появления таких возможностей как: выведения сварки в атмосферу инертных газов, технология сварки с помощью ЭЛС в глубоком вакууме, снижение стоимости оборудования не жертвуя производительностью, совершенствование систем откачки вакуумных камер, а также разработка более совершенного программного обеспечения для управления процессом сваривания.
Библиографические ссылки
1. Электронно-лучевая сварка - сфера применения и отличие от других сварочных технологий [Электронный ресурс]. URL: http://xn--80affkvlgiu5a.xn--p1ai/yelektronno-luchevaya-svarka/ (дата обращения: 24.03.2022).
2. Электронно-лучевая сварка: технология, режимы, оборудование [Электронный ресурс]. URL: https://xn--59-dlclat8cged8a.xn--p1ai/svarka/ (дата обращения: 20.03.2022).
3. Е.С. Саломатова. Закономерности изменения химического состава сварных соединений при электронно-лучевой сварке с динамическим воздействием на электронный луч : специальность 05.02.10 «Сварка, родственные процессы и технологии» : Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук; Пермский национальный исследовательский политехнический университет - Екатеринбург, 2015. - 156 с.
4. Электронно-лучевая сварка - сущность, типы, преимущества [Электронный ресурс]. URL: http://goodsvarka.ru/metalov/electron-beam/ (дата обращения: 22.03.2022).
5. Автоматическая компенсация влияния магнитных полей на точность позиционирования по стыку соединения при электронно-лучевой сварке [Электронный ресурс]. URL: https://www.sibsau.ru/files/1773/ (дата обращения: 28.03.2022).
© Галиев А.Р., Есина П. А. 2022
