CC BY
9
Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственнее технологии»
УДК 621.791.722
СВАРКА КОРПУСА ТНА ПЕРВОЙ СТУПЕНИ
Е. А. Бем*, Н. С. Жмуйдин, С. А. Васильев, И. В. Александров Научный руководитель - Ю. И. Коновалов
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: bemjeka25@gmail.com
Рассмотрены наиболее актуальные проблемы получения качественных сварных соединений сварных конструкций из сплавов ВЖЛ-14 и ВНЛ-6.
Ключевые слова: сварка сплавов ВЖЛ-14 и ВНЛ-6, электронно-лучевая сварка. WELDING CASE TURBOPUMPING UNIT OF THE FIRST STAGE
E. A. Bem*, N. S. Zhmuidin, S. A. Vasiliev, I. V. Alexandrov Scientific Supervisor -Y. I. Konovalov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: bemjeka25@gmail.com
The most actual problems of obtaining high-quality weldedjoints of welded structures from VGL-14 and VNL-6 alloys are considered.
Keywords: welding of alloys VGL-14 and VNL-6, electron-beam welding.
Турбонасосный агрегат предназначен для создания давления компонентов топлива (окислителя и горючего) в магистралях ракеты и подачи этих компонентов из баков ракеты в газогенератор, камеру сгорания, на контролирующие механизмы.
ТНА состоит из трёх секций: секция турбины и двух секций насосов (окислителя и горючего). В корпус турбины поступают из газогенератора горючие газы, которые раскручивают турбину и находящиеся с ней на одном валу насосы горючего и окислителя.
В процессе работы турбины и всего агрегата различные детали его работают в различных условиях, и к сварным швам между деталями предъявляются различные требования. Детали секций корпуса турбины взаимодействуют с нагретым до высоких температур и находящегося под большим давлением газом. Корпуса насосов непосредственно контактируют с такими агрессивными жидкостями как окислитель (кислота) и горючее. Таким образом, корпус турбонасосного агрегата первой ступени должен удовлетворять следующим требованиям:
- высокая жаропрочность;
- герметичностью;
- высокой коррозионной стойкостью при повышенных температурах.
Конфигурация корпуса ТНА затрудняет применение штампованных и покованных деталей, поэтому для изготовления конструкции применим литые заготовки.
Для корпуса турбины применим литейный жаропрочный сплав на никелевой основе ВЖЛ-14 с термообработкой, обладающий требуемыми эксплуатационными характеристиками. Термообработка заключается в закалке с температуры 1150-1170 °С, выдержке 4,0-4,5 ч, охлаждение на воздухе [1].
Для корпусов насосов применяют высокопрочную нержавеющую литейную сталь ВНЛ-6. Сталь относится к сталям переходного аустенитно-мартенситного класса. В закалённом состоянии сталь обладает высокой пластичностью. Хорошее сочетание прочностных и пластических
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2018. Том 1
свойств сталь имеет после упрочняющей термообработки с применением обработки холодом. Упрочняющая термообработка заключается в закалке (1130±10 °С) на воздухе, обработке холодом (-70 °С) в течение двух часов и последующем отпуске (480 °С) в течение одного часа, охлаждение на воздухе. Упрочнение стали вызывается мартенситным превращением при минусовых температурах.
Технические требования и технические условия изготовления корпуса ТНА выявляют нижеследующие особенности способа сварки, которыми я руководствовался при его выборе:
- минимальная деформация металла при сварке изделия;
- обеспечение требуемого химического состава металла шва;
- высокоэффективная защита расплавленного металла и зоны сварки;
- возможность сварки больших толщин;
- достижение необходимой коррозионной стойкости и жаропрочности сварных швов;
- возможность наблюдения за сварочной ванной и дугой;
- большая степень механизации и автоматизации процесса;
- возможность сварки в различных пространственных положениях.
В результате анализа различных способов сварки наиболее удовлетворяющим всем выше перечисленным особенностям следует отнести электронно-лучевую сварку. Электронно-лучевая сварка - обеспечивает возможность за один проход сварить без разделки кромок металл большой толщины с минимальной протяжённостью околошовной зоны и очень малым коэффициентом формы шва, что является важным технологическим преимуществом этого способа, но также требует высокой точности при сборке свариваемых изделий. Электронно-лучевая сварка в вакууме облегчает удаление примесей и газов, но увеличивает испарение легирующих элементов, что может привести при глубоком и узком проваре к задержке части газов растущими кристаллами в шве и образовать поры [2].
Сложность аппаратуры и процесса сварки обуславливают применение электронно-лучевой сварки в основном при изготовлении ответственных конструкций из жаропрочных сталей и сплавов, к которым относятся сплавы ВЖЛ-14 и ВНЛ-6, а также для конструкций, когда требуется только присущее электронно-лучевой сварке глубокое и узкое проплавление с минимальными размерами зоны термического влияния и минимальными деформациями.
Установка для ЭЛС включает в себя следующие элементы: электронно-лучевую сварочную пушку с системами управления и электропитания, формирующую поток электронов: электроны могут быть ускорены до энергии 20-30 кэВ - низковольтные пушки; 30-100 кэВ - пушки с промежуточным ускоряющим напряжением; 100-200 кэВ - высоковольтные пушки. Также вакуумную камеру с люками загрузки и выгрузки деталей, механизмами перемещения свариваемых деталей и со смотровыми окнами, вакуумную систему, обеспечивающую при сварке в рабочем объёме камеры разряжение 10-4-10-5 мм. рт. ст.
Поток электронов, имитируемый катодом, формируется предварительно электростатическим полем в области катод-анод, регулировка величины тока луча производится путём подачи отрицательного напряжения на управляющий (прикатодный) электрод.
Величина удельной энергии, высвобождаемой в месте бомбардировке металла потоком электронов, может изменяться с помощью системы электромагнитной фокусировки луча. Для совмещения пятна нагрева со сварным стыком при отклонении последнего от геометрической оси пушки или при сварке по сложному контуру служит система электромагнитного отклонения.
Преимущества ЭЛС:
- отсутствие окисления расплавленного металла;
- гарантированное высокое качество сварного соединения;
- возможность сварки тугоплавких материалов;
- большая скорость сварки, возможность сварки больших толщин без разделки кромок;
- позволяет получать сварные соединения с высоким коэффициентом формы шва (отношение глубины проплавления к ширине шва 20:1 и более);
- сварные швы при ЭЛС обладают узкой зоной термического влияния и минимальным короблением за счёт минимального тепловложения (погонная энергия составляет 15-20 % от энергии, затрачиваемой при дуговой сварке, при равной толщине металла);
Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственные технологии»
- возможность плавного регулирования в широких пределах вводимой в металл удельной и общей тепловой энергии позволяет сваривать металлы в большом диапазоне толщин (0,01-200 мм);
- малый объём литого металла обеспечивает минимальные термические деформации, часто не превышающие допуски на механическую обработку;
- фокусировка потока электронов в магнитном поле даёт возможность достижения высокой степени программирования и перемещений луча по детали с помощью электронно-магнитной отклоняющей системы;
- химическая чистота в месте сварки и отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла газами [3].
Таким образом, электронно-лучевая сварка полностью удовлетворяет техническим требованиям, предъявляемым к способу сварке при изготовлении корпуса турбонасосного агрегата первой ступени.
Библиографические ссылки
1. Оборин Л. А. Научно-технологические основы производства литых деталей по выплавляемым моделям для силовых установок летательных аппаратов : монография. 2-е изд., доп. ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. 242 с.
2. Козловский С. Н. Источники питания для дуговой и электрошлаковой сварки : учеб. пособие ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2003. 316 с.
3. Сварка в машиностроении : справочник. В 4-х т. М. : Машиностроение, 1978-1979.
© Бем Е. А., Жмуйдин Н. С., Васильев С. А., Александров И. В., 2018
