CC BY
81
Раздел 2. Технология машиностроения и материалы, конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотрактостроения и подготовки инженерных и научных кадров». М., 2009. с. 99 - 105.
6. Типалин С.А., Шпунькин Н.Ф., Никитин М.Ю. Листовой демпфирующий материал для кузовных деталей. Свойства при сдвиговой деформации. / Автомобильная промышленность, 2010, № 10. с. 39 - 40.
7. Типалин С.А., Шпунькин Н.Ф., Никитин М.Ю., Типалина A.B. Экспериментальное исследование механических свойств демпфирующего материала. / Известия МГТУ «МАМИ». Научный рецензируемый журнал. - М., МГТУ «МАМИ», № 1 (9), 2010. с. 166 - 170.
8. Типалин С.А., ПлотниковА.А. Влияние клеевого соединительного слоя на процесс вытяжки листового многослойного материала. / Автомобильная промышленность, 2012, №6. с. 33 - 35.
Применение технологии лазерной сварки при изготовлении сосудов высокого давления из титанового сплава
Кочергин С.А., д.т.н. проф. Саушкин Б.П.
Ф1 'УЛ НПО «Техномаш», Университет машиностроения (495)689-95-71, serezhka-kochergin(ajyandex. г и
Аннотация. В работе рассмотрены вопросы снижения массогабаритных характеристик сосудов высокого давления (СВД) за счет применения тонкостенной металлической оболочки-лейнера из титанового сплава ВТ-1,0. Выявлены основные трудности, возникающие при изготовлении сварных лейнеров из титанового сплава ВТ-1,0. Представлены результаты подбора режимов сварки титанового сплава ВТ-1,0, показано влияние технологии подготовки кромок на качество сварных соединений, а также возможность применения лазерной технологии при сварки лейнера из ВТ-1,0.
Ключевые слова: лазер, лейнер, лазерная сварка, титановый сплав, испытания, качество, могцностъ нзлучення, сосуд высокого давления, образец. Одной из актуальных проблем ракетостроения является снижение массогабаритных характеристик большой номенклатуры сосудов высокого давления (СВД), используемых в изделиях ракетно-космической техники (РКТ) для хранения жидких и газообразных продуктов - компонентов топлива, азота, гелия, аргона и др.
Эффективным способом решения этой проблемы считается использование металлоком-позитных конструкций таких емкостей с неметаллической или тонкостенной металлической оболочкой-лейнером и внешней армирующей стеклопластиковой или углепластиковой намоткой [1].
Наиболее важными требованиями, предъявляемыми к конструкциям СВД, являются: минимальное соотношение веса к объему, максимальная жесткость и прочность, максимальный ресурс работы, высокая надёжность. Эти условия выполняются при применении титановых сплавов в качестве конструкционных материалов для внутренней оболочки.
Вместе с тем при изготовлении тонкостенных сварных металлических лейнеров, прежде всего лейнеров из титановых сплавов, возникает ряд технологических трудностей, многие из которых до настоящего времени не преодолены и до конца не изучены. Прежде всего это связанно с химической активностью титановых сплавов к газам, что приводит к образованию пористости и холодных трещин при сварке [2, 3]. Поэтому качество сварных соединений при сварке титана различными методами во многом зависит от технологии подготовки кромок деталей под сварку.
Важным фактором при сварке лейнера является точность сборки и строгое соблюдение допустимых зазоров между кромками деталей.
При сознании сварных конструкций СВД из титановых сплавов возможно эффективно
применение лазерной технологии, потому что лазерное излучение обладает рядом уникальных свойств: высокой интенсивностью и монохроматичностью, возможностью достижения высоких значений плотности мощности и высокой локальности воздействия. Все это существенно расширяет технологические возможности его применения [2].
В данной работе рассмотрены вопросы подбора режимов сварки титанового сплава ВТ-1,0, влияние технологии подготовки кромок на качество сварных соединений, а также применение лазерной технологии при сварки лейнера из ВТ-1,0.
При проведении экспериментов использовался волоконный лазер ЛС-1, функционирующий как в модулируемом, так и непрерывном режиме. Технические характеристики: Мощность излучения, кВт 1
Длина волны, мкм 1,07
Фокусирующие расстояние линзы, мм 200
Минимальный диаметр пятна, мм 0,1
Выбор оптимального режима сварки титанового сплава ВТ-1,0 проводили на плоских образцах 100x50x1,8 мм без дополнительной подготовки свариваемых кромок.
Для защиты поверхности шва, а также остывающих участков металла шва и околошовной зоны использовали гелий высокой чистоты. Защиту корта шва осуществляли аргоном высокой чистоты и смесью аргона и гелия. При выборе режима варьировались следующие факторы: энергия, частота, длительность импульсов, скорость сварки, диаметр и положение фокального пятна. В таблице 1 представлены некоторые режимы сварки в зависимости от частоты излучения и скорости сварки:
При оценке качества сварных соединений рассматривались: геометрия сварного шва, его механические свойства, наличие внутренних и внешних дефектов.
В результате был выбран оптимальный режим лазерной сварки образцов, однако проведенные результаты рентгенографических исследований показали, что на некоторых образцах имеются дефекты в виде небольших газовых включений пор. Одной из возможных причин появления таких дефектов является некачественная подготовка кромок.
Таблица 1
Режимы лазерной сварки титанового сплава ВТ-1,0
Материал Толщина Фокусное Мощность Частота, Скорость Ширина Защитный
листа, мм расстояние, мм излучения, Вт Гц сварки, м/мин шва, мм газ
50 1,5
100 1 1 Не+Аг; корень шва Не
Титан 1,8 200 1000 200 1,25
ВТ-1,0 50 1,8
100 0,48 1,5
200 1,4
Для их устранения и улучшения качества сварных соединений из титанового сплава
ВТ-1,0 нами рассмотрены различные варианты подготовки кромок свариваемых деталей:
1) механическая вырезка (фрезерование) образцов и автоматизированная зачистка поверхности образцов лепестковой металлической щеткой (сталь 12Х18Н10Т);
2) механическая вырезка (фрезерование) образцов и электродуговая разрядная очистка в вакууме (технология ЭДРО, опытная установка «ЭДРО-1» ФГУП «НПО «Техномаш»);
3) механическая вырезка (фрезерование) образцов и обдувка кромок стеклянными шариками;
4) лазерная вырезка образцов сфокусированным лазерным лучом волоконного лазера «ЛС-1» и автоматизированная зачистка поверхности образцов лепестковой металлической щеткой (сталь 12Х18Н10Т).
Выбранный режим сварки образцов:
Раздел 2. Технология машиностроения и материалы, о мощность, Вт 850;
о скорость, м/мин 0,48;
о частота излучения, Гц 100.
После сварки образцов для оценки механических свойств сварных соединений проводили испытания на разрыв (плоские стандартные образцы) и статический изгиб до разрушения (плоские пластины).
Результаты испытаний приведены в таблице 2.
В дополнение к механическим испытаниям были проведены рентгенографический анализ и металлографические исследования сварных образцов с различными вариантами подготовки кромок, позволившие установить, что:
• для варианта 1 шесть из семи образцов соответствуют требованиям ОСТ 92-1114-80 «Соединения сварные. Общие технические требования», а на одном образце была выявлена цепочка пор диаметром 0,2.. .0,5 мм,
• для варианта 2 шесть образцов полностью соответствуют ОСТ 92-1114-80, на седьмом мелкая (0,1-0,25 мм) пористость,
• для варианта 3 пять образцов, полностью соответствуют ОСТ 92-1114-80, а на остальных образцах имеется мелкая (0,1-0,3 мм) пористость практически по всей длине шва,
• для варианта 4 все семь образцов полностью соответствуют требованиям ОСТ 92-1114-80 «Соединения сварные. Общие технические требования».
Таблица 2
Результаты механических испытаний образцов сварных соединений с разными способами подготовки кромок
Вариант обработки кромок Механические свойства
предел прочности, о в, МПа предел текучести, От, МПа максимальный угол загиба, а, град
1 468-485 400-455 95-169
2 476-502 387-454 98-169
3 464-500 424-460 100-164
4 475-490 424-460 100-169
Металлографические исследования показали, что на всех макрошлифах дефекты типа непроваров и микротрещин отсутствуют. Лишь на нескольких образцах были обнаружены отдельные мелкие газовые поры, не приводящие к снижению механических характеристик сварных соединений.
В результате проведенной работы установлено, что по уровню механических свойств из четырех опробованных вариантов подготовки кромок сварных соединений могут быть рекомендованы два: механическая обработка с последующей обдувкой кромок стеклянными шариками (вариант 3) и лазерная вырезка сфокусированным лазерным лучом с последующей обработкой поверхности кромок лепестковой металлической щеткой (сталь 12Х18Н10Т) (вариант 4). С учетом данных рентгеновских и металлографических исследований опытных образцов сварных соединений наилучшим вариантом подготовки кромок следует признать технологию по варианту 4.
Полученные результаты были использованы при отработке режимов сварки лейнеров из титанового сплава ВТ-1,0. Габаритные размеры лейнера составляют: диаметр 360 мм, длинна 800мм, толщина материала в зоне сварки 1,8 мм.
Прихватку и сварку лейнера осуществляли на лазерном технологическом комплексе ЛТКС-1 на базе ЛС-1. Важным фактором при сварке лейнера является точность сборки и строгое соблюдение допустимых зазоров между кромками деталей.
Поэтому прихватку двух обечаек выполняли в специально разработанном бандажном кольце, позволяющем обеспечить необходимые требования по сборке: о минимальный зазор, мм 0,05;
о минимальные превышения кромок, мм 0,08.
Прихватка выполняется в импульсном режиме в двенадцати точках по всему диаметру. После выполнения прихватки кольцо снимается.
Для удаления газонасыщенной пленки со свариваемых кромок приметали очистку щеткой из нержавеющей стали.
Основные требования, предъявляемые к лазерной сварке лейнера: о высокая прочность сварных соединений; о минимальные деформации лейнера после сварки; о минимальная зона термического влияния, мм.
Для защиты поверхности и корня шва, а также остывающих участков металла шва и околошовной зоны использовался гелий высокой чистоты; обдув корня шва осуществлялся аргоном высокой чистоты или смесью аргона и гелия.
Качество сварных швов оценивалось визуально, а также по результатам механических испытаний, рентгеновского контроля, металлографических исследований.
На рисунке 1 показан лейнер, изготовленный с применением лазерной сварки. По внешнему виду сварных соединений для всех исследованных вариантов подготовки кромок сварные швы формируются без существенных дефектов._
Рисунок 1 - Лейнер, изготовленный с применением лазерной сварки
Таким образом, в результате проведенных экспериментов установлены возможность и целесообразность применения лазерных технологий для резки (раскроя) и сварки сосудов высокого давления из титанового сплава ВТ-1,0. Для реализации лазерных технологий целесообразно использовать отечественные волоконные лазеры последнего поколения с высокой технологической надежностью и КПД. Следует отметить, что полученные результаты могут быть использованы в других областях техники и при обработке других материалов, например, в автомобилестроении [4-6].
Литература
1. Чумадин A.C., Ершов В.И, Барвинок В.А. Теоретические основы авиа и ракетостроения. -Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов. - М.: Дрофа, 2005.
2. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. - М.:Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008.
3. Григорьянц А.Г., Основы лазерной обработки материалов - М.: Машиностроение, 1989.
4. Шандров Б.В., Прогрессивные технологии автомобилестроения/ Журнал автомобильных инженеров, № 6. 2004.
5. Калашников A.C., Моргунов Ю.А., Калашников П.А. Анализ методов чистовой обработки зубьев цилиндрических колес, применяемых в промышленности. Инженерный журнал. Справочник № 4, 2010 М.: Машиностроение, 21-27 с.
6. Типалин С.А., Шпунькин Н.Ф., Никитин М.Ю., Типалина A.B. Экспериментальное исследование механических свойств демпфирующего материала. / Известия МГТУ «МАМИ», 2010. № 1. с. 166-170.
