Application of laser welding technology in manufacture of pressure vessels of titanium alloy

Full Text

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 металлокомпозитных 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 100×50×1,8 мм без дополнительной подготовки свариваемых кромок. Для защиты поверхности шва, а также остывающих участков металла шва и околошовной зоны использовали гелий высокой чистоты. Защиту корня 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 листа, мм Фокусное расстояние, мм Мощность излучения, Вт Частота, Гц Скорость сварки, м/мин Ширина шва, мм Защитный газ Титан ВТ-1,0 1,8 200 1000 50 1 1,5 He+Ar; корень шва Не 100 1 200 1,25 50 0,48 1,8 100 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: o мощность, Вт 850; o скорость, м/мин 0,48; o 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, sВ, МПа предел текучести, sТ, МПа максимальный угол загиба, a, 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: o минимальный зазор, мм 0,05; o 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 применяли очистку щеткой из нержавеющей стали. Основные требования, предъявляемые к лазерной сварке лейнера: o высокая прочность сварных соединений; o минимальные деформации лейнера после сварки; o 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].

About the authors

S. A Kochergin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: serezhka-kochergin@yandex.ru

B. P Saushkin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Dr. Eng., Prof.

References

Supplementary files