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

全文:

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].

作者简介

S. Kochergin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: serezhka-kochergin@yandex.ru

B. Saushkin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Dr. Eng., Prof.

参考

补充文件