Изготовление заготовок гибких волноводных секций космического аппарата лазерной сваркой

Полный текст

Введение

Развитие технологий в производстве космической техники идет в соответствии с целями и задачами, которые определяются потребителями спутниковых услуг на ближайшую и длительную перспективу. В настоящий момент развернуты приоритетные работы по созданию многоспутниковой системы «Сфера», в которую будут входить такие орбитальные группировки, как «Экспресс-РВ», «Скиф» и «Марафон», состоящие из более чем 270 космических аппаратов (КА). При планировании производства КА указанной системы определены следующие направления и задачи, требующие освоения и решения:

Исходя из указанных задач, определены приоритетные направления технологического развития АО «ИСС», одним из которых является развитие собственного волноводного производства, обеспечивающего современный научно-технический уровень продукции [1–3].

Условия эксплуатации современных волноводных трактов требуют применения в составе их конструкций гибких волноводных секций (ГВС). Учитывая то, что на сегодняшний день в России нет производителей ГВС требуемого уровня, а поставки продукции таких ведущих мировых производителей, как Cobham Microwave, затруднены или невозможны, изготовление ГВС собственными силами является безальтернативным условием комплектования ПН КА производства АО «ИСС». Внедрение технологии лазерной сварки заготовок гибких волноводных секций – одно из решений, позволяющих значительно сократить сроки и стоимость изготовления волноводов, обеспечить требуемую точность геометрических размеров волноводных каналов, а, следовательно, и точность проходящего сигнала.

Проработка возможного способа сборки заготовок ГВС показала недостаточный уровень изучения вопросов формирования качественных сварных соединений тонколистовых заготовок из медных сплавов. Разработка и внедрение технологического процесса лазерной сварки ГВС потребовали аналитического расчета тепловых режимов сварки, с последующим подтверждением результатов расчета методами физического моделирования, подбора оборудования, проектирования и изготовления специализированной оснастки, обеспечивающей требуемые геометрию заготовок, формирование сварного шва, а также уровень защиты сварного шва в процессе сварки. Термомеханические воздействия, которые испытывают волноводный тракты в течение срока активного существования КА (до 15 лет), требуют так же оценки напряженно-деформируемого состояния ГВС после сварки и оценку прочностных характеристик сварных соединений ГВС. Ряд из указанных вопросов является предметом данной статьи.

Входные данные

Основным элементом ГВС является гофра с жесткими требованиями конструкторской документации по точности внутренних размеров канала в пределах 0,1 мм и отклонениям по толщине стенки в пределах 0,01 мм. Необходимость отсутствия сквозных дефектов металла и высокой точности геометрии внутреннего канала обусловлена требованиями радиотехнических параметров, а также масса-габаритными и прочностными требованиями.

В настоящий момент в АО «ИСС» внедрены ряд технологий по изготовлению заготовок ГВС при помощи механической деформации. Известны методы изготовления заготовок ГВС, такие как раскатка и вытяжка [4; 5]. Благодаря этим технологиям получаются геометрически точные заготовки, с высоким качеством внутренней поверхности. Однако эти методы обработки давлением обладают существенными недостатками.

Так, процесс изготовления заготовок методами давления характеризуется значительной трудоёмкостью и может занимать до 20 рабочих смен. Количество повторяющихся операций, необходимых для достижения требуемого размера, составляет от 6 до 8 циклов – это наименьшее число переходов, выполняемых с наибольшей степенью деформации без дефектов в виде разрывов металла. В свою очередь, число циклов также зависит от размера сечения будущей гибкой секции (чем больше сечение, тем больше число циклов). Более того, из-за структурно-фазовых превращений в основном металле, после каждого цикла заготовки необходимо подвергать термической обработке, а также проводить операции травления поверхности детали перед проведением нового цикла.

В данной работе была решена задача по получению технологии изготовления заготовок ГВС с минимальными затратами труда для сечений от 20´10 до 70´30, с толщиной стенки 0,1 ммиз медного сплава БрБ2 ДПРНМ ГОСТ 1789-13.

Предложенный подход

Решением поставленной задачи является сборка заготовок ГВС при помощи сварки. В сравнении с методами обработки давлением, сварка наиболее экономичный процесс получения заготовки, который заключается в соединении продольным швов листовых заготовок с требуемой толщиной стенки на оправке формирующего приспособления. В результате процесс изготовления заготовок ГВС по количеству операций сократится с 6–8 многодневных циклов, включающих по нескольку операций и переходов, до 3 операций, состоящих из травления заготовок перед сваркой, сборку под сварку и сварку, без учёта операций по транспортировке и комплектованию, занимающих в общей сложности не более 4 ч.

Предварительно перед проведением серии экспериментальных работ по сварке образцов определены способы, виды и предварительные режимы сварки, основанные на теоретическом анализе свариваемости материала и расчете погонной энергии, необходимой для достижения требуемого проплава. Также учтены требования конструкторской документации, связанные с толщиной детали и полем допуска 0,1 мм на геометрические размеры внутренних каналов волноводов.

Анализ свариваемого материала

Выполнен анализ свариваемости материала ГВС из медного сплава. Медь и ее сплавы по сравнению с другими металлами, например, нержавеющей сталью, обладают высокой адсорбционной способностью, вследствие чего для снижения пористости в наплавленном металла при сварке меди и ее сплавов требуется особенно тщательная подготовка поверхности, а также надежная защита сварного соединения в процессе сварки. Основой сплава БрБ2 является медь и около 2 % бериллия (см. таблицу), который при взаимодействии с окружающей средой легко окисляется с образованием окислов различных составов, из которых Be₂O₃ имеет Т_пл ≈ 733 К и Т_кип ≈ 2397 К, по этой причине подходящим видом сварки является сварка в инертных средах [6].

 

Химический состав БрБ2

Элемент	Fe	Si	Ni	Al	Cu	Pb	Be	Примеси
Содержание, %	до 0,15	до 0,15	0,2–0,5	до 0,15	96,9–98	до 0,005	1,8–2,1	0,5

 

Анализ методов сварки

Выполнен анализ различных способов изготовления ГВС, соответствующих поставленным задачам. В литературе широко описаны методы сварки тонкостенных оболочек, которые образуются из лент с помощью формующих устройств различных способов сварки кромок этих лент. Анализ литературы показал, что для рассматриваемой конструкции наиболее подходящими могут быть следующие виды сварки: контактная шовная, микроплазменная, электронно-лучевая, дуговая сварка в среде защитного газа неплавящимся электродом, а также лазерная [7].

Как известно, контактно шовная сварка (КШС) является сложным термомеханическим процессом, при котором нагрев и расплавление металла деталей, сжатых роликами, осуществляется за счет теплоты, выделяемой током на сопротивлении участка электрод – электрод [8]. Произвести сварку может позволить оборудование (МШК-2002ЭК), которое предназначено для шовной сварки деталей из цветных металлов и их сплавов толщиной от 0,05 до 0,4 мм.

Способ КШС обладает несколькими недостатками:

• – образование нахлёста после сварки ведет к наличию неоднородности во внутреннем канале в виде несплавленной кромки, влияющей на качество металлического покрытия ГВС и впоследствии на качество радиосигнала;
• – сложность обеспечения сборки кромок под сварку;
• – выполнение сечений заготовок меньше 60 х 30 не представляется возможным, так как вызывает значительное затруднения по обеспечению прямолинейности формирующей оправки малого сечения из-за усилия, создаваемого электродами.

Следующим рассматриваемым видом сварки является электронно-лучевая сварка (ЭЛС). Технология заключается в электронной бомбардировке материалов в вакууме, который является необходимым условием устойчивого проведения процесса сварки [9].

Анализ способа показал, что внедрение процесса ЭЛС на предприятии сопровождается высокой трудоёмкостью вспомогательных операций, что снижает технико-экономическую эффективность процесса. Другим недостатком является высокая стоимость комплекта оборудования, составляющая от 2-х десятков млн руб.

В литературе описаны способы по сварке деталей из цветных металлов толщиной до 0,2 мм в импульсном режиме в среде защитного газа аргона как микроплазменной, так и дуговой сваркой неплавящимся электродом. Микроплазменная сварка характеризуется более концентрированной удельной энергией за счет использования сжатой дуги [10; 11].

Рассматривая дуговую и микроплазменную сварку можно сделать предположение о возможности получения качественного сварного соединения с минимальными затратами на оборудование и трудоёмкость операций.

Лазерная сварка обладает высоким значением погонной энергии и по этому показателю существенно превосходит другие способы сварки, В отличие от дуги и плазмы, лазерный луч имеет большую стабильность процесса вследствие относительной простоты управления энергетическими характеристиками лазерного излучения [12].

Расчет режимов сварки

Проведен анализ тепловых процессов, протекающих при формировании сварного соединения. Так, расчетно-аналитическим методом определены ориентировочные режимы тепловложения, необходимого и достаточного для формирования сварного соединения требуемых габаритов. Для расчета тепловых процессов заготовок ГВС определены условия, при которых достигается требуемое формирование сварного шва. Модель нагреваемого тела – тонкостенная цилиндрическая оболочка, которая может быть приравнена с достаточной степенью достоверности к модели нагрева пластины при помощи мгновенного линейного источника теплоты. Использование мгновенного линейного источника обосновывается размерами сварного шва (ширина менее 1 мм и глубина проплавления 0,2 мм), высокой теплопроводностью бериллиевой бронзы в сравнении с теплопроводностью стальной клиновой оправки, на которой формируется сварное соединение, и интенсивным обдувом защитным газом места сварки. Учитывая эти факторы, пренебрегая фактором распространения теплоты в пластине с поверхностной теплоотдачей, количество вводимой теплоты выражаем формулой [13]

$\Delta T=\frac{Q/\delta }{4\pi c\rho at}{e}^{-r^2/4at},$                                                                                                                             (1)

где $r=\sqrt{x^2+y^2}$ – расстояние до рассматриваемой точки от начала координат, где была введенная теплота Q; $\delta$  – толщина пластины; $∆T$ – приращение температуры в рассматриваемой точке с координатами x, y, z; t – время, отсчитываемое с момента введения теплоты; r – плотность тела в нормальных физических условиях; c – удельная теплоёмкость; a = λ / (сr) – коэффициент температуропроводности.

Находимо количество теплоты, нужного для формирования точечного сварного соединения

$Q=\frac{4\pi at\delta c\rho \Delta T}{e^{-r^2/4at}}.$                                                                                                                                      (2)

Полученное значение количества теплоты составляет 3,9184 Дж.

Используя формулу (3) расчета эффективной тепловой мощности, дуги находим ориентировочные режимы для дуговой и микроплазменной сварки в среде защитного газа аргона [14].

$q_{\text{эф}}=\mathrm{0,24}IU\eta ,$                                                                                                                                           (3)

где I – сила тока; U – напряжение дуги; η – КПД дуги (при дуговой сварке коэффициент 0,5–0,6; при микроплазменной сварке коэффициент 0,6–0,8; при лазерной сварке коэффициент 0,6–0,8).

Ориентировочные режимы дуговой сварки в среде защитного газа: I ≈ 2,47 А; U = 11 В. Для микроплазменной I ≈ 1,85 А; U = 11 В.

Режимами для лазерной сварки являются: плотность мощности излучения, скорость сварки и коэффициент перекрытия.

Значение плотности на площадь обработки [15]

$E=\frac{4W\tau }{\pi d^2}$,                                                                                                                                                     (4)

где W – энергия импульса; d – диаметр точки; τ – длительность импульса.

Полученное значение 1,1 ∙ 10⁶ Вт/см².

Скорость сварки при коэффициенте перекрытия k = 0,6

$v_{\text{св}}=df(1-k)$,                                                                                                                                                (5)

где f – частота следования импульсов (10 Гц).

Значение скорости сварки 12 мм /мин.

Из характеристик сварочного оборудования и расчетно-аналитических исследований установлены режимы сварки, однако в [14; 15] указано, что при использовании лазерной и микроплазменной сварки тонкостенных обечаек возможно удовлетворительное формирование сварного соединения, тогда как при дуговой сварке есть вероятность получения дефектов из-за неустойчивости сварочной дуги при требуемом токе. Вывод косвенно подтверждается практическим опытом, полученным на одном из отечественных предприятий, специализирующихся на разработке и производстве радиолокационных комплексов, где производится автоматическая дуговая сварка заготовок ГВС толщиной 0,5 мм из медных сплавов с коэффициентом брака деталей ≈ 0,5.

Далее была выполнена работа, направленная на подтверждение аналитических расчетов путём физического моделирования, включающая в себя сварку образцов заготовок ГВС на различном оборудовании (рис. 1). На установке для сварки обечаек с УСПШН (производитель ООО «НПФ-ИТС», Санкт-Петербург) с источником дуговой сварки в среде защитного газа аргона фирмы Miller модель Dynasty 210. Микроплазменная сварка обеспечивалась на установке SWD (Seam Welding Device, Австрия) с источником PMI-50 (производитель фирма SBI, Австрия). Сопровождение лазерной сварки осуществлялась на установке HTS PORTAL 150 (производитель ОКБ «Булат», Зеленоград).

            

Рис. 1. Установки для сварки: 1 – установке SWD; 2 – установка УСПШН; 3 – установка для лазерной сварки HTS PORTAL 150

Fig. 1. Welding installations: 1 – installation of SWD; 2 – installation of USPSHN; 3 – installation for laser welding HTS PORTAL 150

 

В ходе работ были сварены 30 образцов пластин 100 х 200 толщиной 0,1 мм по 10 на каждый вид сварки (рис. 2). Пластины сваривались с полным проплавлением. Основными критериями при оценке сварных соединений являлись прочностные характеристики и соответствие требованиям отраслевой нормативно-технической документации в части качества сварки.

       

Рис. 2. Образцы сварных соединений: 1 – дуговая сварка в среде защитного газа неплавящимся электродом; 2 – микроплазменная сварка; 3 – лазерная сварка

Fig. 2. Samples of welded joints: 1 – arc welding in a protective gas environment with a non–melting electrode; 2 – microplasma welding; 3 – laser welding

 

Внешний визуальный осмотр образцов, сваренных дуговой и микроплазменной сваркой, выявил дефекты в виде прожогов и непроваров у 70 % образцов. Удовлетворительные результаты показала лазерная сварка на 95 % образцов. На 5 % встречались дефекты в виде прожогов, вызванных недостаточным прилеганием свариваемых кромок во время сборки в приспособлении. Образцы, выполненные дуговой и микроплазменной сваркой были забракованы и в дальнейшем в исследованиях участие не принимали.

На оставшихся образцах, выполненной лазерной сваркой, проводились испытания на разрыв шириной образцов 15 мм (рис. 3).

 

Рис. 3. График нагрузки на разрывной машине

Fig. 3. Load graph on the breaking machine

 

Образцы с 1 по 3 – основной металл заготовки со средним значением предела прочности 654 МПа (нагрузка 100 kgf).

Образцы с 4 по 13 – образцы сварного соединения со средним значением предела прочности 575 МПа (нагрузка 88 kgf), что соответствует 0,8σ_в пределу прочности основного металла.

Разрушение образца в зоне термического влияния сварного соединения.

Металлографический анализ (рис. 4) подтвердил требуемое качество сварных швов.

 

Рис. 4. Металлография сварного соединения

Fig. 4. Metallography of the welded joint

 

Заключение

В результате работы были сделаны следующие выводы: получение качественного сварного соединения из бериллиевой бронзы толщины 0,1 мм возможно при использовании импульсной лазерной сварки. Микроплазменная и дуговая сварка не обеспечивают требуемую стабильность дуги на малых токах, необходимых для формирования соединения изделий из бронзы, с толщиной кромок 0,1 мм и может приводить к образованию неконтролируемых прожогов и несплавления свариваемых кромок.

В настоящее время на предприятии АО «ИСС» внедрена технология изготовления ГВС с толщиной 0,1 мм из медного сплава БрБ2 ДПРНМ ГОСТ1789-13, сечений от 20´10 до 70´30.

Использование заготовок, полученных при помощи импульсной лазерной сварки, позволяет в разы уменьшить трудоёмкость, что снижает стоимость производства и повышает конкурентные преимущества волноводной продукции АО «ИСС» и при этом обеспечивает её эксплуатационные характеристики на уровне лучших мировых аналогов.

Об авторах

Дмитрий Сергеевич Вервейко

Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Автор, ответственный за переписку.
Email: verveykods@iss-reshetnev.ru

аспирант

Россия, 662972, Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Александр Владимирович Мурыгин

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: avm514@mail.ru

доктор технических наук, заведующий кафедрой информационно-управляющих систем

Россия, 660037, Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский Рабочий», 31

Сергей Константинович Злобин

Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Email: zsk@iss-reshetnev.ru

кандидат технических наук, начальник сектора технологий сварки и пайки – главный сварщик

Россия, 662972, Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Виктор Юрьевич Гусев

Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Email: vic@iss-reshetnev.ru

ведущий инженер

Россия, 662972, Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Евгений Валерьевич Патраев

Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Email: evpatraev@iss-reshetnev.ru

заместитель генерального директора – начальник производства

Россия, 662972, Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Михаил Михайлович Михнёв

Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Email: mix@iss-reshetnev.ru

кандидат технических наук, главный технолог

Россия, 662972, Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Список литературы

Дополнительные файлы