Исследование особенностей формирования качественных сварных соединений фильтрующих пористых материалов, выполненных электронно-лучевой сваркой

Развитие современного машиностроения требует создания новых энергетических установок и устройств с повышенным коэффициентом полезного действия. Увеличение температур и скоростей энергоносителей привело к повышению конвективных и радиационных потоков к стенкам, наиболее эффективным способом охлаждения, которых является подача газа в пограничный слой через пористую оболочку. Кроме того, применение устройств с проницаемыми элементами имеет еще ряд достоинств, важных при разработке оборудования, а именно: возможность поддержания на поверхности стенки необходимой температуры, уменьшение сил трения, снижение или устранение механической эрозии поверхности элементов, создание газовых потоков с высокой степенью ламинарности.

Повышение ресурсных показателей работы пневматических и гидравлических систем различных двигательных установок связано с ужесточением требований к чистоте рабочих жидкостей. При разработке конструкции фильтрующих элементов важным этапом является обоснованный выбор проницаемых элементов, которые должны обеспечивать: необходимую тонкость фильтрования, обладать высокой проницаемостью, быть стойкими и прочными во всем диапазоне рабочих температур и нагрузок, не ухудшать физико-химические показатели очищаемых сред и не загрязнять их частицами, вымываемыми из материала фильтра в процессе эксплуатации.

Другой важной проблемой, возникшей в последнее десятилетие, является ухудшение состояния водных бассейнов и качества питьевой воды. Неблагоприятное биологическое воздействие избыточного поступления в организм ряда химических и слабо радиоактивных веществ проявляется в повышении общей и специальной заболеваемости, а также в начальных предпатологических сдвигах в организме. Это требует разработки и применения специальных фильтрующих материалов и фильтров из них.

Перспективными являются фильтрующие элементы из пористо-проницаемых металлических материалов, которые наряду с требуемыми гидравлическими, физико-химическими свойствами, обладают достаточно высокой прочностью и прессуемостью. Номинальная удерживающая способность фильтрующих элементов из пористо-проницаемых металлических материалов (ППММ) с мембранным покрытием для механических примесей в воде составляет 0,3−2 мкм, по газу — 0,1−0,5 мкм. Конструктивно фильтрующий элемент состоит из стакана из ППММ и фланца из компактного металлического материала. При изготовлении фильтрующих элементов возникает необходимость выполнения неразъемного замкового соединения между стаканом и фланцем.

Для выполнения неразъемных соединений фильтрующих элементов из ППММ перспективно применение электронно-лучевой сварки (ЭЛС), которая обеспечивает минимальную ширину шва. Однако, процесс электронно-лучевой сварки имеет ряд трудностей и нерешенных проблем в получении бездефектных сварных соединений фильтрующих элементов патронного типа из ППММ, к числе которых можно отнести возможность образования в металле сварных соединений трещин, пор, свищей, прижогов от брызг расплавленного металла, окисления поверхности фильтров, вызывающих снижение эксплуатационных характеристик и надежности фильтрующих элементов. ¦ - ¦

Цель работы — расширение типоразмеров,, улучшение эксплуатационных характеристик и надежности фильтрующих элементов патронного типа из пористо-проницаемых металлических материалов ПХ18Н15 и ВТ1−0 за счет улучшения качества сварных соединений, получаемых электронно-лучевой сваркой.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Определить механизм формирования сварного соединения при сварке пористо-проницаемых металлических материалов.

2. Исследовать влияние металлургических и технологических факторов на образование дефектов в сварных соединениях пористо-проницаемых металлических материалов.

3. Разработать меры, способствующие устранению дефектов в сварных соединениях пористо-проницаемых металлических материалов.

4. Разработать технологию электронно-лучевой сварки стыковых соединений заготовок из пористо-проницаемых металлических материалов.

5. Исследовать влияние параметров процесса электронно-лучевой сварки на качество сварных соединений пористо-проницаемых металлических материалов, включая выбор варианта введения присадочного металла в сварочную ванну.

6. Разработать методику надежной оценки качества сварных фильтрующих элементов патронного типа из пористо-проницаемых металлических материалов. • - •.

Методы исследования. В работе использовались различные методы неразрушающего и разрушающего контроля, в том числе: рентгено-структурный и спектральный анализы, радиографическая и ультразвуковая дефектоскопия, электронная и оптическая металлография, относительный метод плоского слоя для измерения теплопроводности в стационарном режиме, метод диревационного анализа, механические испытания, а также стендовые испытания узлов фильтрации жидкостей и газов.

Эксперименты по ЭЛС проводились на универсальной электроннолучевой установке ЭЛУ-20МК, оснащенной энергетическим блоком с ускоряющим напряжением 60 кВ и многопозиционным сварочным приспособлением.

Научная новизна.

1. Установлены закономерности формирования соединения при электронно-лучевой сварке пористо-проницаемых порошковых металлических материалов с компактными, заключающиеся в локальной высокотемпературной пропитке капиллярных каналов пористого материала расплавом сварочной ванны.

2. Показано, что глубина проникновения расплава в капиллярные каналы пористого материала лимитируется распределением температур в околошовной зоне пористого материала, диаметром капиллярных каналов и I наличием хорошего смачивания их поверхности расплавом. Необходимым условием для реализации данного механизма является наличие более высокой температуры плавления пористо-проницаемого порошкового металлического материала по сравнению с температурой плавления металла сварочной ванны.

3. Образование дефектов в соединениях пористо-проницаемого порошкового металлического материала ПХ18Н15 связано с возникновением тупиковых каналов и возникновением на их базе дефектов типа пор.

4. Обоснован принцип создания фильтрующих элементов из пористо-проницаемых порошковых металлических материалов повышенной производительности, заключающийся в реализации механизма высокотемпературной локальной капиллярной пропитки пористого материала расплавом сварочной ванны при ЭЛС стыковых соединений пористо-проницаемых порошковых металлических материалов с введением присадочного металла из профилированной остающейся технологической подкладки.

Практическая ценность работы.

1. Разработаны и внедрены в производство технологические процессы электронно-лучевой сварки фильтрующих элементов патронного типа из пористо-проницаемых порошковых металлических материалов, обеспечивающие требуемый уровень свойств сварных соединений и эксплуатационных характеристик фильтрующих элементов. Предложен процесс электронно-лучевой сварки-пайки при изготовлении фильтрующих I элементов, используемых в медицинской промышленности и направленный на устранение застойных зон в фильтре.. — ¦

2. Разработаны и освоены в производстве технологические процессы ЭЛС металлических материалов с пористо-проницаемыми порошковыми металлическими материалами при изготовлении сложных пространственных конструкций.

3. Проведена модернизация технологического оборудования для электронно-лучевой сварки фильтрующих элементов, включающая создание специализированной электронной пушки и многопозиционного приспособления, позволяющего за одну загрузку осуществлять сварку 15 фильтрующих элементов.

4. Разработана методика для оценки качества сварных фильтрующих элементов по показателю удерживающей способности.

Внедрение в производство результатов диссертации позволило расширить номенклатуру и типоразмеры выпускаемых изделий, устранить необходимость создания большой номенклатуры специализированной оснастки для прессования и спекания порошковых материалов, повысить качество и надежность получаемых изделий, а также получить суммарный экономический эффект в размере 854 тысяч рублей в ценах 2002 года. и.

На контрактной основе фильтрующие элементы патронного типа поставляются в зарубежные страны.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 3 патента на изобретение.

Структура работы. Диссертация состоит из введений, четырех глав, общих выводов, списка литературы, включающего 88 наименований. Диссертация изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 13таблиц и иллюстрирована 62 рисунками.

Автор выражает признательность специалистам сотрудникам МГИУ, ЦНИИТМАШ, ГНЦ РФ ВНИИНМ, ФГУП «РСК «МиГ» за помощь в осуществлении экспериментальной части работы и обсуждении ее результатов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. На основании анализа результатов экспериментов изучены и раскрыты основные закономерности механизма формирования соединения при электроннолучевой сварке пористо-проницаемых порошковых металлических материалов с компактными металлами, которые базируются на явлении локальной высокотемпературной пропитки капиллярных каналов в порошковом материале расплавом сварочной ванны.

2. Установлено, что глубина проникновения расплава в капиллярные каналы пористого материала определяется максимальными температурами ОШЗ со стороны пористого материала, соотношением температур плавления металла сварочной ванны и пористого материала, а также наличием хорошего смачивания расплавом внутренних поверхностей капиллярных каналов.

3. На основе компьютерного моделирования выполнены расчеты максимальных температур нагрева участков околошовной зоны со стороны ППММ. Анализ моделей показал, что более широкая область распространения теплового поля присутствует в пористом материале и имеет место кинжальный характер его охлаждения по сравнению с деформированным металлом.

Расчеты показали, что при ЭЛС создаются температурные условия для проникновения расплава в капиллярные каналы на глубину до 0,20−0,25 мм.

4. Анализ расчетных данных показал, что наиболее высокие сварочные напряжения могут возникать при нагреве в пористом материале и превышать значения его предела текучести металла. Это может приводить к разрыву капиллярных каналов и образованию микротрещин. В реальном изделии вероятность образования подобных дефектов уменьшается благодаря более высокой теплопроводности деформированного металла сварного соединения.

В целом при охлаждении уровень остаточных напряжений в пористом материале незначителен.

5. Экспериментально показано, что установленный механизм формирования соединения при ЭЛС ППММ может быть реализован при сварке стыковых соединений пористых заготовок при условии введения в шов дополнительного присадочного металла. Наиболее рациональным способом введения дополнительного присадочного металла является использование остающейся технологической подкладки, которая проплавляется в процессе ЭЛС на глубину в 1,4−2 раза большую толщину свариваемых пористых заготовок.

6. Исследовано влияние параметров процесса электроннолучевой сварки на формирование соединения ППММ. Установлено, что при увеличении исходной пористости заготовок целесообразно снижать скорость сварки, а также осуществлять сканирование луча поперек стыка с одновременным его расфокусированием в точках максимального отклонения.

7. Предложен процесс электроннолучевой пайки-сварки для изготовления фильтрующих элементов, применяемых в пищевой и медицинской промышленности. При данном процессе на остающуюся подкладку наносят слой высокотемпературного серебросодержащего припоя, который при нагреве подкладки при ЭЛС расплавляется и заполняет зазор между заготовкой из ППММ и подкладкой, тем самым, устраняя застойные зоны.

8. Разработана технология изготовления пористых материалов и методика оценки качества сварных фильтрующих элементов патронного типа, основанная на сравнительном гранулометрическом анализе составов частиц в электролите. Предложено многопозиционное сварочное устройство, модернизирована электроннолучевая пушка для работы в диапазоне малых токов луча, а также сформулированы конструктивно-технологические принципы создания сварных пространственных конструкций из ППММ.