Методы и средства измерений линейных размеров для обеспечения качества соединений, выполненных сваркой трением с перемешиванием Ашихин Денис Сергеевич

Введение к работе

Актуальность темы исследования

Для поддержания конкурентоспособности космической промышленности и рынка космических услуг Российской Федерации на мировом рынке необходимо создание современных ракет-носителей. Достижение высокого качества ракет-носителей тесно связано с использованием экономически выгодных технологий их изготовления. Одной из перспективных технологий, внедряемой в производство элементов ракетно-космической техники, является сварка трением с перемешиванием (СТП).

Применение СТП для получения неразъемных соединений по сравнению с применением аргонодуговой сварки позволяет повысить механические характеристики и снизить массу изделия, сократить технологический цикл и трудоемкость его изготовления, снизить влияние неблагоприятных производственных факторов (дым, угарный газ, светоизлучение) на персонал и окружающую среду.

В настоящее время СТП широко внедряется для получения соединений при серийном изготовлении топливных баков ракет-носителей. Однако, при разработке и внедрении СТП в процесс изготовления изделий, в силу неопределённости различных технологических факторов, имеет место проблема обеспечения требуемых прочностных свойств сварных соединений. Одно из направлений решения данной проблемы заключается в выявлении факторов, оказывающих влияние на качество изделия, и характеризующих их параметров, а также разработка автоматизированных систем измерения значений этих параметров.

Основными такими параметрами являются:

– параметр «толщина стенок свариваемых заготовок» – линейный размер равный расстоянию между верхней и нижней поверхностями заготовки. Изменение значений данного линейного размера вне поля допустимых значений, приводит к образованию дефекта типа «непровар корня шва»;

– параметр «зазор между заготовками и подложкой» – линейный размер равный расстоянию от нижней поверхности заготовки до верхней поверхности подложки при расположении заготовки на подложке. Увеличение значений данного линейного размера приводит к образованию дефектов типа «грат», «занижение лицевой стороны сварного шва», «наплыв с корневой стороны шва», а также к утонению сварного соединения и, как следствие, повреждению подложки или инструмента.

Ввиду конструктивных особенностей установок СТП к интегрированным в них автоматизированным системам измерений значений параметров «толщина стенок свариваемых заготовок» и «зазор между заготовками и

подложкой» предъявляются требования, заключающиеся в ограниченной области измерений, а также одностороннем доступе к изделию.

Таким образом, отсутствие метода для измерений значений параметра «зазор между заготовками и подложкой», а также средств измерений значений параметров «толщина стенок свариваемых заготовок» и «зазор между заготовками и подложкой» с односторонним доступом и ограниченной областью измерений для повышения качества сварных соединений, выполненных СТП, обуславливает актуальность темы диссертационных исследований.

Степень разработанности

Проблеме повышения качества соединений, выполненных СТП, в настоящее время уделяется большое внимание такими авторами как: Mishra R.S., Lohwasser D., Smith C., Leonard A.J., Fleming P. A., Threadgill P., Lvesque D., Mandache C., Xiao Qi, Hao Z., Тарасов С.Ю., Рубцов В.Е., Колубаев Е.А., Штрикман М. М., Половцев В.А., Алифиренко Е.А. Все авторы отмечают, что наличие такого специфического для СТП дефекта, как «непровар корня шва», приводит к снижению прочности сварного соединения, а причиной появления этих дефектов является отступление значений параметров «толщина стенок свариваемых заготовок» и «зазор между заготовками и подложкой» от допустимых.

Однако, несмотря на большое количество публикаций по теме обеспечения качества соединений, выполненных СТП, по-прежнему остаются вопросы, требующие своего решения. Имеет место проблемная ситуация, заключающаяся в противоречии между необходимостью измерения значений параметров «толщина стенок свариваемых заготовок» и «зазор между заготовками и подложкой» в автоматизированном режиме с односторонним доступом и ограниченной областью измерений, а также высокой точностью, требования к показателям которой не установлены, – с одной стороны, и отсутствием метода и средств решения подобных задач – с другой.

Научная задача, решаемая в настоящей диссертационной работе, может быть сформулирована следующим образом – разработка метода измерений значений параметра «зазор между заготовками и подложкой», разработка автоматизированной системы измерений, включающей новые средства измерений значений параметров «толщина стенок свариваемых заготовок» и «зазор между заготовками и подложкой», для повышения качества соединений, выполненных СТП.

Предметом научных исследований в диссертации выступают метод и средства измерений значений параметров «толщина стенок свариваемых заготовок» и «зазор между заготовками и подложкой».

Объектом научных исследований являются сварные стыковые соединения топливных баков ракета-носителей, выполненные СТП, и их качество.

Целью диссертационных исследований является повышение качества

сварных соединений, выполненных СТП, на основе измерения значений параметров «толщина стенок свариваемых заготовок», «расстояние от лицевой поверхности заготовок до подложки» и «зазор между заготовками и подложкой» с необходимой точностью, односторонним доступом и учетом геометрических ограничений установок СТП. Задачами исследования являются:

1. Анализ способов повышения качества соединений, выполненных СТП.

2. Разработка требований к показателю точности измерений значений параметра «толщина стенок свариваемых заготовок» и разработка средства измерения значений параметра «толщина стенок свариваемых заготовок».

3. Разработка требований к показателям точности измерений значений параметров «расстояние от лицевой поверхности заготовок до подложки» и «зазор между заготовками и подложкой», разработка средства измерения значений параметра «расстояние от лицевой поверхности заготовок до подложки».

4. Разработка и практическая апробация автоматизированной системы измерения линейных размеров для повышения качества соединений, выполненных СТП.

Научная новизна работы состоит в следующем:

5. Предложен новый методический подход к выбору рациональной номенклатуры измеряемых параметров, который заключается в декомпозиции категорий и групп факторов до характеризующих факторы параметров и дальнейшее исключение факторов, случайная вариация параметров которых не влияет на прочность сварного соединения. Характерной особенностью данного подхода является критерий выбора рациональной номенклатуры измеряемых параметров, основанный на вариации параметра и степени его влияния на временное сопротивление сварного соединения.

6. Предложен и корректно обоснован метод измерения значений параметра «зазор между заготовками и подложкой», заключающийся в оценке разности значения параметра «расстояние от лицевой поверхности заготовок до подложки», измеряемого магнитоиндукционным методом, и значения параметра «толщина стенок свариваемых заготовок», измеряемого электромагнитно-акустическим методом.

7. Разработана новая методика экспериментального обоснования требований к показателям точности измерений значений параметра «толщина стенок свариваемых заготовок». Характерной особенностью данной методики является получение экспериментальной зависимости временного сопротивления при растяжении сварных соединений, выполненных СТП, от разности между значениями параметра «толщина стенок свариваемых заготовок» и вылетом рабочего стержня при учёте вероятности образования дефектного сварного соединения из-за других мешающих факторов путём проведения комплекса неразрушающих и разрушающих исследований.

4. Разработана новая методика экспериментального обоснования требований к показателям точности измерений значений параметров «расстояние от лицевой поверхности заготовок до подложки» и «зазор между заготовками и подложкой». Характерной особенностью данной методики является получение экспериментальной зависимости утонения сварного шва от значений параметра «зазор между заготовками и подложкой» при учёте вероятности образования дефектного сварного соединения из-за других мешающих факторов путём проведения комплекса неразрушающих и разрушающих исследований.

5. Разработана новая методика оценки неопределённости измерений параметров «толщина стенок свариваемых заготовок», «расстояние от лицевой поверхности заготовок до подложки» и «зазор между заготовками и подложкой», в отличие от известных учитывающая фактор «скорость измерений».

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы состоит в разработке метода, позволяющего измерять значения параметра «зазор между заготовками и подложкой» с необходимой точностью, односторонним доступом и учетом геометрических ограничений в области измерений, а также расчетно-экспериментальных методик, позволяющих обосновывать требования к показателям точности измерений значений параметров, влияющих на качество сварных соединений, выполненных СТП.

Практическая значимость работы состоит:

в разработке автоматизированной системы измерений, включающей электромагнитно-акустический и магнитоиндукционный преобразователи, и позволяющей в автоматизированном режиме проводить измерения значений параметров «толщина стенок свариваемых заготовок», «расстояние от лицевой поверхности заготовок до подложки» и «зазор между заготовками и подложкой» с необходимой точностью, односторонним доступом и учетом геометрических ограничений установок СТП. Результаты апробации автоматизированной системы измерений свидетельствуют о повышении качества сварных соединений, получаемых СТП;

в разработке мер для калибровки электромагнитно-акустического и магнитоиндукционного преобразователей, как одного из элементов метрологического обеспечения измерений;

– в разработке методики оценки неопределенности измерений значений параметров «толщина между заготовками и подложкой», «расстояние от лицевой поверхности заготовок до подложки» и «зазор между заготовками и подложкой», позволяющей оценивать выполнение требований к точности измерений значений данных параметров средствами измерений.

Методология и методы исследования

Для решения задач используются экспериментальные и теоретические методы, включая методы теории прочности, теории электродинамики, теории акустики и теории измерений. Полученные результаты обрабатывались при

помощи методов математической статистики в программной среде MathCad. Компьютерное моделирование осуществлялось в среде COMSOL Multiphysics. Моделирование узлов конструкций осуществлялось в среде SolidWorks.

Положения, выносимые на защиту

1. Рациональная номенклатура измеряемых параметров, позволяющая повысить качество сварных стыковых соединений, выполненных СТП, а именно параметры: «толщина стенок свариваемых заготовок» и «зазор между заготовками и подложкой», а также метод измерения значений параметра «зазор между заготовками и подложкой», заключающийся в оценке разности значения параметра «расстояние от лицевой поверхности заготовок до подложки», измеряемого магнитоиндукционным методом, и значения параметра «толщина стенок свариваемых заготовок», измеряемого электромагнитно-акустическим методом.

2. Методика экспериментального обоснования требований к показателям точности измерений значений параметра «толщина стенок свариваемых заготовок» и разработанный электромагнитно-акустический преобразователь, позволяющий проводить измерения значений параметра «толщина стенок свариваемых заготовок» в ограниченном пространстве установок СТП.

3. Методика экспериментального обоснования требований к показателям точности измерений значений параметров «расстояние от лицевой поверхности заготовок до подложки» и «зазор между заготовками и подложкой», а также разработанный магнитоиндукционный преобразователь, позволяющий проводить измерения значений параметров «расстояние от лицевой поверхности заготовок до подложки» в ограниченном пространстве установок СТП.

4. Разработанная автоматизированная система измерения значений параметров «толщина стенок свариваемых заготовок» и «зазор между заготовками и подложкой», методика оценки неопределённости значений параметров и результаты практической апробации автоматизированной системы и методики.

Обоснованность и достоверность результатов, представленных в диссертационной работе подтверждаются аналитическими доказательствами применимости предложенных в диссертации методов и средств, результатов моделирования процессов, согласованностью результатов исследований и их соответствием положениям теории электродинамики, теории акустики, теории измерений, экспериментальной апробацией разработанной автоматизированной системы измерений, признанием основных положений диссертации широким кругом специалистов при апробировании материалов исследований на специализированных семинарах и конференциях.

Реализация результатов работы

Основные результаты исследований реализованы в ООО «НТЦ «Эталон», о чем свидетельствует Акт о внедрении результатов диссертационного исследования.

Апробация результатов работы

Результаты исследований докладывались на: XLIV научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО (03.02-06.02.2015, г. СПб.), IV Всероссийском конгрессе молодых ученых (07.04-10.04.2015, г. СПб), III Международной научно-практической конференции «Sensorica - 2015» (17.11-19.11.2015, г. СПб), V Всероссийском конгрессе молодых ученых (12.04-15.04.2016, г. СПб), XVII Всероссийской школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-17) (15.11-22.11.2016, г. Екатеринбург), II Международной научно-технической конференции «Приборы и методы Неразрушающего контроля качества изделий и конструкций из композиционных и неоднородных материалов» (07.12-09.12.2016, г. СПб), VI Конгрессе молодых ученых (18.04-21.04.2017, г. СПб), IX Общероссийской молодежной научно-технической конференции «Молодежь. Техника. Космос» (19.04-21.04.2017, г. СПб), 16-ой конференции молодых ученых и специалистов "Новые материалы и технологии" (КМУС-2017) (20.06-21.06.2017, г. СПб), IV Международной конференции по инновациям в неразрушающем контроле SIBTEST 2017 (28.06-01.07.2017, г. Новосибирск), ХXX Уральской конференции «Физические методы неразрушающего контроля (Янусовские чтения)» (14.11-14.11.2017, г. Екатеринбург), Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Научно-технологическое развитие судостроения (НТРС-2017)» (16.11-17.11.2017, г. СПб), VII Всероссийском конгрессе молодых ученых (17.04-20.04.2018, г. СПб).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, 3 из них – в периодических изданиях из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (78 наименований), приложения. Основной текст работы (140 страниц) включает 26 таблиц и 74 рисунка.