Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ПОРИСТО^ТРОНИЦАЕМЫХ ПОРОШКОВЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
1.1. Классификация и области применения металлических фильтрующих элементов
1.2. Способы получения пористых металлических материалов
1.3. Анализ проблем сварки пористых порошковых материалов на металлической основе
1.4. Цель и задач исследований
Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ФОРМИРОВАНИЯ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ПОРИСТЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С МЕТАЛЛАМИ В УСЛОВИЯХ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ
2.1. Методика проведения исследований
2.2. Результаты исследования структуры сварного соединения пористо-проницаемого металлического материала с деформированным металлом
2.3. Расчетная оценка распределения температур в зоне сплавления пористо-проницаемого металлического материала при электронно-лучевой сварке Определение тешюфизических свойств пористо- проницаемых металлических материалов
Распределение температуры и остаточных напряжений в комбинированных сварных соединениях из пористого и деформированного металла типа
2.4. Влияние параметров электронно-лучевой сварки на глубину проникновения расплава в капиллярные каналы ІШММ и 69
Глава 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭЛС СОЕДИНЕНИЙПОРИСТО-ПРОНИЦАЕМЫХ ПОРОШКОВЫХМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 83
3.1. Влияние пористости основного материала и параметров ЭЛС на формирование стыковых соединений
3.2. Выбор оптимального технологического вариантавведения дополнительного присадочного металла всварочную ванну при ЭЛС ППММ 88
3.3. Выбор конфигурации остающейся технологическойподкладки и глубины ее проплавлення при ЭЛС ППММ 91
3.4. Исследование особенностей образования дефектов при электронно-лучевой сварке пористо-проницаемых 95
Выводы к главе 3
Глава 4. РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ФИЛЬТРУЮЩИХЭЛЕМЕНТОВ ПАТРОННОГО ТИПА 112
4.1. Разработка и исследование процесса электронно-лучевой сварки-пайки стыковых соединений фильтрующих 112
4.2. Оборудование и технологическая оснастка для ЭЛС 122
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
- Классификация и области применения металлических фильтрующих элементов
- Результаты исследования структуры сварного соединения пористо-проницаемого металлического материала с деформированным металлом
- Влияние пористости основного материала и параметров ЭЛС на формирование стыковых соединений
Введение к работе
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
7 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.
Разработать технологию электронно-лучевой сварки стыковых соединений заготовок из пористо-проницаемых металлических материалов.
Исследовать влияние параметров процесса электронно-лучевой сварки на качество сварных соединений пористо-проницаемых
8 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 диревацнонного 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
Ь Установлены закономерности формирования соединения при электронно-лучевой сварке пористо-проницаемых порошковых металлических материалов с компактнымя, 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 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-проннцаемых порошковых металлических материалов,
10 обеспечивающие требуемый уровень свойств сварных соединений и
эксплуатационных характеристик фильтрующих элементов. Предложен
процесс электронно-лучевой сварки-пайки при изготовлении фильтрующих
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 многопозиционнога
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.
11 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 ІЗтаблиц 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-
Классификация и области применения металлических фильтрующих элементов
Фильтрующие элементы различной конструкции из металлических материалов широко применяются в различных отраслях народного хозяйства для фильтрации жидкостей и газов. Спектр задач в области жидкой фильтрации чрезвычайно обширный:
а) тонкая фильтрация воды;
б) очистка воды (через паровую фазу) для производства изделий микроэлектроники и лекарств;
в) очистка отработанных машинных масел;
г) фильтрация охлаждающих жидкостей от примесей, несущих в себе радионуклеиды;
д) осветление и стерилизация вин, пива, соков;
е) фильтрация технологических жидкостей и газов;
ж) ультрафильтрация воздуха, содержащего дисперсные частицы радиоактивных элементов (плутония).
Фильтрующие элементы работают в широком диапазоне температур, а также в агрессивных средах.
Повышение ресурсных показателей работы пневматических и гидравлических систем различных двигательных установок связано с ужесточением требований к чистоте рабочих жидкостей и газов и зависит от конструкции и качества изготовления фильтров. Как правило, система фильтрации состоит из трех ступеней- На первой ступени применяют фильтры предварительной очистки с задерживающей способностью более 5 мкм. На второй ступени применяются микропористые ионнообменные фильтры с порами диаметром 1-5 мкм. На третьей ступени применяют фильтры с максимальной задерживающей способностью,
В производстве фильтров используют сетки и пористые сетчатые материалы, полученные сваркой давлением из многослойных металлических сеток с заданным законом их расположения [2].
Такие фильтрующие элементы конструктивно состоят из собственно сетки требуемой формы, которая методом пайки соединяется с каркасом фильтра. Процесс изготовления фильтров включает операции формирования сетчатого элемента требуемой формы, сварку или пайку стыкуемых кромок и соединение его с каркасом. Основным требованием при выборе способа соединения кромок сетчатого элемента является сохранение показателей фильтрующей способности сеток в зоне соединения, к которым относятся пористость, коэффициент проницаемости и временное сопротивление разрыву [3].
При пайке наблюдается заполнение ячеек сетки, из-за чего уменьшается рабочая поверхность фильтра (при этом расходуются дефицитные припои, а качество соединения в значительной степени зависит от квалификации оператора).
Для получения качественных соединений пористых сетчатых материалов используются импульсные лазеры [4]. Лазерный луч наряду с жестким термическим циклом, большими скоростями обработки и локализацией зоны пластических деформаций обеспечивает высокую стабильность результатов, а также возможность визуального контроля и сварки, как с местной, так и общей защитой соединения с помощью сопловых насадок или микрокамер с кварцевыми иллюминаторами для ввода лучистого потока. При сварке сетчатых материалов из легированной стали используют установку «Квант-15». Поверхность свариваемых кромок подготавливали по стандартной технологии, включающей промывку деталей, сушку и непосредственно перед сборкой обезжиривание.
Результаты исследования структуры сварного соединения пористо-проницаемого металлического материала с деформированным металлом
Эксперименты по исследованию механизма формирования сварного соединения пористо-проницаемых порошковых металлических материалов (ПГШММ) из стали ПХ18Н15 и титанового сплава ВТ1-0 с металлами в условиях электронно-лучевой сварки осуществляли на образцах в виде втулок с внешним диаметром 56мм (рис.4). Образцы из ПППММ получали путем прессования и спекания в вакууме из промышленного порошка производства ПО «Тулачермет». Толщина стенки по пористому материалу составляла Змм, а по металлу — 8мм. В качестве горячекатаного металла использовали сталь 12Х18Н10Т и титановый сплав ВТ1-0. Относительная пористость ПППММ составляла 42%.
Сварку образцов выполняли на установке ЭЛУ-20МК, оснащенной специальным приспособлением, позволяющим сваривать шесть образцов за одну загрузку установки. В качестве энергетического блока использовали ЭЛА-60/15к. При сварке образцов разряжение в камере составляло (266-665) 10" Па.
В качестве базового был выбран режим ЭЛС горизонтальным лучом на вертикальной плоскости, обеспечивающий гарантированное проплавление стали 12Х18Н10Т на 5,5-6 мм: ускоряющее напряжение 60 кВ, ток луча 65-72 мА, скорость сварки 28-30 м/ч. Фокус луча располагался на поверхности образца.
Характер формирования соединения оценивали по макрошлифам в поперечном сечении с применением бинокулярного микроскопа МБС-9. Микроструктура соединения исследовалась на оптическом микроскопе "Neopthot-2".
Влияние пористости основного материала и параметров ЭЛС на формирование стыковых соединений
Исследования влияния пористости основного материала и параметров ЭЛС не формирование стыковых соединений ППММ проводились на плоских образцах ПХ18Н15 и ВТ1-0 толщиной 3 мм и размером 100x200 мм с расположением шва по середине образца- В качестве базового выбран режим элеюронно-лучевой сварки стали Х18Н15 толщиной 3 мм; скорость сварки - 25 м/ч; ускоряющее напряжение - 60 кВ; ток луча - 63-65 мА. Фокус луча располагался на лицевой стороне свариваемых пластин при диаметре фокального пятна 0,5мм.
При сварке образцов 1111ММ ПХ18Н15 с различной пористостью ток луча корректировали для получения швов одинаковой ширины в пределах 3,5-4 2мм. Формирование соединения оценивали измерением геометрических размеров швов в поперечном сечении на шлифах. На этих же шлифах с помощью оптической металлографии оценивали формирование соединения в области зоны сплавления шва и основного материала.
Исследования показали, что при ЭЛС стыкового соединения ППММ шов формируется с занижением с лицевой стороны соединения (рис.ЗОа), Величина занижения с лицевой стороны соединения возрастает с повышением пористости основного материала (рис.306).
В основе образования занижения шва при ЭЛС ППММ лежит явление увеличения плотности ППММ при расплавлении по сравнению с исходной плотностью в твердом состоянии. Сварочную ванну при ЭЛС ППММ (при сварке расфокусированным лучом) можно для упрощения модели представить в виде цилиндра с радиусом основания г, равным половине ширины шва В, и высотой равной толщине листа S порошкового материала (рис.31).
Условие статического равновесия осесимметричной ванны, на которую действуют сила тяжести G, механического воздействия сварочного источника Рм и поверхностного натяжения PDi и Рйз (рис.31а) можно записать в следующем виде [66].
