20 июля 2022

Пермские ученые с коллегами из МЭИ и китайского университета повысили качество сварки деталей для аэроксмической отрасли

Ученые Пермского Политеха (ПНИПУ) совместно с коллегами из Московского энергетического института (МЭИ) и Хуанджунского института науки и технологии (Китай) разработали метод управления характеристиками сварного шва. Это позволит значительно повысить качество сварки деталей в аэрокосмической отрасли, приоборостроении, микроэлектронике, атомной энергетике.

В этих отраслях сейчас активно используется электронно-лучевая сварка, которая позволяет сваривать за один проход детали толщиной от 0,1 мм до 400 мм. Технология обеспечивает высокое качество и надежность сварных швов. Однако недостаточный контроль процесса может вызывать брак. Так одним из серьезных дефектом является провисание сварного шва при сварке с полным проплавлением, который увеличивает риск местного разрыва и трещин при нагрузке соединения.

Исследование, проведенное группой российско-китайских ученых показало, что методом, который может предотвратить провисание сварного шва является электронно-лучевая сварка со сканированием луча.

– При электронно-лучевой сварке образуются узкие глубокие швы. Это происходит за счет образования тонкого канала из пара и расплавленного металла вокруг луча. Процессы, происходящие в канале проплавления, скрыты от исследователя как игла Кощея от известного героя. Моделирование становится единственным методом заглянуть «внутрь», –  рассказывает доктор технических наук, проректор по разработкам и инновациям, профессор кафедры сварочного производства, метрологии и технологии материалов Пермского Политеха Дмитрий Трушников.



С помощью компьютерного моделирования данных ученые установили, какие параметры могут препятствовать возникновению дефектов.

–  Применение осцилляции – технологического приема, который предотвращает корневые дефекты в сварном шве – при электронно-лучевой сварке позволяет перераспределить энергию в области взаимодействия пучка с материалом. Эффект удержания металла от вытекания из сквозного канала проплавления проявляется только на определенных режимах осцилляции. Использование моделирования для определения необходимых режимов позволит снизить временные и материальные издержки, – поясняет кандидат технических наук, доцент кафедры технологии металлов Национального исследовательского университета МЭИ Андрей Слива.

В перспективе исследование ученых позволит улучшить качество сварных соединений.

– Сейчас перед страной стоит большой вызов в обеспечении технологической независимости в авиационном двигателестроении. Необходимо в кратчайшие сроки провести сертификацию новых авиационных двигателей и ускоренными темпами наладить их серийное производство. Именно в этом случае обеспечение качества на этапе всех технологических операций приобретает огромное значение. Электронно-лучевая сварка применяется как заключительная при изготовлении особо ответственных узлов сложных дорогостоящих изделий (космические аппараты, детали авиационных газотурбинных двигателей, шестерни редукторов вертолетов и т.д.). Исключение брака на этом этапе позволяет обеспечить надежность, безопасность и высокий экономический эффект.

Разработка уже внедряется на предприятиях авиационного двигателестроения и Росатома.

По словам Андрея Сливы, кроме повышения качества сварного соединения, применение осцилляции потенциально может влиять на микроструктуру и свойства сварных швов. В этом направлении сейчас ведутся исследования.

 

Результаты работы ученых опубликованы в одном из самых престижных журналов в области металловедения и материаловедения

в секции «А», специализирующейся на вопросах касающихся технологий обработки и свойств материалов. Разработка выполнена при поддержке Программы академического стратегического лидерства «Приоритет-2030» двумя российскими университетами. Передовые производственные технологии авиадвигателестроения – один из ключевых научно-технологических проектов Пермского НОЦ.

На иллюстрациях:
1.Внешний вид сварного шва
2.Потоки жидкого металла в сварочной ванне при различных параетрах осцилляции
3.Макрошлиф шва при полном проплавлении
4.Колебательный процесс в канале проплавления