Разработка технологии роботизированной сварки плавящимся электродом жаропрочных никелевых сплавов

Список сокращений 5
Введение 6
1 Литературный обзор 9
1.1 Описание корпуса опоры ТНД из сплава ЭП718 9
1.2 Характеристика жаропрочного никелевого сплава ЭП718 11
1.3 Обоснование выбора способа сварки жаропрочного железоникелевого сплава ЭП718 19
1.4 Роботизированная сварка плавящимся электродом 28
1.5 Анализ причин дефектов сварного шва, выполненного роботизированным устройством 23
2 Определение допустимого сварочного зазора при роботизированной сварке сплава ЭП718 27
2.1 Оценка влияния оснащенности роботизированной сварочной ячейки на допустимый диапазон изменения сборочных параметров 30
2.2 Отработка режима сварки на сплаве ЭП718 36
3 Исследование сварных соединений сплава ЭП718, сваренных по наплавленной кромке 37
3.1 Описание средства и методика проведения экспериментальных исследований 37
3.2 Отработка режима наплавки на стали 12Х18Н10Т 40
3.2.1 Описание отработанного режима наплавки под прямым углом 41
3.2.2 Описание отработанного режима наплавки под углом 45° 42
3.3 Наплавка кромки сплава ЭП718 45
3.4 Анализ теплового воздействия на кромку при наплавке и сварке 48
3.4.1 Тепловое воздействия при сварке корневого шва 48
3.4.2 Тепловое воздействия при сварке облицовочного шва 50
3.4.3 Тепловое воздействия при наплавке валика 51
3.5 Сварка сплава ЭП718 с наплавленной кромкой 53
3.5 Анализ результатов металлографического исследования после наплавки 55
4 Разработка технологии роботизированной сварки плавящимся электродом сплава ЭП718 57
4.1 Разработка технологии наплавки кромки 57
4.2 Разработка технологии сварки корневого шва 58
Заключение 63
Список использованных источников 64
Приложение А (справочное) Тепловое воздействия при ручной АрДС корневого шва 69
Приложение Б (справочное) Тепловое воздействия при роботизированной СПЭ корневого шва 71
Приложение В (справочное) Тепловое воздействия при ручной АрДС облицовочного шва 73
Приложение В (справочное) Тепловое воздействия при роботизированной СПЭ облицовочного шва 75
Приложение Г (справочное) Тепловое воздействия при роботизированной наплавке плавящимся электродом 77
Приложение Е (обязательное) Комплект документов на технологический процесс роботизированной сварки ЭП718 толщиной 4 мм 79

Весь текст будет доступен после покупки

Жаропрочные никелевые сплавы обладают высокими эксплуатационными характеристиками при температурах 600-700 °С, что делает их незаменимыми при изготовлении корпусов энергетического оборудования, авиационной и ракетной техники.
В настоящее время для сварки жаропрочных никелевых сплавов применяют технологии электронно-лучевой сварки (ЭЛС) и ручной аргонодуговой сварки (АрДС) неплавящимся электродом с присадочным материалом. Технология ЭЛС (благодаря высокой концентрации тепла в источнике) позволяет формировать мелкозернистое строение шва, однако широкое применение ЭЛС осложнено следующими аспектами: требует трудоемкой подготовки кромок, сложно применять на криволинейных траекториях сварных швов. Ручная АрДС с присадочным материалом осуществляется на малых скоростях в 3 и более проходов при заполнении разделки с толщиной металла 4–5 мм. Это приводит к многократному нагреву металла в зоне шва и ОШЗ, и, как следствие, накоплению остаточных напряжений, росту размера зерна.
Применение сварки плавящимся электродом с поперечными колебаниями, совмещенное с методом импульсной сварки обеспечит получение стабильной дуги и пониженное тепловложение в изделие. Для лучшей воспроизводимости действий при сварке предлагается использование роботизированной сварки.
Одним из препятствий на пути роботизации сварочных процессов является чувствительность процесса роботизированной сварки к изменению сборочных параметров, и в первую очередь сварочного зазора.
Таким образом, разработка технологии роботизированной сварки плавящимся электродом жаропрочных никелевых сплавов при увеличенном зазоре является актуальной.

Весь текст будет доступен после покупки

Новые разработки необходимы для поддержания конкурентоспособности авиационной промышленности как на отечественном, так и на зарубежных рынках. В связи с этим Российская Федерация запустила проект создания первого турбовентиляторного авиационного двигателя ПД-14 (рисунок 1.1) в истории современной России.


Рисунок 1.1 – Двигатель ПД-14

При создании и освоении в производстве ПД-14 освоены ключевые технологии, ряд из которых вошел в перечень критических, перечисленных в письме Президента РФ от 30.03.2002 N Пр-576 "Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу". Такие как, керамические покрытия на деталях горячей части, полые широкохордные лопатки, монокристаллические лопатки турбины высокого давления и облегченные лопатки ТНД.
К деталям корпуса ГТД предъявляются высокие требования по жесткости и прочности. Они должны исключать температурные деформации элементов корпусов и облегчать их производство и сборку, но при этом иметь малый вес. Кроме того, корпусные детали должны обеспечивать постоянство точности относительного положения деталей и узлов в статическом и динамическом состоянии, а также обеспечивать герметичность и прочность соединений.
Одним из трудоемких элементов ГТД является корпус опоры ТНД, выполненный из жаропрочного железоникелевого сплава ЭП718. Конструкция корпуса опоры ТНД имеет сложную пространственную геометрию (рисунок 1.2, а): внешнее тело турбины цилиндрически замкнуто, имеет небольшую конусность. Корпус опоры ТНД имеет 15 стоек, каждая из которых вваривается стыковым швом в несколько проходов (рисунок 1.2, б).


а) б)
Рисунок 1.2 – 3D-модели (а) внешнего тела со стойками,
(б) стойки корпуса опоры ТНД

Сборка корпуса опоры ТНД производится в стапеле, приварка лопаток осуществляется стыковым соединение со скосом кромок по ГОСТ 14771-76. С целью качественного заполнения сечения швов их выполняют за 3 прохода (корневой, заполняющий и облицовочный). Кольцевые швы сваривают автоматической сваркой, остальные с помощью ручной АрДС с присадочным материалом.
Значимой проблемой при сварке корпуса опоры ТНД является образование остаточных деформаций узла, которые недопустимы. Характерная проблема при вварке стоек – изменение геометрий корпуса ТНД по типу «овала» или «многогранника» из-за высокого уровня тепловложения при сварке. Изменение геометрической формы корпуса ТНД приводит к недопустимому зазору при вварке стоек [1, 2].

1.2 Характеристика жаропрочного никелевого сплава ЭП718

В настоящее время жаропрочные никелевые сплавы применяются в авиастроении и энергетике для изготовления нагруженных деталей и узлов, работающих при высоких температурах. Для изготовления высоконагруженных элементов силовых конструкций (детали летальных аппаратов, сварные кольцевые детали, силовые детали корпуса турбины, детали компрессора). Одним из таких материалов данной группы является применяемый при температурах до 700 °C (кратковременно до 800 °С), сплав ЭП718 (ХН45МВТЮБР) и его зарубежный аналог Inconel 718. В таблице 1.1 представлен химический состав сплава ЭП718 и его зарубежного аналога Inconel 718.

Таблица 1.1 – Химический состав сплава ЭП718 [3] и Inconel 718 [4]
Сплав Содержание элементов в %
C Si Mn Cr Ni W Mo Mg Nb Al Ti Fe B S P Прочие
ЭП718 ?0,1 ?0,3 ?0,6 14- 16 43-47 2,5- 3,5 4-5,2 0,001- 0,5 0,8-1,5 0,9-1,4 1,9-2,4 Ост. ?0,008 ?0,010 ?0,015 Zr?0,02; Се?0,3
Inconel 718 ?0,08 ?0,35 ?0,35 17- 21 50-55 - 2,8-3,3 - 4,75-5,50 0,2-0,8 0,65-1,15 Ост. ?0,006 ?0,015 ?0,015 Co?1,0; Сu?0,3

В сплаве ЭП718 суммарное содержание титана и алюминия нормируется в пределах 2,8-3,8 %, что позволяет их отнести к материалам с низкой склонностью к трещинообразованию при термообработке (рисунок 1.3).
Отличительной особенностью сплава ЭП718 является наличие в составе достаточного количества алюминия и титана, которые, взаимодействуя с никелем, образуют ?'-фазу типа Ni3(Al, Ti). Микроструктура этих сплавов представляет собой твердый раствор с ГЦК-решеткой, содержащий карбиды и когерентную с твердым раствором интерметаллидную ?'-фазу, прочность которой возрастает с ростом температуры, а ее наследственная пластичность препятствует охрупчиванию сплавов. Жаростойкость сплавов зависит от содержания, состава и размера ?'-фазы и определяется в значительной мере содержанием алюминия и титана. Тугоплавкие элементы (ниобий, тантал, молибден и вольфрам), упрочняя твердый раствор, могут также входить в состав ?'-фазы, увеличивая ее содержание. Наибольшая жаропрочность этих сплавов достигается после закалки и последующего старения, в результате чего образуются мелкодисперсные выделения ?'-фазы, которые создают торможение пластической деформации в сплаве, приводящее к возникновению горячих трещин (таблица 1.2) [5].


I – с низкой склонностью, II – с умеренной, III – не склонные
Рисунок 1.3 – Стойкость против образования трещин
при термообработке сварных соединений
жаропрочных сплавов в зависимости от содержания алюминия и титана
титана (светлые кружки – образцы без трещин, темные – с трещинами) [5]

Одним из самых распространенных дефектов при сварке конструкций из сплава ЭП718 являются горячие трещины в сварном и ЗТВ.



Таблица 1.2 – Механические характеристики сплава ЭП718 после термообработки [5]
Состояние поставки Закалка от температуры, °С, в течение, ч Старение при температуре, °С, в течение ?в, МПа ?'-фаза, %
- 1050 °С 780 °С – 5 ч. (на воздухе)
650 °С – 16 ч. (на воздухе) 900-118 10-11
Листы х/к 0,8-3,0 мм - 780-830 °С – 5 ч. (на воздухе)
700-720 °С – 10-16 ч. (на воздухе), охлаждение до 400 в печи 780-1080 -
Кольца сварные 1000-1130 °С – 2 ч.
(в масле) 780-830 °С – 5 ч. (на воздухе)
650-730 °С – 16 ч. (на воздухе), охлаждение до 400 в печи 980-1130 -
Листы х/к 0,8-3,0 мм - - 980 -
Прутки
горячекатаные (15-55 мм) и кованые (60-160 мм) 1000-1130 °С – 2 ч.
(в масле) 780-830 °С – 5 ч. (на воздухе)
650-730 °С – 16 ч. (на воздухе), охлаждение до 400 в печи 1130 -

Аналог сплава ЭП718 – Inconel 718 обладает хорошей свариваемостью, однако, склонен к возникновению горячих трещин в зоне термического влияния (ЗТВ) листового материала в процессе старения в результате выделения ?'-фазы типа Ni3(Nb, Al, Ti) поскольку содержит Nb до 5,5%. Эта фаза не может образовываться во время обычных сварочных циклов в ЗТВ и снятие напряжений может быть достигнуто раньше ?'' осаждения во время постсварочной термообработки, что и делает Inconel 718 устойчивым к растрескиванию под действием деформации. Хотя Inconel 718 устойчив к растрескиванию под действием деформации, он подвержен межкристаллитному образованию трещин – растрескиванию основного металла и ЗТВ металла шва. Растрескивание в ЗТВ происходит в субсолидусе, когда зерна испытывают расслоение из-за наличия межкристаллитной жидкой пленки по их границам, которые имеют тенденцию разрываться под совместным воздействием временных и остаточных растягивающие напряжений, возникающих при остывании ЗТВ. Представлены механические характеристики сплава Inconel 718 после термообработки (таблица 1.3) [5].


Таблица 1.3 – Механические характеристики сплава Inconel 718 после термообработки [6]
Состояние поставки Закалка от температуры, °С, в течение, ч Старение при температуре, °С, в течение Температура, °С ?в, МПа ?, %
Поковка 982 °С – 1 ч. 718 °С – 8 ч.
621 °С – 18 ч. 20
650 1410
1386
1124 16
21
26
Поковка 1066 °С – 1 ч. 760 °С – 8 ч.
650 °С – 18 ч. 20 1310 18

Одной из проблем, возникающих при сварке, является образование горячих трещин. Оценка склонности к горячим трещинам затруднена из-за совместного влияния множества независящих друг от друга факторов, таких как материал изделия, геометрия изделия и швов и др. Тем не менее, разработаны методики определения склонности к образованию горячих трещин, в которых учитывается синтез влияния нескольких факторов Данные методики можно разделить на расчетные и экспериментальные [6].
Для расчетно-статистических методов применяется регрессионный анализ, позволяющий получить параметрические уравнения, связывающие химический состав сплава с численными показателями свариваемости.
В основе экспериментальных методик лежат испытания с применением внешней нагрузки (машинные методы) и испытания на образцах с естественной жесткостью (технологические методы). Данное разделение регламентируется ГОСТ 26389 и ИСО 17641 [6].
В основе технологических испытаний лежит идея создавать менее благоприятные условия, чем при реальных условиях, благодаря этому можно наблюдать за поведением металла в более критических условиях. Контролируемое возникновение трещин происходит при схожих с реальностью условиях.

Весь текст будет доступен после покупки

1 Азимов Б.П., Винокуров В.А., Григорянц А.Г. Влияние жёсткости конструкций и погонной энергии сварки на усадочную силу // Сварочное производство. 1973. №2. С. 5-7.
2 Винокуров В.А. Сварочные деформации и напряжения / В.А. Винокуров. Москва: Машиностроение, 1974. 248 с
3 Листы из сплава марок ХН45МРТЮБР-ВД (ЭП718-ВД), ХН45МВТЮБР-ИД (ЭП718-ИД).
4 Alloy 718 / Inconel 718 / UNS N07718 / 2.4668 [Электронный ресурс]. – URL: https://emk24.ru/wiki/nikel_i_ego_splavy/alloy_718_inconel_718_n07718_4330575/
5 Сорокин Л.И. Свариваемость жаропрочных сплавов, применяемых в авиационных газотурбинных двигателях // Сварочное производство. 1997. №4.
6 Муругова О.В. Разработка технологии роботизированной сварки корпусного узла авиационного двигателя нового поколения ПД-14: научно-исследоват. работа. Уфа, 2021. – 193 с.
7 Шоршоров М.Х. Горячие трещины при сварке жаропрочных сплавов / М.Х. Шоршоров. Москва: Машиностроение. 1973. 220 с.
8 John N. DuPont, John C. Lippold, Samuel D. Kiser Welding metallurgy and weldability of nickel-base alloys. 2009. P. 456.
9 Макаров, Э.Л. Теория свариваемости сталей и сплавов: [монография] / Э.Л. Макаров, Б.Ф. Якушин. - Москва: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. 487 с.
10 Сорокин Л.И. Напряжения и трещины, образующиеся при сварке и термической обработке жаропрочных никелевых сплавов // Сварочное производство. 1999. №12. С. 11-16.

Весь текст будет доступен после покупки