автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии получения сварных изделий на основе алюминия с внутренним оребрением для теплообменных аппаратов

#

АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ^ Інститут електрозварювання ім.Є.О. ГЬтона

Л

На правах рукопису

Для службового користування

Прим. № 2.1

ГОЛУБ ВАЛЕНТИН АНТОНОВИЧ

УДК 621.791.12:621.565.94/088.8

ДОІДНШНЯ ТА РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ ОДЕРЖАННЯ ЗВАРНИХ ВИРОБІВ НА ОСНОВІ АЛШІНІЯ З ВНУТРІШНІМ ОРЕБРІННШ ДЛЯ ТЕПЛООБМІННИХ АПАРАТІВ

05.03.С6-

технологія і машини зварювального виробництва

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ 1994

Дисертацією е рукопис

Робота виконана в ІЕЗ ім.Є.О.Пвтона All України і

в ІПМ ім.І.Н.фтнцевича АН України

Науковий керівник:академік АН України Дудко Д.А.

Офіційні опонентигдоктор технічних наук Никитенко Н.І.

кандидат технічних наук Гурский П.І.

Цювідне підприемство:машинобудівне НВО ім.М.В.Фрунзе,

м.Суми

Захист відбудеться "А¿іУ/енТЭ1)Ъз1994 р. о 40годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 016.08.01 в Інституті електрозварювання ім.Є.О. ГЬтона АН України 253Б50,Київ 5,МСП,вул.Божєнко,ІІ .

З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці інституту.

Автореферат розісланий nO-fn иИЗAS 1994 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

канд.техн.наук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ПРАЦІ

Актуальність теми. Еї^ктивність праці теплообмінних апаратів лежить від конструкції та матеріалу,який використовується для готовлення їх теплообмінної поверхні.Одним із основних конструк-йних матеріалів теплотехнічного призначення є алшіній завдяки го високої теплопровідності,малої питомної ваги,а також високої розійної стійкості на повітрі та в деяких кислотах.Крім цього, гміній займав одне із провідних міст по здатності до схоплюван-г його контактуючих поверхонь,я саме холодного зварювання.

1і)з до конструкції теплообмінників,так для інтенсивності тепло-іміну в них велике значення має оребріння або розвивання теплооб-нних поверхонь.Існуючі конструкції мають визначені межі розви-іння зовнішньої та особливо внутрішньої поверхні теплообмінника, і пояснюється складнощами в технології їх одержання.

Оребріння внутрішньої поверхні вироба для виготовлення тепло-кінних апаратів можливо виконувати шляхом складання багатьох тру->к в набір та наступного їх спільного обтиску. В такому разі внут-ішня поверхня-цих виробів збільшується без обмеження.

Для виготовлення вироба теплотехнічного призначення із зтисну-

іх трубок потрібно дотримуватися постійності як товщини внутріш-Іх ребер,так і площі поперечного перерізу кожного каналу,який фор-/еться цими ребрами.Крім цього,виникав необхідність вирішувати зоблему якості контакта зтиснутих трубок,що впливав на теплотех-ічні властивості вироба,а також проблему міцності цих трубок для ідвищення експлуатаційних показників.

Спосіб холодного зварювання багатьох трубок шляхом їх спільного бтиску здатний вирішувати вищевикладені вимоги до виробів для теп-ообмінників тим,що можливо досягнути високої якості контакту і ви-окої міцності з’єднання цих трубок.Тому виникла необхідність долі дження такого процесу для розробки нової технології одержання варних виробів з внутрішнім оребрінням (ЗВВО).

Мета праці-дослідження процесу холодного зварювання багатьох рубок із алшінію шляхом їх спільного обтиску і створення на цій снові технології одержання зварних виробів з внутрішнім оребрін-іям для теплообмінних апараті в,яка б забеспечувала високу якість •в міцність з^еднання їх деталей.

Для досягнення цієї мети необхідно вирішити наступні завдання: ■провести дослідження для встановлення потрібних умов одержання холодного зварювання багатьох трубок із алюмінію.

-з-

-виявити вплив технологічних факторів на якість з’єднання трубок, -розробити методику випробування на міцність одержаних з’єднань деталей зварного вироба,

-провести дослідження міцності зварних з’єднань алкмінія,

-провести дослідження теплотехнічних та аеродинамічних характеристик теплообмінників із зварних виробів,

-розробити технологію одержання ЗВІЮ на основі алшінія.

Наукова новизна.

1.Шерше проведені систематичні дослідження впливу кількості, розташування,густоти упакування,товщини стінки та зовнішнього діаметра трубок із алшінію,а також матеріала наповкика цих трубок

на одержання їх холодного зварювання шляхом спільного обтиску за допомогою прокатки-ковки.ІЬ результатам цих досліджень визначені потрібні умови для такого способа зварювання.

2. Експериментальними дослідженнями встановлена кількістна залежність відносно міцності між матеріалом зварювальних трубок та матеріалом їх наповника в вигляді коефіцієнта пропорційності,який складає 1,1...1,84.

3.Розроблена комп’ютерна програма для автоматизованого розрахунку потрібної величини спільного обтиску складових зварного вироба теплотехнічного призначення,яка враховує особистості конструкції цих виробів та потрібні умови одержання холодного зварювання їх деталей.

4.Встановлено,що мінімальна величина спільного обтиску складових вироба з внутрішнім оребрінням для одержання холодного зварювання його алшінієвих трубок знаходиться в межах від 5 до 05 % в залежності від товщини стінки і зовнішнього діаметра цих трубок,а також від матеріалу їх наповника.

5. ГЬ результатам теплотехнічних та аеродинамічних випробувань теплообмінних апаратів,які виготовлені із ЗВВО на основі алшінія заданих розмірів,Для максимального підвищення теплообміну по відношенню до гладкої труби однакової пропускної спроможності потрібно використовувати конструкцію цих виробів із одного центрального

і трьох кільцевих слоїв розміщення зварювальних трубок.

На захист виносяться:

І.Серія нових зварних виробів (сталь 20-алшіній АДІ,мідь МЗ-алкміній АДі),які використовуються для виготовлення теплообмінних апаратів з високим розвиванням внутрішньої поверхні та високою міцністю їх деталей.

2.Встановлена закономірність впливу кількості.товщини стінки

і зовнішнього діаметра алюмінієвих трубок,а також матеріале напов-іка цих трубок на одержання їх холодного зварювання.

3.Комп’ютерна програма для автоматизованого розрахунку потріб-)ї величини спільного обтиску складових зварного вироба з внут-ішнім оребрінням.

4.Встановлені закономірності зміни коефіцієнта тепловіддачі та

зродинамічного опору в теплообмінниках,які виготовлені із зварних іробів (сталь 20-алшіній АДі),від кількості та міцності з^єднан-

ч алюмінієвих трубок. .

5. Технологічні процеси одержання зварних виробів на основі алкь

інія з внутрішнім оребрінням та результати дослідно-промислової гревірки. '

Теоретична та практична значущість. Праця подає собою сукупність зсліджень нового додання до технології холодного зварювання бага-ьох трубок із алшінію,контактуючі поверхні яких знаходяться в ізних площинах і заповнені наловником із меньш міцного матеріалу, іж зварювальний,стосовно питання по забеспеченню високого розви-ання внутрішньої поверхні розроблених виробів та високої міцності ^єднання їх деталей.Створена розробка істотно розширила•техноло-ічний арсенал одержання зварних виробів теплотехнічного призначен-я для систем охолоджування компресорного устаткування в науково-иробничому об'єднанні "ЛенНІІхіммаш".Економічний ефект від впровад-ення цих розробок в системі охолоджування СВОК ЗА-13^8 компре-орів типв ЦК-І3^8МІ становить 5С0 ССО крб. за станом цін 1988 р., в системі 7ВВ-33/7-883 000 крб.(в цінах 1987 р.). Участь на паях втора становить 90 %.

Апробація праці. Основні положення та результати дисертації по-ідомлялися на:

конференції молодих вчених та спеціалістів "Фізичне матеріалознавство та фізико-хімічні основи створення нових матеріалів"(м.Львів, 1989 р.),

конференції по новим прогресивним матеріалам та технології для виготовлення теплообмінних апаратів (м.Київ,1989 р.), конференції "Сучасні проблеми порошкової металургії,кераміки та композиційних матеріалів"(м.Київ,1990 р^.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 7 статей та одержа-

о 10 авторських свідоцтв на винахід.

Структура та обсяг дисертації, фаця складається із вступу,п>яти

розділі в,висновків,додатку та списку літератури,що вклгнає 128 джерел. .Писертаці я містить 35 рис. та 7 табл.

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації,сформульовані основні положення,що виносяться на захист.

У першому розділі міститься огляд,який присвячується умовам праці теплообмінних апараті в» Відлічені вимоги,які стосуються окремих узлів Цих апаратів.Ціиведені існуючі конструкції узла робочої зони теплообмінників,а також способи їх виготовлення.Розглянуто спосіб холодного зварювання,який можливо стане перспективним для одержання виробів з внутрішнім оребрінням , та гіпотези його здійснення.

У другому розділі приведена характеристика розробляємо! конструкції зварного вироба з внутрішнім оребрінням для теплообмінників та розрахунок кількості його деталей для визначення потрібних технологічних показників.

У третьому розділі подані результати дослідження з метою одержання зварних виробів на основі алшінія з внутрішнім оребрінням. Розраховані технологічні характеристики холодного зварювання алюмінієвих трубок,які заповнені наповником із неметалевого матеріалу. Приведені результати дослідження вплину технологічних факторів на одержання схоплювання алюмінієвих поверхонь,які розташовані в різних площинах,шляхом спільного обтиску складових.Описана нова методика визначення межі міцності на зріз одержаних з’єднань деталей вироба з внутрішнім оребрінням.Завдяки проведенню електронно-мікроскопічних досліджень вибрана необхідна структура зварних з-*єднань алюміиія для виробів теплотехнічного призначення'. Виділені потрібні схеми технології одержання ЗВВО на основі алшінія.

У четвертому розділі подані результати межі міцності на зріз алгаініевих з’єднань,які одержані шляхом заклинювання та схоплювання контактуючих поверхонь вироба. Визначена теплотехнічна та аеродинамічна характеристика теплообмінників,які виготовлені із зварних виробів,що дало змогу встановити потрібну кількість зварювальних трубок або кількість слоїв їх розміщення для максимального підвищення ефективності теплообміну. .

У п’ятому розділі показані окремі варіанти розроблених конструкцій апарата зовнішнього та внутрішнього теплообміну із зварних виробів,а також результати техніко-економічних показників впровадження цих виробів в системах охолоджування компресорного устаткування.

■ СТИСЛИЙ ЗМІСТ ПРАЦІ В зв'язку з тим,що одна із головних проблем теплообмінних апа-' тіd укладається в інтенсифікацію теплообміна в них, важливо ільшувати їх теплообмінні поверхні.Однак.технологія виготовлення х апаратів з високорозвинутими поверхнями,особливо внутрішньою, знає значних складнощі в.Через це,створення нової технології ержання компактних виробів з внутрішнім оребрінням має велике ачення.

На цей час розроблена технологія пайки деталей вироба,внутріш-і поверхню якого можливо збільшити в 10...25 разів по відношені до гладкої труби однакової пропускної спроможності. Пзоте,недо-ками цієї технології вважається необхідність використання від-сно дорогих деталей,які повинні мати тонку плівку припоя,а таж обмеженність в сторону зменьшення діаметра каналів,які фор-ються внутрішніми ребрами.

З метою економічності.підвищення експлуатаційної надійності та зшмрення номенклатури виробів з внутрішнім оребрінням доцільно користовувати процеси зварювання.Для цього найбільш прийнятни-способами вважаються зварювання шляхом взаємної дифузії атомів,

і знаходяться на контактуючих поверхнях складених деталей,та яхом схоплювання поверхонь обтиснутих деталей.

Як свідчить вітчизняний та зарубіжний досвід дифузійне зварю-ння алкмінієвих деталей на повітрі вимагає температури нагріван-їх близької до температури плавлення алімінію або створення ва-уму.що ускладнює технологію цього способе зварювання.

Останні недоліки спроможно ліквідувати способом холодного зважання.На сьогодні існує декілька гіпотез механізму схоплювання талевих поверхонь,наприклад,енергетична»плівкова,рвкристаліза-йна гіпотеза»гіпотеза деформаційної епітаксії та інші. Проте, льш досконала теорія механізму схоплювання викладена в гіпотезі адеміка К.К.Хренова,в основу якої закладено прагнення атомів до єднання з такими,а також з любими другими атомами або молекула. При цьому для схоплювання контактуючих поверхонь необхідно ви-нати ряд умов-вивести можливо присутню нагартовку із зварюваль-

х деталей;очистити їх контактуючі поверхні від жирій,масел та іших забруднень;здійснити спільний обтиск цих деталей для плас-ічної течії їх стінки аж до виникнення ювенільних площадок,в сцях стикування яких і відбувається схоплювання поверхонь,а са-

ме холодне зварювання.Відпрацювання цієї теорії проводилося на двох або декількох деталях,зони контакту яких знаходилися в одній площині.Однак,для створення високорозвинутої внутрішньої поверхні виробе теплотехнічного призначення потрібно одержати багато зварних з’єднань в різних площинах його поперечного перерізу.

Для рішення останньої проблеми проведені експериментальні дослідження пошуку оптимальної схеми навантаження,величини та характеру деформації наборе багатьох алюмінієвих трубок,які заповнені няповником.в оболочці (рис.і),а також визначення потрібних умов для схоплювання їх контактуючих поверхонь.Після холодного зварювання таких трубок та наступного виведення наповників із деформованого напівфабрикату для створення наскрізних каналів зварний виріб з внутрішнім оребрінням або ЗВІЮ приймає вигляд,який показано на рис.2.Для виведення наповників із зварного нвпівфабриката проводився його нагрів до температури плавлення цих наповників

або їх іспаровування.

Рис.І. ГЬперечний переріз набора деталей ЗВВО:І-оболоч-ка, 2-трубка,3-наповник.

Рис. 2. Поперечний переріз ЗВВО: І-зовнішній елемент, 3-внутрішній елемент або ребро,3-канал.

Особистості структури ЗВВО полягають в присутності чередування зон зварних з’єднань та зон залишків окисних плівок,які знаходжують-ся в середині кожного внутрішнього ребра по його товщині та розповсюдженні на всю його довжину без повітряного прошарку в такому ребрі після холодного зварювання трубок або в присутності спільних зерен в зоні контакту трубок після їх холодного зварювання та наступного нагрівання до температури дифузії атомів алшінію для виведення наповників-

В зв’язку з тим,що технічний алюміній марки АДІ має найкращу атність до схоплювання його контактуючих поверхонь та відносно соку теплопровідність,за матеріальну основу ЗВВО прийнято цей тал,із якого виготовлялися трубки.Для оболочки вибрано пластич-матеріали-алюмінієвий сплав марки АМц.мідь М3 та сталь 20. Ма-ріали наповника,температура плавлення якого повинна бути мень-ю,ніж складові розробляємого вироба,слідуючі:поліетилен в виг-ді прутка,порошки сірнокислого амонію та карбамідд,а також стернь із сталі марки ХІ8НІ0Т.

По результатам експериментальних досліджень одержані залежнос-(рис.З)відносного звуження(д^)стінки алюмінієвих трубок від личини спільного обтиску (р) вибраних складових розробляємого роба»рахування якої проводилося із слідуючого відношення:

■ (І)

2)0 , ©-внутрішній діаметр оболочки відповідно до та після спільного обтиску складових,які показані на рис.І. и цьому відомо,що для холодного зварювання двох пластин із алюмі-ю марки АДІ величина відносного звуження складає д$=б0 %. Виявлено,

що однією із головних перешкод для одержання холодного зварювання багатьох трубок б мела величина міцності на втиснення матеріалу наповника.Збільшення цієї характеристики вирішено двома шляхами:

а) застосуванням наповника в вигляді композиції порошка та центрального розміщення стального стержня.

Рис.З. Оілив величини спільного обтиску відносне звуження стінки трубок із алю-нію кількістю 37 шт. і початковою товщи-ю стінки 0,001 м шляхом волочіння(і), окатки(2^ротаційної ковки(з)та про-ітки-ковки(4^складових(мідь МЗ-алюмі-й АДІ-поліетилен}.

б)шляхом рідко-і твердофазного спікання порошкового наповника.

Для цього визначені оптимальні режими термічної обробки деформованих наборів складових для спікання в них наловників із порошка: твердофазне спікання сірнокислого амоніо потребує температури нагріву Т=577 К на протязі -£=2700 сек.,а рідкофазне спікання суміші порошків сірнокислого амонію і карбяміда. при їх відношенні відповідно 5:І-Т=447 К і і=І800 сек.

З метою підвищення точності результатів міцності з’єднання елементів одержаних виробів розроблена нова методика визначення межі міцності на зріз.При цьому для усунення заклинюванню та пошкоджень з’єднання цих елементів перед спільним обтиском складових використовувалося охоплення поліетиленовою плівкою трубок,які вибрані для зразка випробування на міцність.Установлення в вертикальному положенні цих зразків та їх утримування здійснювалось на спеціальному пристрії.

Результати електронно-мікроскопічних досліджень та випробувань міцності на зріз одержаних з’єднань елементів вироба показали,що процеси волочіння і прокатки складових забеспечують з’єднання алюмінієвих трубок тільки шляхом заклинювання їх в оболочці.Цей висновок також підтверджується прямою(і,2)на рис.З тому,що д(?=0.Після ротаційної ковки (дО^ІО % по кривій 3 на рис.3), крім заклинювання трубок оболочкою , існує їх заклинювання шляхом врізання окисних плівок на контактуючих поверхнях в тіло цих трубок. Зварне з’єднання багатьох трубок із влгмінію марки АДІ , контактуючі поверхні яких розміщені в різних площинах та заповнені наповни-ком Із меньш міцного матеріалу,ніж зварювальний,одержано шляхом їх спільного обтиску прокаткою-ковкою(д&60 % по кривій 4 на рисЛ).

В процесі експериментів по виготовленню ЗВБО на основі алші-нія за допомогою прокатки-ковки визначена потрібна величина спільного обтиску його складових з поліетиленовим наповником.яка рівняється 77 $,при використанні порошкового наповника із сірнокислого амонію-73 %,спеченої суміші порошків із сірнокислого амонію і карбаміди з центрально розміщеним стержнем із сталі марки ХІ8НІ0Т-68 %,а спеченого порошка сірнокислого амонію з цим стержнем-66 %.

Як показали вищевикладені експерименти,необхідні для теплотехніки постійними товщина внутрішніх ребер та площа поперечного перерізу кожного каналу дотримуються в результаті обтиску прокаткою-ковкою набора трубок однакових розмірів з рівномірним заповненням наповником,які розміщені по шестикутній системі.Ця система

харак тер изуеться тим,що в центрі знаходиться одна трубка,а останні трубки-по кільцевим слоям.Кількість трубок в цих слоях збільшується згідно арифметичної прогресії з різницею 6 штук.

Для розрахунку технологічних параметрів одержання ЗВВО визначені залежності кількості його внутрішніх елементів в різних пере-

де П-загальна кількість внутрішніх елементів в поперечному пере-

р -кількість внутрішніх елементів по діагоналі в поперечному перерізі; .

(^-кількість внутрішніх елементів в кільцевому слої,який приляг гає до зовнішнього елемента.

Розрахунковим шляхом одержані залежності визначення технологічних параметрів виготовлення ЗВВО:

різах:

>

(з)

різі;

де ¿£,СІв“ВІДОовідно товщина стінки тв зовнішній діаметр зварювяль-

ної трубки;

К^=0...І-коефіціент,який враховує густоту упакування трубок в оболочці;

/(2-коефіцієнт пропорційності,який враховує вибір матеріалу напов-ника;

^-відповідно мінімальна величина спільного обтиску та мінімальна величина степені деформації набора складових для виведення макропустот між трубками в оболочці до їх холодного зварювання;

Рг -мінімальна величина спільного обтиску складових ЗВВО для одержання схоплювання його алюмінієвих поверхонь;

£а-потрібна величина спільного обтиску для холодного зварювання двох пластин із алюмінію;

Яум~потрібна величина спільного обтиску складових ЗВВО.

На основі залежностей(2-8) розроблена комп'ютерна програма для автоматизованого розрахунку потрібної величини обтиску набора складових зварних виробі в,яка враховує особистості конструкції таких виробів та умови одержання холодюго зварювання їх алюмінієвих трубок. .

Зіставлення розрахункових даних величини спільного обтиску складових ЗВВО з експериментальними(рис.4,б) показало,що різниця між ними незначна. Цзи цьому встановлена величина коефіцієнта про-

рис.4. йілив зовнішнього діаметра трубок із алюмінію на потрібну величину спільного обтиску складових(мідь МЗ-алюміній АДІ-поліетилен).

Рис.5. Вілив товщини стінки алюмінієвих трубок на потрібну величину спільного обтиску складо-вих(мідь МЗ-алюміній АДІ-поліети-лен).

рційності Кряка для поліетиленового наловника рівняється =І,84;при використанні порошкового наловника із сірнокислого іонію-К2=І,64;спеченої суміші порошків сірнокислого амонію та рбаміда з центрально розміщеним стержнем із сталі марки ХІ6НІ0Т-=1,35;спеченого порошка сірнокислого амонію з вказаним стержнем-=1,1.

фи дотриманні потрібної величини спільного обтиску прокаткою-івкою складових ЗВВО межа міцності зварних з,єднань алшінія без івнішнього елемента складає 36,3 НПа,а в присутності зовнішнього іемента-167,6 ШЬ.

Таким чином,на підставі проведених досліджень та випробувань :тановлено,що одержання ЗВВО на основі алшінія здійснюється при >триманні_ слідуючої послідовності операцій технологічного проце-г(схема ^):

І.Рекристалізаційне віджигання металевих деталей-трубок та 5олочки.

¿.Введення наловника в трубки після їх віджигання при умові від-/тності виникненню в них нагартовки.

3.Механічне очищення контактуючої поверхні оболочки та запов-зних наловником трубок за допомогою металевої щітки.

4.Складання очищених трубок з наловником та оболочки в набір,

<ий показано на рис. І. ■„ *

б.Одноходовий обтиск набора складових деталей шляхом прокатки-звки дл* одержання.холодного зварювання алюмінієвих трубок.

6.Виведення наловників із зварного напівпабрикату шляхом його ігрівання при температурі взаємної дифузії атоиіе алюмінію,яка їладав Т=9І7...937 К.

7.Контроль якості зварних з’єднань алюмінію одержаного вироба

ляхом його теплотехнічних випробувань або випробувань їх на міц-ість. __

Технологія по схемі £ можлива в тому разі»якщо використовуєть-я високо пластична оболочка,наприклад із матеріалу алюмінієвого їлава марки АМц.Для меньш_пластичних матеріалів оболочки розроб-вна технологія по схемі Н:

1.Рекристалізаційне віджигання металевих деталей-трубок та обо-очки.

2.Введення наловника в трубки після їх віддигання при умові ідсутності виникненню в них нагартовки.

3.Механічне очищення контактуючої поверхні оболочки та залов-