автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Исследование особенностей формирования качественных сварных соединений фильтрующих пористых материалов, выполненных электронно-лучевой сваркой

ГУРЕЕВА МАРИНА АЛЕКСЕЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ФИЛЬТРУЮЩИХ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОЙ СВАРКОЙ

Специальность: 05.03.06 - «Технологии и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -Доктор технических наук

Феклистов Станислав Ильич

Официальные оппоненты -Доктор технических наук, профессор

Гейкин Валерий Александрович

Кандидат технических наук доцент

Островский Олег Евгеньевич

Ведущее предприятие - ФГУП «РСК «МиГ»

Защита диссертации состоится

2005 года в

часов на заседании диссертационного Совета Д217.042.02 при ФГУП «Государственный научный центр - Научно-производственное объединение по технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ)» по адресу: 115088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д.4, комн.403.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ЦНИИТМАШ.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационног совета

ГУРЕЕВА МАРИНА АЛЕКСЕЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ФИЛЬТРУЮЩИХ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОЙ СВАРКОЙ

Специальность: 05.03.06 - «Технологии и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -

Доктор техническихнаук Феклистов Станислав Ильич

Официальные оппоненты -Доктор технических наук,

профессор Гейкин Валерий Александрович

Кандидат технических наук

доцент Островский Олег Евгеньевич

Ведущее предприятие - ФГУП «РСК «МиГ»

Защита диссертации состоится «_»_2005 года в_

часов на заседании диссертационного Совета Д217.042.02 при ФГУП «Государственный научный центр - Научно-производственное объединение по технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ)» по адресу: 115088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д.4, комн.403.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ЦНИИТМАШ.

Автореферат разослан «_»_2005 года.

Ученый секретарь диссертационного /

совета / Клауч Д.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение ресурсных показателей работы пневмо- и гидросистем различных двигательных установок связано с ужесточением требований к чистоте рабочих жидкостей и определяется в конечном счете конструкцией и качеством изготовления фильтрующих элементов. В связи с этим 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 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 - повышение эксплуатационных характеристик и надежности фильтрующих элементов патронного типа из пористо-проницаемых металлических материалов ПХ18Н15 и ВТ 1-0 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-проницаемыхметаллическихматериалов .

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.

4. Разработать технологию электронно-лучевой сварки стыковых соединений заготовок из пористо-проницаемых металлических материалов.

5. Исследовать влияние параметров процесса электронно-лучевой сварки на качество сварных соединений пористо-проницаемых 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. При исследовании и разработке новых технологических процессов 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 диревационного 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. Многопозиционное приспособление позволяет за одну загрузку сваривать на различных режимах 12 образцов.

Научная новизна

1. Установлены закономерности механизма формирования соединения при электронно-лучевой сварке пористо-проницаемых порошковых металлических материалов с деформированными металлами, 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.

3. Образование дефектов в соединениях пористо-проницаемого порошкового металлического материала ПХ18Н15 связано с возникновением тупиковых каналов и формированием на их базе дефектов в виде 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 из деформированного металла.

Практическая ценность работы

1. Разработаны и внедрены в производство технологические процессы электронно-лучевой сварки фильтрующих элементов патронного типа из пористо-проницаемых порошковых металлических материалов, 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 деформированных металлов 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 многопозиционного приспособления, позволяющего за одну загрузку осуществлять сварку 15 фильтрующих элементов.

4. Разработана методика для оценки качества сварных фильтрующих элементов.

Внедрение в производство технологических процессов электроннолучевой сварки фильтрующих элементов из пористо-проницаемых порошковых металлических материалов позволило расширить номенклатуру и типоразмеры выпускаемых изделий, устранить необходимость создания большого количества 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.

На контрактной основе фильтрующие элементы патронного типа поставляются в зарубежные страны.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных, всероссийских и отраслевых научно-технических конференциях:

- Всероссийская научно-техническая конференция «Электроннолучевые технологии и оборудование в современном машиностроении», июнь 2001 г.;

- Всероссийская научно-техническая конференция «Перспективные пути развития сварки и контроля - «Сварка и контроль-2001», сентябрь 2001 г., г. Воронеж;

2-ая Всероссийская научно-практическая конференция «Окружающая природная среда и экологическое образование и воспитание», февраль 2002 г., г. Пенза;

5-ая Всероссийская научно-практическая конференция «Современные технологии в машиностроении», февраль 2002 г., г. Пенза;

- Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы и перспективы российской экономики», март 2002 г., г. Пенза;

4-ая Международная научно-практическая конференция «Хозяйственно-питьевая и сточные воды: проблемы очистки и использования», май 2002 г., г. Пенза;

5-ая Международная научно-практическая конференция «Экономика природопользования и природоохраны», 2002 г., г. Пенза;

- Международная научно-техническая конференция «Современные материалы и технологии - 2002», октябрь 2002 г, г. Пенза;

- Научно-техническая конференция «Сварка на рубеже веков», Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002;

- Всероссийская научно-техническая конференция «Сварка - XXI век. Теория и методика, повышение качества профессионального образования и аттестации специалистов сварочного производства», Тольятти, 2002 г.;

- 3-я Московская международная конференция «Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов», Москва, август 2003 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 1 патент на изобретение.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, включающего 88 наименований. Диссертация изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц и иллюстрирована 62 рисунками.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведен анализ состояния и тенденций развития

технологии производства фильтрующих элементов, обоснована актуальность темы работы, сформулированы ее цель и задачи исследований.

Глава 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ПОРИСТО-ПРОНИЦАЕМЫХ ПОРОШКОВЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

МАТЕРИАЛОВ

В первой главе диссертации рассмотрена классификация и области применения фильтрующих элементов. Показано, что повышение ресурсных показателей работы различных пневмо- и гидросистем связано с ужесточением требований к чистоте рабочих жидкостей и газов, определяемой конструкцией и качеством изготовления фильтрующих элементов.

В производстве фильтрующих элементов находят применение сетки, пористые сетчатые материалы и пористо-проницаемые порошковые металлические материалы. Последние материалы обладают наибольшими перспективами, так как наряду с требуемыми гидравлическими, фильтровальными, физико-химическими свойствами, обладают высокой прочностью, прессуемостью, и могут использоваться для получения неразъемных соединений.

Конструктивно фильтрующий элемент (рис.1) патронного типа из пористо-проницаемого порошкового металлического материала (ППММ) состоит из стакана из пористого материала и фланца из деформированного металла. Фланец служит для крепления фильтрующего элемента в фильтродержателе. В процессе изготовления фильтрующего элемента возникает необходимость выполнения замкового неразъемного соединения между фланцем и стаканом.

Рис.1. Конструкция фильтрующего элемента патронного типа: 1 - фланец; 2 - стакан.

Проанализированы способы получения высокопористых материалов из порошков металлов, условно разделенных на три группы

1 Без введения добавок или наполнителей в порошок,

2 С введением добавок в порошок,

3 Получение заготовок изделий, минуя стадию получения исходного порошка

К методам формирования структуры относят статическое прессование в прессформах, гидростатическое прессование в эластичных чехлах, вибрационное прессование или уплотнение, шликерное литье и спекание свободно насыпанных порошков Для изготовления заготовок фильтрующих элементов из ППММ применяют классическую технологию, включающую формование заготовки, низкотемпературное и высокотемпературное спекание Данная технология не лишена недостатков заготовка во время прессования может приобретать неравномерную плотность по объему, а при спекании в результате усадки деталь может терять первоначальную форму Микроструктура пористого материала ПХ18Н15 представлена на рис 2

Рис 2 Микроструктура пористой стали ПХ18Н15 из спеченных порошков фракции 0,1-0,2мм Х60

Возможности получения проницаемых изделий больших габаритов и сложной формы из 111 1 ММ весьма ограничены По этой причине применение ППММ неразрывно связано с проблемой получения сварных конструкций, отвечающих условиям эксплуатации путем соединения пористых элементов с деталями из деформированных металлов путем сварки (аргонодуговой, диффузионной, шовной, лазерной, электроннолучевой) Анализ литературных данных, включая патентную документацию, за период с 1970-2002 г показал, что объем исследований по сварке ППММ весьма ограничен

Установлено, что при АрДЭС и ЭЛС при пористости основного материала в пределах 0,4-0,6 для формирования шва необходимо применять присадочный материал аналогичного состава Однако, при

АрДЭС формируются широкие швы, снижающие поверхность фильтрации, и возможно образование сквозных свищей в шве из-за наличия в основном материале закрытых пор и выброса металла в процессе расплавления.

Перспективным для сварки ППММ является применение лучевых концентрированных источников нагрева - лазерного и электронного луча. При ЭЛС с увеличением размера частиц порошка и пористости основного материала свойства ППММ снижаются, а вероятность возникновения прожогов существенно возрастает. Повышение качества сварных соединений ППММ в условиях ЭЛС обычно пытаются достичь за счет снижения скорости сварки и расфокусирования луча, а также за счет уплотнения свариваемых кромок до сварки за счет деформации между вращающимися роликами.

Таким образом, свариваемость ППММ определяется их химическим составом, формой и размером структурообразующих частиц, пористость основного материала и режимами ЭЛС. В то же время, несмотря на применяемые технологические приемы, качество сварных соединений ППММ и надежность сварных фильтрующих элементов остаются нестабильными.

В связи с этим в диссертационной работе предстояло решить следующие основные задачи:

- исследовать механизм формирования соединения при сварке плавлением пористо-проницаемых порошковых материалов между собой и с деформированными металлами;

- определить влияние металлургических и технологических факторов на образование дефектов в сварных соединениях пористых порошковых материалов, выполненных ЭЛС, и разработать рекомендации по предотвращению появления дефектов;

- исследовать влияние параметров ЭЛС на качество сварных соединений пористо-проницаемых порошковых металлических материалов;

- разработать технологию ЭЛС стыковых соединений заготовок фильтрующих элементов из пористо-проницаемых порошковых металлических материалов;

- определить оптимальный вариант введения присадочного металла в шов при ЭЛС ППММ;

- разработать методику надежной оценки качества сварных фильтрующих элементов из пористо-проницаемых порошковых металлических материалов.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ФОРМИРОВАНИЯ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ПОРИСТЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С МЕТАЛЛАМИ В УСЛОВИЯХ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОЙ СВАРКИ

Для исследования механизма формирования соединения ППММ на основе титана и стали ПХ18Н15 с деформированными металлами при ЭЛС использовались образцы в виде втулок с внешним диаметром 56 мм Толщина стенки втулки по ППММ в зоне замкового соединения составляла 3 мм Сварку выполняли на установке ЭЛУ-20МК, оснащенной многопозиционным сварочным приспособлением и энергоблоком ЭЛА-60/15 к В качестве базового был выбран режим ЭЛС горизонтальным лучом, обеспечивающий проплавление компактного металла на 5,5-6 мм

Металлографические исследования сварных соединений показали, что в переходной зоне от шва к порошковому материалу имеется участок проникновения расплава в капиллярные каналы ППММ (рис 3) Это позволяет утверждать, что в основе механизма формирования сварного соединения между ППММ и компактным металлом лежит явление локальной высокотемпературной пропитки пористо-проницаемого материала расплавом сварочной ванны.

Рис 3 Микроструктура сварного соединения ППММ ПХ18Н15 с

компактным металлом 12Х18Н10Т Участок проникновения расплава в капиллярные каналы пористого материала х500

Для реализации механизма локальной высокотемпературной капиллярной пропитки необходимо наличие следующих условий

- температура нагрева ППММ в зоне сплавления должна находиться в диапазоне температура плавления деформированного металла -температура плавления ППММ,

наличие хорошего смачивания расплавом поверхности капиллярных каналов в ППММ.

Установлено, что для ППММ ВТ 1-0 глубина проникновения расплава стабильна и составляет 0,05-0,08 мм для всех партий порошка. Для ППММ ПХ18Н15 глубина проникновения расплава варьируется в пределах 0,01-0,1 мм в зависимости от партии порошка.

Результаты экспериментов показали, что наименьшую глубину проникновения расплава при ЭЛС имеют пористые перегородки, изготовленные из порошков ПХ18Н15, подверженных коррозии в виде пятен или налетов. Причиной коррозии порошка и образцов из него является наличие частиц углеродистой стали. Появление таких частиц, возможно, происходит при нарушении технологии изготовления порошка ПХ18Н15.

В данной работе предпринята попытка оценить характер распределения температуры и сварочных напряжений в тонкостенных образцах, выполненных из деформированной стали типа 12Х18Н9Т и пористой стали ПХ18Н15. Средства термопрочностного анализа с применением программы ANSYS позволяют использовать результаты решения задачи теплообмена для проведения прочностного анализа при решении задач по сварочным напряжениям и деформациям. В программе ANSYS доступны два способа связывания теплового и прочностного анализов. Первый состоит в том, что эти два анализа делаются друг за другом. Сначала получают температурное поле в модели для заданных граничных условий теплообмена.

Второй способ предусматривает проведение совместного термопрочностного решения. В программе ANSYS это достигается использованием конечных элементов связанной задачи, которые имеют как тепловые, так и прочностные степени свободы. Из этих элементов создается расчетная модель и задаются тепловые и механические граничные условия. На каждой итерации выполняется решение тепловой и прочностной задач с использованием значений температур и перемещений, полученных на предыдущей итерации. С помощью процедуры совместного решения возможно объединить такие сложные задачи теплообмена и расчета на прочность, как нестационарный тепловой и нелинейный динамический анализы. Последний подход был выполнен, применительно к нашей задаче, по определению остаточных сварочных деформаций и напряжений.

Предпринята попытка оценки изменений напряженно деформированного состояния исследуемых сред посредством двумерных и трехмерных конечно элементных моделей призматических маломерных образцов и увязывания достигаемых значений напряжений и деформаций в разных точках. В принципе, различная пористость может имитироваться изменением площади сетки капилляров.

Критерием оценки адекватности модели исследуемому материалу полагается соответствие размерных изменений наружного контура (уширение при свободном осаживании, вдавливании выступа, смещение границы раздела при осаживании разнородных сопряженных частиц) образца модели при соответствующих перемещениях и нагрузках. В виду того, что метод конечных элементов не может учесть механизм релаксации путем разрушения контактных поверхностей и относительного смещения частиц, соответствие изменений контура при деформации образцов достигается принятием для пористого материала меньших значений модуля упругости.

В данной работе при решении нестационарной тепловой и упругопластической задачи пористый материал представляли в виде однородной структуры, но с теплофизическими характеристиками, свойственными ему. Для имитации выбран образец, который состоит из двух пластин толщиной 3 мм., шириной 15 мм. и длиной 30 мм. Одна из пластин состоит из пористого материала, другая пластина - из деформированного металла. В табл.1 представлены теплофизические свойства пористого и деформированного материала в зависимости от температуры.

Таблица 1

Теплофизические свойства пористого и деформированного материала

Свойство Модуль упругости Единица измерения Кг/м2 Температурный интервал, "С 20 800 Пористый материал 3459x1О6 1671x10* Деформированный материал 18800x10' 9100x10'

Коэффициент линейного расширения 1/°С 20-800 19,9x10' 19,4x10"6

Теплопроводность Вт/м °С 100 800 7,9 11,65 159,9 263

Плотность Кг/м1 20 4,79x10' 7,9x10'

Теплоемкость кДж/°С 100 700 0,0272 0,0355 0,468 0,611

Предел прочности Кг/м' 20 800 5 2x10' 4 1x10" 62x10' 18x10'

Предел текучести Кг/м2 20 800 0.167x10' 0,112x10' 28x10' 10x10'

Данные для пористого материала приведены при пористости 0,4.

При моделировании образцы металла представляли, как помещенные в вакуумную камеру ЭЛУ таким образом, что теплоотвод возможен только с боковых площадей по толщине. Границы приняты адиабатическими с температурой 20°С и конвекцией 1 Вт/см2.

Режим сварки: U = 60 кВт; I = 80 мА; = 25 м/час или 0,66 см/сек;

В модели были приняты следующие допущения:

1. Все теплофизические свойства материала, исключая плотность, рассматривались как функции температуры;

2. Было принято, что температурное поле мало влияет на форму элементов;

3. Фазовые изменения происходят при постоянной температуре, а скрытая теплота плавленияне учитывалась.

Из результатов анализа двухмерной модели следует более широкая область распространения теплового поля в пористом материале и кинжальный характер его охлаждения по сравнению с деформированным металлом. Уровень остаточных напряжений растяжения в деформированном металле, по результатам анализа трехмерной модели невысок и составляет около 30 МПа в продольном направлении.

При соединении пористого материала и деформированного металла пористый материал воспринимает на себя большую часть упругих и пластических деформаций. В результате сварное соединение характеризуется значительной неравномерностью распределения сварочных напряжений, которые, преимущественно, концентрируются в области шва и высокотемпературной части со стороны пористого металла. Наиболее высокие напряжения растяжения составляют 44-61 МПа по толщине металла, 8 МПа на поверхности металла и сжимающие на поверхности металла 52 МПа по его ширине. В целом уровень остаточных напряжений незначителен, но с учетом строения пористого металла «перемычка-каверна» может принимать большие значения.

На рис.4 показано распределение напряжений во время полного цикла нагрева и охлаждения до комнатной температуры в течение 100 с. Цикл нагрева выполняли в течение 5 с, далее - охлаждение. Замеры выполняли на расстоянии 3 мм от границы литого металла шва со стороны пористого и деформированного металла на поверхности пластины.

Поскольку полный цикл включает время нагрева и время охлаждения, представленные данные включают как временные напряжения, так и остаточные. Из этих данных следует, что наиболее высокие скалывающие напряжения могут иметь место при нагреве в пористом материале и превышать значения предела текучести металла 250 МПа. Это может приводить к разрыву капиллярных каналов и образованию пор и микротрещин.

В целом уровень остаточных напряжений в области сварного соединения незначителен.

В дальнейшем, усовершенствование расчетной схемы возможно путем создания сетки конечных элементов с пустотами, имитирующими каналы пористого материала.

В

Рис.4. Точки замера показателей (а), распределение напряжений по Увинтервале от ТЦС до охлаждения в деформированном металле (б) и пористом материале (в).

Кроме того, в работе исследовано влияние параметров ЭЛС на формирование замкового соединения фильтрующего элемента. Основными параметрами, определяющими качество формирования соединений при ЭЛС, являются ускоряющее напряжение, скорость сварки, диаметр фокального пятна, рабочее расстояние и ток луча.

Установлено, что для получения качественных замковых соединений целесообразно предварительно сфокусировать луч в пятно нагрева диаметром 0,6-0,9 мм на поверхности деталей при его смещении в сторону деформированного металла на 0,4-0,7 мм от стыка. В процессе сварки осуществляется сканирование луча поперек стыка соединяемых материалов со смещением его на ППММ на 1,2-1,5 мм с одновременным увеличением диаметра пятна нагрева до 0,96-2,03 мм по сравнению с предварительной фокусировкой. При этом частоту сканирования луча задают в зависимости от скорости сварки и величины смещения луча на ППММ по соотношению

F = (2,2-3,5) VCB/A (1)

где VCB - скорость перемещения луча, мм/с; А - смещение луча на ППММ, мм.

Применение данной технологии позволяет предотвратить образование сквозных свищей нерегламентированного диаметра на ППММ и стабилизировать глубину проникновения расплава в капиллярные каналы ППММ. В диапазоне частот 10-20 Гц имеет место увеличение ширины зоны нагрева ПХ18Н15 (выше температуры 1508°С) и, соответственно, увеличение глубины проникновения расплава в капиллярные каналы ППММ. Увеличение частоты сканирования более 35 Гц приводит к повышению однородности теплового поля, и интенсивность заполнения капилляров пористого материала расплавом в ОШЗ снижается (рис.5), формируются капилляры, незаполненные расплавов, что сказывается на снижении прочности соединения.

В, мм

о, г .

О <и 30 ¿С 40 50 I "4

Рис.5 Зависимость глубины проникновения расплава в капиллярные каналы ППММ от частоты сканирования луча.

Глава 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭЛС СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПОРИСТО-ПРОНИЦАЕМЫХ ПОРОШКОВЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Механизм формирования соединений ППММ, основанный на явлении локальной высокотемпературной пропитки, создает предпосылки для разработки технологии получения сварных стыковых соединений между заготовками из ППММ Это позволит расширить типоразмеры фильтрующих элементов по их производительности без изменения дорогостоящей оснастки для прессования заготовок и спекания порошков

На первом этапе исследований определяли оптимальный вариант сборки соединения под сварку Были опробованы следующие варианты сборки стыковое соединение без подкладки, стыковое соединение с остающейся подкладкой, стыковое соединение с накладкой и стыковое соединение со вставкой Установлено, что при ЭЛС стыкового соединения ППММ без введения дополнительного присадочного металла качественного формирования соединения получить не удается (рис 6) Это связано с увеличением плотности жидкого металла сварочной ванны по сравнению с ППММ Поэтому для получения качественного соединения следует ориентироваться на вариант сборки соединения под ЭЛС, обеспечивающий введение дополнительного присадочного металла в шов

Накладка экранирует стык и затрудняет визуальный контроль формирования шва Поэтому предпочтение было отдано варианту сборки соединения с остающейся подкладкой

К,мм

о«а о ь о,6 П

Рис 6 Влияние пористости ППММ ПХ18Н15 на неполномерностъ шва Ширина шва 4,1 мм

Установлено, что для формирования шва заподлицо с основным материалом при ширине шва 3,5-4,2 мм глубина проплавления подкладки должна быть не менее 5-5,5 мм Оптимальная конфигурация остающейся подкладки для сварки стыковых соединений ППММ, которая обеспечивает

формирование соединения с занижением не более 0,1 мм, приведена на рис.7.

ю

Рис. 7. Оптимальная конфигурация остающейся подкладки для ЭЛС пористыхзаготовок фильтрующихэлементов толщиной 3 мм.

Анализ результатов показал, что для получения качественных стыковых соединений ППММ необходимо луч фокусировать на поверхности соединяемых заготовок в пятно диаметром 0,6-1,2 мм, а стыкуемые кромки заготовок раздвигать до сварки на величину 10-15% больше диаметра пятна нагрева. В этом случае обеспечивается необходимый нагрев торцевой поверхности кромок, плавление материала подкладки и предотвращение оплавление кромок заготовок ППММ с лицевой стороны с образованием занижения.

Полученные результаты легли в основу разработки технологии ЭЛС стыковых соединений пористых заготовок из ППММ диаметром 72 мм и длиной 250 мм. В результате ее реализации был получен сварной фильтрующий элемент патронного типа длиной 500 мм (рис.8).

Применение описанной технологии ЭЛС возможно для сварки фильтров, применяемых для фильтрации технологических жидкостей и газов. Однако, эти фильтры не могут быть использованы для фильтрации лекарственных препаратов и пищевых продуктов так как они имеют застойные зоны между остающейся подкладкой и внутренней поверхностью заготовки фильтра из ППММ. Устранение застойных зон можно обеспечить за счет нанесения на подкладку высокотемпературного припоя, который будет при ЭЛС расплавляться за счет нагрева подкладки и заполнять зазор между подкладкой и фильтром. В типичном сварном соединении, полученном данным методом (метод сварки-пайки электронным лучом) обычный шов формируется по оси подкладки.

Припой, расплавленный за счет нагрева подкладки в процессе ЭЛС, частично выходит за пределы зазора между подкладкой и заготовкой фильтра и формирует галтель (рис 9) Толщина слоя припоя должна составлять 0,018-0,026 мм

Рис 9 Макроструктура соединения ПХ18Н15 полученного

методом сварки-пайки (а) и зазор, заполненный припоем (б)

Оптимальными припоями для реализации процесса сварки-пайки при изготовлении фильтрующих элементов из ПХ18Н15 являются ПСр40, ВПр4, а для ВТ 1-0 - чистое серебро

Глава 4. РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПАТРОННОГО ТИПА

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований нашли свое применение при разработке технологических

Рис 8 Сварной фильтр из ППММПХ18Н15 диаметром 72мм и длиной 500мм с задерживающей способностью 10мкм

процессов и оборудования в серийном производстве фильтрующих элементов патронного типа.

В основу промышленной реализации результатов диссертации положен научно-обоснованный подход к созданию новых технологических процессов и оборудования для ЭЛС фильтрующих элементов из ППММ, основанный на явлении высокотемпературной локальной пропитки, определяющим основные закономерности формирования сварного соединения пористых металлических материалов.

Разработаны и внедрены в производство технологические процессы ЭЛС замковых и стыковых соединений ППММ из стали ПХ18Н15 и титана ВТ 1-0 фильтрующих элементов диаметром 56 и 72 мм с толщиной стенки 3 мм.

Для фильтрующих элементов, применяемых в медицинской и пищевой промышленности, разработан технологический процесс электроннолучевой пайки-сварки с нанесением на остающуюся технологическую подкладку слоя серебросодержащего припоя типа ПСр40.

Предложены принципы разработки и конструирования сложных фильтрующих элементов различной пространственной формы, основанные на применении каркаса из компактного металла и вставок различной формы из ППММ в виде листового проката.

Применительно к производству фильтрующих элементов патронного типа на установках тоннельного типа ЭЛУ-20А, ЭЛУ-20МК разработано многопозиционное сварочное устройство и модернизирована электронная пушка от блока БЭП-60/15к в направлении стабилизации работы в диапазоне малых токов с прямонакальным катодом при различных параметрах сканирования луча и его динамической фокусировки.

Для оценки качества сварных фильтрующих элементов патронного типа из ППММ предложена методика оценки задерживающей способности и надежности сварного соединения. Сущность методики состоит в сравнительном анализе гранулометрических составов жестких и равноосных частиц в электролите до и после прохождения через фильтрующий элемент. Измерения проводятся кондукторометрическим методом, оценивающим крупность частиц, проходящих через калиброванную апертуру, диаметром шара с объемом, соответствующим объему частиц. В качестве электролита применяется 1% масс. раствор NaCl в дистиллированной воде. Механические примеси имитируются порошками А12Оз и Fe^ , гранулометрический состав которых может быть соизмерим с предполагаемой задерживающей способностью фильтра. Анализ осуществляется с помощью прибора «Культроникс ТА-11» и прибора ультразвуковой обработки проб "ULTRASONS ANNEMASSE" типа 75Т.

На контрактной основе фильтрующие элементы в настоящее время поставляются на многие предприятия в России, а также за рубеж.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основании анализа результатов экспериментов всесторонне изучены и раскрыты основные закономерности механизма формирования соединения при электроннолучевой сварке пористо-проницаемых порошковых металлических материалов с деформированными металлами, которые базируются на явлении локальной высокотемпературной пропитки капиллярных каналов в порошковом материале расплавом сварочной ванны.

2. Установлено, что глубина проникновения расплава в капиллярные каналы пористого материала определяется максимальными температурами ОШЗ со стороны пористого материала и наличием хорошегосмачивания расплавом внутренних поверхностей капиллярных каналов.

3. На основе компьютерного моделирования выполнены расчеты максимальных температур нагрева участков околошовной зоны со стороны ППММ и деформированного металла. Анализ моделей показал, что более широкая область распространения теплового поля присутствует в пористом материале и имеет место кинжальный характер его охлаждения по сравнению с деформированным металлом. При ЭЛС создаются тепловые условия для проникновения расплава в капиллярные каналы на глубину 0,20-0,25 мм.

4. В результате анализа расчетных данных установлено, что наиболее высокие сварочные напряжения могут возникать при нагреве в пористом материале и превышать значения его предела текучести. Это может приводить к разрыву капиллярных каналов и образованию микротрещин. В реальном изделии вероятность образования подобных эффектов уменьшается благодаря более высокой теплопроводности деформированного металла сварного соединения. В целом при охлаждении уровень остаточных напряжений в пористом материале незначителен.

5. Экспериментально показано, что установленный механизм формирования соединения при ЭЛС ППММ может быть реализован при сварке стыковых соединений пористых заготовок при условии введения в шов дополнительного присадочного металла. Наиболее рациональным способом введения дополнительного присадочного металла является использование остающейся технологической подкладки, которая проплавляется в процессе ЭЛС на глубину в 1,4-2 раза большую толщину свариваемых пористых заготовок.

6. Исследовано влияние параметров процесса электроннолучевой сварки на формирование соединения ППММ. Установлено, что при увеличении исходной пористости заготовок целесообразно снижать скорость сварки, а также осуществлять сканирование луча поперек стыка с одновременным его расфокусированием в точках максимального отклонения.

7. Предложен процесс электроннолучевой пайки-сварки для изготовления фильтрующих элементов, применяемых в пищевой и медицинской промышленности. При данном процессе на остающуюся подкладку наносят слой высокотемпературного серебросодержащего припоя, который при нагреве подкладки при ЭЛС расплавляется и заполняет зазор между заготовкой из ППММ и подкладкой, тем самым, устраняя застойные зоны.

8. Предложена технология изготовления пористых материалов и методика оценки качества сварных фильтрующих элементов патронного типа, основанная на сравнительном гранулометрическом анализе составов частиц в электролите.

9. Разработано многопозиционное сварочное устройство, модернизирована электроннолучевая пушка для работы в диапазоне малых токов луча, а также сформулированы конструктивно-технологические принципы создания сварных пространственных конструкций из ППММ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Антонов А.А., Гуреева М.А., Овчинников В.В., Булкин В.И. Особенности формирования соединения при электроннолучевой сварке фильтрующих элементов патронного типа из пористых материалов.// Сборник научных трудов МГИУ.1999.С.55-58.

2. Гуреева М.А., Антонов А.А., Громов СВ., Овчинников В.В. Электроннолучевая сварка пористого порошкового материала из коррозионностойкой стали аустенитного класса ПХ18Н15.// Сборник докладов «Перспективные пути развития сварки и контроля - «Сварка и контроль-2001».Воронеж. ВГАСУ.С.209-211.

3. Электроннолучевая сварка пористо-проницаемых порошковых металлических материалов/ЛГуреева М.А.//Электроннолучевые технологии и оборудование в современном машиностроении:М.-ЦРДЗ.-2001.-С.15-17.

4. Гуреева М.А., Антонов А.А., Овчинников В.В. Механизм локальной капиллярной пропитки при формировании соединений пористо-проницаемых и компактных металлических материалов.// Сборник научных трудов МГИУ.2001.С.291-293.

5. Гуреева М.А., Антонов А.А., Громов СВ., Овчинников В.В. Методика оценки качества сварных фильтрующих элементов патронного типа из пористых спеченных металлических материалов//Сборник материалов 2-ой Всероссийской научно-практической конференции «Окружающая природная среда и экологическое образование и воспитание».Пенза.2002.С. 17-19.

6. Гуреева М.А., Антонов А.А., Громов СВ., Овчинников В.В. Особенности трещинообразования при электроннолучевой сварке пористых спеченных материалов.//Сборник материалов 5-ой

Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении». Ч.1. Пенза. 2002. С. 116-118.

7. Гуреева М.А., Громов СВ., Афонин М.М., Овчинников В.В. Регенерируемые сварные фильтры патронного типа из металлических порошковых материалов//Сборник материалов 5-ой международной научно-практической конференции «Экономика природопользования и природоохраны». Пенза. 2002. С.119-121.

8. Гуреева М.А., Антонов А.А., Громов СВ., Овчинников В.В. Повышение производительности фильтров из металлических порошковых материалов.// Сборник материалов 4-ой международной научно-практической конференции «Хозяйственно-питьевая и сточные воды: проблема очистки и использования». Пенза. 2002. С.20-22.

9. Гуреева М.А., Антонов А.А., Магнитов B.C., Овчинников В.В. Технологические особенности электроннолучевой сварки изделий из пористых порошковых материалов.// Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции «Сварка XXI век. Теория, методика, повышение качества профессионального образования и аттестации специалистов сварочного производства». ТГУ. Тольятти. 2002. С. 164-168.

10. Гуреева М.А., Антонов А.А., Магнитов B.C., Овчинников В.В. Технологические особенности сварки фильтрующих элементов патронного типа из пористых металлических материаловУ/Сварочное производство.2002. №5.С42-45.

11. V.V. OVCHINNIKOV, А.А. ANTONOV, M.A. GUREEVA, V.S. MAGNITOV. Special features of welding filtration elements of the cartridge type produced from porous metallic materials.// Welding International.2002.16 (10). P.828-831.

12. Гуреева М.А., Антонов А.А., Овчинников В.В., Магнитов B.C. Технологические особенности электронно-лучевой сварки изделий из пористых порошковых материалов.// Авиационная промышленность.2003.№4.С45-50.

13. Патент РФ №2215629 Способ соединения пористого металлического или металло-керамическогоматериалов /Гуреева М.А., Антонов А.А., Овчинников В.В.

14. Гуреева М.А. Электронно-лучевая сварка-пайка стыковых соединений фильтрующих элементов из порошковых пористых металлических материалов.// Сборник статей 8-ой Международной научно-технической конференции «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков». Пенза. ПГУ.2003.ч2.С.91-94.

OÓ.OÍ-05. 00

14 ¡rf;.i M* - -

£55

Введение 5 '

Глава 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ. ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ - ИЗ ПОРИСТО-ПРОНИЦАЕМЫХ 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 теплофизических свойств пористо-проницаемых металлических материалов.

Распределение температуры и остаточных напряжений в комбинированных сварных соединениях из пористого и деформированного металла типа 12Х18Н10Т.

2.4. Влияние параметров электронно-лучевой сварки на глубину проникновения расплава в капиллярные каналы 1И1ММ и свойства замковых соединений.

Выводы к главе 2.

Глава 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭЛС СОЕДИНЕНИЙ ПОРИСТО-ПРОНИЦАЕМЫХ ПОРОШКОВЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ. '

3.1. Влияние пористости основного материала и параметров ЭЛС на формирование стыковых соединений ППММ.

3.2. Выбор оптимального технологического варианта введения дополнительного присадочного металла в сварочную ванну при ЭЛС 1И1ММ.

3.3. Выбор конфигурации остающейся технологической подкладки и глубины ее проплавления при ЭЛС ППММ.

3.4. Исследование особенностей образования дефектов при электронно-лучевой сварке пористо-проницаемых металлических материалов.

Выводы к главе

Глава 4. РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПАТРОННОГО ТИПА.

4.1. Разработка и исследование процесса электронно-лучевой сварки-пайки стыковых соединений фильтрующих элементов из ППММ.

4.2. Оборудование и технологическая оснастка для ЭЛС фильтрующих элементов патронного типа из ППММ.

Выводы к главе 4.

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 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.

4. Разработать технологию электронно-лучевой сварки стыковых соединений заготовок из пористо-проницаемых металлических материалов.

5. Исследовать влияние параметров процесса электронно-лучевой сварки на качество сварных соединений пористо-проницаемых 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 диревационного 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

1. Установлены закономерности формирования соединения при электронно-лучевой сварке пористо-проницаемых порошковых металлических материалов с компактными, 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 I 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-проницаемых порошковых металлических материалов, обеспечивающие требуемый уровень свойств сварных соединений и эксплуатационных характеристик фильтрующих элементов. Предложен процесс электронно-лучевой сварки-пайки при изготовлении фильтрующих I 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 многопозиционного 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. и

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 13таблиц 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.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основании анализа результатов экспериментов изучены и раскрыты основные закономерности механизма формирования соединения при электроннолучевой сварке пористо-проницаемых порошковых металлических материалов с компактными металлами, которые базируются на явлении локальной высокотемпературной пропитки капиллярных каналов в порошковом материале расплавом сварочной ванны.

2. Установлено, что глубина проникновения расплава в капиллярные каналы пористого материала определяется максимальными температурами ОШЗ со стороны пористого материала, соотношением температур плавления металла сварочной ванны и пористого материала, а также наличием хорошего смачивания расплавом внутренних поверхностей капиллярных каналов.

3. На основе компьютерного моделирования выполнены расчеты максимальных температур нагрева участков околошовной зоны со стороны ППММ. Анализ моделей показал, что более широкая область распространения теплового поля присутствует в пористом материале и имеет место кинжальный характер его охлаждения по сравнению с деформированным металлом.

Расчеты показали, что при ЭЛС создаются температурные условия для проникновения расплава в капиллярные каналы на глубину до 0,20-0,25 мм.

4. Анализ расчетных данных показал, что наиболее высокие сварочные напряжения могут возникать при нагреве в пористом материале и превышать значения его предела текучести металла. Это может приводить к разрыву капиллярных каналов и образованию микротрещин. В реальном изделии вероятность образования подобных дефектов уменьшается благодаря более высокой теплопроводности деформированного металла сварного соединения.

В целом при охлаждении уровень остаточных напряжений в пористом материале незначителен.

5. Экспериментально показано, что установленный механизм формирования соединения при ЭЛС ППММ может быть реализован при сварке стыковых соединений пористых заготовок при условии введения в шов дополнительного присадочного металла. Наиболее рациональным способом введения дополнительного присадочного металла является использование остающейся технологической подкладки, которая проплавляется в процессе ЭЛС на глубину в 1,4-2 раза большую толщину свариваемых пористых заготовок.

6. Исследовано влияние параметров процесса электроннолучевой сварки на формирование соединения ППММ. Установлено, что при увеличении исходной пористости заготовок целесообразно снижать скорость сварки, а также осуществлять сканирование луча поперек стыка с одновременным его расфокусированием в точках максимального отклонения.

7. Предложен процесс электроннолучевой пайки-сварки для изготовления фильтрующих элементов, применяемых в пищевой и медицинской промышленности. При данном процессе на остающуюся подкладку наносят слой высокотемпературного серебросодержащего припоя, который при нагреве подкладки при ЭЛС расплавляется и заполняет зазор между заготовкой из ППММ и подкладкой, тем самым, устраняя застойные зоны.

8. Разработана технология изготовления пористых материалов и методика оценки качества сварных фильтрующих элементов патронного типа, основанная на сравнительном гранулометрическом анализе составов частиц в электролите. Предложено многопозиционное сварочное устройство, модернизирована электроннолучевая пушка для работы в диапазоне малых токов луча, а также сформулированы конструктивно-технологические принципы создания сварных пространственных конструкций из ППММ.

1. Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1998 году». М.: 1999. 573 с.

2. Пористые сетчатые материалы./Ю.И. Симельников, А.Ф. Третьяков, А.Г. Колесников. М.: Металлургия Л 983.64с.

3. Третьяков А.Ф. Разработка технологии сварки давлением брикета из пористых элементов.// Сварочное производство. 1991.№4.С.2-3.

4. Федоров С.А., Митин А.В. Лазерная сварка фильтров из пористых сетчатых материалов.// Сварочное производство. 1992.№6.С.13-14.

5. Третьяков А.Ф., Полушкин Г.П., Харитонова Л.К. Сварка прокаткой сеток из титановых сплавов.// Сварочное производство. 1984.№7.С.25-27.

6. Третьяков А.Ф. Расчет пористости материалов на основе тканных металлических сеток.// Порошковая металлургия. 1986.№8.С.70-75.

7. Третьяков А.Ф. Формирование сварных твердофазных соединений однородных проволок при получении пористых материалов.// Достижения и перспективы развития диффузионной сварки. М., 1987.-С. 101-103.

8. Афонин М.М., Костылев А.П., Петунин А.Б. Стерилизуемые установки микрофильтрации из коррозионно-стойких материалов.// Технология чистоты. 1988.- №1. — С.28-31.

9. Елютин В.П., Костиков В.И., Лысов Б.С., Маурах М.А., Митин Б.С. Высокотемпературные материалы. М: Металлургия.-1973.- 334 с.

10. Витрянюк В.К., Орденко В.Б. Высокотемпературные порошки.// Порошковая металлургия. -1967.-№10.-С.28.

11. Федорченко И.М., Андриевский Р. А. Основы порошковой металлургии. Киев. Изд-во АН УССР.- 1961.-250 с.

12. Слепцов В.М., Кукота Ю.П. Пористые материалы на основе карбида циркония.//Порошковая металлургия. -1965.-№10.-С.85-87.

13. Витрянюк В.К., Слепцов В.М. Высокотемпературное прессование порошков.// Порошковая металлургия. -1967.-№1.-С.11-16.

14. Витрянюк В.К. Исследование условий получения и некоторые свойства высокопористых материалов из карбидов переходных металлов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Киев, Киевский политехнический институт. 1969 г.

15. Кислый B.C., Самсонов А.П. Свойства высокопористых материалов на основе титана.// Порошковая металлургия. -1962.-№2.-С.34-39.

16. Пршедомирская Е.Н., Кукота Ю.П. Самораспространяющийся высотемпературный синтез.// Порошковая металлургия. -1966.-№3.-С.84-86.

17. Киффер Р., Шварцкопф П. Твердые сплавы. М.: Металлургиздат.-1957.-302 с.

18. Самсонов Г.В. Порошковые соединения. М.: Металлургиздат,-1963.-216 с.

19. Полторацкий В.К. Технология изготовления и некоторые свойства изделий, полученных самораспространяющимся высокотемпературным синтезом.// В сб. «Методы получения пористых изделий».- 1974.- МИФИ.-С.124-128.

20. Андреасян А.А., Савиян Г.А. Получение карбидов, боридов, нитридов переходных металлов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.// В сб. «Технология, свойства и применение износостойких материалов».- 1974.- С.29-32.

21. Францевич И.Н., Лещенко А.Б. Неорганические материалы. Т.З, 1967.ЖЗ.С.145-156.

22. Белов B.C., Князев В.И. Влияние пористости на модуль Юнга карбида циркония.// В сборнике «Методы и средства исследования материалов и конструкций».М.: Атомиздат.1973.С.112-118.

23. Скороход В.В. Теплопроводность пористых материалов.//Инженерно-физический журнал. 1959.т.2.№8.С.51-58.

24. Андриевский Р.А. Пористые металлокерамические материалы. М.: Металлургиздат. 1964.215 с.

25. Пористые проницаемые материалы: Справочник /Под ред. С.В. Белова. М.: Металлургия, 1987.385 с.

26. Шмелев JI.C., Сорокин В.К., Гуреев Н.В. Производство пористых листов из металлических порошков.// Сталь. 1983.№5.С.82-83.

27. Кажавский Н.И., Понизовцев A.M., Андриевский Р.А. и др. Сварка пористой высоколегированной стали Х17Н2.// Порошковая металлургия. 1964.№4.С.91 -96.

28. Белов С.В. Пористые материалы в машиностроении. М.: Машиностроение. 1981.247 с.

29. Силаев А.Ф., Данилова О.П., Громова С.П. Материалы с капиллярными структурами для фильтрации жидкостей и газов.// Порошковая металлургия. 1978.№9.С.45-49.

30. Поднозов В.Г. Трещинообразование при шовной сварке пористых спеченных материалов// Сварочное производство. 1979.ЖЗ.С.25-26.

31. Гуляев А.И., Поднозов В.Г., Пырялов А.А. Контактная сварка спеченных порошковых материалов // Порошковая металлургия. 1976.№6.С.98-102.

32. Большаков М.В., Зудов Н.И. Особенности диффузионной сварки волокнистых и порошковых пористых материалов // Диффузионное соединение в вакууме. 1973.№6.С. 195-202.

33. Третьяков А.Ф. Свариваемость пористых порошковых и сетчатых материалов на металлической основе // Сварочное производство. 1991.№5.С.2-4.

34. Третьяков А.Ф., Троянов И.М., Арбузов В.М. Электроннолучевая сварка пористого сетчатого материала марки 12Х18Н10Т-ПСМ // Автоматическая сварка. 1980.№3.С. 19-20.

35. Овчинников В.В., Гуреева М.А., Антонов А.А. Магнитов B.C. Технологические особенности сварки фильтрующих элементов патронного типа из пористых металлических материалов.// Сварочное производство.2002.№5.С.42-45.

36. Ширяев Б.Ф. Пористые проницаемые спеченные материалы. М.: Металлургия. 1982.412 с.

37. Вязников Н.Ф., Ермаков С.С. Металлокерамические материалы и изделия. М.: Машиностроение.1967.273 с.

38. Витязь А.А. Пористые порошковые материалы и изделия из них. Минск. Высшая школа. 1987.273 с.

39. Шибряев Б.Ф., Павловская Е.И. Металлокерамические фильтрующие элементы. Справочник. М.: Машиностроение. 1992. 334 с.

40. Туфанов А.Г. Коррозионная стойкость нержавеющих сталей, сплавов и чистых металлов. Справочник. 5-е издание. М.: Металлургия. 1990. 464 с.

41. Ульянин Е.А. Высоколегированные коррозионно-стойкие сплавы. М.: Металлургия. 1987. 215 с.

42. Ульянин Е.А. Коррозионно-стойкие сплавы на основе железа и никеля. М.: Металлургия. 1986. 287 с.

43. Томашов Н.Д., Чернов Г.А. Коррозия и коррозионно-стойкие сплавы. М.: Металлургия. 1973. 231 с.

44. Батраков В.П., Коррозия конструкционных материалов в агрессивных средах. Справочник. М.: Оборонгиз. 1952. 415 с.

45. Сухотин A.M. Справочник по коррозионной стойкости материалов. В 5 томах. М.: Машиностроение. 1985.

46. ГОСТ 5632-72. Стали высоколегированные. Сплавы коррозионно-стойкие, жаропрочные и жаростойкие. Марки и технические требования.

47. Gureeva М.А., Ovchinnikov V.V., Antonov А.А., Magnitov V.S. Special features of welding filtration elements of the cartridge type produced from porous metallic materials. // Welding International. 2002.16(10).828-831.

48. Гуреева M.A. Громов C.B., Овчинников B.B., Антонов A.A. Повышение коррозионной стойкости фильтров из нержавеющей стали ПХ18Н15.// Сборник статей 2-й Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в машиностроение». Пенза. 2003. С.67-70.

49. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под ред. Академика Б.Е. Патона. М.: Машиностроение. 1974. 767 с.

50. Шиллер 3., Гейзиг У., Панцер 3. Электроннолучевая технология. Пер. нем./ М.: Энергия. 1980. 528 с.

51. Сварка в машиностроении. Справочник в 4-х томах./ редкол.: Г.А. Николаев (пред.) и др. М.: Машиностроение. 1978. Т.1/ под ред. Н.А. Ольшанского. 1978. 504 с.

52. Теоретические основы сварки. Под ред. Проф. В.В. Фролова. М.: Высшая школа. 1970. 592 с.

53. Теория сварочных процессов. Багрянский К.В., Добронтина З.А., Хренов К.К. Киев. «Вища школа». 1976. 424 с.

54. Рыкалин Н.Н., Зуев И.В., Углов А.А. Основы электронно-лучевой обработки материалов. М.: Машиностроение. 1978. 239 с.

55. Белов B.C., Князев В.И. Влияние пористости на модуль Юнга карбида циркония./ В сборнике «Методы и средства исследования материалов и конструкций». М.: Атомиздат. 1973. С.112-116.

56. Плаченов Т.Г., Карельская В.Ф. Исследование структуры пористых тугоплавких материалов. JI. ЛТИ. 1973. С.37-44.

57. Теплофизические свойства веществ. Справочник. М!: ГЭИ. 1956. 782с.

58. Патент РФ №2053512 6 G01N 33/44. Способ определения марки материала. (Алексеев В.В., Майстров В.М., Липкин Ф.М., Клочкова З.Я., Комова Т.И., Козелков М.В., Овчинников В.В.). 27.01.96. Бюл.№3. Приоритет 05.06.90.

59. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Г.Н. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука. 1976. 280 с.

60. Заявка о выдаче патента на изобретение: Способ соединения компактного металлического и пористого металлического или металло-керамического материалов. — М.: №98100751 от 28.12.2000/ Гуреева М.А., Афонин М.М., Костылев А.П., Овчинников В.В., Антонов А.А.

61. GUREEVA М.А., ANTONOV А.А., MAGNITOV V.S., OVCHINNIKOV V.V. Special features of welding filtration elements of thecartridge type produced from porous metallic materials. // Welding International. 2002. 16(10). 828-831.

62. Никифоров Г.Д., Опарин М.И., Федоров C.A. Исследование лучистого нагрева для сварки, пайки и термической обработки.// Сварочное производство. 1974.№ 12.С.18-21.

63. Никифоров Г.Д., Опарин М.И., Федоров С.А. Сварка и пайка световым лучом.//М.: Машиностроение. 1979. 41 с.t

64. Ельцов А.В., Фролов В.А., Никитина Е.В. Исследование новых методик при моделировании процессов в зоне сварки.// Сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции «Сварка и контроль-2001». Воронеж. ВГАСУ. 2001. С.60-64.

65. Гуляев А.И. Контактная сварка спеченных порошковых материалов.// Порошковая металлургия. 1976. №6. С.12-15.

66. Поднозов В.Г. Трещинообразование при шовной сварке пористых спеченных материалов.// Сварочное производство. 1979. №2. С.25-26.

67. Винокуров В.А. Сварочные деформации и напряжения. М.: Машиностроение.1968.317 с.

68. Куркин С.А., Винокуров В.А. Съемный прибор для измерения сварочных деформаций.// Заводская лаборатория.1976.№6.С.25-28.

69. Авторское свидетельство РФ №25081 G01 В 11/16. Система диагностики напряженно-деформированного состояния упругих тел.// Антонов А.А., Чернышев Г.Н., Попов A.JL, Козинцев В.М., Карабахин В.Г.-Изобретения и полезные модели.2002.№25.

70. Брайн О. Справочник по сварке. Американское справочное общество. 1991. т.2. 673 с.

71. Майерс В., Фламм Г. Электронно-лучевая сварка-пайка крыльчатки компрессора.// Труды Международной конференции «Сварка и соединение 2000». М:.2000.С.38-49.

72. Лоцманов С.Н., Петрушин И.Е., Фролов В.П. Справочник по пайке. М.: Машиностроение. 1975.407 с.

73. Гуреева М.А., Афонин М.М., Костылев А.П., Путенин А.Б. Стерилизуемые установки микрофильтрации из коррозионно-стойких сплавов.//Технология чистоты. 1998. №1. С.28-31.

74. Гуреева М.А. Регенерируемые фильтрующие элементы для медицинского применения.// Труды Международной конференции «Новые материалы и технологии». Пенза.2003.С.37-41.

75. Методика определения удерживающей способности ЭФП при фильтрации жидкостей. М.: ГНЦ РФ ВНИИНМ. 1996. 23 с.

76. Патент РФ №1274881 МПК В23К 15/00. Электронно-лучевая пушка. /Гринин В.В., Коротков В.Е., Овчинников В.В., Гуреева М.А./. Бюл. №45, 07.12.96.

77. Будаев В.А., Крайнова Е.А. Фильтрующие элементы из никелевых порошков.// Сб. статей 8-ой Международной научно-технической конференции «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков». Пенза. ПГУ. 2003. ч.2. С.374-377.