Дисертації (ЗВ)

Постійне посилання зібрання

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/37197

Переглянути

Перегляд Дисертації (ЗВ) за Автор "Пелешенко, Святослав Ігорович"

Зараз показуємо 1 - 1 з 1
  • Ескіз
    ДокументВідкритий доступ
    Фізико-металургійні та термодеформаційні процеси при зварюванні тонкостінних конструкцій із алюмінієвих сплавів з використанням лазерного випромінювання
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Пелешенко, Святослав Ігорович; Квасницький, Віктор Вячеславович
    Пелешенко С. І. Фізико-металургійні та термодеформаційні процеси при зварюванні тонкостінних конструкцій із алюмінієвих сплавів з використанням лазерного випромінювання. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 131 Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Дисертація присвячена дослідженню та створенню технологій зварювання виробів космічної промисловості з високоміцних алюмінієвих сплавів із використанням лазерного випромінювання шляхом розрахункового вибору параметрів режимів (щільності потужності, швидкості, розміру і часу існування зварювальної ванни) з подальшою експериментальною перевіркою, визначення впливу режимів та умов ведення процесу на формування напруженодеформованого стану та зміну геометричної форми виробів, розрахунковому прогнозуванню параметрів зварювання берилієвих сплавів. У роботі визначені характерні дефекти зварювання та шляхи їх усунення, створені методика та обладнання для визначення компонент напружено-деформованого стану та неруйнівного контролю виробів, зварених із використанням розроблених технологій, проведене конструювання дослідно-промислового комплексу для реалізації розроблених технологій. Дисертаційна робота складається з п'яти розділів, у яких викладено та обґрунтовано основні результати дисертаційної роботи. У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми дослідження, визначені мета та задачі дослідження, приведені методи дослідження, сформульовані наукова новизна та практична цінність отриманих результатів. У першому розділі приведені результати аналізу особливостей зварювання легких сплавів на основі алюмінію і берилію із використанням сучасних зварювальних технологій. Розглянуто особливості використання лазерного випромінювання для зварювання тонкостінних конструкцій із легких сплавів, в тому числі актуальні проблеми при зварюванні тонкостінних конструкцій із легких сплавів, зокрема з неповним проплавленням. На основі проведеного аналізу визначені мета та завдання досліджень. Другий розділ присвячений опису застосованих стандартизованих та розроблених методик проведення дослідження, наведені опис та характеристики обраних матеріалів, технологічного обладнання для проведення експериментів та металографічних досліджень. Для досягнення мети реботи та вирішення поставлених завдань була прийнята наступна методика досліджень: вибір зварюваних алюмінієвих сплавів і підготовка зразків; математичне модельне дослідження особливостей поглинання лазерного випромінювання при зварюванні легких високоміцних сплавів; виконання розрахункових експериментів на основі моделювання розподілу теплових полів у виробах з легких високоміцних сплавів, прогнозування параметрів режимів зварювання з використанням лазерного випромінювання; створення лабораторного стенду для проведення технологічних досліджень; експериментальна перевірка точності розрахунків, металографічні дослідження зварених зразків, визначення характерних дефектів та шляхів їх усунення, корегування режимів; розробка комбінованого способу розрахунково-експериментального визначення залишкових деформацій та напружень у звареному виробі; створення методики та обладнання неруйнівного дослідження компонент напружено-деформованого стану (НДС) тонкостінних зварних виробів із високоміцних легких сплавів шляхом обробки цифрових стереозображень; створення технологічних рекомендацій щодо зварювання виробів космічної галузі з легких високоміцних сплавів з використанням лазерного випромінювання; проектування зварювальних головок для реалізації процесів зварювання легких високоміцних сплавів із застосуванням лазерного випромінювання в умовах камери з контрольованою атмосферою; проектування комплексу дослідно-промислового обладнання для герметизації зварюванням високоточних тонкостінних виробів космічної галузі з легких високоміцних сплавів і апаратури неруйнівного контролю НДС зварних виробів. В третьому розділі дисертаційної роботи приведені результати моделювання з’єднання легких сплавів лазерним зварюванням та лазерномікроплазмовим зварюванням, описана методика вибору параметрів режимів зварювання тонкостінних виробів з легких сплавів із ненаскрізним проплавленням із застосуванням лазерного випромінювання, приведені результати експериментальної перевірки використаної методики вибору режимів зварювання та результати металографічних досліджень отриманих зварних з'єднань, а також аналіз характерних дефектів та шляхів їх усунення. В роботі вперше досліджені особливості впливу супутнього плазмового підігріву на поглинання лазерного випромінювання поверхнею алюмінієвих сплавів і зроблений прогноз щодо особливостей поглинання випромінювання берилієвими сплавами. Визначено, що при переході легких сплавів від твердого до рідкого стану частка поглиненого лазерного випромінювання стрибкоподібно зростає до 5 разів для алюмінію і на 20% для берилію. Встановлено, що завдяки приблизно втричі більшій теплопровідності берилію та його сплавів, порівняно із теплопровідністю алюмінієвих сплавів, погонна енергія лазерного зварювання берилієвих сплавів має приблизно вдвічі перевищувати енергію, яка необхідна для лазерного зварювання алюмінієвих сплавів. У разі застосування супутнього локального мікроплазмового підігріву зварювальної ванни таке підвищення погонної енергії зменшується до 30%. Для такого супутнього підігріву визначений вплив дистанції між фокусом лазерного випромінювання і центром анодної плями плазмової дуги на тенденції формування шва і ступінь прояву синергетичного ефекту взаємодії цих двох енергетичних джерел. Створені методики попереднього розрахункового визначення параметрів режимів зварювання з використанням лазерного випромінювання (лазерного і лазерно-мікроплазмового процесів) та залишкового напружено-деформованого стану виробів космічної промисловості з високоміцних алюмінієвих і берилієвих сплавів. За допомогою експериментальної перевірки розроблених методик на зразках високоміцних алюмінієвих сплавів визначена величина похибки (до 10...20%) та обґрунтована прийнятність цих методик для розв'язуваних завдань. Встановлено, що завдяки поєднанню високої теплопровідності із низьким коефіцієнтом поглинання лазерного випромінювання для зварювання алюмінієвих сплавів існують певні порогові значення потужності та швидкості зварювання, а також визначені шляхи подолання недоліків, які можуть виникати через цю особливість. Розрахунковим і дослідним способами показано, що одним з найбільш ефективних шляхів покращення лазерного зварювання є застосування супутнього локального підігріву зварювальної ванни мікроплазмою прямої дії. Такий технологічний прийом забезпечує економію коштовної лазерної енергії та водночас дозволяє в 1,5-2 рази підвищити швидкість зварювання і покращити формування швів. Проведене математичне прогнозування зварювання берилію та його сплавів за допомогою лазерного випромінювання із перевіркою отриманих результатів за літературними даними. Встановлено, що через теплопровідність, яка приблизно втричі перевищує теплопровідність алюмінієвих сплавів, для їх зварювання потрібно більше вкладення енергії. Тому погонні енергії провару берилієвих сплавів на глибину порядку 0,5-0,6 мм за умови нагрівання виробу до 100...120°С мають перевищувати енергії аналогічних проварів алюмінієвих сплавів: при лазерному зварюванні до 4 разів, при лазерно-мікроплазмовому – на 30…50%. Встановлено, що збільшення розміру зерен литого металу шва при лазерному зварюванні високоміцних алюмінієвих сплавів призводить до зниження міцності шва, зокрема в зонах сплавлення і вертикальної осі поперечного перерізу. Підвищення питомої енергії випромінювання призводить до зменшення вмісту летючих легуючих елементів сплаву (в першу чергу Mg, Zn, Li). Одним з характерних дефектів є утворення внутрішніх пор діаметром від 0,05 до 0,2 мм. Крім того, при зварюванні таких сплавів можлива поява як осьових, так і поперечних гарячих тріщин. Найбільш небезпечними зонами виникнення тріщин є кратер, де відбувається остаточна кристалізація розплаву, а також дефекти шва. Шляхами усунення схильності металу до тріщиноутворення є: попередній або супутній підігрів, мінімізація погонної енергії зварювання, використання присадкових матеріалів, плавне зменшення потужності лазерного випромінювання при закінченні процесу зварювання, видалення з поверхні заготовок окислу Al2O3 перед зварюванням, застосування основного металу з більш дисперсною структурою. Дослідження показали, що одним з найкращих і найбільш універсальних способів мінімізації схильності металу до виникнення характерних дефектів при лазерному зварюванні високоміцних алюмінієвих сплавів є супутній підігрів металу зварювальної ванни мікроплазмою з електричною дугою прямої дії. Порівняно зі звичайним лазерним зварюванням такий підхід покращує формування підсилення верхнього валика шляхом усунення гребнів і підрізів, мінімізує пороутворення, зменшує твердість металу ЗТВ до рівня твердості основного металу, сприяє підвищенню швидкості зварювання, до 1,5-2 разів зменшує розмір зерен литого металу з’єднання. Встановлено, що лазерне зварювання стикових з'єднань високоміцних алюмінієвих сплавів дозволяє отримувати шви з близьким до 1 коефіцієнтом форми при мінімальних витратах погонної енергії (5…10 Дж/мм) із часом існування ванни розплаву 0,02…0,04 с. Зернистість металу з'єднання носить регулярний характер, зерна в переплавленому металі мають рівноосну форму та подовжену форму біля лінії сплавлення (коефіцієнт форми зерна =2...3) і в ЗТВ (=2,5...5). Мікротвердість у швах зменшується на 15%, а ЗТВ збільшується на 8…12% відносно основного металу. Основні дефекти – утворення в ЗТВ мікротріщин довжиною 10...20 мкм та наявність у кореневій частині швів включень залишків оксидних плівок. Для підвищення якості з’єднань та усунення виявлених дефектів запропоновано використовувати лазерномікроплазмове зварювання. Зерна металу шва при такому зварюванні мають рівноосну будову, розмір зерен зменшується у 1,5-2 рази порівняно з лазерним зварюванням. Уздовж лінії сплавлення та у ЗТВ формуються структури з подовженими зернами (=3…6 і =4…5, відповідно). Мікротвердість металу шва зменшується на 15…20% від основного метала, а ЗТВ – приблизно відповідає основному металу. При цьому використання коштовної лазерної енергії зменшується на 40…50%, час існування зварювальної ванни (0,03…0,05 с) наближається до лазерного зварювання, усувається небезпека зменшення вмісту легуючих елементів при підвищенні щільності потужності випромінювання. У четвертому розділі приведений опис розробки методики експериментально-розрахункового визначення компонент НДС зварних деталей та створення лабораторного стенду для реалізації методики. Наведені результати розрахункового визначення параметрів залишкового НДС отриманих лазерним та лазерно-мікроплазмовим зварюванням з'єднань із високоміцного алюмінієвого сплаву 7005. Розроблений комбінований розрахунково-експериментальний метод визначення залишкових деформацій та напружень у зварному виробі за режимами зварювання із застосуванням методу кореляції стереоскопічних цифрових зображень (SDIC – Stereo Digital Image Correlation). Розроблений спосіб передбачає розбивку зварюваної конструкції на просторові примітиви із їх аналізом по мірі виконання зварювання. За його допомогою встановлено, що при лазерному зварюванні імітаторів виробів космічної галузі зі сплаву 7005 після виконання чотирьох діаметрально протилежних точкових прихваток залишкові переміщення торців виробу (41×41 мм) можуть сягати 0,02…0,05 мм, а після виконання безперервних кільцевих швів – зменшуватися до 0,01...0,02 мм. Величини залишкових напружень стиску у площині торців зварного виробу знаходяться в межах 50-60 МПа. При цьому в зоні шва напруження розтягу можуть доходити до 200 МПа, а в ЗТВ змінюватися від 70 до 150 МПа. Внесені попередньо виконаними точковими прихватками геометричні відхилення майже не впливають на рівень залишкових напружень. У п’ятому розділі представлені результати робіт із практичної реалізації розроблених технологій, створене обладнання для отримання і неруйнівного контролю високоточних тонкостінних зварних виробів з алюмінієвих сплавів космічного призначення. Для зварювання високоточних тонкостінних виробів космічної галузі з алюмінієвих сплавів із застосуванням лазерного джерела нагрівання були сконструйовані зварювальні головки. Розробка головок для лазерного і лазерномікроплазмового зварювання базувалася на виборі необхідних оптичних елементів за їх діаметрами і фокусною відстанню, а також визначення параметрів потоку плазмоутворюючого газу з урахуванням особливостей камери з контрольованою захисною атмосферою. До складу технологічного комплексу увійшов стенд для визначення компонент НДС готового виробу після зварювання. При розробці цього стенду були обрані необхідні цифрові фотокамери з високою роздільною здатністю, створена система базування закріпленого у складально-зварювальному оснащенні зварюваного виробу, а також необхідні алгоритми та програмне забезпечення для вимірювання переміщень окремих ділянок, визначення деформацій і супутніх розрахунків залишкових напружень. Розроблений технологічний процес герметизації високоточних тонкостінних виробів космічної галузі з легких сплавів лазерним зварюванням, що включає: підготовку поверхонь заготовок виробу до зварювання хімічним травленням лугом із подальшою нейтралізацією кислотою; складання деталей під зварювання; базування в складально-зварюваному оснащенні та зварювання виробу з одночасним контролем/керуванням температурою його нагрівання; визначення рівня переміщень, напружень, деформацій. Для реалізації даного технологічного процесу розроблений дослідно-промисловий комплекс обладнання, яке включає герметичну зварювальну камеру з системами кріплення, переміщення та зварювання заготовки, зварювальне джерело живлення з плазмовим модулем, систему управління, вакуумування, газопідготовки та очищення відпрацьованих газів, а також рукавичну камеру для ручного збирання деталей виробу під зварювання. У даному дослідно-промисловому комплексі був застосований волоконний лазер потужністю до 1,0 кВт.