Перспективы применения различных способов вибрационной обработки ответственных сварных конструкций космических аппаратов

Современные сварные конструкции космического машиностроения требуют стабилизации геометрических размеров и уменьшения сварочных деформаций во времени путем снижением уровня внутренних напряжений при изготовлении. Эти особенности обусловлены закономерностями протекания термодеформационного цикла дуговой сварки, приводящего к изменению формы и размеров конструкции вследствие образования неравномерных полей остаточных напряжений и, как следствие, деформаций. Деформации затрудняют процесс сборки, увеличивают припуски на механическую обработку. Релаксация напряжений приводит к дополнительным деформациям, в том числе, в процессе изготовления.

Для минимизации послесварочных деформаций в ответственных случаях применяется сборка и сварка в жестких точных кондукторах с последующей термической обработкой в том же кондукторе. Поэтому необходимость изготовления дорогостоящей, точной и фактически одноразовой оснастки является одним из основных недостатков термической обработки в заневолен-ном состоянии. Также велика энергозатратность, а в ряде случаев и просто неосуществимость такой термообработки из-за размеров сварной конструкции. Требуются повышенные капитальные затраты на оборудование. При этом возможно и нежелательное изменение свойств материала сварной конструкции [1; 2].

Вибрационная обработка имеет перспективу применения в качестве эффективной альтернативы термической обработке из-за лучшей технологической осуществимости. Технология имеет два технологических варианта исполнения: сопут- ствующая сварке виброобработка и послесвароч-ная виброобрабтка [3–9].

1.    Технологические особенности послесварочной виброобработки

Послесварочная виброобработка основана на микропластических деформациях при превышении суммы послесварочных напряжений и напряжений от вибровоздействия над пределом текучести и применяется для двух случаев: во-первых, для стабилизации размеров массивных или толстостенных сварных конструкций и, во-вторых, для минимизации послесварочных деформаций ферменных сварных конструкций, жестко заневоленных в сборочно-сварочных кондукторах. Следует также отметить, что существуют обстоятельства, когда предпочтительно применение послесварочной виброобработки: при сварке короткой дугой, при неудобном положении сварщика, при последовательном группировании сборок в большие громоздкие конструкции. Послесварочная виброобработка проводится на резонансных частотах (обычно ограничиваются первой резонансной частотой). При физических ограничениях, связанных с возможными поломками или повреждениями сварных конструкций, обработка проводится на околорезонанасных частотах [7–14]. Актуальность использования послесва-рочной виброобработки достаточно многогранна и наглядна. Особенно эффективно ее применение в космическом машиностроении на сварных силовых высоконагруженных стержневых конструкциях в условиях единичных разработок или мелкой серии, когда еще не известны деформации узловых посадочных мест и не определена оптимальная последовательность сварки всех соединений. Сборку таких конструкций удается производить в жестких универсальных сборочно-сварочных приспособлениях, детали которых используются впоследствии многократно. Сварку конструкций производят также в данных приспособлениях, при этом посадочные места удерживаются в требуемых конструкторской документацией положениях. После сварки производится комплексная виброобработка сварной конструкции в целом совместно с универсальным сборочно-сварочным приспособлением (УССП), при этом УССП виброизолируется от пола цеха или столов сварщиков. Учитывая сложность конструкции, иногда приходится производить обработку в несколько приемов, с переустановкой вибратора на новое место. Время виброобработки составляет, как правило, менее 1–10 % от времени вибрационных испытаний и практически не влияет на расчетный ресурс по усталости. Результат положителен: после раскрепления конструкции посадочные места находятся в рамках припусков на механическую обработку, после проведения которой размеры попадают в допуск конструкторской документации.

2.    Технологические особенности сопутствующей виброобработки

Сопутствующая виброобработка основана на интенсификации процессов ползучести в твердом металле при повышенных температурах, а также на особенностях механического воздействия на жидкий и кристаллизующийся металл сварочной ванны, и может применяться для различных ситуаций. Например, когда возможно стабилизировать размеры и уменьшить остаточные деформации при:

• •    сварке жестких, заневоленных сварных конструкций малых или средних размеров;

• •    сварке негерметичных конструкций;

• •    сварке толстостенных заготовок между собой;

• •    наплавке поверхностей.

3.    Сравнение эффективности различных способов виброобработки

Сопутствующая виброобработка выполняется в режимах, определяемых опытным путем из учета оптимального формирования проплава сварного шва, стабильного горения сварочной дуги, а также отсутствия тремора у сварщика; рабочий диапазон частот обычно составляет от 10 до 80 Гц, амплитуды – от ±0,05 до ±0,3 мм [7–14]. Также у сопутствующей виброобработки имеются дополнительные достоинства: увеличивается усталостная прочность в результате получения сварного соединения с плавными сопряжениями с основным материалом, повышаются механические свойства – повышаются пластичность и прочностные характеристики; шов получается более узким [10; 13]. В перспективе возможна замена ручной сварки на автоматическую, например, роботизированную.

Для стальных и алюминиевых сварных конструкций перспективно внедрение виброобработки прежде всего для стыковых соединений: как послесварочная, так и сопутствующая виброобработка позволяют добиться почти двукратного снижения величины остаточных напряжений. Напряжения в нахлесточных сварных соединениях для стальных и алюминиевых сварных конструкций при сопутствующей виброобработке снижаются на 50 %, в то время как при послесва-рочной – только на 10 %. В тавровых соединениях уровень напряжений снижается на 40 % для стали и на 30 % для алюминия при сопутствующей, а при послесварочной – на 15 % для обоих материалов [7–14].

Суммируя, следует отметить, что эпюры сопутствующей виброобработки имеют отчетли-

(омчесЬё

АППАРАТЫ И

Том 7

во «сглаженный» вид, в то время как эпюры по-слесварочной обработки получают «срез» прежде всего пиковых значений, причем характер эпюр для послесварочной обработки зависит от жесткости (расстояния от заделки) (рисунок). Таким образом, сопутствующая вибрационная обработка приводит к перераспределению напряжений равномерно по всей конструкции, что позволяет ожидать ее повышенной размерной стабильности во времени [11–14].

а

б

в

Рис. Эпюры остаточных напряжений для алюминиевых сплавов: а – традиционная сварка; б – сварка с сопутствующей виброобработкой; в – сварка и послесварочная виброобработка (цифрами указаны расстояния от заделки в мм) [11–14]

Оба способа вибрационной обработки пригодны для контроля одними и теми же методами: рентгеновской дифрактометрией, спекл-интерферометрией с засверливанием отверстий, ультразвуковым методом. Однако послесварочная обработка имеет возможность дополнительного контроля результативности процесса сравнением амплитудно-частотных характеристик до и после процесса, а также изменением электропотребления вибратора [15].

Заключение

Таким образом, выявлена перспективность применения различных способов виброобработки при получении ответственных, высокостабильных во времени сварных конструкций. При этом значительно сокращается время, а также уменьшаются капитальные вложения и энергозатраты по сравнению с термической обработкой. Способы вибрационных обработок – послесварочная и сопутствующая – имеют свои достоинства и области применения: послесварочную обработку эффективно применять в процессе изготовления жестких, громоздких, состоящих из нескольких подузлов конструкций, предварительно собранных и сваренных в заневоленном состоянии с даль- нейшей виброобработкой в этом же состоянии, сопутствующую обработку можно реализовать для небольших тонкостенных сварных конструкций большой и средней жесткости, для наплавки элементов и для толстостенных конструкций. Внедрение вибрационной обработки для получения высокоточных, надежных и высокостабильных сварных конструкций в ряде случаев имеет бесспорную перспективу.

Кроме того, можно сделать следующие выводы:

• 1.    Для стальных и алюминиевых сварных конструкций наиболее перспективно внедрение виброобработки для стыковых соединений: как послесварочная, так и сопутствующая виброобработки позволяют добиться почти двукратного снижения величины остаточных напряжений.

• 2.    Эффективность виброобработки для стальных сварных конструкций несколько выше, чем для алюминиевых.

• 3.    Сопутствующая виброобработка уменьшает остаточные деформации.

• 4.    Сопутствующая виброобработка приводит к получению сварного соединения с плавными сопряжениями с основным материалом, повышаются пластичность и прочностные характеристики, а ширина сварного шва уменьшается.