Разработка технологии электронно-лучевой сварки биметаллических магнитопроводов электромагнитных устройств

Разработка  технологии электронно-лучевой сварки  биметаллических магнитопроводов электромагнитных устройств

1. Описание проекта.

1.1. Цель проекта - разработка технологического процесса  изготовления биметаллических магнитопроводов электромагнитных устройств из ферро- и парамагнитных сплавов с использованием электронно-лучевой сварки.

Задачи исследований:

-определение  влияния основных конструктивных  и технологических факторов при  сборочно-сварочных операциях на  точность изготовления магнитопроводов  из чередующихся разнородных ферро- и парамагнитных элементов;

- выявление основных закономерностей  процесса ЭЛС разнородных сплавов  и разработка методов повышения  качества магнитопроводов. 

1.2.Актуальность проекта.

Развитие современного машино- и приборостроения в направлении снижения металлоемкости конструкций при одновременном улучшении их технических характеристик и повышении надежности в работе приводит к необходимости широкого применения сталей и сплавов различных структурных классов. К таким изделиям можно отнести магнитопроводы различных электромагнитных устройств.

Наиболее сложным в технологическом процессе изготовления комбинированных изделий является соединение в одном узле деталей из разнородных материалов. В большинстве случаев для этих изделий используют сварку, так как существующие механические крепления сложны в изготовлении и не удовлетворяют требованиям надежности в эксплуатации.

Проблемы соединения разнородных металлов связаны с существенными различиями  их температур плавления, плотности, коэффициентов линейного расширения, теплопроводности и температуропроводности, а также кристаллографических характеристик.

Для изготовления комбинированных изделий из разнородных материалов используют различные способы, но наиболее распространенными являются дуговая сварка, наплавка и пайка. Основными недостатками этих способов являются: низкая прочность соединений, большие размеры зон переменного состава, ограниченное количество пар соединяемых материалов. В большинстве случаев эти недостатки могут быть устранены путем использования технологий электронно-лучевой сварки и наплавки, которые, как правило, обеспечивают при минимальном объеме переплавляемого металла незначительные деформации изделий и прочность, близкую к прочности основных материалов.

Кроме того, внедрение в производство прогрессивных методов сварки с использованием концентрированных потоков энергии и в частности ЭЛС, расширяет технологические возможности изготовления традиционных изделий и создания принципиально новых конструкций из разнородных сплавов. При ЭЛС, как и при других методах сварки плавлением из-за различия  теплофизических и электромагнитных свойств разнородных металлов возникают несимметричные относительно стыка температурные поля, что, в конечном счете, приводит к различной степени проплавления кромок. Однако специфика процесса ЭЛС позволяет существенно снизить степень воздействия данных факторов на формирование сварных соединений. Тем не менее,  сварные соединения разнородных металлов отличаются развитой химической, структурной и механической неоднородностью.

При ЭЛС разнородных сплавов с целью получения необходимой степени проплавления, химического состава и структуры сварных соединений применяют следующие технологические приемы:

— смещение электронного пучка относительно стыка;

— соединение через переходные элементы из биметаллов или сплавов, имеющих хорошую свариваемость по отношению к каждому из двух металлов;

— легирование металла шва с помощью тонких вставок, проволок или покрытий;

— регулирование скорости охлаждения (предварительный подогрев, дефокусировка, сканирование пучка и др.).

Однако в настоящее время отсутствуют научно обоснованные принципы построения технологических процессов изготовления сварных комбинированных изделий из разнородных материалов с резко отличающимися физико-химическими свойствами и структурой. Кроме того, не решены вопросы, связанные с исследованием основных закономерностей формирования швов, обусловленных изменением параметров нагрева материалов на границе их соединения, и как следствие, отсутствуют методы управления составом, структурой и свойствами металла в зоне соединения. Поэтому исследование и разработка технологических процессов изготовления биметаллических изделий с использованием электронно-лучевой сварки является актуальной задачей, имеющей научное и практическое значение.

     1.3. Научный задел.

По результатам предварительных исследований установлено, что применение электронно-лучевой сварки в технологии изготовления биметаллических конструкций из разнородных сталей и сплавов гарантирует получение механических свойств соединений не ниже 85-90% от уровня основных материалов, минимальные деформации и напряжения в сварных конструкциях. Это достигается прежде всего за счет того, что электронный луч как инструмент для сварки и наплавки позволяет формировать сварные швы и локальные слои очень малой ширины и вместе с тем с необходимой степенью проплавления кромок.

Эти результаты были использованы в работах по изготовлению роторов высокооборотных электрических машин, которые проводились кафедрой Технологии металлов МЭИ (ТУ) совместно предприятиями АО «Аэроэлектромаш», АКБ «Якорь», НПО «Горизонт» и др.

1.4. Содержание проекта.

Эксплуатационные характеристики магнитопроводов из разнородных сталей, применяемых в различных электромагнитных устройствах, в значительной мере определяются выбором материалов и свойствами соединений элементов конструкции. Их конструкции представляют собой, как правило, соединенные в единое целое чередующиеся ферро- и парамагнитные элементы, требования к качеству и стабильности соединений которых весьма высокие. Кроме высокой прочности, соединения должны иметь четкие границы раздела ферро- и парамагнитных элементов.

Для изготовления комбинированных магнитопроводов, как правило, в качестве парамагнитного материала используют аустенитные хромоникелевые стали и сплавы, а в качестве ферромагнитного – магнитомягкие стали и сплавы перлитного, феррито-мартенситного или мартенситного классов с высокой намагниченностью насыщения. При этом основным требованием, которое предъявляется к каждому материалу, является удовлетворительное сочетание механических и магнитных свойств. Для этих целей используют высокопрочные средне- и высоколегированные стали, несмотря на то, что повышение концентрации легирующих элементов таких, как вольфрам, хром, марганец и другие, снижает намагниченность насыщения.

Из всех существующих магнитомягких материалов железокобальтовые сплавы обладают наибольшей намагниченностью насыщения, превышающей на 13% намагниченность железа. При составе 50%Fe и 50%Co индукция насыщения достигает максимального значения. Для улучшения механических свойств сплавов Fe-Co их дополнительно легируют Ni и V. Поэтому данные сплавы наиболее целесообразно использовать для изготовления магнитопроводов, при условии, что их прочностные характеристики превышают допустимые напряжения в конструкции. Если это условие не выполняется, то необходимо использовать высокопрочные стали. С другой стороны немагнитные материалы должны иметь относительную магнитную проницаемость близкую к единице. Такими свойствами обладают аустенитные стали и сплавы, причем наименьший предел текучести из них имеют стали типа 08Х18Н10Т, а более высокий – стали и сплавы построенные по принципу интерметаллидного упрочнения.

После сварки сталей различных структурных классов и, особенно, после термообработки или в процессе эксплуатации при высоких температурах возможно образование обезуглероженной прослойки  в ЗТВ низколегированной стали и слоя карбидов в более легированном металле шва непосредственно у линии сплавления. Поэтому выбор материалов конструкции по составу энергичных карбидообразующих элементов (Cr, Mo и V) в зависимости от условий ее работы должен производиться с учетом снижения до минимума размеров диффузионных прослоек.

Другой важной проблемой при выборе разнородных сталей для изготовления комбинированных конструкций является различие теплофизических и механических свойств свариваемых материалов. К их числу следует отнести коэффициенты линейного расширения и теплопроводности, а также модуль упругости и предел текучести. Различие этих характеристик для свариваемой пары материалов приводит к фиксации остаточных напряжений и деформаций в шве, размерной нестабильности и разрушениям сварного соединения.

Преимущества электронного пучка, как инструмента для обработки материалов (сварка и наплавка) могут реализовываться не в полной мере, если не учитывать изменения параметров пучка при его взаимодействии с материалами. При сварке разнородных материалов возникают магнитные поля, причиной появления которых являются термоэлектрические и электромагнитные явления. Эти магнитные поля воздействуют на электроны пучка и изменяют траекторию их движения. В связи с этим изменяются параметры пучка: плотность мощности и его геометрия по глубине канала проплавления. Это в свою очередь непосредственно сказывается на степени проплавления кромок разнородных материалов, а, следовательно, на качестве соединений и изделий в целом. Поэтому с целью снижения влияния данного поля на параметры электронного пучка в процессе сварки желательно выбирать материалы с минимальной  термоэлектрической разностью потенциалов или разрабатывать специальные методы компенсации магнитного поля.

Подготовка деталей под сварку также имеет ряд особенностей. В большинстве случаев, если ЭЛС проводят без присадочных материалов, то не требуется разделки кромок. В то же время имеются определенные требования к ширине зазора в стыке. В зависимости от типа свариваемого материала и его  толщины эти требования будут различными. В результате анализа многочисленных экспериментов установлено, что при толщине свариваемых металлов до 35 мм допустимая величина зазора составляет 0,05…0,1 мм. Однако при изготовлении комбинированных магнитопроводов часто встречаются случаи, когда необходимо выполнить более двух десятков швов на изделии. В связи с тем, что при ЭЛС остаточные деформации малы, то сварка одного или двух швов не представляет особых проблем. Напротив, если не применять дополнительных технологических приемов, то формирование последующих швов из-за образования зазора между предварительно собранными деталями становится нестабильным (подрезы в вершине швов, полости в металле шва, непровары по толщине). Чтобы исключить эти явления, необходимо учитывать характер и величину остаточных деформаций, возникающих при ЭЛС.

Кроме того, изменение размеров магнитных  и немагнитных  элементов изделий необходимо проводить по другой причине. Поскольку при ЭЛС разнородных сплавов в зависимости от смещения пучка можно получать различный химический состав и структуру металла шва, то последний может быть немагнитным или иметь переходную структуру от магнитного элемента к немагнитному. При изготовлении магнитопроводов не должно быть переходных зон больших размеров, а повышение точности изготовления изделий может быть достигнуто за счет формирования границы раздела ферро- и парамагнитных сред по линии сплавления. Данное условие выполняется в том случае, если металл шва имеет аустенитную структуру. Для этого в соответствии с расчетами необходимо установить требуемое смещение шва в область немагнитного материала, поперечные размеры магнитных элементов с каждой стороны увеличить, а немагнитных уменьшить на величину смещения шва.

Следующей подготовительной операцией является размагничивание ферромагнитных элементов конструкции. Если в конструкциях используются магнитомягкие материалы с малой коэрцитивной силой, то при относительно небольших размерах деталей для их размагничивания можно использовать знакопеременное магнитное поле промышленной частоты с постепенным понижением амплитуды его напряженности. Поскольку остаточная намагниченность изделий является случайной величиной, то при ЭЛС необходимо учитывать изменение геометрии пучка вызванного этим полем, расширяя допуски на отклонение пучка при строгом нормировании уровня допустимой остаточной намагниченности.

Электронно-лучевая сварка также имеет ряд особенностей. Для улучшения формирования  и повышения качества сварных соединений толщиной до 35 мм сварку со сквозным проплавлением целесообразно проводить горизонтальным пучком, а в случае несквозного – горизонтальным пучком или в нижнем положении. Режимы ЭЛС необходимо выбирать с учетом обеспечения плотности мощности, гарантирующей получение требуемой глубины проплавления. Необходимую степень проплавления кромок разнородных сталей при ЭЛС можно получить в результате предварительного смещения пучка относительно стыка, полученного по расчетной методике.

При изготовлении цилиндрических магнитопроводов электрических машин используются различные варианты сборки и сварки. Например, либо сборка элементов в жесткой оснастке и последующая сварка, либо изготовление сварных биметаллических пластин (развертка) с последующей вальцовкой и сваркой, либо изготовление жесткой цилиндрической детали с пазами для вварки элементов с другими электромагнитными свойствами. Наиболее перспективным способом из вышеперечисленных является первый, так как данная технология обеспечивает лучшее качество сварных соединений и более высокий коэффициент использования материалов.

Как правило, после сварки комбинированных конструкций из разнородных аустенитных и мартенситных или аустенитных и перлитных сталей термическая обработка не проводится, так как она не снимает остаточные напряжения, а наоборот, приводит к их перераспределению и увеличению абсолютных значений. Исключение могут составлять конструкции из материалов, которые имеют близкие значения температурных коэффициентов линейного расширения и режимов термической обработки.

К биметаллическим конструкциям предъявляются  следующие требования:

• удовлетворительное сочетание магнитных и механических свойств материалов конструкции;
• обеспечение механических свойств соединений разнородных элементов близких к свойствам основных материалов;
• формирование узкой переходной зоны между ферро- и парамагнитными элементами;
• обеспечение требуемого соотношения размеров ферро- и парамагнитных элементов конструкции.

Требуемое качество сварных комбинированных конструкций из разнородных сталей аустенитного и мартенситного классов может быть обеспечено в случае, если в технологии изготовления будут предусмотрены следующие мероприятия: выбор материалов с удовлетворительными механическими и магнитными свойствами; выбор оптимального метода сварки; учет термодеформационного цикла сварки для определения припусков на элементы конструкции; получение аустенитного металла шва, гарантирующего ограниченное развитие диффузионных и кристаллизационных прослоек в сварном соединении, а также обеспечивающего узкую переходную зону между ферро- и парамагнитными элементами конструкции.