Статья в журнале “Титан” №3-4 2022 https://www.titan-association.com/3-4-2022
Применение лазерных технологий при изготовлении конструкций из титановых сплавов
Application of laser technologies in the manufacture of titanium alloy structures
А.Г. СУХОВ (A. Sukhov), ЗАО «Региональный центр лазерных технологий»
С.М. ШАНЧУРОВ (S. Shanchurov), ЗАО «Региональный центр лазерных технологий»
Применение лазерных технологических процессов производства обеспечивает широкие перспективы использования титановых сплавов в различных отраслях промышленности.
Разработкой технологий лазерной сварки и резки высокоточных крупногабаритных конструкций из титановых сплавов ЗАО «Региональный центр лазерных технологий» (РЦЛТ) начал заниматься при изготовлении радиолокационного комплекса «Подлет» [1]. В настоящее время РЦЛТ активно применяет лазерные технологии обработки титановых сплавов при изготовлении изделий и в других отраслях промышленности.
Одно из наших изделий – аутригер, специальная выносная опора, устанавливаемая на автомобиль и обеспечивающая устойчивость при проведении соответствующих испытаний. Он представляет собой сборно-сварную конструкцию двутаврового сечения, состоящую из двух полок переменного размера и ребра, изготовленных из листового проката титанового сплава VST-2 толщиной 7 мм. Габаритные размеры конструкции – 3886х120х101 мм. Основной особенностью его изготовления является применение технологий лазерного раскроя и сварки заготовок. Зарубежным аналогом является титановый аутригер, изготавливаемый из профильной заготовки, полученной методом горячей экструзии с последующей механической обработкой в размер [2]. Существующие технологии лазерной сварки позволяют получать сварные соединения с механическими свойствами, не уступающими прочностным характеристикам основного металла [3,4].
При выборе конструкции аутригера рассматривалось два варианта сборки балки:
- из трёх элементов: двух полок и центрального ребра;
- из четырёх полок и центрального ребра.
Каждая имеет свои преимущества: первая сохраняет целостность полок, во втором же случае применяется стыковой сварной шов. Для выбора вариантов сварных конструкций и определения оптимальных параметров лазерной сварки были изготовлены макеты балок аутригеров обоих вариантов.
Макеты были разрезаны в трёх местах по длине, в сечениях которых исследовали макроструктуру сварных соединений.
На основании заключения специалистов ПАО «Корпорация «ВСМПО – АВИСМА» был выбран первый вариант. Сборка аутригера осуществлялась по принципу «шип-паз». Пазы расположены на осевой линии верхней и нижней полок двутавра, шипы выполнены на гранях центрального ребра. Использование этой системы позволяет производить сборку с высокой точностью и обеспечить симметричность профиля, что является одним из основных требований к конструкции двутавровой балки .
Лазерную сварку соединения «шип – паз» выполняли с присадочной проволокой. Сварка аутригеров производилась на роботизированном лазерном комплексе FLW-10-01в составе волоконного лазера мощностью 10 кВт производства НПО «ИРЭ-Полюс» и робота KUKA KR120. Мощность лазерного излучения при сварке составляла 7 кВт для угловых швов и 8 кВт для проплавных швов. Защита зоны сварки осуществлялась гелием.
Отличие данной технологии от известных технологий сварки аналогичных деталей в том, что за счет малого тепловложения лазерной сварки, и как следствие минимальных короблений, тщательной подборки параметров обработки и изготовления необходимой оснастки (кондуктора) удалось добиться выполнения ряда принципиальных требований к конструкции:
- прочность конструкции сопоставима с монолитной;
-
минимальные зоны термического влияния;
-
отклонения по плоскости в пределах 2 мм на длине 3800 мм;
-
использование лазерного раскроя позволило получить коэффициент использования металла 90%.
Для минимизации «поводок» панелей был применен порядок сварки непрерывных сварных швов с помощью комбинации прерывистых швов, выполняемых с небольшим перекрытием и «вразброс» сварных точек – так, чтобы обеспечить симметричное тепловое воздействие на свариваемую балку и её достаточно равномерный нагрев. При этом технология отличается высокой производительностью, что определяется относительно высокой скоростью лазерной сварки.
В процессе изготовления аутригеров на всех его стадиях проводился полный контроль – от контроля материала до окончательного контроля геометрии изделия, маркировки и упаковки.
Результатом проведённой работы является технология, позволяющая организовать производство аналогичных балок и заменить поставки импортных изделий, в частности аутригеров.
Примером применения разработанных технологий является изготовление ванны диаметром 1,25 м, длина 6 м, толщина стенки 3 мм. Высокая коррозионная стойкость и физико-механические характеристики титана позволяют уменьшить толщину стенок ванны более чем в 2 раза и увеличить срок ее службы в 5–7 раз, по сравнению со стальной. При изготовлении применяли сложную лазерную резку из-за малых припусков и лазерную сварку.
С применением лазерных технологий изготовлены забортный корпус соединителей из сплава ПТ-3В и основание АПУ из сплава ВТ1-0.
Возможными областями применения разработанной технологии являются машиностроение, энергетика, строительство и другие отрасли промышленности.
Литература
- Сухов А.Г. Малыш М.М., Шанчуров С.М. Разработка технологий лазерной обработки титановых сплавов и их промышленное применение при изготовлении высокоточных крупногабаритных конструкций специального назначения // Титан. – 2017. – № 1. С.41-45.
- Отчёт O.T. Docket No. NHTSA- 2001- 9663 «NHTSA’s Experience With Outriggers Used For Testing Light Vehicles» – A Brief Overview, National Highway Traffic Safety Administration US Department of Transportation, January 2003.
- Справочник по лазерной сварке / под ред. С. Катаяма. – М.: Техносфера, 2015. – 704 с.
- Григорьянц, А.Г. Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки / Под ред. А.Г.Григорьянца. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 664 с.
