научная статья по теме КАЧЕСТВЕННО НОВЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСОВ АПЛ И НАПЛ ЗА СЧЁТ ПРИМЕНЕНИЯ ЛУЧЕВЫХ МЕТОДОВ СВАРКИ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «КАЧЕСТВЕННО НОВЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСОВ АПЛ И НАПЛ ЗА СЧЁТ ПРИМЕНЕНИЯ ЛУЧЕВЫХ МЕТОДОВ СВАРКИ»

КАЧЕСТВЕННО НОВЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСОВ АПЛ И НАПЛ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ЛУЧЕВЫХ МЕТОДОВ СВАРКИ

И. В. Суздалев, докт. техн. наук, e-mail: sivspb@yandex.ru,

Л. П. Гаврилюк, докт. техн. наук (АО «ЦТСС»,

e-mail: inbox@sstc.spb.ru) удк 629.5.081.4:629.58

Пазы и стыки обечаек прочного корпуса атомных (АПЛ) и неатомных (НАПЛ) подводных лодок в большинстве промышленно развитых государств мира выполняются преимущественно механизированными и автоматизированными технологическими способами дуговой сварки плавящимся электродом под флюсом или в защитных газах. Эти виды сварки известны уже более 70 лет, оборудование и технологические процессы для их реализации хорошо отработаны, и нет особых причин менять их на что-либо другое. Тем не менее такая попытка уже имела место. И нельзя сказать, что она была неудачной. Напротив, она была успешной, но работы в этом направлении по ряду причин не были завершены и почти не освещались в периодической технической литературе. ПРЕДЫСТОРИЯ ВОПРОСА

В середине 80-х годов прошлого столетия в Советском Союзе ЦНИИ КМ «Прометей» совместно с ИЭС им. Е. А. Патона проводились комплексные исследования по разработке технологии и оборудования электронно-лучевой сварки (ЭЛС) применительно к стыковым соединениям конструкций прочного корпуса АПЛ из высокопрочной стали типа АБ в толщинах до 90 мм. На первом этапе была разработана технология ЭЛС стыковых соединений в горизонтальном и вертикальном положениях. Проведены исследования механических свойств металла шва и проверена работоспособность этих сварных соединений в объёме испытаний первого и второго этапов по программе МВК. Были получены положительные результаты. Механические свойства металла сварного шва и работоспособность сварных соединений в полной мере отвечали требованиям, предъявляемым к технологическим процессам сварки конструкций прочного корпуса из высокопрочных сталей. Это позволило приступить ко второму этапу работ.

На втором этапе в начале 90-х годов в одном из цехов Северного машиностроительного предприятия — СМП (в настоящее время ОАО «ПО «Севмаш») были изготовлены и смонтированы стенд размагничивания секций прочного корпуса перед сваркой и вакуумная камера для ЭЛС с оборудованием

для сварки пазов и стыков секций прочного корпуса, проверена работоспособность и готовность всего оборудования к работе. Оставалось только на базе уже имеющейся лабораторной технологии разработать промышленную технологию и в рамках третьего этапа испытаний по программе МВК выполнить сварку опытно-промышленной секции в производственных условиях. Но Советский Союз рухнул, финансирование прекратилось, все работы по ЭЛС были приостановлены. Еще несколько лет СМП поддерживало работоспособность оборудования для ЭЛС в рабочем состоянии, но строительство уже заложенных АПЛ прекратилось, новые подводные корабли не закладывались. В этих условиях, находясь на грани выживания, руководство завода было вынуждено демонтировать вакуумную камеру ЭЛС и стенд размагничивания, освобождая производственные площади для работ по другим заказам.

Представляется целесообразным и необходимым осмысление и анализ уроков нашего недавнего прошлого, связанных с незавершённой попыткой внедрения ЭЛС в практику одного из отечественных судостроительных заводов при изготовлении конструкций прочного корпуса АПЛ. И прежде всего необходимо ответить на вопрос — что побудило ученых и инженеров того времени впервые в мировой практике разработать и внедрить оборудование и технологию ЭЛС для изготовления столь крупногабаритных конструкций, какими являются секции прочного корпуса АПЛ и НАПЛ? Что они хотели получить, к чему стремились? Ответ на эти вопросы скрыт в физике процесса сварки.

Классическое определение процесса сварки гласит: «Сварка — это технологический процесс получения неразъёмных соединений посредством установления между кромками соединяемых деталей внутренних межатомных, межионных, межмолекулярных связей при их местном или общем нагреве или пластическом деформировании или совместном действии того и другого» [1]. Иными словами, чтобы получить неразъёмное соединение, необходимо сблизить свариваемые кромки двух деталей на расстоя-

Технологический уровень ЭЛС и дуговой сварки плавящимся электродом по критерию вводимой энергии

ние (-3—5 ангстрем), при котором между поверхностными атомами деталей возникнут внутренние межатомные, межионные, межмолекулярные связи. При сварке давлением это достигается приложением значительных сил, необходимых для сглаживания микронеровностей на поверхностях свариваемых кромок деталей. Такое сдавливание в большинстве случаев происходит при достаточно высоких температурах. При сварке плавлением необходимый эффект возникновения межатомных связей достигается за счет сил поверхностного натяжения при совместном расплавлении свариваемых кромок.

Этот короткий экскурс в университетский курс теории сварочных процессов позволяет ранжировать все уже разработанные способы сварки, а также способы, которые могут быть разработаны в будущем, по степени их совершенства, или по технологическому уровню. Что понимать под более высоким технологическим уровнем? Рассмотрим это на примере развития различных способов сварки плавлением. Для создания теоретически идеального неразъёмного соединения достаточно активировать или довести до расплавления на каждой из свариваемых деталей слой металла толщиной в один атом. Для этого необходимо ввести в изделие в месте соединения свариваемых деталей определённую энергию такой степени концентрации в пятне нагрева, чтобы её было достаточно для получения неразъёмного соединения. На практике источников нагрева и технологических процессов, отвечающих условиям теоретически идеального (самого совершенного) способа сварки, нет. Во всех известных способах сварки в свариваемое изделие вводится разное количество энергии, но в любом случае оно на много порядков больше, чем необходимо для получения теоретически идеального неразъёмного соединения.

Если выстроить все способы сварки плавлением в порядке увеличения вводимой энергии на единицу толщины свариваемого изделия, то во главе этого ряда будет стоять теоретически идеальный способ сварки (ТИСС) с теоретически минимальным количеством вводимой энергии. Далее будут следовать все остальные способы свар-

ки. Технологический уровень каждого способа сварки определяется его местом в этом ряду. Чем ближе способ к ТИСС, тем выше его технологический уровень; чем дальше от ТИСС — тем технологический уровень ниже. Для наглядности ограничим рассмотрение только способами сварки плавлением и из них возьмем только те, которые имеют непосредственное отношение к предмету данной статьи, а именно к сварке конструкций прочного корпуса АПЛ и НАПЛ (рисунок).

На рисунке показаны три коротких ряда:

• ряд А — для толщин свариваемого изделия 24—60 мм;

• ряд Б — для толщин 16 — 30 мм;

• ряд В — для толщин 14 — 20 мм.

В каждом из этих рядов три способа сварки. Завершает каждый из рядов ТИСС, для которого энергии требуется ровно столько, чтобы расплавить по одному слою толщиной в один атом на каждой из свариваемых кромок соединяемых деталей.

Поперечное сечение такого шва представляет собой тонкую линию (показано с правой стороны каждого ряда). Далее (справа налево) по мере возрастания вводимой энергии на единицу толщины свариваемого изделия следуют поперечное сечение шва, выполненного ЭЛС, затем — поперечное сечение шва, выполненное способом дуговой сварки плавящимся электродом. Больше энергии на единицу толщины свариваемого изделия, чем при дуговой сварке плавящимся электродом, вводится только при электрошлаковой сварке. Этот способ сварки плавлением на рисунке не показан, так как он проигрывает дуговой сварке плавлением в производительности, сложен в реализации и не отвечает требованиям к качеству и работоспособности сварных соединений, предъявляемым к технологическим процессам сварки конструкций прочного корпуса АПЛ из высокопрочных сталей. Немного меньше энергии на единицу толщины свариваемого изделия, чем при дуговой сварке плавящимся электродом, вводится при дуговой сварке неплавящимся электродом погружённой дугой в среде инертных газов. Этот способ сварки также не приведён на рисунке потому, что, во-первых, количество вводимой этим способом энергии отличается не в разы, а на 10—15%, и, во-вторых, этот способ сварки менее производителен и применяется в основном при сварке корпусных конструкций из титановых сплавов. Не приведён на рисунке и способ лазерной сварки (ЛС). Не приведен потому, что в 80-е годы, когда исследовались возможности применения ЭЛС, способ ЛС только-только зарождался. Кроме того, ни в те годы, ни в настоящее время ЛС и гибридная (лазерно-ду-говая) сварка в требуемом диапазоне толщин, используемом при изготовлении корпусов АПЛ и НАПЛ, не разработана.

Относительно рисунка необходимо сделать еще несколько примечаний. Во-первых, все конструктивные элементы подготовки кромок под сварку и размеры сварных соединений, выполненных дуговой сваркой плавящимся электродом, взяты из государственных стандартов [2, 3] для соединений С7АФ, С18АФм, С25АФк, С8 и С12 толщиной 20— 30—60 мм, как наиболее характер-

ных для стыковых соединений прочного корпуса АПЛ и НАПЛ. Во-вторых, конструктивные элементы подготовки кромок под сварку и размеры сварных соединений, выполненных ЭЛС, позаимствованы в источниках [4—6]. В-третьих, для каждой толщины и для каждого способа сварки (сварка плавящимся электродом и ЭЛС) приведены площади поперечныхсечений сравниваемых швов. Эти данные позволяют с достаточной степенью точности судить о том, во сколько раз вводимая в изделие энергия при дуговой сварке плавящимся электродом больше, чем при ЭЛС.

Какие предварительные выводы могут и должны быть сделаны на основе данных, показанных на рисунке, с учетом приведённых примечаний и разъяснений? Таких выводов может быть сделано несколько:

1. Наиболее распространённый и широко применяемый в судостроении способ сварки плавящимся электродом (под слоем флюса или в среде защитных газов), несмотря на его несомненные достоинства

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Машиностроение»