В данной статье хочется подробно остановиться на нескольких докладах, прозвучавших на пятой конференции «Электронно-лучевая сварка и смежные технологии» проходившей 13–16 ноября 2023 г. в г. Ижевске, которые отражают тенденции развития технологии и оборудования в данном направлении. 

 

 

Электронно-­лучевая сварка — одна из актуальных технологий, которая успешно используется в таких высокотехнологичных отраслях промышленности, как авиастроение, ракетостроение, машиностроение, судостроение и др. Существующие преимущества, включая высокие КПД, производительность, качество, экономичность, делают ее востребованной и стимулируют дальнейшее развитие для решения все новых задач.

 

 

По словам Виктора Карповича Драгунова, проректора по научной работе НИУ «МЭИ», профессора кафедры Технологии металлов, к современным тенденциям развития технологии можно отнести:
• Развитие многованновой и многошовной сварки и обработки.
• Увеличение отношения глубины каналов проплавления (шва) к ширине.
• Развитие технологии сварки-­пайки разнородных материалов.
• Развитие методов мониторинга процесса слежения за стыком и наплавляемым слоем.
• Повышение пространственного разрешения и производительности процесса перфорации отверстий.
• Уменьшение поперечных размеров слоя и увеличение предельных углов отклонения для технологии EBM.
• Развитие растровой сварки и обработки.
• Перенос результатов техпроцесса с одной установки на другую без потери качества.

 

Как основные направления совершенствования электронно-­лучевого оборудования докладчик отметил:
• Повышение ускоряющих напряжений до 100–150 кВ.
• Повышение частоты инвертирования и частоты модуляции токов и напряжений.
• Интеграция высоковольтной части источника питания с катодным узлом пушки.

• Снижение аберраций электронных линз (повышение точности расчета, установка юстирующих систем и стигматоров).
• Цифровое управление локальными регуляторами высоковольтного источника по оптическим каналам.
• Внедрение новых, более технологичных и компактных электроизоляторов и сборок.
• Лазерный подогрев катодов, использование радиочастотного диапазона для передачи энергии в катодный узел.
• Внедрение компьютеризированных систем управления и архивации параметров режимов обработки.

 

На кафедре технологии металлов НИУ «МЭИ» развитие получили различные направления технологии. Так, ведется разработка технологии электронно-­лучевого аддитивного производства, в том числе научно-­технических основ регулирования структуры и свой­ств титановых сплавов, формирование тел вращения из различных материалов и сплавов, стабилизация формы валиков и уменьшение высоты первичных зерен на 50% (рис. 1). Также ведутся работы по получению цилиндрических обечаек, большое внимание уделяется сварке разнородных материалов. Например, соединение стали с титаном — довольно сложная задача из-за образования интерметаллидных фаз, которые значительно охрупчивают соединение. Через два промежуточных слоя: медь и ниобий удалось перейти к титану, получив неплохие свой­ства для сварных соединений (рис. 2).

 

 

 

Рис. 1. Электронно-­лучевое аддитивное выращивание. Фото: НИУ «МЭИ»

 

Рис. 2. Соединение стали с титаном через промежуточные слои. Фото: НИУ «МЭИ»

 

 

Актуально проведение работ, связанных с модификацией поверхности, например, модифицирование поверхности вольфрама (рис. 3). Дальнейшая наплавка из меди позволяет получать так называемые адгезионно-­механические соединения, которые повышают прочность.
Что касается сварки, то на кафедре проводятся работы, связанные с регулированием термических циклов сварки, которые позволяют достаточно качественно сваривать разнородные соединения. Например, получение соединения ковара с медью. Для получения таких соединений нужен строго определенный нагрев околошовной зоны. Эти работы можно выполнять за счет применения специальных разверток. Также специальные развертки и переход в импульсный режим позволяют довольно качественно управлять металлопереносом сварочной ванны.

 

Рис. 3. Модифицирование поверхности по технологии Surfi-­Sculpt. Фото: НИУ «МЭИ»
 

 

Для контроля свой­ств сварных соединений в НИУ «МЭИ» существует лаборатория механико-­технологических испытаний, где в том числе внедряются новые методики измерения и контроля. Так, в институте разработан новый метод определения диффузионных прослоек сварных соединений стали разного легирования с помощью акустической эмиссии. То есть не надо резать образцы — можно с помощью акустической эмиссии получить размеры диффузионных прослоек, которые возникают в разнородных сталях после термической обработки. Также ведутся работы по оценке остаточных напряжений в сварных соединениях.

 

Если говорить об оборудовании, то на сегодняшний день актуально знание параметров пучка. Поэтому на кафедре проводятся работы по определению плотности и мощности пучков и их пространственно-­временных параметров. Также на кафедре продолжают заниматься источниками питания, сконструирована новая пушка (рис. 4).

 

Рис. 4. Новые разработки НИУ «МЭИ». Фото: НИУ «МЭИ»
 

 

ОАО «НИТИ «Прогресс» — предприятие со славной историей — и сегодня решает актуальные задачи по разработке и производству нестандартного технологического оборудования. Например, институт спроектировал и изготовил многопроходной автомат сварки вводного устройства парогенератора атомного реактора, производит стальные панельные радиаторы под брендом Prado и, конечно, более сорока лет занимается производством оборудования для электронно-­лучевой сварки, проектирует и изготавливает оснастку, разрабатывает и внедряет техпроцессы на российских предприятиях.

 

 

О новых разработках рассказал на конференции Александр Юрьевич Зылёв, заместитель генерального директора ОАО «НИТИ «Прогресс».

 

К знаковым проектам, например, относятся:
• ЭЛУ‑24М — самая крупная установка электронно-­лучевой сварки в мире, работающая на «Казанском авиационном заводе».
• УЭЛ‑214 на ПАО «Севмаш» — рекордсмен предприятия по глубине сварного шва в условиях действующего техпроцесса (порядка 300 мм).
• АЭЛТК‑160 на РКК «Энергия» для сварки командного отсека космического корабля «Орёл». В 2020 году эта установка была самой крупной установкой, созданной в современной России.
• Две универсальные установки АЭЛТК-160 с объемом камеры 160 кубических метра, изготовленные для АО «Красмаш» (рис. 5) и РКК «Энергия». В силу суперуниверсальности в установках для АО «Красмаш» реализована интересная функция. В некоторых циклах сварки электронно-­лучевая пушка движется по орбитальной траектории — никто в мире ранее не применял орбитальную электронно-лучевую сварку (рис. 5).
• АЭЛТК-32 — востребованная установка («любимая»), позволяющая благодаря внутренней механической системе решать огромное количество задач по электронно-­лучевой сварке в среднегабаритном размере.

 

Рис. 5. Установка электронно-­лучевой сварки с объемом камеры 160 кубических метров и модуль орбитальной электронно-­лучевой сварки. Фото: ОАО НИТИ «Прогресс»
 

 

Первый проект в аддитивном направлении — установка двухлучевого сплавления для Пермского политеха. Однако, как научно-исследовательский институт «Прогресс» разработал альтернативную принципиальную схему лучевого сплавления. В ходе развития направления был спроектирован и изготовлен узел бесконечного вращения присадочной проволоки, который устанавливается на стандартную электронно-­лучевую пушку производства института (рис. 6). Сейчас продолжается НИОКР, цель которых в будущем оснащать практически любую установку института этим аддитивным модулем. Аддитивный модуль будет включать в себя не только головку, но и специализированный постпроцессор послойного выращивания и некие техпроцессы. Вторая цель НИОКРа — создать электронно-­лучевую установку, совмещающую функции сварки и 3D-печати, что обеспечит заказчику экономию при приобретении одной установки вместо двух.

 

Рис. 6. Модуль аддитивного выращивания. Фото: ОАО «НИТИ «Прогресс»
 

 

Вторая часть доклада А.Ю. Зылёва была посвящена импортозамещению. Предприятие активно работает над заменой комплектующих оборудования на произведенные у себя или на российских предприятиях, включая электронно-­лучевые пушки, электронно-­лучевую аппаратуру, механические системы, манипулятор, шарико-­винтовые пары, диффузные насосы и др.

 

Как правило, процесс электронно-­лучевой сварки на оборудовании предприятия требует управления по 11 осям, поэтому уход ведущих производителей систем ЧПУ вызвал серьезные проблемы. Вместо поиска новых поставщиков на предприятии выбрали альтернативный вариант. Речь идет о программном продукте, который использует мощности персонального компьютера. Проекты последнего времени были реализованы на этом софтовом «ЧПУ», включая проект с «рукой», где реализуется очень сложная математика движения. 

 

Процесс импортозамещения трудный и дорогостоящий, тем не менее предприятие идет по нему: есть отечественный элемент — ставят его. В 2022 г. отечественные комплектующие установок составляли 60%, к 2025 году планируется поднять планку до 80%.

 

Отвечая на вопрос из зала о творческих планах, А.Ю. Зылёв отметил постоянное совершенствование оборудования, в том числе работы по доводке пушки для сварки сверхтонких швов, развитие аддитивных технологий, в кооперации создание программного продукта в помощь технологам, который позволит, закладывая данные по материалу и способу сварки, получить базовые режимы процесса, и др.

 

 

Игорь Владимирович Осипов, коммерческий директор ООО «НПК ТЕТА», остановился на теме эволюции компании, отметив, что 10 лет с момента юридического создания и 75 выпущенных установок — это некая точка осмысления, когда можно оглянуться на полученный опыт и строить планы на будущее.

 

Установки были разные: первая памятная с плазменным катодом, большие и маленькие, специализированные, особенно интересные (например, тактовая машина ТЕТА 6Е100С, установленная на КАМАЗе для сварки шестеренок коробки передач и распределительной коробки — рис. 7), многотиражные, диффузионной сварки, аддитивные (две установки на самарском «Прогрессе» производят шар-баллоны — в рамках одной установки выращиваются полусферы, которые после мехобработки свариваются электронным лучом, рис. 8) и др. Решались задачи по модернизации всем известных и, наверное, наиболее распространенных в Советском Союзе ЭЛУ‑9, ЭЛУ‑20, более редких ЭЛУ‑21 большого размера.

 

Рис. 7. Тактовая машина ТЕТА 6У100С Фото: НПФ «ТЕТА»
 

Рис. 8. Производство шар-баллонов: выполнение на одной установке процессов выращивания, механообработки, сварки. Фото: НПФ «ТЕТА»

 

 

Знаковым событием для компании был выход в 2015 году на международный рынок. Поставки на экспорт заставили серьезно поработать над качеством оборудования, понять, что существуют мировые стандарты. Были моменты, когда экспорт компании составлял 50% портфеля.

 

Результатами осмысления стали следующие решения: применение типизации, расширение функционала, специализация, новые технологии, импортозамещение, собственный софт. По каждой позиции докладчик привел примеры.

 

Без применения типовых решений при высоком спросе трудно обеспечить выпуск качественного оборудования в нужный срок. С другой стороны, рынок электронно-­лучевого оборудования специфичен тем, что заказчик, покупая дорогое оборудование, предполагает, что оно должно быть точно под него. Какая может быть типизация? Например, у любой установки есть пульт управления. Разрабатывая единственный пульт, можно обеспечить его различное исполнение. Типизация также применяется в компании в системах механических перемещений, например, при изготовлении многопозиционного вращателя.

 

О специализации. Ранее в компании считалось, что одна универсальная пушка для любых применений – это правильное решение. Да, правильное, но для производителя. А для конечного пользователя это не всегда удобно. Сегодня выделяется отдельное решение для прецизионной сварки, причем это не просто пушка, а энергоблок, включая питание, софт и саму пушка.

 

Расширение функционала. Опыт показал, что в ряде решений, особенно если они касаются сварки тонких или прецизионных изделий, имеет смысл применять катод с прямым накалом. Выполнение работы по оптимизации оптической системы позволило обеспечить хорошие функциональные качества луча. Или другой пример: реализация системы динамического фокуса. Что дает? С точки зрения науки — ничего, с точки зрения техники — усложнения, с точки зрения заказчика — меньше проблем (заказчик может больше заниматься своим делом, меньше изучать особенности аппаратуры).

 

К новым технологиям компании относятся: плавильные технологии 100 и больше кВт, нанесение термобарьерных покрытий на лопатки ГТД.

 

В плане импортозамещения в компании не стали категорично избавляться в оборудовании от всего импортного, веря в то, что в будущем опять будет возможна мировая кооперация, которая обеспечивает наиболее эффективные решения. Тем не менее в последнее время появляются задачи по ремонту зарубежных установок, которые OOO «НПК ТЕТА» старается решать на основе своих разработок. Одна из них — по производству катодов для установки немецкой компании Steigerwald Strahltechnik GMBH — стала темой отдельного доклада.
Софт. Разработка софта — бесконечный процесс, его невозможно довести до совершенства. К задачам сегодняшнего дня, которые в компании планируют решить, относятся: автоматический поиск стыка с использованием видео и отраженных электронов, автоматический поиск острого фокуса на поверхности, динамический фокус, автоматическая юстировка, самодиагностика основных систем управления с формированием библиотеки возможных причин неисправностей (всплывающие окна с подсказками). Это все сервисные решения, которые важны для заказчика.

 

Основной вывод, который был сделан докладчиком: точка осмысления для компании означает разворот в сторону заказчика. Если 5–7 лет назад у потенциального заказчика спрашивали про размер камеры, про параметры луча и т. д., то сейчас — про то, какие детали необходимо производить, требования к сварному соединению, материалы. Заказчику предлагается провести предварительный тест-драйв, чтобы поставленное оборудование было оптимальным.

 

 

Евгений Николаевич Капустин, генеральный директор АО «Вакууммаш», представил насосную продукцию завода: спиральные, винтовые, диффузионные, криогенные вакуумные, криогенные турбомолекулярные насосы — современное оборудование, способное решать любые задачи в области вакуум-­техники и внести вклад в импортозамещение. Из крупных проектов, которыми завод может гордиться: специальные вакуумные затворы для установки Саровского ядерного центра, участие в разработке вакуумного оборудования для имитационной камеры космодрома «Восточный» — рис. 9 (для проекта за два года были изготовлены насосы, которые до того в России никто не производил).

 

Рис. 9. Монтаж вакуумной камеры на космодроме «Восточный». Фото: АО «Вакууммаш»
 

 

И еще хочется выделить доклад Василия Григорьевича Дуракова, заместителя директора по новым технологиям НПФ «Кубанонефтемаш», который рассказал о применении электронно-­лучевой сварки в производстве вакуумных теплоизолированных труб, необходимых для добычи высоковязкой нефти в условиях вечной мерзлоты.

 

В чем суть технологии добычи, определяющей требования к трубам? В скважину закачивается пар, перегретый до 350°С, пласт разогревается, происходит добыча разжиженного сырья либо по той же трубе, либо труба меняется. Для того чтобы закачивать пар, как раз и используют теплоизолированные трубы. Главное требование — чтобы не было растепления вечной мерзлоты. Эксплуатация теплоизолированных труб обеспечивает сохранение цементного камня в скважине, в противном случае скважина выходит из строя.

 

Что представляет из себя тепло-изолированная труба? Упрощенно — это труба в трубе (длина 9 или 10 м), которые сварены по торцам. Межтрубный промежуток вакуумируется. В нем находится экранно-­вакуумная изоляция. Сварные швы каждой трубы проверяются течеискателем. Откачка межтрубного промежутка проводится через заранее сделанное откачное отверстие в наружной трубе. Вакуумирование происходит одновременно с нагревом труб. На заключительном этапе откачки на каждую трубу поочередно устанавливается электронно-­лучевая пушка, укладывается в отверстие пробка из стали 20 и заваривается электронным лучом с круговой разверткой (рис. 10). Скорость сварки — 10 мм/с, ускоряющее напряжение — 40 кВ, глубина проплавления — около 3 мм. Далее после отсоединения трубы от вакуумной системы откачки поверх пробки методом полуавтоматической сварки в среде защитного газа (MAG) приваривается крышка с целью дополнительной защиты пробочного узла в процессе эксплуатации труб.

 

Электронный луч оказался единственным инструментом, который эту задачу позволяет решить на 100%, фактически исключив брак.

 

Рис.10. Процесс электронно-­лучевой сварки вакуумных теплоизолированных труб. Фото: НПФ «Кубаньнефтемаш»

 

В завершение статьи хочется подчеркнуть, что отмечены далеко не все интересные работы. Как и должно быть на научно-­технической конференции, многие доклады были посвящены моделированию и исследованию процессов, моделированию режимов, исследованию свой­ств материалов и конструкций, новым контрольно-­измерительным технологиям и т. д. В конференции участвовали ведущие специалисты ОАО «НИТИ «Прогресс», НИУ «МЭИ», OOO «НПК ТЕТА», Пермского политеха (ПНИПУ), АО «Вакууммаш», СибГУ им. М.Ф. Решетнева, Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР), ООО «Вятский аттестационный центр», МГТУ им. Баумана, МАДИ, ИФПМ СО РАН, «С7 Инжиниринг», АО «Пермский завод «Машиностроитель», ООО «НПФ Кубаньнефтемаш». Их достижения в области электронно-­лучевой сварки и смежных технологий позволяют надеяться на появление новых решений для актуальных задач и качественное импортозамещение, необходимое для поддержания деятельности и развития российских промышленных предприятий.
 

 

Видеоархив трансляции конференции на youtube:
14 ноября https://youtube.com/live/3e3SuyAJ-U8
15 ноября https://youtube.com/live/Wm2c8OnzM_4
Сайт V международной конференции «Электронно-лучевая сварка и смежные технологии»: https://ebw.mpei.ru/

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 2-2024