ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДУГОВОЙ ПАЙКИ В ВАКУУМЕ Неровный В.М.

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана


Номер: 10-1
Год: 2016
Страницы: 86-90
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

высокотемпературная пайка, вакуум, дуговой разряд, энергетическая эффективность, high-temperature brazing, vacuum, arc discharge, energy efficiency

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Для расширения технологических возможностей и повышения эффективности процесса высокотемпературной пайки в вакууме малоразмерных соединений на деталях типа лопаток целесообразно применять не общий нагрев, а местный, т.е. локальный. В качестве локального источника энергии на ряде предприятий применяется дуговой разряд с полым катодом в вакууме. Общая удельная энергия процесса упрочнения контактных поверхностей бандажных полок рабочих лопаток дуговой пайкой в 2 раза меньше, чем при пайке в вакууме с общим нагревом, а удельная энергия самого процесса пайки меньше, соответственно, в 20-40 раз.

Текст научной статьи

Процессы сварки и пайки приобретают все большее значение в технологии производства и ремонта деталей газовых турбин, что обусловлено рядом причин как технического, так и экономического характера. Вместе с тем, при изготовлении и ремонте лопаток газовых турбин, выполненных из литейных высокожаропрочных сплавов на никелевой основе с суммарным содержанием алюминия и титана свыше 5%, ведущим процессом является высокотемпературная пайка с общим нагревом в вакууме и контролируемой атмосфере [1,2]. Однако применение общего высокотемпературного нагрева в вакууме для пайки малоразмерных соединений в локальном участке лопаток по технико-экономическим соображениям не всегда рационально из-за низкой энергетической эффективности процесса, значительных капитальных и эксплуатационных затрат и высокой энергоемкости процесса. По нашему мнению, для расширения технологических возможностей и повышения эффективности процесса высокотемпературной пайки в вакууме малоразмерных соединений на деталях типа лопаток (герметизация знаковых отверстий, упрочнение контактных поверхностей, восстановление форм и размеров изношенных поверхностей в локальных участках и т. д.) представляется перспективным применять не общий нагрев, а местный, т.е. локальный. Подтверждением этому является применение в технологиях изготовления и ремонта лопаток современных газовых турбин на ряде предприятий процесса дуговой пайки в вакууме [3], где в качестве локального источника энергии применяется дуговой разряд с полым катодом (ДРПК). Особенностью ДРПК является то, что через термоэмиссионый катод, выполненный в виде полого цилиндра из тугоплавкого металла (тантала или вольфрама) с внутренним диаметром полости от 2 до 6 мм, подается рабочий газ (аргон) в количестве 0,5-3 мг/c. Благодаря этому внутри полости катода всегда имеются условия для обеспечения необходимой концентрации плазмы при любых сколь угодно малых внешних давлениях в вакуумной камере (от 10-3 до 10 Па) и ДРПК стабильно существует в широком диапазоне токов от 5 до 100 А и выше (рис. 1). При давлении в камере (6-8)×10-2 Па основная часть энергии ДРПК (76-88 %) выделяется на аноде-изделии. Потери энергии во внешнем столбе ДРПК не превышает 2-3 % от его общей мощности, поэтому эффективный КПД разряда с увеличением длины дугового промежутка практически не изменяется. По характеру радиального распределения плотности мощности по пятну нагрева ДРПК вполне можно представить как нормально-круговой источник теплоты [4]. Исследования тепловых характеристик ДРПК показали его высокую эффективность и технологическую гибкость как локального источника энергии. Так, регулирование параметров режима в диапазоне - ток разряда от 5 до 60 А; длина дугового промежутка от 0,5 до 8,0 см; подача аргона через полость катода от 0,3 до1,5 мг/с - позволяет изменять эффективную мощность от 200 до 1200 Вт, коэффициент ее сосредоточенности от 0,2 до 20 см-2, плотность мощности в центре пятна нагрева от 10 до 6000 Вт/см2, диаметр пятна нагрева от 0,8 до 6,0 см. Рис. 1. Схема дугового разряда с полым катодом в вакууме На токах свыше 80 А путем сканирования внешнего столба ДРПК по двум ортогональным координатам удается получить зону нагрева различной по площади от 4 до 80 см2 и конфигурации с плотностью мощности от 20 до 500 Вт/см2 и более. Следовательно, ДРПК в вакууме является технологически гибким и универсальным источником энергии, у которого тепловые характеристики могут плавно изменяться в широких пределах: от источника тепла соизмеримого по тепловым характеристикам с пламенем газовой горелки до высококонцентрированного, приближающегося к параметрам сканируемого электронного луча [5]. Расчетная оценка тепловых процессов при высокотемпературной пайке жаропрочных сплавов на никелевой основе локальными источниками энергии в вакууме, а также экспериментальные исследования показали, что неподвижным ДРПК можно получить сквозной прогрев при толщине детали от 1 до 4 мм длиной от 12 до 4 мм соответственно. При этом эффективная мощность ДРПК находится в диапазоне от 250 до 750 Вт. Для получения сквозного прогрева на деталях толщиной свыше 4 мм необходимо использовать двух координатное сканирование внешнего столба ДРПК, обеспечивающего в зоне нагрева плотность мощности в пределах 40-160 Вт/см2. Проведем сравнительный анализ энергетической эффективности на примере процесса упрочнения и восстановления контактных поверхностей бандажных полок рабочих лопаток авиационных турбореактивных двигателей методами дуговой пайки в вакууме (рис. 2) и пайкой с общим нагревом в вакууме. Рис. 2. Внешний вид процесса локального нагрева бандажной полки для дуговой пайки в вакууме Толщина полки лопатки 2 мм, длина напаиваемой пластины 5 мм, т.е. площадь паяного шва 10 мм2. Поскольку бандажная полка имеет две контактных поверхности, суммарная площадь паяного шва составляет 20 мм2 (рис. 3). Рис. 3. Внешний вид восстановленных контактных поверхностей бандажной полки рабочей лопатки дуговой пайкой в вакууме Считаем, что загрузка партии лопаток в вакуумную печь и в вакуумную камеру для пайки ДРПК одинакова и составляет 80 штук. Общее время дуговой пайки лопаток с учетом получения требуемого давления в вакуумной камере не превышает 4 часов. С учетом времени на загрузку и выгрузку приспособления в вакуумную камеру партию лопаток можно вполне запаять за одну рабочую смену. Параметры режима ДРПК при пайке: ток разряда 12-14 А, напряжение 31-32 В, длина дугового промежутка 1,7 см, т.е. полная мощность ДРПК порядка 430 Вт. Электрическая мощность вакуумной системы установки для дуговой пайки - 7 кВт. Следовательно, удельная энергия процесса дуговой напайки пластин с учетом существования разряда и при переходе от лопатки к лопатке равна 430×4×3600/(20×80)= 3870 Дж/мм2. С учетом затрат энергии на вакуумную систему общая энергетическая эффективность на паяное соединение, время общей работы которой равно 6 часам, составит 3870+7000×6×3600/(20×80)=98370 Дж/мм2. В то же время полный цикл пайки этой же партии лопаток, например, в вакуумной печи ИО59.008. составляет порядка 10-12 ч. Нагрев партии лопаток и выдержка при температуре пайки 1,5 ч, охлаждение лопаток до 200 оС (8-10 ч). Общее время работы вакуумной системы порядка 14 ч. Технические характеристики вакуумной электропечи - потребляемая мощность 40 кВт. В результате общая удельная энергия при пайке с общим нагревом партии лопаток примерно равна 200000 Дж/мм2. При этом энергия расходуется на нагрев не только всей партии лопаток, но и приспособления. Таким образом, общая удельная энергия процесса упрочнения контактных поверхностей бандажных полок рабочих лопаток дуговой пайкой в 2 раза меньше, чем при пайке в вакууме с общим нагревом, а удельная энергия самого процесса пайки меньше, соответственно, в 20-40 раз. При этом надо учесть, что при дуговой пайке в вакууме процесс осуществляется при минимальном термическом воздействии на перо лопатки, т.е. наиболее нагруженная часть лопатки практически не нагревается и ее эксплуатационные свойства сохраняются.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.