Сварка топливного бака ракеты-носителя семейства "Анагара"

Основываясь на этих требованиях, в качестве материала  для изготовления топливного бака выбирается алюминиевый сплав АМг6, имеющий следующие характеристики:

• плотность r=2750 кг/м3,модуль упругости Е=6.5·1010 Па;
• предел прочности sВ=320 МПа;
• предел текучести sТ=190 МПа;
• относительное удлинение d=15%.

Основные достоинства сплава:

хорошая свариваемость сплава (ослабление материала  в районе сварочного шва не более 10%, т.е. kсв. шва=0.9)

хорошая штампуемость;

малый удельный вес;

хорошая коррозионная стойкость к агрессивным  средствам;

хорошая работоспособность при низких температурах;

Применение  при сварке подкладных колец с  канавкой, позволяет избежать охрупчивания сварочного шва, т.к. окислы алюминия, придающие шву хрупкость, попадают в расплав и остаются в канаве подкладного кольца. Выступ шва снимают фрезерной головкой.

Недостаток:

сравнительно  невысокая прочность.

1.5 Разработка  технологического процесса сборки-сварки  корпуса бака

1.5.1 выбор  метода сборки сборочной единицы-корпуса  бака горючего

Сварные металлические конструкции широко применяются в производстве летательных аппаратов. По сравнению с клёпанными и болтовыми соединениями эти конструкции обеспечивают экономию металла, уменьшение массы соединительных элементов, снижение трудоёмкости изготовления за счёт вспомогательных операций, снижение стоимости технологического оборудования. Недостатки сварных соединений: повышенная чувствительность к хрупкому разрушению, изменение свойств материала в зоне сварного шва, наличие остаточных напряжений и деформаций. Однако влияние всех этих факторов можно заметно снизить, а в ряде случаев и исключить выбором рациональной конструкции соединения, подбором материала детали и электрода, проектированием технологического процесса.

Аргонодуговая сварка. (АДС)

При АДС  металл сварочной ванны защищён  от атмосферного воздуха оболочкой из защитного газа-аргона. Это способствует разрушению окисных плёнок на поверхности, повышает коррозионную стойкость, прочность и пластичность сварного шва и соединения. Различают следующие схемы АДС: дугой косвенного действия наплавляющимся электродом, дугой прямого действия наплавляющимся и плавящимся электродами. Сварку дугой прямого действия неплавящимся электродом применяют для сварки алюминиевых сплавов толщиной менее 6-и мм. Сварка плавящимся электродом ограничена минимальной толщиной металла 0,8…1,0 мм. Электродную проволоку применяют, как правило, того же химического состава, что и контактное соединение.

Подготовка  под сварку.

Рабочие чертежи сварных соединений включают в себя размеры кромок под сварку. Наиболее точно обработка кромок осуществляется при механической обработке на универсальных станках или специальных разделочных стендах. Листовой материал из алюминиевых сплавов толщиной до 5 мм сваривают без разделки кромок. Для заготовок толщиной свыше 20 мм необходим их предварительный нагрев до 300-400 гр. С.

При АДС  производится местная подготовка поверхностей к сварке: торцов и участков поверхности  шириной 10…40 мм (в зависимости от формы, размера и материала детали).

Алюминиевые сплавы перед сваркой проходят специальную  обработку с целью удаления с поверхности тугоплавкой (2050 гр. С) окиси алюминия. Аналогичной обработке подвергаются присадочная проволока и электродные стержни. Для этого поверхность металла обезжиривается растворителями (бензин, ацетон), а окисная плёнка удаляется механической зачисткой (стальной проволочной щёткой, шабрением, напильником, на станках) или химическим травлением. Шероховатость поверхности после механической обработки на стенках не должна превышать Rz=40 мкм. Абразивная обработка (пескоструйная, шкуркой и т.д.) не допускается.

Травление алюминиевых сплавов производится в растворе следующего состава: едкий  натр технический 45.55 г, фтористый натр технический 40.50 г на 1 л воды. После  травления производится промывка в  проточной воде, нейтрализация в 25.30 % -ном водном растворе азотной кислоты (1…2 мм), промывка в проточной холодной и затем горячей (более 60 гр. С) воде, сушка чистым горячим воздухом (более 15 гр. С) до полного удаления влаги. Все эти операции производятся не более чем за 2…4 часа до сварки.

Режимы  сварки алюминиевых сплавов

Основной  особенностью этой сварки является наличие  на поверхности высокотемпературной  плёнки окиси алюминия, не расплавляющейся  в процессе сварки и затрудняющей образование сварочной ванны. Удаление окисной плёнки вследствие катодного распыления, возможно при сварке в инертных газах (аргонодуговая сварка). Преимуществом АДС с вольфрамовым электродом является высокая устойчивость дуги, что особенно важно для тонколистовых деталей. Питание дуги осуществляется переменным током. При сварке погруженной дугой за один проход свариваются заготовки толщиной до 20 мм, при трёхфазной-до 30 мм. Для материалов толщиной более 3 мм АДС производят плавящимся электродом. Питание дуги производится от источника постоянного тока обратной полярности.

Высокая тепло - и электропроводность алюминиевых сплавов обуславливает необходимость больших токов и мощностей.

1.5.1.1 Выбор  типа сварки, назначение режимов  сварки

С учётом вышеизложенного для сварки швов на проектируемом изделии принято решение использовать аргонодуговую сварку, как удовлетворяющую всем критериям, хорошо отработанную и обладающую наиболее высокой степенью автоматизации в отрасли.

Основной  операцией процесса сборки изделия  является сварка кольцевых швов №1-№6, соединяющих цилиндрическую обечайку с верхним и нижним днищами. Швы являются одинаковыми по протяженности и толщине свариваемых кромок. Перед основной сварочной операцией производится прихватка свариваемых кромок в 4-6 местах ручной сваркой.

Согласно  ОСТ для данного материала (АМг-6) и толщины (7 мм) выбираются следующие параметры сварки:

· ток - J, А;

· напряжение - U, В;

· скорость сварки - V, м/мин;

· расход газа (аргон) - Q, л/мин.

для первого  и второго проходов.

По этим параметрам определяется время сварки

 

 

и объем израсходованного газа:

 

 

Результаты сведены в таблицу:

проходы	1 проход	2 проход
J, А	350-380	410-460
U, В	18-20	18-20
Q, л/мин	22-30	22-30
V, м/ч	40-50	40-50
Dшва, мм	2900
t, мин	12.5	12.5
VAr, м3	2.38

1.5.1.2 Базирование  подсборок при сварке

Одной из задач проектирования и реализации техпроцессов сборки-сварки является обеспечение с заданной точностью  правильного взаимного расположения собираемых деталей или сборочных единиц. Решение этой задачи требует выбора сборочных и установочных баз, т.е. тех поверхностей деталей, которые при сборке будут совмещаться с соответствующими поверхностями других деталей (сборочные базы) или сборочно-сварочного приспособления (установочные базы).

При совмещении установочных баз деталей с соответствующими поверхностями приспособления детали займут определённое положение относительно приспособления и, следовательно, относительно друг друга. При сборке с использованием установочных баз обычно имеется несколько вариантов их выбора. При назначении этих баз следует руководствоваться общими правилами базирования-единства и постоянства баз.

Особенностью  элементов конструкций большинства элементов летательных аппаратов является их малая жёсткость. Поэтому выбранная для сборки-сварки схема базирования должна обеспечить достаточную технологическую жёсткость как сборочной единицы в целом, так и её элементов.

Совокупность  схем базирования и способов обеспечения  технологической жёсткости конструкции  характеризует метод сборки.

Для сварки элементов конструкции летательных  аппаратов в приспособлении используются в основном две схемы базирования: по наружной и внутренней поверхности  обшивки.

Схема базирования  по внешней поверхности обшивки  характерна для сварки кольцевых  швов обечаек

При сборке сварных элементов конструкции  ЛА используются сварочные приспособления. Исходными данными при проектировании сборочно-сварочных приспособлений являются: сборочные чертежи собираемого  изделия, карты техпроцесса сборки-сварки, технические условия на проектирования приспособлений.

Проектируемое сборочно-сварочное приспособление должно обеспечивать:

а). установленное пространственное расположение элементов конструкции ЛА, их фиксацию и зажим, предотвращающие смещение в процессе сборки и сварки и уменьшающие последующее коробление;

б). соблюдение заданного техпроцесса сборки и сварки - доступность и удобство сварки и подвода сварочного оборудования к месту сварки, соблюдение рациональных режимов сварки;

в) терморегулирование свариваемой зоны;

г) удобство наблюдения и контроля сборки и сварки.

Конструктивно сборочно-сварочные приспособления состоят из несущих, установочных, фиксирующих  и зажимных элементов. Выбор фиксирующих  и зажимных элементов производится по результатам анализа точности сборки, техпроцесса сварки. Формы и габаритов свариваемой конструкции, темпа и объёма производств. Зажимное устройство должно удерживать детали сварной конструкции в заданном положении и не допускать их смещения при нагреве и охлаждении.

В проектируемом  технологическом процессе набор корпуса производится последовательно, начиная с нижнего днища, на все подсборки, входящие в состав собираемого изделия были нанесены оси стабилизации, в рамках технологических процессов на их изготовление.

Перед проведением  сварочных операций производится монтаж и выставление сварочной: сварочных, калибровочных и бандажных колец, согласно схеме.

После установки  каждой последующей обечайки на приспособление для сварки производится выставление  по осям стабилизации, после совмещения свариваемых кромок и установки сварочной оснастки производится контроль совпадения осей стабилизации. На шпангоутах днищ наносятся реперные точки по осям стабилизации и проверяется отсутствие скрутки днищ.

Требования  по параллельность плоскостей Е и Ж изделия, а также их развороту обеспечиваются оснасткой, согласно техническим требованиям сборочного чертежа.

После сварочных  операций проводится контроль длины  корпуса, согласно схеме контроля размеров, торцуется технологический припуск.

Для автоматической АДС используются автоматы, состоящие из сварочной головки, направляющих механизмов для её передвижения и приспособления для установки и перемещения свариваемой конструкции.

 

1.5.2 Выбор  метода испытаний и контроля  сборочной единицы-корпуса бака  горючего.

Важнейшими требованиями при производстве корпуса бака является обеспечение прочности и герметичности бака, обеспечение чистоты его внутренних поверхностей. Многократный контроль позволит обеспечить максимальную надежность изделию.

Все баки, как ёмкостные конструкции, работающие под ёмкостным давлением в процессе серийного производства проходят испытания на прочность и герметичность, которые носят автономный и комплексный характер. Для этого в технологическом процессе необходимо предусмотреть соответствующие этапы, которые позволят оценить качество всех ранее произведённых работ в их совокупности на специальных стендах по определённому регламенту, с соответствующим документированием результатов. По результатам этих испытаний принимают решение о возможности продолжения дальнейшего исполнения изделия.

1.5.2.1 Дефектоскопия  сварных соединений

Стыковые  сварные швы бака относят к  I категории: в соответствии с ОСТ 92-1114-80 "Сварные соединения. Общие технологические требования", их прочность составляет 0.9 от прочности основного материала, а коэффициент запаса прочности - не более 2.5 К швам этой категории предъявляют повышенные требования по температурным условия, действующим нагрузкам, уровню агрессивности среды и герметичности конструкции. Жёстко регламентированы требования подготовки кромок под сварку, а также допускаемые дефекты в сварных швах.

К характеристикам  основных дефектов сварных швов I категории из алюминиевых относятся: непровар, проплав, смещение кромок (нависание), занижение размеров шва по сечению (вогнутость шва), усиление сварного шва (валик), подрез, трещины, поры, вольфрамовые включения и другие дефекты.

Для выявления  дефектов сварных швов применяют  методы неразрушающего контроля, в  рассматриваемом технологическом  процессе для выявления дефектов сварного шва применяется рентгеноконтроль. Этот метод предназначен для выявления непроваров, трещин, оксидных плен, шлаковых и вольфрамовых включений, проплавлений в сварных швах. С помощью него также можно выявить зазоры, разностность, правильность взаимного расположения деталей и несплошность материала.