В одном авиационном двигателе, в котором более 10 тысяч деталей, протяженность сварных швов, пайки и напыления составляет в образном выражении приблизительно шесть километров. Технологии сварки затрагивают большинство узлов газотурбинных авиадвигателей самолетного и вертолетного назначения.
Сварка в современных авиационных двигателях
Способов соединения деталей в машиностроении существует много, но сварка относится к одному из самых надежных неразъемных соединений, так как обеспечивает соединение на атомном и молекулярном уровне. Все виды технологии вне зависимости от принципа действия, используют нагрев поверхностей до высоких температур, это следует из самого названия – «сваривание».
Для авиационного двигателестроения сварка имеет особенное значение. Именно этот метод позволяет уходить от болтового соединения и увеличивать надежность конструкции двигателя, но главное - уменьшать его вес больше чем на 30%.
В авиационном двигателестроении используют в основном три вида сварки: электронно-лучевая, аргонодуговая и контактная.
Традиционная электродуговая сварка - самая распространенная. Для нагрева используется тепловой эффект электрической дуги. Этот метод имеет ограниченную мощность и может использоваться не со всеми металлами, поэтому в современном авиационном двигателестроении практически не используется.
При электронно-лучевой технологии сваривание происходит за счет кинетической энергии летящих электронов, которые при соприкосновении с поверхностью становятся причиной ее нагрева. Процесс проводят с помощью электронно-лучевой пушки в вакуумной камере, которая изолирует электроны от внешней среды.
Основное преимущество электронно-лучевой сварки - соединение не свариваемых на открытом воздухе сплавов, например, широко распространенного в авиационном двигателестроении титана. Этот метод позволяет работать в труднодоступных местах и обеспечивает чистоту производства. Однако, требуется некоторое время на откачку и закачку воздуха в вакуумную камеру, а также повышенные требования к качеству швов.
На московском производственном комплексе «Салют» этот метод сейчас активно используют для ремонта авиационных двигателей.
Технологию электронно-лучевой сварки корпуса спрямляющего аппарата газотурбинного двигателя из титанового сплава ВТ-6 внедрили на рыбинском предприятии ОДК-Сатурн. Особенность технологии заключается в том, что электронно-лучевая сварка лопаток корпуса спрямляющего аппарата выполнена специальным сварным швом с формированием обратного валика со стороны проточной части корпуса. Теперь детали для авиационных двигателей изготавливают с минимальной технологической подготовкой производства и исключена ручная аргоннодуговая сварка.
Лазерная сварка достаточно часто используется при создании авиационных двигателей. Источником нагрева здесь является лазер - очень плотное излучение на аномально малой площади воздействия.
Еще один вид сварки в двигателестроении - это аргонодуговая сварка. Процесс идет в среде защитного газа – аргона и используется для сварки коррозионностойких сталей, никелевых, алюминиевых, магниевых сплавов толщиной до 3 мм. Орбитальная сварка относится к этой группе методов - сварная дуга механически поворачивается на 360 градусов, как по орбите, позволяя соединять, например, трубопроводы малого диаметра с минимальной толщиной стенки до 1 мм.
На московском производственном комплексе «Салют» сейчас методом орбитальной сварки изготавливают топливные коллекторы двигателей. Метод увеличивает прочность соединения, а также минимизирует влияние внешней среды.
Контактная сварка достигается за счет импульса электрического тока, пропускаемого между электродами, которые зажимают соединяемые детали. Таким образом сваривают детали из конструкционных сталей, жаропрочных, легких и медных сплавов.
На самарском предприятии ОДК-Кузнецов для высокоточной сварки используют роботизированные комплексы. Метод задействован в изготовлении компрессоров, турбин, опор авиационных двигателей и повысил скорость производства на 15%. Автоматизированное оборудование выполняет сварочные швы любой конфигурации с точностью до 0,1 миллиметра.
Внедрение роботизированного участка сварки стало этапом масштабной модернизации предприятия. Метод высокоточной сварки используют при сварке корпусных деталей компрессора, турбины и опор авиационного двигателя. Манипулятор выполняет движения по 11 осям: деталь может поворачиваться и перемещаться в нужном направлении со скоростью до пяти метров в минуту. Весь процесс сварки после наладки оборудования, написания программы и подбора режима занимает не более 10 минут.
Инерционная сварка трением
Двигателестроители активно осваивают новый и перспективный для отечественного двигателестроения вид соединения – инерционная (ротационная) сварка трением. Процесс происходит под действием сил трения вращающихся маховиков и используется для крупногабаритных деталей, а также для ранее не свариваемых, в том числе недавно открытых сверхпрочных никелевых сплавов. Такие сплавы используют для создания компрессоров высокого давления двигателя-демонстратора технологий ПД-35.
Детали в современных авиадвигателях жаропрочны, не поддаются сварке традиционным методом, поэтому их соединяют с помощью сверхпрочных болтов. Новая технология позволит снизить вес конструкции без снижения прочности и увеличить ресурс силовой установки. Технология сварки трением отработана на уникальном, полностью отечественном оборудовании, способным сваривать детали с усилием более 400 тонн
Испытания новой технологии прошли на уникальной установке инерционной сварки трением, разработанной в Научно-исследовательский институт технологии и организации производства двигателей (НИИД). Специалисты института также разработали более мощную установку, которая позволит сваривать полноразмерные роторные детали нового двигателя-демонстратора технологий ПД-35. Установка позволяет отработать процесс соединения не свариваемых сплавов, из которых создаются элементы перспективных двигателей.
В фондах Бюро научно-технической информации Научно-исследовательского института технологии и организации производства двигателей (НИИД) собрано более 100 книг, посвященных сварке, пайке и покрытиям. С материалами могут ознакомиться все желающие.
История сварки
Академик Василий Петров описал само явление еще в 1802 году, а русский инженер, изобретатель Николай Бенардос открыл основные виды сварки и разработал устройства для нее. Советский ученый, академик Евгений Патон основал первый в мире институт электросварки, а уральский токарь-новатор Алексей Чудиков изобрел ротационную сварку трением.
Хотя сварку трением изобрели в СССР, ее использовали только на небольших деталях диаметром до 100 мм. За рубежом ее стали применять в гражданском авиадвигателестроении, так что к 1980-м годам она стала базовой технологией для получения роторов высокого давления на двигателях таких лидеров отрасли как Pratt&Whitney, General Electric, Rolls-Roys. Оборудование для этого вида сварки выпускают только две компании в мире – KUKA (Германия) и MTI (США).
