Закономірності пороутворення при електронно-променевому зварюванні алюмінієвих сплавів в умовах зниженої гравітації
Heading:
| Лобанов, ЛМ, Міленін, ОС, Терновий, ЄГ, Піскун, НВ, Глущак, СО, Статкевич, ІІ, Радченко, ЛМ |
| Косм. наука технол. 2023, 29 ;(3):57-66 |
| https://doi.org/10.15407/knit2023.03.057 |
| Publication Language: Українська |
Abstract: Використання зварювальних процесів в космосі необхідно насамперед для виготовлення, монтажу та ремонту великогабаритних конструкцій космічних станцій як на навколоземній орбіті, так і при освоєнні Місяця, де планується створювати довготривалі місячні бази (ДМБ), а також інші об'єкти, що забезпечують життєдіяльність і роботу експедицій. Це можуть бути монтажно-складальні операції при створенні герметичних споруд для житлових і виробничих приміщень, а також споруди для зберігання енергоресурсів, трубопроводи космічних комплексів, або ремонтно-профілактичні роботи, пов'язані із забезпеченням тривалості експлуатації діючих систем.
Електронно-променеве зварювання (ЕПЗ) є оптимальним і більш технологічним процесом для виконання цих робіт, порівняно з іншими способами зварювання. Глибокий вакуум та низькі температури, які є природним середовищем в космічних умовах, сприяють використанню електронно-променевих технологій, у тому числі й зварювальних. При цьому процесі ефективний ККД становить 85-90 %, що є максимальним проти інших способів зварювання. Процес ЕПЗ в умовах земної гравітації дозволяє забезпечити механічні та хімічні властивості, а також вакуумну щільність зварних з'єднань на рівні основного металу конструкції.
При виконанні ЕПЗ в умовах надвисокого вакууму, зниженої гравітації та низьких температур цей процес ускладнюється, і, відповідно, якість зварних з’єднань може знизитися. Отримані результати проведених експериментів в умовах зниженої гравітації та низьких температур в космосі, а також на літаючій лабораторії, показали підвищену кількість пор в зварних швах. Це, у першу чергу, виявилося при зварюванні зразків із алюмінієвих сплавів, які широко використовуються для створення конструкцій космічного призначення, що не виключає можливості їх використання при виготовленні зварних конструкцій на поверхні Місяця.
Метою даної роботи є дослідження закономірностей утворення пор в металі шва зварних з'єднань із алюмінієвих сплавів при ЕПЗ в умовах зниженої гравітації шляхом якісного аналізу основних факторів, які визначають підвищену схильність до утворення несуцільностей такого типу.
|
| Keywords: абляційний тиск, алюмінієві сплави, баланс сил, гідродинаміка, гідростатичний баланс, електронно-променеве зварювання, зварні з’єднання, знижена гравітація, надвисокий вакуум, несуцільності, парогазовий канал, пороутворення, пухирці газу, результати експериментів, схлопування, траєкторія газового пухирця, числа Рейнольдса |
References:
1. Antonova M. M. (1975). Properties of metal hydrides. Directory. Kyiv, 128 p. [in Russian].
2. Bondarev A. A. (1972). The influence of technological factors on the properties and density of welds of aluminum alloys made by electron beam welding. Automatic welding, № 5, 24¾26 [in Ukrainian].
3. Bondarev A. A., Lapchynskyj V. F., Lozovskaia A. V., Ternovoj E. H. (2000). Investigation of the structure and distribution of elements in welded joints made by an electron beam on 1201 and AMg6 alloys under weightless conditions. Space: Technology, Materials Science, Constructions. Collection of scientific papers under. edited by Academician B. E. Paton. Kyiv: PWI them. E.O. Paton NAS of Ukraine, 247¾252 [in Russian].
4. Bondarev A.A. Rabkin D.M. Evaporation of volatile elements during electron beam welding of aluminum alloys. Automatic welding. 1974. No. 3. 13-16 [in Russian].
5. Paton B. E., Lapchinsky V. F. (1998). Welding and related technologies in space. Peculiarities and Prospects. Kyiv. Naukova dumka. 182 P. [in Russian].
6. Paton B. E., Kubasov V. N. (1970). Eksperyment po svarke metallov v kosmose[Tekst]. Experiment on welding metals in space. Automatic welding, № 5, 7¾12 [in Russian].
7. Rabkyn D. M., Lapchynskyj V. F., Ternovoj E. H., Lozovskaia A.V., Mnyshenko S.V., Bondarev A.A., Dzykovych Y. Ya. (2000). Investigation of the properties and structure of welded joints from alloy 1201, made by an electron beam at various levels of gravity and low temperatures. Space: Technology, Materials Science, Constructions. Collection of scientific papers under. edited by Academician B. E. Paton. Kyiv: PWI them. E.O. Paton National Academy of Sciences of Ukraine, 236¾243 [in Russian].
8 Ternovoj E. H., Bondarev A. A., Lapchynskyj V .F., Havrysh S. S., Afanas'ev Y. V., Fylymonov V .Y. (1976). Investigation of some issues of weldability of aluminum alloys in weightlessness. Space research in Ukraine, № 9, 5¾11 [in Russian].
9. Ternovoj E. H., Bondarev A. A., Lapchynskyj V. F, Lozovskaia A. V. (2000). Influence of gravitational forces, dissolved hydrogen and initial temperature on the properties and density of welded joints in electron-beam welding of light structural alloys. Space: Technology, Materials Science, Constructions. Collection of scientific papers under. edited by Academician B.E. Paton. Kyiv: PWI them. E. O. Paton NAS of Ukraine, 243¾246 [in Russian].
10. Ternovyi Y. G., Lobanov L. М. (2019). Features of electron-beam welding of thick-walled shells made of aluminium alloys. 7 - the International conference "Space technologies: present and future". Abstracts reports. Dnipro. 93 [in Russian].
11. Ternovyi Y. G., Paton B. E., Lobanov L. М., Asnis Y. А., Zubchenko Yu. V., Statkevych І. І. Complex of equipment for electron-beam welding in Moon surface conditions. (2019). 7 - the International conference "Space technologies: present and future". Abstracts reports. Dnipro, 113 [in Ukrainian].
12. Alexopoulou V.E., Papazoglou E.L., Karmiris-Obratański P., Markopoulos A.P. (2022). 3D finite element modeling of selective laser melting for conduction, transition and keyhole modes. Journal of Manufacturing Processes, Vol. 75, P. 877-894.
https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.01.054
13. Blackburn J. E. (2011). Understanding porosity formation and prevention when welding titanium alloys with 1 μm wavelength laser beams. A thesis for the degree of Doctor of Engineering. Faculty of Engineering and Physical Sciences. School of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering. The University of Manchester.
14. Clift R., Grace J. R., Weber M. E. (2013). Bubbles, drops and particles. New York. Dover Publication Inc. 400 p.
15. Duley W. W. (1999). Heat transfer and modelling in laser welding. Laser Welding. New York: Wiley & Sons. 264 p.
16. Forsman T. (2000). Laser Welding of Aluminium Alloys. Doctoral Thesis. Department of Materials and Manufacturing Engineering Division of Manufacturing Systems Engineering. Lulea University of Technology.
17. Iida T., Guthrie R. I. L. (1993). The Physical Properties of Liquid Metals. Oxford: Clarendon Press, 288 p.
18. Jingsheng W., Renzhi H., Xin C., Shengyong P. (2018). Modeling fluid dynamics of vapor plume in transient keyhole during vacuum electron beam welding. Vacuum, 15, Vol. 157, P. 277-290.
https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2018.08.059
19. Klein T., Vicanek M., Kroos J., Decker I., Simon G. (1994). Oscillations of the keyhole in penetration laser beam welding. J. Phys. D: Appt. Phys, 27, 2023¾2030.
https://doi.org/10.1088/0022-3727/27/10/006
20. Kroos J., Gratzke U., Simon G. (1993). Towards a self-consistent model of the keyhole in penetration laser beam welding. J. Phys. D: Appl. Phys., 26, 474¾480.
https://doi.org/10.1088/0022-3727/26/3/021
21. Milenin A., Velikoivanenko E., Rozynka G., Pivtorak N. (2019). Residual Strength and Reliability of Corroded Pipelines-Monte-Carlo Approach for Consideration of Spatially Nonuniform Material Properties. Structural Integrity, 8, 321¾326.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-21894-2_59
22. Paton, B.E., Lobanov, L.M., Asnis, Yu.A., Ternovoj, E.G., Zubchenko, Yu.V. (2017). Equipment and technology for electron-beam welding in space. Space Materials and Technologies. 23(4). 27-32
https://doi.org/10.15407/knit2017.04.027
2. Bondarev A. A. (1972). The influence of technological factors on the properties and density of welds of aluminum alloys made by electron beam welding. Automatic welding, № 5, 24¾26 [in Ukrainian].
3. Bondarev A. A., Lapchynskyj V. F., Lozovskaia A. V., Ternovoj E. H. (2000). Investigation of the structure and distribution of elements in welded joints made by an electron beam on 1201 and AMg6 alloys under weightless conditions. Space: Technology, Materials Science, Constructions. Collection of scientific papers under. edited by Academician B. E. Paton. Kyiv: PWI them. E.O. Paton NAS of Ukraine, 247¾252 [in Russian].
4. Bondarev A.A. Rabkin D.M. Evaporation of volatile elements during electron beam welding of aluminum alloys. Automatic welding. 1974. No. 3. 13-16 [in Russian].
5. Paton B. E., Lapchinsky V. F. (1998). Welding and related technologies in space. Peculiarities and Prospects. Kyiv. Naukova dumka. 182 P. [in Russian].
6. Paton B. E., Kubasov V. N. (1970). Eksperyment po svarke metallov v kosmose[Tekst]. Experiment on welding metals in space. Automatic welding, № 5, 7¾12 [in Russian].
7. Rabkyn D. M., Lapchynskyj V. F., Ternovoj E. H., Lozovskaia A.V., Mnyshenko S.V., Bondarev A.A., Dzykovych Y. Ya. (2000). Investigation of the properties and structure of welded joints from alloy 1201, made by an electron beam at various levels of gravity and low temperatures. Space: Technology, Materials Science, Constructions. Collection of scientific papers under. edited by Academician B. E. Paton. Kyiv: PWI them. E.O. Paton National Academy of Sciences of Ukraine, 236¾243 [in Russian].
8 Ternovoj E. H., Bondarev A. A., Lapchynskyj V .F., Havrysh S. S., Afanas'ev Y. V., Fylymonov V .Y. (1976). Investigation of some issues of weldability of aluminum alloys in weightlessness. Space research in Ukraine, № 9, 5¾11 [in Russian].
9. Ternovoj E. H., Bondarev A. A., Lapchynskyj V. F, Lozovskaia A. V. (2000). Influence of gravitational forces, dissolved hydrogen and initial temperature on the properties and density of welded joints in electron-beam welding of light structural alloys. Space: Technology, Materials Science, Constructions. Collection of scientific papers under. edited by Academician B.E. Paton. Kyiv: PWI them. E. O. Paton NAS of Ukraine, 243¾246 [in Russian].
10. Ternovyi Y. G., Lobanov L. М. (2019). Features of electron-beam welding of thick-walled shells made of aluminium alloys. 7 - the International conference "Space technologies: present and future". Abstracts reports. Dnipro. 93 [in Russian].
11. Ternovyi Y. G., Paton B. E., Lobanov L. М., Asnis Y. А., Zubchenko Yu. V., Statkevych І. І. Complex of equipment for electron-beam welding in Moon surface conditions. (2019). 7 - the International conference "Space technologies: present and future". Abstracts reports. Dnipro, 113 [in Ukrainian].
12. Alexopoulou V.E., Papazoglou E.L., Karmiris-Obratański P., Markopoulos A.P. (2022). 3D finite element modeling of selective laser melting for conduction, transition and keyhole modes. Journal of Manufacturing Processes, Vol. 75, P. 877-894.
https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.01.054
13. Blackburn J. E. (2011). Understanding porosity formation and prevention when welding titanium alloys with 1 μm wavelength laser beams. A thesis for the degree of Doctor of Engineering. Faculty of Engineering and Physical Sciences. School of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering. The University of Manchester.
14. Clift R., Grace J. R., Weber M. E. (2013). Bubbles, drops and particles. New York. Dover Publication Inc. 400 p.
15. Duley W. W. (1999). Heat transfer and modelling in laser welding. Laser Welding. New York: Wiley & Sons. 264 p.
16. Forsman T. (2000). Laser Welding of Aluminium Alloys. Doctoral Thesis. Department of Materials and Manufacturing Engineering Division of Manufacturing Systems Engineering. Lulea University of Technology.
17. Iida T., Guthrie R. I. L. (1993). The Physical Properties of Liquid Metals. Oxford: Clarendon Press, 288 p.
18. Jingsheng W., Renzhi H., Xin C., Shengyong P. (2018). Modeling fluid dynamics of vapor plume in transient keyhole during vacuum electron beam welding. Vacuum, 15, Vol. 157, P. 277-290.
https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2018.08.059
19. Klein T., Vicanek M., Kroos J., Decker I., Simon G. (1994). Oscillations of the keyhole in penetration laser beam welding. J. Phys. D: Appt. Phys, 27, 2023¾2030.
https://doi.org/10.1088/0022-3727/27/10/006
20. Kroos J., Gratzke U., Simon G. (1993). Towards a self-consistent model of the keyhole in penetration laser beam welding. J. Phys. D: Appl. Phys., 26, 474¾480.
https://doi.org/10.1088/0022-3727/26/3/021
21. Milenin A., Velikoivanenko E., Rozynka G., Pivtorak N. (2019). Residual Strength and Reliability of Corroded Pipelines-Monte-Carlo Approach for Consideration of Spatially Nonuniform Material Properties. Structural Integrity, 8, 321¾326.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-21894-2_59
22. Paton, B.E., Lobanov, L.M., Asnis, Yu.A., Ternovoj, E.G., Zubchenko, Yu.V. (2017). Equipment and technology for electron-beam welding in space. Space Materials and Technologies. 23(4). 27-32
https://doi.org/10.15407/knit2017.04.027