Технології бездеформаційного зварювання виробів ракетно-космічної техніки, методи лазерної інтерферометрії для діагностики зварних з’єднань та конструкцій (доповідь з нагоди вручення Золотої медалі імені Б.Є. Патона НАН України)

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2023
1. Verfasser:	Лобанов, Л.М.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2023
Schriftenreihe:	Вісник НАН України
Schlagworte:	Загальні збори НАН України
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/192975
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Технології бездеформаційного зварювання виробів ракетно-космічної техніки, методи лазерної інтерферометрії для діагностики зварних з’єднань та конструкцій (доповідь з нагоди вручення Золотої медалі імені Б.Є. Патона НАН України) / Л.М. Лобанов // Вісник Національної академії наук України. — 2023. — № 5. — С. 93-99. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-192975
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1929752023-07-26T16:47:37Z Технології бездеформаційного зварювання виробів ракетно-космічної техніки, методи лазерної інтерферометрії для діагностики зварних з’єднань та конструкцій (доповідь з нагоди вручення Золотої медалі імені Б.Є. Патона НАН України) Лобанов, Л.М. Загальні збори НАН України 2023 Article Технології бездеформаційного зварювання виробів ракетно-космічної техніки, методи лазерної інтерферометрії для діагностики зварних з’єднань та конструкцій (доповідь з нагоди вручення Золотої медалі імені Б.Є. Патона НАН України) / Л.М. Лобанов // Вісник Національної академії наук України. — 2023. — № 5. — С. 93-99. — укр. 0372-6436 DOI: doi.org/10.15407/visn2023.05.093 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/192975 uk Вісник НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Загальні збори НАН України Загальні збори НАН України
spellingShingle	Загальні збори НАН України Загальні збори НАН України Лобанов, Л.М. Технології бездеформаційного зварювання виробів ракетно-космічної техніки, методи лазерної інтерферометрії для діагностики зварних з’єднань та конструкцій (доповідь з нагоди вручення Золотої медалі імені Б.Є. Патона НАН України) Вісник НАН України
format	Article
author	Лобанов, Л.М.
author_facet	Лобанов, Л.М.
author_sort	Лобанов, Л.М.
title	Технології бездеформаційного зварювання виробів ракетно-космічної техніки, методи лазерної інтерферометрії для діагностики зварних з’єднань та конструкцій (доповідь з нагоди вручення Золотої медалі імені Б.Є. Патона НАН України)
title_short	Технології бездеформаційного зварювання виробів ракетно-космічної техніки, методи лазерної інтерферометрії для діагностики зварних з’єднань та конструкцій (доповідь з нагоди вручення Золотої медалі імені Б.Є. Патона НАН України)
title_full	Технології бездеформаційного зварювання виробів ракетно-космічної техніки, методи лазерної інтерферометрії для діагностики зварних з’єднань та конструкцій (доповідь з нагоди вручення Золотої медалі імені Б.Є. Патона НАН України)
title_fullStr	Технології бездеформаційного зварювання виробів ракетно-космічної техніки, методи лазерної інтерферометрії для діагностики зварних з’єднань та конструкцій (доповідь з нагоди вручення Золотої медалі імені Б.Є. Патона НАН України)
title_full_unstemmed	Технології бездеформаційного зварювання виробів ракетно-космічної техніки, методи лазерної інтерферометрії для діагностики зварних з’єднань та конструкцій (доповідь з нагоди вручення Золотої медалі імені Б.Є. Патона НАН України)
title_sort	технології бездеформаційного зварювання виробів ракетно-космічної техніки, методи лазерної інтерферометрії для діагностики зварних з’єднань та конструкцій (доповідь з нагоди вручення золотої медалі імені б.є. патона нан україни)
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2023
topic_facet	Загальні збори НАН України
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/192975
citation_txt	Технології бездеформаційного зварювання виробів ракетно-космічної техніки, методи лазерної інтерферометрії для діагностики зварних з’єднань та конструкцій (доповідь з нагоди вручення Золотої медалі імені Б.Є. Патона НАН України) / Л.М. Лобанов // Вісник Національної академії наук України. — 2023. — № 5. — С. 93-99. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT lobanovlm tehnologííbezdeformacíjnogozvarûvannâvirobívraketnokosmíčnoítehníkimetodilazernoíínterferometríídlâdíagnostikizvarnihzêdnanʹtakonstrukcíjdopovídʹznagodivručennâzolotoímedalíímeníbêpatonananukraíni
first_indexed	2025-07-16T18:52:37Z
last_indexed	2025-07-16T18:52:37Z
_version_	1837830725473140736
fulltext	ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 5 93 ТЕХНОЛОГІЇ БЕЗДЕФОРМАЦІЙНОГО ЗВАРЮВАННЯ ВИРОБІВ РАКЕТНО- КОСМІЧНОЇ ТЕХНІКИ, МЕТОДИ ЛАЗЕРНОЇ ІНТЕРФЕРОМЕТРІЇ ДЛЯ ДІАГНОСТИКИ ЗВАРНИХ З’ЄДНАНЬ ТА КОНСТРУКЦІЙ Доповідь з нагоди вручення Золотої медалі імені Б.Є. Патона НАН України Шановний Анатолію Глібовичу! Шановні учасники зборів! Насамперед хочу ще раз щиро подякувати за нагородження Зо- лотою медаллю імені Бориса Євгеновича Патона. Така висока нагорода є великою пошаною для мене і зобов’язує ще активні- ше працювати на благо нашої країни. У наших ранніх роботах було сформульовано фізичні та ма- тематичні положення оптичного моделювання зварювальних напружень. На їх основі вперше у світовій практиці із застосу- ванням полікарбонату як оптично чутливого матеріалу зварних моделей поляризаційно-оптичним методом виявлено особли- вості напружених станів, що виникають при зварюванні різних типів з’єднань. Побудовано теорію подібності зварювальних напружень. Проведені на прозорих моделях дослідження до- зволили отримати великий обсяг даних для вирішення завдань регулювання зварювальних напружень і деформацій. Найбільш значущих результатів у вирішенні таких завдань вдалося досягти завдяки створенню попередніх напружено-де- формованих станів, оптимізованих щодо залишкових зварю- вальних напружень і деформацій. Попереднє деформування з установленими параметрами забезпечує усунення дефор- мацій при зварюванні стикових і таврових з’єднань елементів листових конструкцій із легких сплавів. При цьому воно не зменшує міцність з’єднань і не змінює структуру метала шва і колошовної зони. ЛОБАНОВ Леонід Михайлович — академік НАН України, заступник директора з наукової роботи Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України doi: https://doi.org/10.15407/visn2023.05.093 94 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (5) ЗАГАЛЬНІ ЗБОРИ НАН УКРАЇНИ Із застосуванням попереднього деформуван- ня розроблено технологічні процеси виготов- лення зварних панелей для авіакосмічної техні- ки замість панелей, отримуваних пресуванням, фрезеруванням або струганням, з низьким кое- фіцієнтом використання високовартісних кон- струкційних матеріалів. Запропоновані режи- ми зварювання і попереднього деформування забезпечили високу якість швів і геометричні допуски до 1 мм на погонний метр. Вирішено і більш складне завдання — без- деформаційне зварювання великогабаритних стрингерних оболонок космічного призна- чення. На рис. 1 показано процес бездефор- маційного зварювання такої оболонки із ви- сокоміцного алюмінієвого сплаву АМг6НН (діаметр оболонки — 4 м, довжина — 2,2 м, тов- щина — 5 мм; 72 ребра жорсткості з’єднано з оболонкою із застосуванням електронно-про- меневого зварювання та попереднього пруж- ного деформування). Результати випробувань дослідних зразків таких стрингерних панелей і великогабаритних оболонок, проведених ра- зом із КБ «Південне», показали, що вироби відповідають високим вимогам до міцності, якості і точності виготовлення, а технологія їх виробництва дозволяє підвищити в 3—4 рази коефіцієнт використання конструкційного ма- теріалу і зменшити трудомісткість робіт. Ре- комендації зі збирання та бездеформаційного зварювання тонкостінних панелей і оболонок з повздовжнім оребренням, а також технічну документацію на обладнання для їх реалізації передано КБ «Південне». Проведено комплекс досліджень з розро- блення технології бездеформаційного зварю- вання стрингерних панелей із високоміцного титанового сплаву ВТ20. Доведено, що ви- конання швів аргонодуговим зварюванням неплавким електродом по шару активуючого флюсу з використанням попереднього пружно- го деформування забезпечує високу міцність і геометричну точність таких панелей. Проведе- ні в КБ «Антонов» випробування зазначених панелей на циклічну міцність підтвердили необхідні показники їх втомної довговічності. Розроблену технологію виготовлення стрин- Рис. 1. Стрингерна оболонка космічного призначення з алюмінієвого сплаву АМг6НН у процесі бездефор- маційного зварювання Рис. 2. Силовий стенд для автоматичного зварювання довгомірних стрингерних панелей із застосуванням попереднього деформування Рис. 3. Академік Б.Є. Патон ознайомлюється з техно- логією бездеформаційного зварювання довгомірних стрингерних панелей з алюмінієвого сплаву ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 5 95 ЗАГАЛЬНІ ЗБОРИ НАН УКРАЇНИ герних панелей зі сплаву ВТ20 рекомендовано для промислового виробництва. Створено технологію і обладнання для без- деформаційного зварювання довгомірних стрингерних панелей з алюмінієвого сплаву АМг6 (рис. 2). Застосування таких панелей до- зволило усунути обмеження щодо їх розмірів та номенклатури. Слід зазначити, що Борис Євгенович Патон особисто керував створен- ням і впровадженням зварювальних техноло- гій у ракетобудуванні (рис. 3). За його активної участі було розроблено надійні процеси зварю- вання в цій галузі та ефективні методи неруй- нівного контролю якості зварних з’єднань. Вирішено завдання бездеформаційного зва- рювання повздовжніх і кільцевих з’єднань ци- ліндричних оболонкових конструкцій з алюмі- нієвих сплавів. Створено промислове облад- нання для зварювання повздовжнього шва ци- ліндричних оболонок і автоматизовану лінію для зварювання повздовжніх та кільцевих швів довгомірних циліндричних оболонок із попереднім деформуванням. Особливі труднощі у забезпеченні високої геометричної точності оболонкових конструк- цій з алюмінієвих сплавів виникають у ра- кетній техніці при зварюванні кругових швів. Вварювання фланців, люків та інших кон- структивних елементів у тонкостінні оболонки спричиняє значні деформації оболонок у ви- гляді переміщень колошовної зони до центру їх кривизни. Доведено, що найбільш ефектив- ним засобом усунення вигинів від зварюван- ня кругових швів у тонкостінних сферичних, циліндричних та інших оболонках подвійної кривизни є пружний вигин колошовної зони перед зварюванням у напрямку, протилежно- му зварювальним переміщенням. За результа- тами теоретичних і експериментальних дослі- джень визначено оптимальні параметри попе- реднього деформування. Створено установки для аргонодугового зварювання кругових швів із застосуванням попереднього пружного ви- гину, які було впроваджено на підприємствах ракетно-космічної галузі, зокрема їх викорис- товували при створенні комплексу «Енергія- Буран» (рис. 4). Нові можливості бездеформаційного зва- рювання листових конструкцій з алюмінієвих і титанових сплавів в авіакосмічній промис- ловості відкриває розроблена нами техноло- гія електродинамічної обробки металу шва імпульсами струму високої щільності (понад 1000 А/мм2). Розроблено наукові засади ре- гулювання напружено-деформованих станів зварних з’єднань при застосуванні процесу електродинамічної обробки. Спільно з Інсти- тутом електродинаміки розроблено необхідні електромеханічні прилади, що дають можли- вість отримувати імпульси струму високої щільності. Доведено, що електродинамічна об- робка забезпечує зниження залишкових зва- рювальних напружень, подрібнення структури металу шва, підвищення його міцності та ци- клічної довговічності. Рис. 4. Промислова установка для бездеформаційного зварювання кругових швів у сферичних оболонках з алюмінієвих сплавів 96 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (5) ЗАГАЛЬНІ ЗБОРИ НАН УКРАЇНИ Нові шляхи вдосконалення цього мето- ду ґрунтуються на модернізації схем джерел живлення імпульсного струму й електродних систем. Дуже перспективним є розроблення методології та апаратури для реалізації елек- тродинамічної обробки безпосередньо в про- цесі автоматичного аргонодугового зварюван- ня конструкцій відповідального призначення. Експериментальні дослідження підтвердили ефективність такої технології бездеформацій- ного зварювання. Поряд із зазначеними вище технологіями бездеформаційного зварювання було розви- нуто методи лазерної інтерферометрії для діа- гностики зварних з’єднань і конструкцій нової техніки. Широке визнання здобули праці, присвяче- ні розробленню голографічних методів дослі- дження напружено-деформованих станів звар- них виробів та оцінки їх якості. Побудовано та реалізовано алгоритми програм, які дають можливість на основі даних голографічних вимірів розраховувати компоненти векторів переміщень для великих масивів точок на по- верхні досліджуваних об’єктів. Отримано ана- літичні співвідношення для визначення точ- ності вимірювання компонентів векторів пере- міщень залежно від параметрів оптичних схем голографічних інтерферометрів. Доведено, що точність вимірювання компонентів векторів переміщень становить десяті й соті частки мі- крона. Голографічна інтерферометрія є ефектив- ним засобом оцінки стабільності геометрич- них розмірів високоточних зварних виробів і відкриває нові можливості для неруйнівного контролю якості зварних виробів (рис. 5). Ін- терферограми показують наявність дефектних зварних з’єднань, які відображаються у вигля- ді локальних особливостей картин інтерфе- ренційних смуг (рис. 6). Розроблена методологія голографічної діа- гностики дозволила оцінити якість і напру- жено-деформовані стани різних елементів конструкцій, однак перепоною для її застосу- вання в промислових умовах є жорсткі вимо- ги до віброізоляції як самої оптичної системи, Рис. 7. Неруйнівний контроль якості зварних бало- нів методом електронної ширографії. Картини інтер- ференційних смуг балона без дефектів (а) і балона з тріщиною в повздовжньому зварному шві (б) Рис. 5. Загальний вигляд тришарової стільникової оболонки на віброізолюючому голографічному стенді Рис. 6. Інтерферограми, що характеризують дефекти точкових зварних з’єднань оболонки ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 5 97 ЗАГАЛЬНІ ЗБОРИ НАН УКРАЇНИ так і об’єкта досліджень. У зв’язку з цим було проведено комплекс досліджень щодо розви- тку нового методу лазерної інтерферометрії — ширографії. Цей метод не потребує захисту оптичної системи від вібрацій, оскільки при його застосуванні реєструються похідні від пе- реміщень, тобто деформації. Інтенсивний розвиток комп’ютерної і об- числювальної техніки дозволив суттєво вдо- сконалити метод ширографії і розробити так званий метод електронної ширографії. Важ- ливою його особливістю є те, що він дозволяє представити картину інтерференційних смуг на екрані дисплею, виключаючи будь-який за- пис на реєструвальне середовище. Цей метод застосовують для розв’язання складних задач, пов’язаних з аналізом деформацій та контро- лем якості елементів конструкцій у промисло- вих умовах. Ефективним є застосування електронної ширографії для неруйнівного контролю якості тонкостінних балонів високого тиску, які пра- цюють при циклічному навантаженні. З його використанням можна виявляти такі дефек- ти, як, наприклад, тріщини в повздовжньому зварному шві, що виникають при випробуван- ні балонів на малоциклову втому під наванта- женням тиском. Так, на рис. 7 наведено кар- тини інтерференційних смуг балона з такою тріщиною і балона без дефектів. Ширографія дозволяє виконувати діагностику дефектів, які неможливо виявити іншими методами неруй- нівного контролю якості. У нашому Інституті створено портативну апаратуру для широгра- фічного контролю якості і картини інтерфе- ренційних смуг. Виконано контроль якості стрингерних па- нелей авіаційного призначення з титанового сплаву. При локальному термічному наванта- женні за допомогою інтерферограми виявлено тріщиноподібний дефект у зоні з’єднанні лис- та з одним із ребер жорсткості. Для підвищен- ня достовірності контролю побудовано також тривимірну картину деформування поверхні панелі в зоні дефекту і криві розподілу похід- них уздовж характерних перерізів (рис. 8). Рис. 8. Неруйнівний контроль якості стрингерної па- нелі з титанового сплаву ВТ-20 методом електронної ширографії: а — зразок стрингерної панелі, виробленої на основі технології бездеформаційного зварювання із застосуванням прорізних швів; б — інтерферограма, що характеризує наявність дефекту прорізного шва; в — тривимірна картина деформування поверхні пане- лі в зоні дефекту; г — криві розподілу похідних w/х вздовж обраних перерізів (А—А — переріз з дефектом; Б—Б — переріз без дефекту) Рис. 9. Ширографічний контроль якості елемента обо- лонки космічного призначення з вуглецевого компо- зиційного матеріалу: а — загальний вигляд оболонки; б — широграми з нанесеними досліджуваними перері- зами бездефектної ділянки та ділянки з дефектом від- повідно; в — 3D-зображення розподілу похідної w/у на ділянках, що підлягали контролю 98 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (5) ЗАГАЛЬНІ ЗБОРИ НАН УКРАЇНИ Рис. 10. Метод визначення залишкових напружень із застосуванням електронної спекл-інтерферометрії в по- єднанні з висвердлюванням малого отвору діаметром 1 мм: а — об’єкт дослідження і прилад для визначення за- лишкових напружень; б — картина інтерференційних смуг біля отвору, що характеризує залишкові напруження Рис. 11. Приклади промислового використання розробленого в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України методу визначення залишкових напружень: а — вузол кріплення авіаційного двигуна (матеріал — магнієвий сплав); б — дисковий елемент газотурбінного ротора (матеріал — високолегована сталь) ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 5 99 ЗАГАЛЬНІ ЗБОРИ НАН УКРАЇНИ Ширографія відкриває широкі можливості для діагностики виробів із композиційних ма- теріалів. Наприклад, на замовлення КБ «Пів- денне» ми провели ширографічний контроль оболонки космічного призначення з вуглеце- вого композиційного матеріалу (рис. 9). На основі лазерної інтерферометрії ство- рено ефективний метод визначення залиш- кових напружень. Суть цього методу полягає в спекл-інтерферометричній реєстрації пло- щинних переміщень, викликаних розванта- женням напружень за допомогою малого отво- ру діаметром 1 мм (рис. 10а). Картина інтер- ференційних смуг біля отвору відразу показує напрямки головних напружень (рис. 10б). Ав- томатизована система комп’ютерної обробки інтерферограм дозволяє отримувати кількісні значення напружень з високою точністю. Для широкого практичного використання методу прийнято відповідний стандарт, розроблений нами згідно з правилами, встановленими в на- ціональній стандартизації України. Міжнародний інститут зварювання прово- див конкурс, на якому порівнювали результа- ти визначення залишкових напружень різни- ми засобами. Аналіз результатів вимірів од- нотипних зразків зварних з’єднань засвідчив, що розроблений у нашому Інституті метод і апаратура для його реалізації забезпечують найбільш достовірні вимірювання. Методоло- гія і обладнання для визначення залишкових напружень ефективно використовуються в ла- бораторній практиці Інституту і за договорами та контрактами передаються як українським організаціям, так і фірмам з Китаю і Південної Кореї. Досвід використання розробленого методу показав його високу ефективність для оцінки напруженого стану зварних конструкцій і ви- робів. Як приклад застосування цього методу можна навести його використання для оцінки напруженого стану вузла кріплення авіацій- ного двигуна з магнієвого сплаву і дискового елемента газотурбінного ротора з високолего- ваної сталі, що дало змогу оптимізувати техно- логії їх виготовлення (рис. 11). Однак слід підкреслити, що, незважаючи на переваги, цей метод визначення залишкових напружень залишається частково руйнівним, оскільки порушує цілісність поверхні дослі- джуваного об’єкта. Ми запропонували замі- нити процес створення отворів для релаксації напружень неруйнівним способом локальної релаксації на основі використання імпульсу електричного струму високої щільності. Вста- новлено, що при його введенні відбувається релаксація напружень і в околі місця введення імпульсу струму виникають переміщення то- чок поверхні, які вимірюються методом елек- тронної спекл-інтерферометрії та характери- зують залишкові напруження. Створено необ- хідне обладнання і проведено експерименти на тестових зразках з алюмінієвого сплаву щодо оцінювання впливу імпульсу струму різних параметрів на релаксацію напружень. Зараз тривають роботи з удосконалення неруйнів- ного методу визначення напружень з метою забезпечення його практичного використання. Завершуючи доповідь, хочу висловити по- чуття глибокої вдячності всім колегам за ба- гаторічну підтримку моєї наукової діяльності. Зараховую себе до патонівської наукової шко- ли, створеної Борисом Євгеновичем разом з його батьком Євгеном Оскаровичем Патоном. До неї належать також десятки академіків і членів-кореспондентів нашої Академії, сотні докторів і кандидатів наук. Патонівська науко- ва школа живе у працях науковців нашого Ін- ституту, які зробили і, без сумніву, зроблять ще багато корисного для розвитку науки і техніки у нашій країні. Дякую за увагу!

Institution

Ähnliche Einträge