Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка научно-технических основ создания энергетического комплекса для реализации экологически чистых технологий электронно-лучевой сварки изделий энергомашиностроения.

Докладчик: Драгунов Виктор Карпович

Должность: заведующий кафедрой, профессор

Цель проекта:
Несмотря на известные преимущества, внедрение электронно-лучевых технологий сварки в промышленное производство сдерживается по ряду причин. Одной из главных причин является практически полное отсутствие отечественных образцов современных технологических комплексов. Технологический комплекс для электронно-лучевой сварки состоит из двух составляющих: энергоблока, обеспечивающего формирование и управление инструмента для обработки материала – электронного пучка, и электромеханического комплекса, включающего вакуумную камеру, средства откачки и систему позиционирования изделия. Энергетический комплекс является специализированным оборудованием и состоит из высоковольтного источника питания достаточно большой мощности (до 60 кВт и более) и генератора пучка электронов - электронной пушки. Во многом качество получаемых сварных соединений определяется точностью и стабильностью воспроизведения требуемых параметров режима сварки, а также надежностью элементов энергетического блока. На сегодняшний день на производстве остро стоит проблема замены устаревшего оборудования на новое, и в условиях практически полного отсутствия отечественных аналогов эта проблема решается путем импорта зарубежного технологического оборудования. На основе анализа современного уровня развития исследований и технологий можно сделать вывод, что для успешного преодоления ограничений в развитии технологий обработки и изготовления изделий машиностроения и перехода к созданию новых конкурентоспособных видов продукции необходимо создать основу для разработки технологических энергоблоков для реализации процессов электронно-лучевой сварки. Например, в энергетическом машиностроении с использованием электронно-лучевого способа сварки могут быть разработаны новые технологии изготовления конкурентоспособных образцов новой техники различного назначения, таких как роторы турбин, парогенераторы, сосуды высокого давления, роторы электрических машин, корпуса реакторов, элементы трубопроводной арматуры. Цель проекта: получение значимых научных результатов, позволяющих переходить к созданию на отечественной производственной базе технологий и оборудования мирового уровня для электронно-лучевой сварки конструкционных металлических материалов при производстве изделий энергетического машиностроения. Конечным продуктом, создаваемым с использованием результатов проекта будет опытный, а в последствии промышленный образец энергетического комплекса для электронно-лучевой сварки, включающий высоковольтный источник питания и технологическую электронную пушку. Максимальная мощность технологического инструмента-электронного пучка составит не менее 40 кВт с возможностью плавной и точной ее регулировки во всем диапазоне от 0 до 40 кВт. Данный проект нацелен на демонстрацию возможностей построения технологического энергоблока для электронно-лучевой сварки на отечественной производственной базе, а также послужит основой для разработки технических требований к составляющим частям опытного образца энергоблока.

Основные планируемые результаты проекта:
К ожидаемым результатам проекта относятся:
1) Методика и результаты диагностики технологических электронных пучков.
Методика диагностики основана на использовании фотометода для регистрации излучения видимого спектра на остаточных газах в вакуумной камере.
Будет разработана схема получения изображения, и определены основные параметры регистрации. Методика будет позволять определять без использования зондов геометрические характеристики пучка (дистанцию фокусировки, угол сходимости пучка, поперечный размер), а также позволяет оценить некоторые энергетические характеристики (плотность мощности) и характер распределения интенсивности свечения в поперечном сечении. Для обработки получаемых изображений будет построен алгоритм, использующий методы математической обработки изображений, и показаны способы его реализации. Полученные с применением разработанной методики зависимости характеристик пучка от режимов работы электронно-лучевого комплекса будут использованы для определения параметров режима сварки при исследовании ЭЛС образцов и разработке технологии ЭЛС изделий. Новизна предлагаемой методики будет заключаться в расширении диапазона мощности исследуемого электронного пучка до нескольких десятков киловатт, в то время как, существующие зондовые методы имеют ограничения по мощности в единицы киловатт.

2) Экспериментальный образец высоковольтного инверторного источника питания мощностью от 40 до 60 кВт, номинальным выходным напряжением 60кВ.

3) Макет сварочной электронной пушки, отличающийся улучшенными характеристиками электронного пучка и юстировкой.

4) Технические требования на выполнение ОКР по созданию опытного образца энергетического комплекса для электронно-лучевой сварки, включая требования по выполнению работ, а также требования по разрабатываемой документации.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Методика диагностики технологических электронных пучков должна быть предназначена для исследования характеристик электронных пучков на технологических электронно-лучевых комплексах для сварки и обработки с целью установления особенностей работы электронной пушки и определения показателей качества электронного пучка как инструмента для обработки материала.
Экспериментальный образец высоковольтного источника и макет электронной пушки должны быть предназначены для демонстрации возможности создания перспективного энергетического блока для электронно лучевой сварки, обладающего рядом конкурентных преимуществ и созданного на отечественной производственной базе.
Проект технического задания на проведение ОКР по созданию опытного образца энергетического комплекса должен быть предназначен для формирования на основе созданного научно-технического задела конкретных технических требований к опытному образцу энергетического комплекса, а также требований к составу и содержанию разрабатываемой в ходе последующей ОКР документации.
Применение ожидаемых результатов при проведении опытно-конструкторских работ и подготовке производства технологического оборудования для ЭЛС на предприятиях позволит существенно сократить объем работ, необходимый для отработки технических решений, позволяющих переходить к созданию примышленных образцов энергетических комплексов для электронно-лучевой сварки.
Результаты работы также могут применяться при отработке технологий электронно-лучевой сварки на предприятиях энергетического машиностроения, где электронно-лучевая сварка применяется или планируется к внедрению. Так например, методика диагностики параметров пучка может быть использована при создании программного обеспечения для управления конкретным технологическим процессом сварки.
Результаты исследовательских испытаний экспериментального образца и макета позволят оценить значения эффективности, надежности, экономичности и экологичности энергетического комплекса как продукта для последующей коммерциализации, и послужат основой для технико-экономического обоснования организации производства.
Основными конкурентными преимуществами энергетических комплексов для ЭЛС,построенных на результатах данной работы, является возможность импортозамещения технологического сварочного оборудования, применяемого в отраслях имеющих стратегическое значение для безопасности страны (энергетическое машиностроение, авиа- и ракетостроение, судостроение), а также уменьшение стоимости оборудования.
В случае успешной реализации проекта планируется организация опытного производства энергетических комплексов для электронно-лучевой сварки мощностью 60 кВт на базе ЗАО "Электро Интел", являющимся Индустриальным партнером проекта.
После реализации данного проекта необходимо проведение ОКР по разработке опытного образца энергетического комплекса для ЭЛС. Для создания технологической основы, позволяющей переходить к выпуску серийной продукции с целью внедрения на предприятиях энергетического машиностроения, необходимо проведение серии опытно-технологических работ, в ходе которых должны быть выработаны научно-обоснованные рекомендации для осуществления новых технологий сварки с учетом специфики конкретной конструкции и материалов изделия. Внедрение технологий электронно-лучевой сварки с применением нового современного оборудования отечественного производства позволит успешно создавать новые перспективные сварные конструкции. Примером таких конструкций могут служить элементы несущей конструкции первой стенки модуля бланкета ИТЭР, элементы сосудов высокого давления большой толщины (более 50 мм), изделия с переменной толщиной стыка по длине со сложной формой стыка, изделия из цветных, тугоплавких и разнородных металлов, в которых применение традиционных способов сварки сильно ограничено, а зачастую не возможно.

Текущие результаты проекта:
В настоящее время выполняются следующие работы:
- Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР, в том числе обзор научных информационных ис-точников: статьи в ведущих зарубежных и российских научных журналах, монографии и патенты) - не менее 15 научно-информационных источников за период 2009 – 2013 гг.
- Патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96.

Выполнена разработка структурной схемы экспериментального образца высоковольтного источника питания электронной пушки и разработана математическая модель формирования электронного пучка в трехэлектродной термоэмиссионной электронной пушке.