Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0148

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0148
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ"
Название доклада
Разработка научно-технических основ создания энергетического комплекса для реализации экологически чистых технологий электронно-лучевой сварки изделий энергомашиностроения.
Докладчик
Гончаров Алексей Леонидович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель: 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.
Задача 1
Разработка действующего макета электронной пушки и проведение исследовательских испытаний с целью определения характеристик получаемого электронного пучка и оценки соответствия их предъявляемым требованиям.
Задача 2
Разработка экспериментального образца высоковольтного источника питания сварочной электронной пушки и проведение исследовательских испытаний. К источникам питания электронных пушек для сварки предъявляются повышенные требования к выходным характеристикам, в частности требуется обеспечить высокую стабильность выходного сварочного тока и напряжения.
Задача 3
Разработка методик эксперимента и проведение исследований на применяемых в настоящее время электронно-лучевых комплексах параметров электронных пучков, а также их влияния на характеристики сварных швов, формулирование требований к электронному пучку, как инструменту обработки, выполнение которых при создании нового образца энергоблока позволит повысить качество получаемых сварных соединений и переходить к созданию новых технологий сварки изделий энергетического машиностроения.
Задача 4
Разработка технических требований для создания опытного образца энергетического комплекса для установок электронно-лучевой сварки. При решении данной задачи будут сформулированы технические требования к технологии производства узлов энергетического комплекса для ЭЛС, позволяющие переходить к созданию опытного образца.
Актуальность и новизна исследования
Для успешного преодоления ограничений в развитии сварочных технологий машиностроения и перехода к созданию новых конкурентоспособных видов продукции необходимо создать основу для разработки технологических энергоблоков для электронно-лучевой сварки. Например, в энергетическом машиностроении с использованием ЭЛС могут быть разработаны технологии изготовления конкурентоспособных образцов новой техники различного назначения, таких как роторы турбин, парогенераторы, сосуды высокого давления, роторы электрических машин, корпусы реакторов, элементы трубопроводной арматуры.
Новизна высоковольтного источника питания заключается в применяемых оригинальных схемных решениях для регулирования выходной мощности источника. Применение двух инверторных преобразователей для питания высоковольтного транформатора позволяет регулировать выходное напряжение и мощность не изменяя частоту и скважность напряжения первичной обмотки. В результате сильно упрощается задача демпфирования колебательных процессов напряжения на вторичной обмотке и уменьшается величина фильтрующей ёмкости выпрямителя.
Новизна конструкции электронной пушки заключается в оригинальной конструкции магнитной катушки, совмещающей функции фокусировки и отклонения пучка, что позволит уменьшить размеры электронной пушки.
Описание исследования

Существующие в настоящее время подходы по определению требуемых режимов сварки предполагают наличие априорной информации о характеристиках используемого для нагрева электронного пучка (характерный размер поперечного сечения, форма, угол сходимости, распределение плотности мощности и др.). Зачастую для моделирования процессов и расчета режимов принимаются допущения о том, что пучок имеет круглую форму и постоянное или нормальное распределение по сечению. Однако в реальных условиях технологических процессов характеристики пучка могут изменяться в процессе эксплуатации электронной пушки, вместе с тем, практически отсутствуют методики мониторинга состояния технологического электронного пучка, а также влияния его особенностей на характеристики получаемых сварных швов. Поэтому требуется разработка сравнительно простых и эффективных методик определения характеристик технологических электронных пучков и исследование существующих образцов электронных пушек с целью формулирования требований к вновь разрабатываемой конструкции. Для диагностики технологических пучков наибольшее распространение получили коллекторные методы, основанные на регистрации сигнала тока при пересечении пучка металлическим зондом. Данные методы позволяют определять распределение плотности мощности и контур пучка в каком-либо сечении. Одним из главных ограничений данного метода является невозможность диагностики пучков большой мощности из- за опасности расплавления зонда. В данной работе предлагается наряду с известными зондовыми методами использовать контактный метод, основанный на оптическом свечении остаточных газов из области дрейфа пучка до мишени. Предварительный анализ литературных источников показывает, что за последние годы данный метод для диагностики не используется, несмотря на очевидные его преимущества, связанные с возможностью осуществлять диагностику пучков без ограничения по мощности. С учетом уровня развития современных оптических датчиков, фото- и видео средств фиксации изображения данное направление представляется перспективным. На основе разработанного метода осуществлены исследования на имеющихся электронных пушках, определены зависимости диаметра электронного пучка, расстояния фокусировки и угла сходимости, особенности распределения плотности мощности от режимов работы оборудования. 

С точки зрения простоты эксплуатации, сварочные пушки зачастую не имеют дополнительных электромагнитных катушек для юстировки, то обеспечение соосности электродов, необходимое для получения высокого качества электронного пучка, осуществляется при механической обработке узла изолятора пушки. Опыт эксплуатации пушек изготовленных на современном этапе показывает неспособность производителей обеспечить требуемую точность изготовления, что напрямую отражается на качестве получаемых пучков. Поэтому требуется дополнительная  проработка конструкции для улучшения этих показателей. Для расширения технологических возможностей применены методы численного математического моделирования для проектирования магнитной системы, позволяющей улучшить фокусировку пучка и уменьшить аберрации. Новизна решения будет заключаться в обосновании возможности применения оригинальной конструкции магнитопровода магнитной фокусирующей катушки, на которую подана заявка на патент. Исследовательские испытания макета пушки выполнены с применением разработанных методик диагностики параметров пучка и выполнено сравнение характеристик экспериментального образца с существующими аналогами.

К источникам питания электронных пушек для сварки предъявляются повышенные требования к выходным характеристикам, в частности требуется обеспечить высокую стабильность выходного сварочного тока и напряжения. Так как требуемая мощность источника питания достигает 100 кВт, целесообразно выбрать в качестве типа инверторный тип источника. Применение данного подхода позволит уменьшить массу и габариты устройства, стабилизировать величину выходного тока в независимости от колебаний входного напряжения, обеспечить плавную регулировку выходного тока и высокий КПД. Особенностью условий работы подобных источников питания является необходимость обеспечить защиту от короткого замыкания, возникающего при пробое межэлектродных промежутков в электронной пушке. Вместе с тем, разрабатываемый источник должен достаточно быстро восстанавливать режимные характеристики после прекращения пробоя в пушке с тем, чтобы предотвратить образование дефектов в сварном шве.

 

Результаты исследования

Изготовлен макет сварочной электронной пушки  с термоэмиссионным катодом, а также отработана технология изготовления и сборки компонентов электронной пушки, предложены способы контроля геометрических размеров деталей пушки и их взаимного расположения (рисунок 1). Разработана программа, методики и проведены экспериментальные исследования на действующих технологических комплексах по построению зависимостей технологических параметров электронного пучка от тока пучка и тока фокусирующей линзы. Проведены экспериментальные исследования влияния технологических параметров электронного пучка на геометрические параметры сварного шва и даны рекомендации по выбору оптимальных значений технологических параметров электронного пучка при проведении процесса электронно-лучевой сварки.

Выполнена сборка и наладка экспериментального образца высоковольтного источника питания сварочной электронной пушки с термоэмиссионным катодом, проведены тепловые испытания низковольтной части, которые подтвердили правильность принятых схемотехнических решений (рисунок 2). Разработана программа, методики и проведены тепловые испытания низковольтной части экспериментального образца высоковольтного источника питания сварочной электронной пушки с термоэмиссионным катодом.

Были проведены экспериментальных исследования режимов работы экспериментального образца высоковольтного источника питания сварочной электронной пушки с термоэмиссионным катодом при работе на резистивную нагрузку. Измеренные значения параметров экспериментального образца высоковольтного источника соответствует требованиям Технического задания (рисунок 3).

Предложена методика оценки некоторых технологических параметров электронного пучка (угол сходимости, дистанция фокусировки), применяемого для целей сварки металлов (рисунок 4). Выполнены эксперименты по диагностике пучка мощностью от 600 Вт до 6 кВт.               Установлено, что характер распределения плотности тока в пучке в значительной мере зависит от режима нагрева основного катода. Так, например, при низких токах бомбардировки в центральной части пучка наблюдается провал плотности тока при сохранении внешних контуров и размеров пучка. Предложенная методика позволяет выявить зависимость геометрических размеров пучка от его режимных характеристик и может быть применена для исследования режимов работы разрабатываемого макета электронной пушки. 

 

Практическая значимость исследования
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.
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 результате освоения результатов ПНИЭР будет создан опытный образец современного энергетического комплекса для электронно-лучевой сварки мощностью 40 кВт. 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 невозможно.