Создание мобильных средств ремонта техники специального назначения, работающей в различных климатических условиях
Укрепление обороноспособности страны неизбежно связано с совершенствованием техники специального назначения, способной к решению тактических задач в различных климатических условиях [1].
Одной из важнейших задач создания надежных машин и конструкций специального назначения является разработка современных технологий производства, ремонта и упрочняющей обработки ресурсоопределяющих деталей и изделий вооружения и военной техники (ВВТ). Анализ причин и характера разрушений ВВТ, показал, что эти разрушения в основном происходят в зонах сварных соединений. Это неизбежно приводит к снижению допустимых эксплуатационных нагрузок на металлоконструкции в экстремальных условиях и низких температурах окружающего воздуха. Отмеченное обстоятельство становится еще более актуальным, когда при производстве новых образцов ВВТ применяют материалы из высокопрочных, коррозионностойких и хладостойких сталей [2].
Известно, что изготовление сварных соединений сталей с высокой прочностью сильно затруднено вследствие целого ряда специфических факторов. Это связано, прежде всего, с применяемыми технологическими процессами, которые не всегда учитывают особенности поведения, создаваемых металлоконструкций, в условиях низких температур окружающей среды, а также кинетикой протекания процессов стресскорозионного разрушения, из-за эволюции деформационных напряжений, возникающих, прежде всего в сварных соединениях [3]. В технологиях сварки и наплавки, применяемых при производстве и ремонте ВВТ, на наш взгляд, могут стать весьма эффективными методы адаптивного управления сложной электродинамической системой: источник питания — дуга — сварочная ванна — изделие. Такие технологические процессы обеспечивают оптимальное тепловложение при сварке и позволяют выполнять условие равнопрочности зон соединений материалов, применяемых в технике специального назначения [4, 5].
Надежность сварных соединений определяет долговечность эксплуатации образцов ВВТ в целом. Наплавляемые покрытия, применяемые в качестве эффективного средства повышения физико-механических и эксплуатационных свойств поверхностей деталей из сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов, обеспечивают таким изделиям комплекс специальных свойств: износостойкость, жаропрочность, коррозионная стойкость, стойкость против удара и другие специфические свойства. Это позволяет эффективно восстанавливать изношенные и упрочнять новые детали [6].
В связи с этим становится актуальной разработка принципиально новых способов улучшения структуры и повышения свойств рабочих поверхностей машин и механизмов
[7 8]. Так при сварке и наплавке специальных сталей и сплавов реализуются закономерности формирования и изменения структуры и свойств сплавов, характерные для процесса литья, однако их проявление осложнено особенностями технологического процесса. Они связаны в основном с высокими скоростями плавления металла, образования ванны расплава и его последующей кристаллизации. Процессы охлаждения и кристаллизации металлических материалов зависят от скорости охлаждения и степени переохлаждения расплава, скорости зарождения и числа центров кристаллизации, скорости их роста, величины, формы и распределения кристаллов, ликвации примесей, конвективного движения в объеме затвердевающего расплава и возникновения в нем зональной неоднородности. Оказывая направленное воздействие на процессы кристаллизации формируемых сплавов, можно регулировать структуру и свойства покрытий. Длительное время металлурги ищут способы управления размерами и формой зерен, получения материалов с однородной мелкозеренной и равноосной структурой, обладающих высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами.
В ИФПМ СО РАН разрабатываются новые технологические процессы упрочнения, за счет импульсного и ударно-механического воздействия в зоне сварных соединений, изготавливаемых из различных конструкционных сталей и наплавленных покрытий, состоящих из износостойких, жаропрочных, коррозионностойких металлов и сплавов. Это имеет большое практическое и теоретическое значение, поскольку разработка принципиально новых способов воздействия на структуру и свойства наплавочных сплавов, а также комплексное использование уже имеющихся разработок, оптимальное сочетание которых может создавать новые возможности для направленного воздействия на структуру и свойства получаемых покрытий [9].
К эффективным способам улучшения структуры наплавленных покрытий относятся различные методы модифицирования сплавов. Использование в шихте наплавочных материалов (в частности в порошковых материалах, порошковых проволоках и лентах, спеченных лентах, электродах) компонентов, прошедших предварительную рафинирующую обработку или содержащих микролегирующие добавки, позволяет активно влиять на структуру и свойства формируемого покрытия. При рафинировании в значительной мере снижаются количество и размеры нежелательных неметаллических включений в наплавленном металле, что благоприятно сказывается на его свойствах, в частности, на термостойкости, усталостной прочности, трещиностойкости, хладостойкости и т.д. При модифицировании уменьшаются размеры зерен покрытий и повышаются физико-механические и эксплуатационные свойства. В качестве модифицирующих соединений используются порошковые материалы из субмикро- и нанокристаллических тугоплавких соединений — оксидов, карбидов и боридов тугоплавких металлов, а также порошков на основе нитрида кремния, полученных методом СВС. Применение таких порошковых композиций приводит к формированию покрытий в виде композиций с включениями упрочняющих фаз с субмикро — и нанокристаллических структур. В процессе наплавки вкрапления таких частиц в матрице сплава системы Fe-C приводят к формированию дисперсно-упрочненной структуры и, как следствие, к повышению механических и эксплуатационных свойств наплавленного металла [10].
Поверхностное пластическое деформирование зон сварки, наплавки и зоны термического влияния (ЗТВ) приводит к формированию в них прокованных дисперсных структур, способствующих повышению прочностных характеристик. Кроме того, ударная механическая обработка шва, покрытия и ЗТВ в период кристаллизации материалов и после охлаждения резко снижает уровень неблагоприятных растягивающих напряжений и изменяет размерные параметры ЗТВ — сужает характерные области. В целом ударная механическая обработка сварных соединений позволяет повысить их стойкость против хрупких разрушений, усталостную прочность и снизить коробление изделий [9].
Проведенные в последние годы фундаментальные исследования основ сварочных процессов и природы появления различного рода дефектов, в частности, технологических трещин и пор, в том числе при ведении сварки на холоде, позволили установить физическую природу аномальности поведения сварочной дуги при сварке в условиях низких температур [11]. Это позволило сформулировать концептуальный подход к снижению дефектности и повышению прочностных и эксплуатационных свойств сварных соединений методами адаптивной импульсно-дуговой сварки [12]. Сутью такого подхода является управление всеми стадиями формирования сварного соединения (горение дуги, плавление и перенос электродного металла в сварочную ванну, кристаллизация металла шва из расплава) через каналы обратных связей, контролирующих основные энергетические характеристики технологического процесса с учетом действия на объект управления возмущающих факторов [4, 5].
В ходе многочисленных экспериментальных исследований было установлено:
- структурные изменения в сварном соединении при импульсном воздействии предотвращают резкое снижение прочности металла ЗТВ и приводят к повышению усталостной прочности металлов шва в 1,7 раза и ЗТВ в 1,2–1,4 раза, что позволяет повысить надежность и долговечность получаемых сварных соединений, работающих в условиях экстремальных нагрузок, а также в условиях как аномально высоких, так и аномально низких температур;
- у сварных соединений, полученных методами адаптивной импульсно-дуговой сварки, повышается стойкость против коррозионного разрушения в условиях атмосферного и кислотного воздействия. Вместо опасной межкристаллитной коррозии, характерной соединениям, полученным традиционными технологиями сварки, протекает питтинговая коррозия, в результате чего меньше снижается несущая способность металлоконструкций;
- установлен эффект снижения порога хладноломкости металла сварных соединений, полученных методами адаптивной импульсно-дуговой сварки, что позволяет их использовать для работы в условиях многофункциональной нагрузки и низкочастотного термоциклирования.
Развиваемое направление исследований имеет большое значение для разработки ремонтно-восстановительных и упрочняющих технологий различных изделий, решения комплекса проблем повышения эксплуатационной надежности техники специального назначения.
Результаты проведенных исследований показали, что создаваемые импульсные технологии сварки и наплавки являются наиболее эффективными методами повышения прочности сварных соединений металлоконструкций ответственного назначения. Изделия с наплавляемыми покрытиями из композиционных материалов имеют максимальный ресурс работы без снижения эксплуатационных характеристик. Практика зимней эксплуатации техники гражданского назначения в условиях Сибири и Крайнего Севера показала, что производительность разных видов техники снижается до 1,5 раз по сравнению с летним периодом, наработка на отказ падает в 2–3 раза, фактический срок службы сокращается в 2–3 раза по сравнению с нормативным [13].
Применение новых технологий в производстве и ремонте ВВТ может повысить прочность сварных соединений из конструкционных сталей в 1,3–1,5 раза, композиций из сталей и чугунов с наплавленными покрытиями в 1,5–1,8 раза, усталостную прочность соединений и композиций в 1,5–2 раза, износостойкость покрытий при трении и абразивном воздействии в 1,5–3 раза, коррозионную стойкость к атмосферным и агрессивным воздействиям в 2–5 раз. В комплексе это позволит продлить срок службы изделий в 1,5–5 раза.
Таким образом, фундаментальные и ориентированные исследования, направленные на повышение прочностных и эксплуатационных свойств изделий и конструкций, проведение ремонта и упрочняющей обработки ресурсоопределяющих деталей, показали, что применение нового концептуального подхода к обеспечению эксплуатационной надежности изделий автобронетанковой техники Вооруженных Сил России может быть весьма эффективным.
Учитывая накопленный опыт по применению результатов фундаментальных и ориентированных исследований для повышения обороноспособности страны, в течение 1992–2000 гг., в ИФПМ СО РАН выполнялись исследования, направленные на поиск их возможного применения при производстве, эксплуатации и ремонта техники специального назначения. Результатом этой деятельности стало создание на базе автомобиля КАМАЗ подвижного комплекса для проведения технологических работ по сварке, наплавке и резке металлов и их сплавов в условиях отсутствия стационарной электрической сети.
Кузов фургона автомобиля КАМАЗ был модернизирован применительно к требованиям мастерской сварочных работ в полевых условиях. Произведен монтаж электрооборудования для обеспечения бортового питания постов сварки, резки и штатного инструмента; газового оборудования и магистралей для обеспечения сварки, и резки; вентиляционного оборудования; оборудования для резки.
В состав комплекса входили специализированное сварочное оборудование (тиристорные постовые регуляторы УДИ-205, УДГИ-201), имеющие в своей структуре блоки управления энергетическими характеристиками технологического процесса с реализацией адаптивных алгоритмов импульсного управления, важным достоинством которых являлась возможность стабилизации мгновенных значений основных технологических параметров, длительности интервалов плавления и переноса каждой капли электродного металла. Передвижные ремонтные мастерские снабжались оборудованием для импульсно-дуговой сварки, обеспечивающих: минимальное разбрызгивание электродного металла, стабилизацию горения дуги с целью уменьшения перегрева изделия и степени остаточных деформаций.
В 2000 году опытный образец такой мастерской прошел межведомственные испытания и был рекомендован для производства с последующей поставкой в подразделения МО РФ, обеспечивающих ремонт техники специального назначения, работающих в разных климатических условиях. Однако из-за сложного экономического состояния страны в тот период времени, их производство не осуществлялось.
В настоящее время стратегия, которая была заложена в концепцию обеспечения надежности и живучести техники специального назначения, вновь становится актуальной. Это связано прежде всего с увеличением номенклатуры создаваемой техники, реализующей эффективное решение тактических задач в различных климатических условиях.
Таким образом, практическая реализация сформулированного подхода по повышению эффективности применения новых подходов в организации ремонтного обслуживания техники специального назначения, используемой в различных климатических условиях, позволит обеспечить высокую боеспособность ВВТ, а также сохранить бесперебойное функционирование стратегически важных для государства объектов: предприятий энергетики, мостовых конструкций и трубопроводного транспорта, нефте- и газодобывающего оборудования, горнодобывающей техники, машиностроительных и химических производств, ответственных за стратегическую безопасность России.
Ю.Н. Сараев, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
