Лазерный мир

А.С. Ермолаев, А.М. Иванов, С.А. Василенко, ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2013. № 35, с:49-63, УДК 669-1

В зарубежном и российском авиационном производстве лазерные методы обработки материалов применяются сравнительно давно. Следует, однако, учитывать, что внедрение новых технологических процессов требует огромного количества испытаний и согласований, в результате от появления идеи до внедрения технологии в производство может пройти не один год.

В данной статье рассмотрены примеры применения лазерного раскроя, 3D-лазерной резки, сварки и порошковой наплавки LMD (Laser Metal Deposition) при изготовлении различных компонентов авиационного двигателя и ремонте ответственных деталей из жаропрочных никелевых и титановых сплавов компрессора высокого давления и камеры сгорания, описаны преимущества, которые способствуют внедрению лазерной обработки в производство.

Описание на английском языке:

A.S. Ermolaev, A.M. Ivanov, S.A. Vasilenko, Aviadvigatel OJSC, Perm, LASER TECHNOLOGY AND PROCESSES WHEN MANUFACTURING AND REPAIR OF DETAILS OF THE GAS-TURBINE ENGINE
In foreign and Russian aviation manufacture the laser methods of material processing are applied rather for a long time. It is necessary to consider however, that introduction of new technological processes requires huge quantity of tests and coordination, as a result from appearance of idea to introduction of technology in manufacture one can pass not one year. In the article the examples of application 3D laser cutting are considered, weldings and laser powder cladding LMD (Laser Metal Deposition) when manufacturing various components of the aviation engine and when repair of responsible details from heat resisting nickel and titanium alloys of the high pressure compressor and the chamber of combustion. It is described advantages which allow to achieve introduction of laser processing in
manufacture.

Восстановление деталей газотурбинного двигателя методом лазерной наплавки LMD

В рамках создания перспективного двигателя ПД-14 для самолета МС-21 в конструкции компрессора высокого давления применяются моноколеса (рис. 1). В процессе эксплуатации моноколеса (лопатки и диск, выполненные как единое целое) испытывают вибрации и удары, подвергаются абразивному износу, воздействию высоких температур и прочих негативных факторов. Это приводит к образованию трещин, забоин, изменению прочностных характеристик и искажению геометрии профиля каждой лопатки. Поскольку реальная геометрия каждой лопатки моноколеса после эксплуатации отличается от номинальной геометрии CAD-модели, для осуществления ремонта лопаток необходимо применение адаптивных методов обработки, в частности адаптивной лазерной порошковой наплавки LMD. Адаптивные методы обработки отличаются от стандартных тем, что программы ЧПУ необходимо адаптировать индивидуально к геометрии каждой детали, тогда как при использовании стандартных методов обработки целый ряд деталей обрабатывается по одной и той же номинальной программе ЧПУ.

Ввиду высокой дороговизны моноколеса его ремонт представляется перспективным направлением. Решение данной проблемы возможно с применением аддитивных технологий – лазерной газопорошковой наплавки LMD (Laser Metal Deposition) [1, 2]. Существует несколько процессов LMD, но все они работают по одному принципу: сфокусированный лазерный луч направляется на порошок, происходит его плавление и постепенное, слой за слоем, формирование на обрабатываемой детали наплавленного металла (рис. 2).

Использование метода LMD для восстановления деталей газотурбинного двигателя обусловлено локальностью воздействия, что приводит к снижению короблений деталей и уменьшению зоны термического влияния. Это не вызывает значительного снижения прочности, а деформации (коробление, поводки) также ниже, чем при традиционной сварке. Наплавка LMD особенно целесообразна для сложных деталей малых и средних размеров. Ремонт авиационных деталей с помощью LMD может быть очень выгоден, так как изготовление новой детали может оказаться в 20 раз дороже.

…
Лазерная резка и перфорация отверстий

В конструкциях изделий авиационной техники широкое применение находят детали из листовых заготовок различных материалов. Важнейшим направлением интенсификации производства является внедрение прогрессивных технологий, которые способствуют повышению качества, надежности и экономических показателей производства. Технология лазерной резки широко применяется на передовых предприятиях авиационной отрасли, в числе которых ОАО «Авиадвигатель». Этот метод позволяет выполнять раскрой и перфорацию отверстий с очень высокой точностью, бесконтактен, остаточные напряжения минимальны [4].

Изменяя технологические параметры и режим работы лазера, решали две основные задачи:
1. Обеспечить все геометрические размеры с учетом  требований чертежа.
2. Обеспечить минимальные изменения в микроструктуре материала, исключить образование трещин.

Контроль качества обработки включал визуальный осмотр, контроль геометрии и металлографические исследования. Предварительно были проработаны технические требования чертежей на детали и определены ряды отверстий с допусками на диаметр +0,05 мм. Режимы резки  трабатывались на листовой заготовке толщиной 1,2 мм из материала стенок жаровых труб ЭП648-ВИ.
Внешний осмотр показал (рис. 10), что форма отверстий – ровная окружность, со стороны кромок входа и выхода луча имеются незначительные выплески металла, шероховатость поверхности Ra = 2,7…3,5 мкм.

Металлографические исследования на поперечных микрошлифах (рис. 11) поверхности отверстий показали наличие измененного слоя. Глубина измененного слоя по контуру отверстий от 6 до 14 мкм, максимальная глубина слоя 54 мкм наблюдается в месте входа и выхода луча с контура отверстия, конусность 0,02–0,05 мм. Микротвердость измененного слоя в отверстиях 302–336 кгс/мм2, микротвердость материала образца 258–270 кгс/мм2. Трещин в измененном слое не обнаружено.

…
Лазерная сварка форсунок кольцевой камеры сгорания

Среди методов сварки металлов лазерная сварка занимает особое место, отличаясь спецификой воздействия на материал и изменения плотности мощности вводимой энергии в широких пределах (от 103 до 107 Вт/см2). Из всего многообразия методов сварки плавлением наиболее целесообразно проводить сравнение лазерной сварки с дуговой неплавящимся электродом и электронно-лучевой сваркой (ЭЛС). Эти методы наиболее эффективно могут быть заменены лазерной сваркой без принципиального изменения конструкции детали [5]. В связи с этим она имеет существенные преимущества перед традиционными методами сварки:
– высокая точность позиционирования лазерного луча в процессе сварки;
– возможность сварки в различных пространственных положениях;
– как перемещение детали относительно оптического устройства за счет поворотного стола, так и возможность перемещения оптического устройства относительно детали, а также одновременное перемещение детали и оптического устройства;
– минимальная зона термического влияния в результате локального воздействия луча лазера;
– наблюдение за процессом сварки и формированием сварного шва с помощью системы слежения;
– постоянство параметров режима на протяжении всего процесса сварки с гарантированным обеспечением требований по глубине проплава и качественное формирование сварного шва.

Работа по сварке форсунок кольцевой камеры сгорания состояла из нескольких этапов:
1. Подбор режима лазерной сварки, обеспечивающий технические требования чертежа по глубине проплава на образцах – имитаторах сварного соединения.
2. Лазерная сварка контрольного образца форсунки на оптимальных режимах сварки и металлографические исследования сварного соединения для оценки глубины проплава.
3. Собственно лазерная сварка комплекта форсунок.

Согласно чертежу на форсунке предусмотрены два шва, выполненные электронно-лучевой сваркой (допускается выполнение лазерной сварки):
– шов № 1: сварка втулки (материал ЭП678У-ВИ) с корпусом форсунки (материал ВХ4Л-ВИ) на глубину 1–1,5 мм;
– шов № 2: сварка стакана (материал ЭП648-ВИ) с корпусом форсунки (материал ВХ4Л-ВИ) на глубину 0,5–1,5 мм.
Сварка контрольного образца форсунки (рис. 15) была выполнена за два прохода.
Внешний осмотр и осмотр при увеличении показал, что шов равномерный по ширине, открытой пористости и подрезов в зоне шва не выявлено. При контроле сварных швов методом цветной дефектоскопии (ЦМ-15) поверхностные дефекты не выявлены (рис. 16).

Полное содержание статьи: http://cyberleninka.ru/article/n/lazernye-tehnologii-i-protsessy-pri-izgotovlenii-i-remonte-detaley-gazoturbinnogo-dvigatelya