Електронно-променеві технології та їх застосування в енергетиці, ракето- та літакобудуванні, медицині (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 29 листопада 2023 р.)

Електронно-променеві технології та їх застосування в енергетиці, ракето- та літакобудуванні, медицині (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 29 листопада 2023 р.)

У доповіді наведено найбільш вагомі результати фундаментальних та прикладних досліджень, проведених в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, зі створення електронно-променевих технологій та обладнання для їх реалізації в різних галузях промисловості України....

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2024
Автор: Нестеренков, В.М.
Формат: Стаття
Мова:Ukrainian
Опубліковано: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2024
Назва видання:Вісник НАН України
Теми:
З кафедри Президії НАН України
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/201724
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Електронно-променеві технології та їх застосування в енергетиці, ракето- та літакобудуванні, медицині (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 29 листопада 2023 р.) / В.М. Нестеренков // Вісник Національної академії наук України. — 2024. — № 1. — С. 76-82. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-201724
record_format dspace
spelling irk-123456789-2017242025-01-29T18:51:37Z Електронно-променеві технології та їх застосування в енергетиці, ракето- та літакобудуванні, медицині (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 29 листопада 2023 р.) Нестеренков, В.М. З кафедри Президії НАН України У доповіді наведено найбільш вагомі результати фундаментальних та прикладних досліджень, проведених в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, зі створення електронно-променевих технологій та обладнання для їх реалізації в різних галузях промисловості України. The report presents the most significant results of fundamental and applied research conducted at the Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine on the creation of electron beam technologies and equipment for their implementation in various industries of Ukraine. 2024 Article Електронно-променеві технології та їх застосування в енергетиці, ракето- та літакобудуванні, медицині (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 29 листопада 2023 р.) / В.М. Нестеренков // Вісник Національної академії наук України. — 2024. — № 1. — С. 76-82. — укр. 1027-3239 DOI: doi.org/10.15407/visn2024.01.076 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/201724 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 З кафедри Президії НАН України
З кафедри Президії НАН України
spellingShingle З кафедри Президії НАН України
З кафедри Президії НАН України
Нестеренков, В.М.
Електронно-променеві технології та їх застосування в енергетиці, ракето- та літакобудуванні, медицині (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 29 листопада 2023 р.)
Вісник НАН України
description У доповіді наведено найбільш вагомі результати фундаментальних та прикладних досліджень, проведених в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, зі створення електронно-променевих технологій та обладнання для їх реалізації в різних галузях промисловості України.
format Article
author Нестеренков, В.М.
author_facet Нестеренков, В.М.
author_sort Нестеренков, В.М.
title Електронно-променеві технології та їх застосування в енергетиці, ракето- та літакобудуванні, медицині (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 29 листопада 2023 р.)
title_short Електронно-променеві технології та їх застосування в енергетиці, ракето- та літакобудуванні, медицині (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 29 листопада 2023 р.)
title_full Електронно-променеві технології та їх застосування в енергетиці, ракето- та літакобудуванні, медицині (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 29 листопада 2023 р.)
title_fullStr Електронно-променеві технології та їх застосування в енергетиці, ракето- та літакобудуванні, медицині (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 29 листопада 2023 р.)
title_full_unstemmed Електронно-променеві технології та їх застосування в енергетиці, ракето- та літакобудуванні, медицині (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 29 листопада 2023 р.)
title_sort електронно-променеві технології та їх застосування в енергетиці, ракето- та літакобудуванні, медицині (стенограма доповіді на засіданні президії нан україни 29 листопада 2023 р.)
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate 2024
topic_facet З кафедри Президії НАН України
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/201724
citation_txt Електронно-променеві технології та їх застосування в енергетиці, ракето- та літакобудуванні, медицині (стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 29 листопада 2023 р.) / В.М. Нестеренков // Вісник Національної академії наук України. — 2024. — № 1. — С. 76-82. — укр.
series Вісник НАН України
work_keys_str_mv AT nesterenkovvm elektronnopromenevítehnologíítaíhzastosuvannâvenergeticíraketotalítakobuduvannímedicinístenogramadopovídínazasídanníprezidíínanukraíni29listopada2023r
first_indexed 2025-02-09T04:45:50Z
last_indexed 2025-02-09T04:45:50Z
_version_ 1823553723729707008
fulltext 76 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (1) ЕЛЕКТРОННО-ПРОМЕНЕВІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ В ЕНЕРГЕТИЦІ, РАКЕТО- ТА ЛІТАКОБУДУВАННІ, МЕДИЦИНІ Стенограма доповіді на засіданні Президії НАН України 29 листопада 2023 року У доповіді наведено найбільш вагомі результати фундаментальних та прикладних досліджень, проведених в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, зі створення електронно-променевих тех- нологій та обладнання для їх реалізації в різних галузях промисловості України. Шановний Анатолію Глібовичу! Шановні присутні! В останні роки електронно-променеві технології знайшли ши- роке застосування в багатьох виробничих процесах при виго- товленні конструкцій енергетики, ракето- та літакобудування, медицини, хімічного та загального машинобудування. В Інсти- туті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України приді- лялася і приділяється велика увага дослідженням фізичних процесів взаємодії електронних пучків великої потужності з металами та сплавами і розробленню на цій основі техноло- гічних процесів для промисловості. Створене в Інституті нове покоління електронно-променевого обладнання дозволяє ви- рішувати завдання щодо з’єднання елементів складних кон- струкцій у різних галузях промисловості, насамперед в авіацій- ній та космічній, які посідають провідне місце з використання легких та міцних сплавів кольорових металів. Усі ці установки умовно можна поділити на кілька типів за габаритами зварювальних камер, а відповідно, і за розмірами деталей, що зварюються: «малі» (0,26—5,70 м3), «середні» (19— 42 м3) і «великі» (80—100 м3). Інститут розробляє та виготов- ляє безліч варіацій розмірів зварювальних камер і відповідних конфігурацій вакуумної системи, а також конфігурацій меха- нізму переміщення електронно-променевої гармати та/або де- талі, що зварюється, під конкретні завдання замовників, а саме, НЕСТЕРЕНКОВ Володимир Михайлович — член-кореспондент НАН України, завідувач відділу фізичних процесів, техніки i устаткування для електронно- променевого і лазерного зварювання Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України doi: https://doi.org/10.15407/visn2024.01.076 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 1 77 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Рис. 1. Малогабаритна електронно-променева зварю- вальна установка Рис. 2. Середньогабаритна електронно-променева зва- рювальна установка розміри та форму зварюваних вузлів, тип і роз- ташування. Це так звані спеціальні установ- ки. Крім самого устаткування, розробляєть- ся й конкретна технологія зварювання таких вузлів, тобто замовник отримує зварювальну установку разом із технологією електронно- променевого зварювання (ЕПЗ) конкретного переліку виробів. Аналогічної технічної іде- ології дотримуються відомі виробники ЕПЗ- обладнання: Sciaky Inc. (США), PTR Group (Німеччина), Techmeta (Франція). Наші електронно-променеві зварювальні установки з малими вакуумними камерами (<10 м3) (рис. 1) працюють як в Україні, так і в багатьох інших країнах світу, таких як США, Індія, Китай, Нідерланди та ін. Вони призна- чені для виготовлення елементів електроніки, датчиків, діафрагм, гіроскопів тощо. Системи обертання та переміщення, застосовані в таких малогабаритних установках, забезпечують ви- соку точність виготовлення виробів. Середньогабаритні установки (рис. 2) вия- вилися найбільш універсальними з точки зору кількості та різноманітності робіт, що викону- ються на них. Вони оснащені вертикальними, горизонтальними та похилими обертачами виробів. Внутрішньокамерна електронно-про- менева гармата кріпиться на прецизійному механізмі багатовісного переміщення. Цей ме- ханізм забезпечує керований ЧПУ лінійний рух гармати вздовж трьох декартових коорди- натних осей (вздовж камери — Х, поперек ка- мери — Y і вертикально — Z), а також поворот гармати на кут 0—90° в площині Z-X (від вер- тикальної орієнтації гармати до горизонталь- ної), що забезпечує можливість зварювання виробів зі складною просторовою геометрією. У середньогабаритних установках з об’ємом вакуумних камер 19—42 м3 робочий вакуум 2·10–4 торр за допомогою сучасних засобів від- качування досягається за 18—20 хвилин. За необхідності можлива комплектація вакуум- ної системи, що забезпечує протягом менш як 20 хвилин тиск у камері менший за 5·10–5 торр. Залежно від конкретного призначення (зва- рюваний матеріал, його товщина) установки, що розглядаються, укомплектовуються новіт- німи високовольтними інверторними зварю- вальними джерелами живлення потужністю 15, 30 і 60 кВт (працюють за фіксованої при- скорювальної напруги 60 кВ). Зварювальне джерело розроблено так, що фактично є окре- мим самодостатнім апаратним комплексом, вся взаємодія з яким здійснюється через про- мисловий інтерфейс (шина CAN). Установки комплектуються нерозривно ін- тегрованою у зварювальне джерело системою вторинно-емісійної електронної візуалізації «РАСТР». На основі генерованого системою 78 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (1) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ «РАСТР» модуляційного сигналу зварюваль- не джерело короткочасно формує на поверхні деталі, що зварюється, електронний растр. У місцях бомбардування поверхні деталі первин- ними електронами пучка емітуються вторинні електрони, які вловлюються спеціальним па- сивним датчиком, розташованим у торці зва- рювальної гармати. Датчик може мати різне конструктивне виконання, що залежить від сфери застосування, тобто він може бути адап- тований під конкретну конфігурацію деталей, що зварюються. Безпосередньо поблизу цьо- го датчика розташовано компактний блок по- переднього підсилювача, який формує та по- силює корисний сигнал. У результаті сигнал оцифровується і видається на інтерфейс опе- ратора у вигляді зображення. Система формує досить стійке зображення зони зварювання перед початком зварювання, після його завер- шення і безпосередньо під час виконання само- го зварювання. Великогабаритні установки (рис. 3) мають об’єм зварювальної камери до 100 м3. За при- значенням подібні установки в принципі не відрізняються від середньогабаритних і мо- жуть розглядатися як універсальні, але вони розраховані, відповідно, на вузли значно біль- ших габаритів. При цьому діапазон товщин, що зварюються, як і для середньогабаритних, перебуває в межах можливостей зварюваль- них енергоблоків потужністю 15, 30 або 60 кВт (60 кВ). Установки комплектуються нерозривно ін- тегрованою у зварювальне джерело системою вторинно-емісійної електронної візуалізації «РАСТР». Типовий робочий тиск у камері — 2·10–4 торр. При цьому час повного відкачу- вання зазвичай не перевищує 45 хвилин, а в разі відповідної комплектації вакуумної систе- ми може бути зменшений до 20 хвилин за ро- бочого тиску в камері не вище ніж 8·10–5 торр. Такі установки мають прецизійний ЧПУ-ме- ха нізм переміщення внутрішньокамерної зва- рювальної гармати з тими самими, що й у серед- ньогабаритних установках, ступенями свободи. Обидва типи установок сконструйовано з урахуванням проведених досліджень поведін- ки розплавленого металу в парогазових кана- лах великої глибини. Виконані дослідження спектра власних коливань розплавленого ме- талу в парогазових каналах великої глибини показали, що перша гармоніка цих коливань має визначальний вплив на стабільність паро- газового каналу і зумовлює утворення дефек- тів у вигляді різних несуцільностей у середній та кореневій частинах зварних швів. Було отримано дисперсійне рівняння для власних коливань розплавленого металу в па- рогазових каналах при процесі ЕПЗ, що вста- новився: 2 2 2 2 2 [( ) 1] ,m m k k R m C R        Рис. 3. Великогабаритна електронно-променева зва- рювальна установка Рис. 4. Установка для зварювання бурових доліт ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 1 79 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Рис. 5. Установка для електронно-променевого зварю- вання слябів Рис. 6. Спеціалізована електронно-променева зварю- вальна установка для гранульної металургії де m — мода власних коливань розплаву; ωm — частота m-ї моди; Cm — коефіцієнт m-ї моди; k — хвильовий вектор. Аналіз цього рівняння показує, що нульова мода коливань m0 розплаву в каналі відповідає перетяжкам каналу по його висоті, що спричи- няє утворення дефектів у шві. Водночас перша мода коливань m1 відповідає зсувним дефор- маціям розплавленого металу в каналі і не при- зводить до порушення формування шва. Як можна зменшити амплітуду низькочас- тотних коливань розплавленого металу в ка- налі? Це можна зробити, наприклад, шляхом нахилу площини стику та електронного пучка на кут 10—12° до горизонту. За такої просторо- вої переорієнтації зварювальної ванни в полі сили тяжіння відбувається змінення характеру власних коливань розплаву, перетворення їх із суто капілярних хвиль, характерних для вер- тикального каналу, на капілярно-гравітаційні хвилі. Подібна трансформація коливань роз- плаву в похилому парогазовому каналі приво- дить до суттєвого зростання частот найнижчих гармонік коливань, що зумовлює збільшення коефіцієнта загасання коливань та зменшен- ня амплітуди збурення поверхні розплаву на передній стінці каналу. Як наслідок, підвищу- ється стабільність зварювального процесу за- галом. Стабільність зварювального процесу можна підвищити і в інший спосіб — з використанням комбінованої розгортки з паралельним пере- несенням електронного променя вздовж і впо- перек напрямку зварювання. При цьому зни- жується концентрація потужності, що виділя- ється на стінках парогазового каналу, а також зменшується кількість первинних електронів, які досягають дна каналу. Зрозуміло, що це сприяє підвищенню стабільності парогазового каналу і дає змогу зменшити кількість корене- вих дефектів швів великої глибини. Отже, за результатами проведених в Інсти- туті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України досліджень створено нове покоління електронно-променевого обладнання, в якому застосовано концепції нахилу пучка і стику, розгортки з паралельним перенесенням пуч- ка, а також нові електронно-оптичні системи електронних гармат. Спеціалізовані електронно-променеві зва- рювальні установки ми зазвичай розробляємо під виробництво конкретних виробів, зокрема бурових доліт, товстостінних слябів, контейне- рів з гранулами тощо. Наприклад, ми виготовляємо установки для зварювання бурових доліт, призначених для використання в нафто- та газовидобувній га- лузі (рис. 4). Застосування трьох гармат, що працюють одночасно, забезпечує зварювання трьох площин з’єднання лап бурових доліт з мінімальними деформаціями корпуса долота. Інші установки, призначені для електрон- но-променевого зварювання слябів (рис. 5), застосовують у металургії для виробництва 80 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (1) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ нення гранул у капсулах з герметизацією кап- сул електронно-променевим зварюванням (рис. 6). У вакуумній камері установки капсулу спо- чатку нагрівають до 700 °С для видалення з її поверхні адсорбованих газів та вологи, потім її заповнюють порошковим матеріалом, здій- снюючи паралельно віброущільнення гранул, і закривають горловину капсули пробкою з подальшою герметизацією за допомогою зва- рювання. Після охолодження заповнених та герметизованих у вакуумі капсул вони над- ходять у машину ізостатичного пресування, в якій, власне, і виготовляють деталі, скажімо, для компонентів газотурбінних двигунів. Відносно новим напрямом розробок Ін- ституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України є створення високопродуктив- них установок для електронно-променевого спікання заготовок із порошкових матеріалів на основі карбідів вольфраму та кобальту, які отримують у процесі перероблення виробни- чих відходів, різального інструменту, штам- пів, прес-форм, фільєр. Ці роботи проводять- ся спільно з компанією ПрАТ «ПлазмаТек» (м. Вінниця) (рис. 7). У завантажувальний пристрій установки поміщають сформовані циліндричні заготовки, розділені між собою графітовими вставками для запобігання їхньо- му спіканню. Далі заготовки по черзі потра- пляють під скануючий електронний промінь, відбувається їх нагрівання, оплавлення та усадка (усідає до 30 % початкового об’єму за- готовки). При цьому висока точність виготов- лення значно скорочує витрати на фінальній стадії обробки виробу. Застосування цієї технології забезпечує ви- сокі швидкості нагрівання виробів і підвищені швидкості їх охолодження після вимикання електронного променя, що приводить до спо- вільнення процесу зростання зерен перекрис- талізації рідкої фази, зменшення мінімального розміру зерна і, відповідно, до поліпшення екс- плуатаційних характеристик готових виробів. У результаті деталі, виготовлені методом елек- тронно-променевого спікання, за своїми ха- рактеристиками не поступаються найкращим Рис. 8. Обладнання для пошарового виготовлення об’єм них виробів складної форми методом електрон- ного променевого друку великогабаритних товстолистових заготовок спеціального призначення. Вони дозволяють зварювати два або три оброблені листи сталі з габаритними розмірами 2×4×0,2 м в одну заго- товку масою 75 т. Після електронного проме- невого зварювання заготовки надходять на на- грівання та гарячу прокатку до набуття ними необхідних у промисловості розмірів. Великий попит мають наші установки для дегазації, заповнення та вібраційного ущіль- Рис. 7. Обладнання для електронно-променевого спікання твердосплавних заготовок: 1 — електронно- променева гармата; 2 — вакуумна камера; 3 — двері; 4 — вакуумна система; 5 — шафа керування; 6 — сило- ва шафа; 7 — шафа джерела живлення; 8 — завантажу- вальний пристрій ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 1 81 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Рис. 9. Застосування тех- нології електронно-про- меневого зварювання в авіабудуванні зарубіжним зразкам, але мають значно меншу собівартість виготовлення. Інноваційні технології пошарового виготов- лення виробів методом швидкого друку відкри- вають нові можливості для виробництва деталей заданої форми. В Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України створено облад- нання для пошарового виготовлення об’ємних виробів складної форми методом електронного променевого друку із застосуванням металевих порошкових матеріалів з гранулами сферичної та довільної форми (рис. 8). Принцип цієї технології полягає в тому, що порошок з бункерів за допомогою механізму розподілу рівномірно розкладають на робочо- му столі, де він поетапно прогрівається аж до його плавлення. Далі наносять наступний шар порошку, і процес повторюється до отримання готового виробу заданої форми. Створені нами установки призначені для виготовлення виро- бів промислового та медичного застосування. На сьогодні електронний промінь успішно працює при виготовленні направляючого апа- рату авіаційних турбін різної потужності, ре- монті лопаток вентиляторного тракту турбін, виготовленні балок центроплану і крила літа- ків, а також при зварюванні камер згоряння (рис. 9). Розроблено також технологію ремонту час- тин авіаційних двигунів: камер згоряння, гід- роциліндрів високого тиску, направляючого апарата статора компресора високого тиску газотурбінних двигунів. Отже, в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України отримано низку важливих науково-практичних результатів: • створено нове покоління високопродук- тивного електронно-променевого обладнання для зварювання та наплавлення, яке є конку- рентоспроможним на світовому ринку; • розроблено обладнання для спікання і ло- кальної термічної обробки електронним пуч- ком циліндричних заготовок з порошкових матеріалів на основі карбідів вольфраму; • вперше в Україні створено обладнання для адитивного електронно-променевого виробни- цтва із застосуванням металевих порошкових матеріалів і присадних дротів для використан- ня на підприємствах авіакосмічної промисло- вості та для потреб медицини; • розроблено технологію й обладнання для ремонту компонентів авіаційних двигунів. Дякую за увагу! За матеріалами засідання підготувала О.О. Мележик 82 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (1) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Vladimir M. Nesterenkov Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7973-1986 ELECTRON BEAM TECHNOLOGIES AND THEIR APPLICATION IN ENERGY, ROCKET AND AIRCRAFT CONSTRUCTION, MEDICINE Transcript of scientific report at the meeting of the Presidium of NAS of Ukraine, November 29, 2023 The report presents the most significant results of fundamental and applied research conducted at the Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine on the creation of electron beam technologies and equipment for their imple- mentation in various industries of Ukraine. Cite this article: Nesterenkov V.M. Electron beam technologies and their application in energy, rocket and aircraft con- struction, medicine. Visn. Nac. Akad. Nauk Ukr. 2024. (1): 76—82. https://doi.org/10.15407/visn2024.01.076

Схожі ресурси