Способ электронно-лучевой сварки

 

Изобретение относится к технологиисварк^изделий большой толщины со сквоз- 1НЫМ проплавлением. Цель изобретения - увеличение срока службы экрана, уменьшение габаритов и расхода металла на его изготовление путем уменьшения его оплавления. Электронный пучок 2, генерируемый пушкой 1, взаимодействует со свариваемыми деталями 3. Проходящий пучок 4 попадает на металлический цилиндр 5, вращающийся на оси электродвигателя 6. Цилиндр 5 устанавливают так, чтобы угол попадания на него пучка 4 наход|/(лся в пределах О < ^ < 90°. Способ позволяет увеличить стойкость защитного экрана с 5ч до 15ч работы. 1 ил.S 'елСИзобретение относится к сварке и мо-' жет быть использовано при электронно-лучевой сварке (ЭЛС) изделий большой толщины со сквозным проплавлением. ,Известен способ, реализованный в уЬТ" ройстве контроля полного проплавления металла малой толщины, по которому с обратной стороны стыка на определенном расстоянии от последнего располагается стационарно поглотитель (защитный экран) электронов проходящего сквозь свариваемые изделия пучка. Тем сам1|>&1м с помощью поглотителя стенки электронно-лучевой камеры, надежно защищены от негативнЬго воздействия на них проходящего пучка.Недостатком данного способа является то, что,при ЭЛС изделий большой толщину, когда мощность проходящего пучка колеблется в пределах от 5 до 15 кВт, стационарное (неподвижное) расположение поглотителя приводит к резкому сокращению срокаслужбы последнего. В данном случае увеличение долговечности поглотителя связано с увеличением габаритов (толщины) поглотителя, а следовательно, дополнительным расходом металла.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ ЭЛС толстых плит толщиной порядка 100 мм электронным пучком мощностью 50 кВт, из которых 5-15 кВт теряются на сквозное прохождение и "задерживаются" специальным поглотителем, расположенным с обратной стороны стыка. Отличительной особенностью способа является применение колебательного'движения поглотителя в своей плоскости, перпендикулярной плоскости стыка.К недостаткам данного способа можно отнести следующее. Так как используется колебательное (возвратно-поступательное) движение поглотителя в ?воей плоскости.VIN>&О4^

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я)5 В 23 К 15/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ (22) 22.01.90 (46) 15.02.92. Бюл. М 6 (?1) Институт электросварки им. Е.О.Патона (72) В.В.Зубов и B .È.Êècëûé (53) 621.791.72(088.8) (56) Устройство для контроля проплавления при электронно-лучевой сварке. -Автоматическая сварка, 1967, hL 9, с.48.

Патент Японии hh 58-13273, кл. В 23 К 15/00 (12В11), 1983. (54) СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ

СВАРКИ (57) Изобретение относится к технологии

Изобретение относится к сварке и мо-" жет быть использовано при электронно-лучевой сварке (ЭЛС) изделий большой толщины со сквозным проплавлением,,, Известен способ; реализованный, в уст . ройстве контроля полного проплавления металла малой толщины, по которому с обратной стороны стыка на определенном, . расстоянии от последнего располагается стационарно поглотитель (защитный экран) электронов проходящего сквозь свариваемые изделия пучка. Тем самым с помощыб поглотителя стенки электронно-лучевой ка-: меры. надежно защищены от негативного.--. воздействия на них проходящего пучка.

Недостатком данного способа является то,-что,при ЭЛС изделий большой толщины, когда мощность проходящего пучка колеблется в пределах от 5 до 15 кВт, стационарное (неподвижное) расположение поглотителя приводит к резкому сокращению срока

„„SU „„1712104 Al ным проплавлением, Цель изобретения— увеличение срока службы экрана, уменьшение габаритов и расхода металла на его изготовление путем . уменьшения его оплавления. Электронный пучок 2, генерируемый пушкой 1, взаимодействует со свариваемыми деталями 3. Проходящий пучок

4 попадает на металлический цилиндр 5, вращающийся на оси электродвигателя 6.

Цилиндр 5 устанавливают так, чтобы угол попадания на него пучка 4 находИлся в пределах 0 (у (90 . Способ позволяет увеличить стойкость защитного экрана с 5ч до 15ч работы. 1 ил. службы последнего. В данном случае увеличение долговечности поглотителя связано с увеличением габаритов (толщины) поглотителя, а следовательно, дополнительным расходом металла.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ ЭЛС толстых плит толщиной порядка 100 мм электронным пучком мощностью 50 кВт, из которых 5 — 15 кВт теряются на сквозное прохождение и "задерживаются" специальным поглотителем, расположенным с обратной стороны стыка.

Отличительной особенностью способа является применение колебательного движения поглотителя в своей плоскости, перпендикулярной плоскости стыка.

К недостаткам данного способа можно отнести следующее, Так как используется кол ебател ьное (возвратно-поступател ь ное) движение поглотителя в,своей плоскости, 1712104 перпендикулярнои пло скости стыка свари- щающийся вокруг оси, которую ориентируваемых изделий, то при пе ри перемещении по- ют параллельно стыку и смещают относиглотителя будут иметь м б е ь место участок тельно плоскости стыка на расстояние, торможения (скорость и (ость поглотителя прибли- меньшее радиуса металлического цилинджается к нулю), участок покоя (скорость по- 5 ра. глотителя равна нулю), уча т ю) участок разгона. Сущность изобретения состоит в том, Кроме того, так как поглотит л, о лотитель как прави- что в процессе ЭЛС изделий большой толло, представляет со ой м обой массивную плиту, щины со сквозным проплавлением поглоизготовленную из меди (и е и(имеет высокий ко- щение проходящего пучка выполняют эффициент теплопроводн одности) то говорить 10 защитным экраном в виде металлического о мгновенной смене направл аправления движения цилиндра, вращающегося отн9сительно поглотителя нельзя. оэтом

Поэтому с учетом боль- своей оси, определенным образом ориентишой мощности проходящег охо ящего пучка при ЭЛС рованной относительно линии и плоскости изделий большои толщин олщины со сквозным стыка. При этом действует ряд факторов, не проплавлением, а такж акже с учетом перпенди- 15 имеющих место в прототипе и позволяющих е кулярного падения проходящего пучка на реализовать цель изобретения, теля во время тормо- 1, При вращении цилиндрического пожения, покоя и разгона поглотителя в месте глотителя (экрана) относительно его оси в взаимодействия пучка с последни с последним (погло- процессе ЭЛС поверхность поглотителя ратителем) поверхность уд т ть б ет подплавляться, 20 зогревается проходящим пучком равномербудут образовываться углубления в метал- но со всех сторон (по способу-прототипу ле. Кроме того, так как . К, как одна поверхность только одна поверхность плиты является рапоглотителя является рабочей (взаимодей- бочей). ствующей с проходящим пучком), траекто-. 2. При реализации вращательного двирия движения пучка и о поглотителю 25 жения цилиндрического поглотителя нет г ограничивается однои п о поверхностью это принципиальных ограничений на частоту ведет к неравномерному прогреву поглоти- вращения поглотителя(по способу-прототителя, в результате чего могут огут иметь место пу скорость перемещения массивной плиты подплавления поверхности. Необходимо ограничена, так как за режимом разгона добавить, что при возвратно-поступатель- 30 следуетрежимторможения).Увеличениечаном перемещении массивн и массивной плиты, когда стоты вращения также является фактором, ход плиты сравнительно тельно небольшой и ре- способствующим повышению долговечножим разгона сменяется режимом торможе- сти поглотителя. ния, практически невозможно достичь 3. При расположении оси вращения цибольшой скорости перемещения поглотите- 35 линдрического поглотителя параллельно ля, кроме того, ольшие г, б ие габариты массив- линии стыка и смещении оси ниже (выше) я) чет хода плиты относительно плоскости стыка (величина ной плиты (поглотителя), учет ход ния / Ж/ нахо ится в и и возвратно-поступательном перемеще- смещения оси вращения / ./ находится в при возв нии требуют резервирования значительно- следующих пределах; 0 / /, д го пространства в электронно-лучевой 40 радиус цилиндрического поглотителя) ось камере с обратной стороны стыка, что на проходящего сквозь свариваемые изделия и актике далеко не всегда представляется пучка составляет угол рс перпендикуляром возможным. к касательной к сечению цилиндра, провеПеречисленные недостатки ограничи- денной через точку взаимодействия проховают срок службы поглотителя. Кроме того, 45 дящего пучка с поглотителем в данный техническая реализация возвратно-посту- . момент времени. С учетом пределов измепательного перемещения массивной плиты нения смещения оси /Ь/ угол ризменяеттакже имеет свои трудности. ся в следующих пределах: 0

Целью изобретения является увеличе- угле падения проходящего пучка на поверхние срока службы экрана, уменьшение его 50 ность поглотителя, равном р, в данный могабаритовирасходаметалланаегоизготов- . мент. времени площадь поверхности ление путем уменьшения его оплавления. поглотителя S,.âçàèìîäåécòeóþùåé с проПоставленная цель достигается тем, что ходящим пучком, увеличивается. Для оценсогласно способу электронно-лучевой свар- ки площади S> допустим, что сечением ки соединений большой толщины со сквоз- 55 проходящего пучка является круг с.радиуным проплавлением, при котором проходя- сом r и площадью S p =юг соответственно, щий через соединение пучок поглощают по- а также с учетом малых размеров сечения движным экраном, который располагают с проходящего пучка по отношению к кривизобратной стороны стыка, в качестве экрана не поверхности поглотителя допустим, что используют металлический цилиндр, вра1712104 проходящий пучок в данный (фиксированный) момент времени взаимодействует с наклонной плоскостью (часть поверхности поглотителя). Известен геометрический эф- ., фект, что при пересечении цилиндра пло- 5 скостью под некоторым углом к оси, в. сечении получается эллипс, площадь кото-. рого определяется как Ss = жаЬ, где а и Ь : " — малая и большая полуоси эллипса соответ-:.. ственно. В нашем случае в качестве цилин- 10 дра выступает проходящий-пучок, .а. в .. . качестве пересекающей плоскости — уча-.. сток поверхности поглотителя. Таким образом, площадь Sn определяется как площадь эллипса, где а = r, b = r/сов р. Тогда $д.=," 15 жР/сову. По способу-прототипу р= О, поэтому $> =иг2. Следовательно, в нашем случае $п увеличивается в 1/cos р раз.

Например, для р= 45 — в 1,4 раза, для р= 750 — в 4 раза, для р= 850 — в 14 раз. Увеличение 20 площади S приводит к уменьшению плот-; ности энергии пучка на поверхности поглотителя, в результате уменьшается разогрев единицы площади поверхности, увеличивается срок службы поглотителя. .25

4, Известно, что при встрече электронного пучка с поверхностью металла имеет место вторичная электронная эмиссия (от-- . раженные электроны падающего пучка от : поверхности металла). B потоке вторичных .30 электронов имеются упруго отраженные . электроны, энергия которых равна энергииэлектронов первичного (падающего) пучка; неупруго отраженные электроны, которые претерпевают более или менее значитель- З5 ные потери энергии из-за процесса рассея-ния в металле; истинно вторичные, имеющие энергию менее 50 эВ и принадлежащие металлу. Для значений энергии электронного пучка, характерных для условя 40

ЭЛС (10-150 кэВ), во взаимодействии пер.вичных электронов с металлом существенную роль играют неупруго отраженные электроны, так как. число упруго. отраженных электронов не превосходит нескольких 45 процентов от числа первичных электронев, а коэффициент истинно вторичной эмиссии при таких условиях также невелик. Извест-. но, что коэффициент неупругого отражения д(- отношение числа вторичных электро- 50 нов с энергиями, большими 50 эВ, к числу первичных электронов) возрастает с ростом угла падения р первичных электронов на поверхность металла. Например, для Be, Al, Ti, Ni, Ag имеет место зависимость 1п() = 55

in(B) — P sin р, где В,ф- константы.

Таким образом, с учетом вышесказанного при вращательном движении цилиндрическогQ поглотителя с увеличением угла у (О

5. По сравнению со способом-прототипом применение вращающегося поглотителя цилиндрической формы обеспечивает уменьшение габаритов поглотителя, снижение расхода металла на изготовление, Кроме того, реализация вращательного движения цилиндрического поглотителя упрощается по сравнению с реализацией возвратно-поступательного перемещения массивной плиты.

На чертеже показано устройство, реализующее предлагаемый способ.

На чертеже обозначены: электронно-лучевая пушка 1; электронный пучок 2, свариваемые изделия 3, проходящий пучок 4, заземленный вращающийся цилиндрический поглотитель 5; двигатель 6.

На чертеже также обозначены: угол р падения проходящего пучка на поверхность цилиндрического поглотителя; величина Ь смещения оси вращения поглотителя относительно плоскости стыка; частота и вращения поглотителя (tn) = 1с ) и направление вращения.

Предложенный способ можно представить последовательно в виде следующих укрупненных операций.

1, Включение двигателя 6, обеспечивающего вращательное движение -цилиндрического поглотителя 5.

2..Начало процесса ЭЛС изделий 3 большой толщины со сквозным проплавлением.

Электронный пучок 2, генерируемый пушкой 1, взаимодействует со стыком свариваемых изделий 3. Так как по технологическим требованиям ЭЛС изделий большой толщины со сквозным проплавлением выполняется с превышением мощности, то с обратной стороны стыка имеет место достаточно мощный (до 30 от исходного) проходящий пучок 4, попадание которого на стенки электронно-лучевой камеры недопустимо о.

3. Поглощение вращающимся цилиндрическим поглотителем 5 проходящего сквозь свариваемые изделия 3 пучка 4.

4. Окончание сварочного процесса.

5. Отключение двигателя 6, 1712104

40

50

В качестве поглотителя 5 может использоваться, например, металлический цилиндр, длина которого соответствует длине свариваемого стыка. B качестве материала поглотителя 5 может выбираться медь, обладающая высоким коэффициентом теплопроводимости (А= 389,6 Вт/м град) и достаточно высокой температурой плавления (Tnn. 1356 К), В качестве двигателя 6 необходимо выбирать такой, функционирование которого в электронно-лучевой камере не сказывается негативно на процессе ЭЛС (например, шаговый).

Апробация способа проводилась на установке У-788, укомплектованной энергоблоком ЭЛА 60/60, при величине ускоряющего напряжения Uy <. = 60 кэВ и токе электронного пучка 4 = 0,3 А. В качестве материала свариваемых изделий использовалась Ст 3 толщиной 60 мм и длиной стыка 1000 мм. Величина проходящего тока непревышала 25 от исходного, В качестве поглотителя использовали медный цилиндр длиной 1000 мм и диаметром 2R = 110 мм.

Угол падения проходящего пучка на поверо хность поглотителя выбирается равным 45, при этом величина Ь смещения оси вращения поглотителя относительно плоскости стыка составила 39 мм. Для вращения поглотителя применяли шаговый двигатель

ВФ-5. Частота вращения поглотителя выбиралась равной 10 об/с. Результаты экспериментов показали хорошую сохраняемость поверхности поглотителя, а следовательно, 5 его долговечность. Проводились также сравнительные испытания по способу-прототипу и по предлагаемому способу, В результате экспериментов одинаковый износ поверхностей (количество оплавлений и yr10 лублений, определенное визуально) имел место после 5 ч ЭЛС по способу-прототипу и после 15 ч) по предлагаемому способу.

На основании изложенного можно сделать вывод о том, что предлагаемый способ

15 обладает преимуществами перед ранее известным.

Формула изобретения

Способ электронно-лучевой сварки соединений большой толщины со сквозным

20 проплавлением, при котором проходящий через соединение пучок поглощают подвижным экраном, который располагают с обратной стороны стыка, отличающийся тем, что, с целью увеличения срока службы экра25 на, уменьшения габаритов и расхода металла на его изготовление путем уменьшения его оплавления, в качестве экрана используют металлический цилиндр, вращающийся вокруг оси, которую ориентируют парал30 лельно стыку и смещают относительно плоскости стыка на расстояние, меньшее радиуса металлического цилиндра.

1712104

/ ф г

30

40

50

Составитель В.Зубов

Техред M. Мор гентал

Корректор Н.Ревская

Редактор М.Циткина

Заказ 495 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина, 101