Способ электронно-лучевой сварки

 

Использование: электронно-лучевая сварка деталей ответственного назначения. Сущность изобретения: при электронно-лучевой сварке осуществляют широтно-импульсную модуляцию мощности электронного пучка, выделяемой в зоне сварки, частоту которой выбирают соответствующей максимальной частоте колебаний переменной компоненты тока в электроцепи изделия. Модуляцию мощности, выделяемой в зоне сварки, производят путем периодического отклонения электронного пучка из зоны сварки в область кристаллизующейся сварочной ванны, при этом в процессе отклонения электронного пучка осуществляют его дефокусировку в течение времени нахождения пучка в отклоненном состоянии, а диаметр пятна нагрева при дефокусировке пучка поддерживают равным ширине сварного шва на поверхности металла. Способ позволяет устранить подрезы в сварном шве и получить заданные механические свойства сварного соединения за счет управления вводом мощности электронного пучка в свариваемый металл. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке и может быть использовано при электронно-лучевой сварке деталей ответственного назначения.

Наиболее близким к предлагаемому является способ электронно-лучевой сварки, при котором осуществляют широтно-импульсную модуляцию электронного пучка, а необходимую частоту модуляции тока электронного пучка выбирают соответствующей максимальной частоте колебаний переменной компоненты тока в электроцепи изделия, которую выявляют при острой фокусировке стационарного пучка [1] Недостатком способа является образование подреза на поверхности сварного шва, что снижает эксплуатационные свойства сварных соединений. Кроме того, при использовании известного способа в процессе сварки термоупрочняемых материалов в ряде случаев возможно получение неблагоприятной микроструктуры сварных соединений, не обеспечивающей требуемых механических свойств.

Задача изобретения устранение подрезов в сварном шве и получение заданных механических свойств сварного соединения за счет управления вводом мощности электронного пучка в свариваемый металл.

Это достигается тем, что в процессе электронно-лучевой сварки с широтно-импульсной модуляцией мощности электронного пучка, выделяемой в зоне сварки, частоту которой выбирают соответствующей максимальной частоте колебаний переменной компоненты тока в электроцепи изделия, модуляцию мощности электронного пучка, выделяемой в зоне сварки, осуществляют путем периодического отклонения электронного пучка из зоны сварки в область кристаллизующейся сварочной ванны. При этом в процессе отклонения электронного пучка осуществляют его дефокусировку в течение времени нахождения пучка в отклоненном состоянии, а диаметр пятна нагрева при дефокусировке пучка поддерживают равным ширине сварного шва на поверхности металла.

Отличительными признаками предлагаемого способа, по сравнению с прототипом, является то, что модуляцию мощности электронного пучка, выделяемой в зоне сварки, осуществляют путем периодического отклонения электронного пучка из зоны сварки в область кристаллизующейся сварочной ванны, причем в процессе отклонения электронного пучка осуществляют его дефокусировку в течение времени нахождения пучка в отклоненном состоянии, а диаметр пятна нагрева при дефокусировке пучка поддерживают равным ширине сварного шва на поверхности металла. При этом ввиду того, что в процессе сварки дефокусированный пучок в течение некоторого времени периодически воздействует на поверхностную часть сварного шва в области кристаллизующейся сварочной ванны, происходит дополнительное расплавление формирующегося наружного валика шва, что обеспечивает отсутствие подрезов на поверхности сварного шва. Кроме того, дополнительное термическое воздействие отклоненного дефокусированного пучка на металл в области кристаллизующейся сварочной ванны обуславливает уменьшение скорости охлаждения металла, что в свою очередь позволяет получить оптимальную микроструктуру металла сварного соединения с улучшенными значениями механических характеристик.

Периодическое отклонение электронного пучка в направлении, противоположном направлению скорости сварки, широко применяется, как один из технологических приемов электронно-лучевой сварки (Назаренко О. К. Кайдалов А. А. Ковбасенко С. Н. и др. Электронно-лучевая сварка/ Под ред. Б. Е. Патона. Киев: Наукова думка, 1987, 256 с.). Однако новым в предлагаемом способе является то, что периодическое отклонение электронного пучка совмещают по времени с дефокусировкой пучка, причем диаметр пятна нагрева при дефокусировке поддерживают равным ширине сварного шва на поверхности металла. Новым результатом при этом является устранение подрезов на поверхности сварного шва и улучшение микроструктуры металла сварного соединения с возможностью получения требуемых механических свойств.

На чертеже приведена структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Способ осуществляется следующим образом. В процессе сварки генератор 1 прямоугольных импульсов с регулируемой скважностью формирует сигнал, который поступает на входы усилителя 2 тока фокусировки и усилителя 3 тока отклонения электронного пучка. Сигнал с выхода усилителя 2 подается на дефокусирующую катушку 4, а сигнал с выхода усилителя 3 на катушку 5 отклонения электронного пучка вдоль стыка. При этом в моменты, когда сигнал с генератора 1 имеет нулевое значение, токи в деформирующей и отклоняющей катушках отсутствуют, и процесс сварки ведется остросфокусированным вертикально расположенным пучком 7, генерируемым электронно-лучевой пушкой 6, что обуславливает глубокое проплавление металла.

В моменты, когда сигнал с генератора 1 имеет амплитудное значение, на дефокусирующую катушку 4 подается ток дефокусировки, значение которого задается усилителем 2 и обеспечивает увеличение диаметра пятна нагрева на поверхности металла до размера, соответствующего ширине поверхностного валика сварного шва 8. Одновременно на отклоняющую катушку 5 поступает ток отклонения, значение которого задается усилителем 3 и обеспечивает отклонение электронного пучка из зоны сварки в область кристаллизующейся сварочной ванны. При этом реализуется режим поверхностного расплавления металла и происходит переплавление поверхностного валика сварного шва, сформированного в процессе глубокого проплавления металла острофокусированным электронным пучком, что обеспечивает устранение подрезков в наружной части сварного шва и дополнительное термическое воздействие на шов, улучшающее микроструктуру сварного соединения. Соотношение времени нахождения электронного пучка в остросфокусированном вертикальном положении 7 и времени нахождения пучка в дефокусированном отклоненном состоянии 9 определяется значением скважности прямоугольных импульсов на выходе генератора 1, и устанавливается в соответствии с требованиями к сварному соединению свариваемого изделия 10.

Опробование способа осуществляли при электронно-лучевой сварке деталей из стали 35Х на установке ЭЛУ-5 с энергетическим агрегатом У-250А. Параметры сварочного режима были следующими: ускоряющее напряжение 28 кВ, ток электронного пучка 195 мА, скорость сварки 4,4 мм/с, ток фокусирующей линзы при "острой" фокусировке пучка, обеспечивающей максимальную глубину проплавления, 71,5 мА. Для динамического воздействия на положение и диаметр электронного пучка использовались дополнительные малоиндуктивные низкоомные катушки отклонения и дефокусировки пучка, установленные на торце электронно-лучевой пушки. В качестве усилителей использовались усилители мощности У7-3, а в качестве генератора импульсов генератор Г5-54. Частоту модуляции мощности, выделяемой в зоне сварки, выбирали в соответствии с максимальной частотой колебательных газодинамических процессов в канале проплавления, которая определялась из спектра колебаний тока в цепи свариваемого изделия и составляла около 450 Гц. Соотношение времени нахождения электронного пучка в отклоненном дефокусированном состоянии к общему циклу периодического воздействия на пучок составляло 0,3.

Анализ продольных макрошлифов сварных швов, выполненных по предлагаемому способу на вышеуказанных режимах, в также швов, полученных при электронно-лучевой сварке стационарным пучком и импульсной сварке с частотой импульсов 450 Гц и отношением длительности паузы к периоду колебаний 0,3, показал следующее: при электронно-лучевой сварке стационарным пучком отношение средней величины перепадов глубины проплавления к среднему значению глубины проплавления составило величину h=0,17. При импульсной сварке данное соотношение составило h=0,07, а при сварке по предлагаемому способу при h=0,06. В то же время электронно-лучевой сварке стационарным пучком на наружной поверхности шва имели место подрезы, которые еще более интенсивно проявлялись при импульсной сварке. Сварные швы, полученные при использовании предлагаемого способа, имели гладкий наружный валик с полным отсутствием подрезов. Значения ударной вязкости (KCU) металла сварного шва для случаев сварки стационарным электронным пучком, импульсной сварки и сварки по предлагаемому способу приведены в таблице.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет существенно повысить качество сварных соединений, устранить подрезы и получить требуемые механические свойства металла сварного соединения.

Технико-экономический эффект от использования изобретения определяется возможностью улучшения свойств сварных соединений за счет отсутствия подрезов и получения заданных механических свойств сварного соединения при стабильном формировании корневой части сварного шва и в каждом конкретном случае зависит от особенностей конструкции свариваемого изделия и стоимости его материала.

Формула изобретения

СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ остросфокусированным пучком, при котором осуществляют широтно-импульсную модуляцию электронного пучка, частоту которой выбирают соответствующей максимальной частоте колебаний переменной компоненты тока в электроцепи изделия, отличающийся тем, что модулируют мощность, выделяемую в зоне сварочной ванны, периодически отклоняя электронный пучок из зоны сварочной ванны в область кристаллизующейся сварочной ванны, при этом в процессе отклонения электронного пучка осуществляют его дефокусировку в течение времени нахождения пучка в отклоненном состоянии, а диаметр пятна нагрева при дефокусировке пучка поддерживают равным ширине сварного шва на поверхности металла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2