Способ электронно-лучевой сварки трудносвариваемых сплавов

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИРЕСПУБЛИК 19) Ш) 58 В 23 К 1500 С 22 ВС ЕСОРЬТЕ",1 ТЙцБ 4 БЛ"1 О ЕНИЯ ТЕЛ АР 57) Изобр онно-луче ользовано шинос тр оени ных сталей калке и об ронс- мал рмолект"бр он моусяремрон мощн ОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГННТ СССР ОПИСАНИЕ Н АВТОРСКОМЪГ С(54) СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙКИ ТРУДНОСВАРИВАЕМЫХ СПЛАВОВ тение относится к электой сварке и может быть исв различных областях мая при сварке высокопрочи сплавов, склонныхазованию трещин. Цел Изобретение относится к элект но-лучевой сварке и может быть и пользовано в различных областях шиностроения при сварке высокопрочных сталей и сплавов, склонных к закалке и образованию трещинЦель изобретения - повышение качества сварных соединений путем расширения пределов регулирования тепловых процессов в зоне обработки,На фиг1 показана схема электронно;лучевой термообработки соединения, на фиг. 2 - графики расширения температурных полей при термообработке электронным лучомпо известному споизобретения " повышение качествасварных соединений путем расширенияпределов регулирования тепловых процессов в зоне обработки. Осуществляют локальную термообработку свариваемого металла электронным лучом до ипосле сварки прямоугольной зоной нагр ева, кол еблющейся попер ек направления скорости перемещения детали от-носительно электронной пушки, Амплитуду колебаний зоны нагрева Низменяют от шцпН до ша 1 сНпропорционально мощности луча 0 по законам Н = Н(1 в . а зхпьй), Оу =. 0(1- Ь зпцТ), где И - угловая частота колебаний, а и Ь - коэффициенты.С увеличением Н увеличивается 0.и тем самым предотвращается перегревметалла в зоне обработки и обеспечивается равномерный нагрев всех зонсоединения. 2 ил. О обработки расфокусированным лу- фф сплошные линии) и предлагаемому бу (штриховые и штрихпунктирные ) пособ состоит в локальной теботке свариваемого металла эым лучом до и после сварки пряольной зоной нагрева, колеблющейоперек направления скорости пещения детали относительно электой пушки (фиг 1). Амплитуду коний зоны нагрева Н изменяют отН до макс Н пропорциональноости луча Я по законам3 Н = Н(1 - а з 1 пЖ),= Ц(1 - Ъ з 1 пИС), 1496958 где Н - исходное расстояние зоны 5нагрева от стыка, м,Я - исходная мощность электронного луча, Вт,а и Ь - коэФфициенты, равные 1 1 а)О, 1 ЬО,10Я " угловая частота колебанийзоны нагрева или мощностилуча Гц,Ф - время, с.Прямоугольную зону нагрева создают, например, сканированием луча свысокой скоростью 7 (на несколькопорядков выше скорости перемещениясвариваемых деталей относительноэлектронной пушки) по прямоугольнойтраектории, а Н и Я изменяют лоприведенным выше законам.Так как мощность луча изменяютпропорционально амплитуде, то с увеличением Н увеличивается и Я, те.при удалении электронного луча отстыка увеличивается и мощность. Этимобеспечивается отсутствие перегреваметалла в зоне обработки и более равномерный нагрев всех зон сварногосоединения.После нагрева свариваемых кромокдо заданной температуры производятэлектронно-лучевую сварку и охлаждение сварного шва до требуемой темпе- . 35ратуры.На следующем этапе производят термическую обработку сварного соединения также прямоугольной зоной нагрева, колеблющейся поперек направления 40скорости, перемещения свариваемых деталей относительно электронной пушки.Исходное расстояние Н, исходную мощ-,ность электронного луча Ц, угловуючастоту (1, коэффициенты а и,Ь выбирают в зависимости от химическогосостава свариваемых сталей и конструктивнйх особенностей свариваемыхизделий. При а = 0 расположение эонывоздействия луча относительно стыка 50не изменяется, при а = 1 обе зоны,расположенные параллельно стыку, перемещаются от линии стыка до расстояния, равного 2 Н. При Ь0 эффектив"ная мощность электронного луча неизменяется в зависимости от расположения эон нагрева, при Ь1 эффективная мощность электронного лучамаксимальна при наибольшем удалении зон нагрева от стыка и уменьшаетсядо нуля при приближении зон нагревак линии стыка. Исходя из приведенных законов изменения Н и Я видно,что при а больше единицы Н можетменять свой знак (т.е. фактическизона нагрева с одной стороны переходит на другую), что трудно осуществимо и нецелесообразно. При значенииЬ больше 1 мощность луча Я в некоторые моменты становится отрицательной, что в данном случае осуществитьневозможно.Для оценки эффективности предлагаемого способа сварки производилимоделирование процессов распределения температурных полей на ЗВМЕС 1060, Сравнивали характеристикинагрева отдельных зон сварных соединений при обработке электронным лу"чом по известному (обработка расфокусированным электронным лучом),ипредлагаемому способам. Предварительно на установке ЗЛУс энергетическим блоком У 250 сваривали образцы из стали 38 Х 2 НМФ толщиной15 мм . по базовой технологии: предварительный подогреЬ расфокусированным лучом диаметром 5 мм при относительной скорости перемещения пушки5,6 мм/с, токе луча 95 мА, ускоряющем напряжении 28 кВ, сварка при токе луча 240 мА, скорости 5,6 мм/с,ускоряющем напряжении 28 кВ, эаглублении фокуса луча в свариваемый образец на 5-7 мм и термообработка после сварки в печи при 550 С в течение 4.ч. Изменить структуру свариваемого металла нагревом, расфокусированным дустом не удается, так кактемпература по центру пятна нагревавсегда превышает температуру периферийных участков. Поэтому при отпускезоны термического влияния (находящейся на цериферии пятна нагрева)сам шов может нагреться до температуры, закалки, Многократный проходрасфокусированным электронным лучом,когда тампература по центру пятнанагрева не превышает температуры отпуска, а нагрев до требуемых температур зоны термического влияния происходит за счет теплопроводности,являвтея неэффективным из-за низкой.производительности,Для излучения распределения температуры по известному и предлагаемому способам разработаны две тепловые5 14969 58 модели, которые получены при решении; исходного уравнения теплопроводности с использованием функции Гринапределенность источника,1 - толщина пластины,Н - длина источникавдоль оси стыка,Частоту, амплитуду колебаний луча Тепловая модель при нагреве свари 5ваемых пластин по известному способуимеет следующий вид; и его мощность выбирают таким образом, чтобы обеспечить более равномерЙ.016 СН,фуа,(Ф + е )его ко ный нагрев до заданных температур всех зон сварного соединения. Выбор этих параметров производится с помощью моделирования на ЭВМ и последующей проверки. Температура нагрева 15 различных зон определялась на фиг, 2по результатам моделирования на ЭВМ.Кривая 1 показывает температуруна поверхности линии стыка, кривая Х+ Ч-+ Ч,. +Н, 21 а(й+ сц)2 - на расстоянии 5 мм от стыка, кри 20 вая 3 - с обратной стороны пластины в интервале от 0 до 5 мм от линии(У - Н) стыка по обе стороны,ехр ) Данные моделирования свидетельст 4 а (+ е,)вуют, что если производить нагрев по25 предлагаемому способу при следующихпараметрах: ток луча 95 мА, ускоряющее напряжение 28 кВ, Ч = 5,6 10 м/с3Н =510 м, Я =015, Н=5 хх 10 м, 1 = 15 х 10 м, й= 0,2 с,ТепловаЯ модель пРи нагРеве по З 0 ао = 0,8 х 10 м /с, а = 0,5, Дпредлагаемому способу имеет вид: - 7850 кг/м, с = 5900 Вт/(кг К)Ь = 0,5, - то разность максимальныхтемператур нагрева по центру шва ипо зоне термического влияния составляет около 70 С, При нагреве же пооу+Ч +Ч +Н известному способу эта разность сос)вп ( ц (ь + йо его( ")- тавляет около 450 С (см. фиг. 2).2 аС+о) П р и м е р, Выполняли термообработку соединения из стали 15 х 2 Мф(л +р40 толщиной 15 мм электронным лучом дои после сварки на установке ЭЛУ 4с энергетическим блоком УА. Тепе + Н( ь+ Со)Вл +лофизические характеристики обраба.4 а ль + йо)тываемого металла представлены выше;45 Подогрев зоны соединения перед свар+ Н ( ( (У-Н 1 - а п(рл + . ) кой выполняли с помощью специальноча (. + о)го устройства, обеспечивающего раз" о овертку луча по прямоугольной траек 1 тории размером 10 х 40 мм. Размер пря 50 моугольной зоны по оси У с час отой4 ао ) 1 Гц (угловая частота Я = 0,15)изменяли от 5 до 15 мм. При этом токгде С, ), а - теплоемколуча при минимальном размере эоныный вес и нагрева составлял 50 мА, а при макропроводириваемого55симальном 150 мА. После двух оборотов кольцевых соединений у 100 мАЧ - скоростьтемпература в зоне сварки составила- постоянна 250 С, что соответствует расчетнымхарактери с- данным. Контроль температуры осу+ ехр1496958 Н(1 - а зхпый),Е(1 - Ь эпас),гдеНисходное расстояние эонынагрева от стыка, м,исходная мощность электронного луча, Вт,коэффициенты, равные 1аа и Ь О, 1 ,Ь ) О,угловая частота колебаний зоны нагрева или мощности; луча, Гцвремя, с. Ф Ю 6 7 Ьа 3оставитель В.Морочкоехр ед Л,Олийнык Корр ект ор О. Ципле Редакт ыбченк Заказ 4375/16 Тираж 894 , ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 1 13035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 11 ноиэводственно-издательский комбинат Патент , г,ужг ул, Гагарина,101 ществляли хромельалюмелевыми термопарами, прижимаемыми к изделию в -:"5 мм, 7 5 мм, 2 15 мм. Параметры режима термообработки: Уск27 кВ, Х 100 мА, диаметр луча1,5 мм, Ч5,6 10 м/с. Парамет"ежима ари П с1250 мА, 1, 140 мА, Чз5, 610 м/с,После термообработки соединения.предлагаемым способом ударная, вязкость металла зоны термическоговлияния составила 5 кг.м/смф что.превышает значения при термообработ.ке известным способом расфокусированнымлучом, трещины в околошовной зонесоединения отсутствуют, что свидетельствует об отсутствии перегреваметалла и закалочных структур.Использование предлагаемоао. способа обеспечивает повышение производительности подогрева и получение качественных сварных соединений за счетвозможности эффективного управлениятермическими циклами отдельных зонсварного соединения,Формула изобр ет енияСпособ электронно"лучевой сваркитрудносвариваемых сплавов,при котором перед сваркой выполняют локальную. термообработку свариваемых кромок, а после сварки - локальную термообработку сварного соединения лучом, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения качества сварных соединений путем расширения пределов регулирования тепловых процессов в зоне обработки, термообработкудо и после сварки выполняют прямоугольной зоной нагрева, колеблющейся поперек направления скорости обработки, амплитУду колебаний эонынагрева Н изменяют пропорциональномощности луча Я по законам .