Способ электронно-лучевой сварки

1712104 СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК ЯО 19) 1)5 В 23 К 15/00 Е.О.П на оплавления - АвтоматиУЧЕВОЙ ехнологии Изобретение относится к сварке и мо-" с жет быть использовано при электронно-лу- ч чевой сварке (ЭЛС) изделий большой у толщины со сквозным проплавлением тИзвестен способ; реализованный, в уст., р ройстве контроля Полного проплавления металла малой толщины, по которому с об- н ратной стороны стыка на определенном, . м расстоянии от последнего располагается т стационарно поглотитель (защитный экран)к электронов проходящего сквозь сваривае-т мые изделия пучка. Тем самым с помощыб д поглотителя стенки электронно-лучевой ка-: р меры. надежно защищены от негативного-, О воздействия на них проходящего пучка. еНедостатком данного способа является п то,.что,при ЭЛС изделий большой толщины, . л когда мощность проходящего пучка колеблется в пределах от 5 до 15 кВт, стационар- о ное (неподвижное) расположение поглоти- к теля приводит к резкому сокращению срока д ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ(56) Устройство для контроля прпри электронно-лучевой сварке,ческая сварка, 1967, В 9, с.48.Патент Японии Ь 58-13273,кл, В 23 К 15/00(12 В 11), 1983.(57) Изобретение относится к 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 5 ч до 15 ч работы, 1 ил. лужбы последнего. В данном случае увели- ение долговечности поглотителя связано с величением габаритов (толщины) поглотиеля, а следовательно, дополнительным асходом металла,Наиболее близким по технической сущости и достигаемому эффекту к предлагаеому является способЭЛС толстых плит олщиной порядка 100 мм электронным пучом мощностью 50 кВт, из которых 5 - 15 кВт еряются на сквозное прохождение и "заерживаются" специальным поглотителем, асположенным с обратной стороны стыка. тличительной особенностью способа являтся применение колебательного движения оглотителя в своей плоскости, перпендикуярной плоскости стыка.К недостаткам данного способа можно тнести следующее, Так как используется олебательное (возвратно-поступательное) вижение поглотителя в,своей плоскости,перпендикулярнои пло скости стыка свари- щающийся вокруг оси, которую ориентируваемых изделий, то при пери перемещении по- ют параллельно стыку и смещают относиглотителя будут иметь мб 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 ра.глотителя равна нулю), уча тю) 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 мобой массивную плиту, щины со сквозным проплавлением поглоизготовленную из меди (ие и(имеет высокий ко- щение проходящего пучка выполняютэффициент теплопроводнодности) то говорить 10 защитным экраном в виде металлическогоо мгновенной смене направлаправления движения цилиндра, вращающегося относительнопоглотителя нельзя. оэтомПоэтому с учетом боль- своей оси, определенным образом ориентишой мощности проходящегохо ящего пучка при ЭЛС рованной относительно линии и плоскостиизделий большои толщинолщины со сквозным стыка. При этом действует ряд факторов, непроплавлением, а такжакже с учетом перпенди имеющих место в прототипе и позволяющихекулярного падения проходящего пучка на реализовать цель изобретения,теля во время тормо, При вращении цилиндрического пожения, покоя и разгона поглотителя в месте глотителя (экрана) относительно его оси ввзаимодействия пучка с последнис последним (погло- процессе ЭЛС поверхность поглотителя ратителем) поверхность уд тть б ет подплавляться, 20 зогревается проходящим пучком равномербудут образовываться углубления в метал- но со всех сторон (по способу-прототипуле, Кроме того, так как, К, как одна поверхностьтолько 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 нетгограничивается однои по поверхностью это принципиальных ограничений на частотуведет к неравномерному прогреву поглоти- вращения поглотителя(по способу-прототителя, в результате чего могутогут иметь место пу скорость перемещения массивной гоплитыподплавления поверхности. Необходимо ограничена, так как за режимом разгонадобавить, что при возвратно-поступатель следуетрежимторможения).Увеличениечаном перемещении массивни массивной плиты, когда стоты вращения также является фактором,ход плиты сравнительнотельно небольшой и ре- способствующим повышению долговечножим разгона сменяется режимом торможе- сти поглотителя.ния, практически невозможно достичь 3. При расположении оси вращения цибольшойскоростиперемещения поглотите линдрического поглотителя параллельноля, кроме того, ольшие г, б ие габариты массив- линии стыка и смещении оси ниже (выше)я) чет хода плиты относительно плоскости стыка (величинаной плиты (поглотителя), учет ходния / Ж/ нахо ится ви и возвратно-поступательном перемеще- смещения оси вращения / ./ находится впри возвнии требуют резервирования значительно- следующих пределах; 0 / /, дго пространства в электронно-лучевой 40 радиус цилиндрического поглотителя) оськамере с обратной стороны стыка, что на проходящего сквозь свариваемые изделияи актике далеко не всегда представляется пучка составляет угол рс перпендикуляромвозможным. к касательной к сечению цилиндра, провеПеречисленные недостатки ограничи- денной через точку взаимодействия проховают срок службы поглотителя. Крометого, 45 дящего пучка с поглотителем в данныйтехническая реализация возвратно-посту- момент времени. С учетом пределов измепательного перемещения массивной плиты нения смещения оси /Ь/ угол уизменяеттакже имеет свои трудности,ся в следующих пределах: 0 / у/90. ПриЦелью 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 поверхностиление путем уменьшения его оплавления. поглотителя З,.взаимодействующей с проПоставленная цель достигается тем, что ходящим пучком, увеличивается. Для оценсогласно способу электронно-лучевой свар- ки площади Я допустим, что сечениемки соединений большой толщины со сквоз проходящего пучка является круг с.радиуным проплавлением, при котором проходя- сом г и площадью Яр =юг соответственно,щий через соединение пучок поглощают по- а также с учетом малых размеров сечениядвижным экраном, который располагают с проходящего пучка по отношению к кривизобратной стороны стыка, в качестве экрана не поверхности поглотителя допустим, чтоиспользуют металлический цилиндр, врапроходящий пучок в данный (фиксированный) момент времени взаимодействует с наклонной плоскостью (часть поверхности поглотителя). Известен геометрический эффект, что при пересечении цилиндра пло скостью под некоторым углом к оси, в сечении получается эллипс, площадь кото-. рого определяется как Яэлл = жаЬ, где а и Ь- малая и большая полуоси эллипса соответ- ственно. В нашем случае в качестве цилин дра выступает проходящий. пучок, а вкачестве пересекающей плоскости - уча-.сток поверхности поглотителя, Таким образом, площадь Яп определяется как площадь эллипса, где а = г, Ь = г/соз р. Тогда Яп.=: 15 ад/созр, По способу-прототипу р= О, поэтому Яп =юг . Следовательно, в нашем случае Я увеличивается в 1/соз р раз. Например, для р=45 - в 1,4 раза, для у=750 - в 4 раза, для р= 850 - в 14 раз. Увеличение 20 площади Я приводит к уменьшению плотности энергии пучка на поверхности поглотителя, в результате уменьшается разогрев единицы площади поверхности, увеличивается срок службы поглотителя. .254, Известно, что при встрече электронного пучка с поверхностью металла имеет место вторичная электронная эмиссия (от- . раженные электроны падающего пучка отповерхности металла). В потоке вторичных. 30 электронов имеются упруго отраженные . электроны, энергия которых равна энергии электронов первичного (падающего) пучка;неупруго отраженные электроны, которые претерпевают более или менее значитель- З 5 ные потери энергии из-за процесса рассеяния в металле; истинно вторичные, имеющие энергию менее 50 эВ и принадлежащие металлу. Для значений энергии электронного пучка, характерных для услови 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 ( д - отношение числа вторичных электро нов с энергиями, большими 50 эВ, к числу первичных электронов) возрастает с ростом угла падения р первичных электронов на поверхность металла. Например, для Ве, А 1, Т 1, Й 1, Ац имеет место зависимость 1 п = 55 1 п(В) - р з 1 п р, где В,ф- константы.Таким образом, с учетом вышесказанного при вращательном движении цилиндрического поглотителя с увеличением угла у(0р900), что достигается смещением оси вращения ниже (выше) относительно плоскости стыка, возрастает коэффициент неупругого отражения д электронов, а следовательно, уменьшается энергия, переданная проходящим пучком поглотителя, снижается разогрев поглотителя, поглотитель приобретает все более рассеивающие свойства в дополнение к поглощающим. Это также приводит к увеличению срока службы цилиндрического поглотителя.5. По сравнению со способом-прототипом применение вращающегося поглотителя цилиндрической формы обеспечивает уменьшение габаритов поглотителя, снижение расхода металла на изготовление, Кро. ме 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 1 смещения оси вращения поглотителя относительно плоскости стыка; частота и вращения поглотителя (п = 1 с ) 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.3. Поглощение вращающимся цилиндрическим поглотителем 5 проходящего сквозь свариваемые изделия 3 пучка 4,4, Окончание сварочного процесса.5. Отключение двигателя 6,1712104 35 40 45 50 55 В качестве поглотителя 5 может использоваться, например, металлический цилиндр, длина которого соответствует длине свариваемого стыка. В качестве материала поглотителя 5 может выбираться медь, обладающая высоким коэффициентом тепло- проводимости ( Л= 389,6 Вт/м град) и достаточно высокой температурой плавления (Тпл. 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, укомплектованной энергоблокомЭЛА 60/60, при величине ускоряющего напряжения Оу, = 60 кэВ и токе электронного пучка Ь = 0,3 А. В качестве материала свариваемых изделий использовалась Ст 3 толщиной 60 мм и длиной стыка 1000 мм. Величина проходящего тока непревышала 25 оот исходного, В качестве поглотителя использовали медный цилиндр длиной 1000 мм и диаметром 2 В = 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. Частота вращения поглотителя выбиралась равной 10 об/с. Результаты экспериментов показали хорошую сохраняемость поверхности поглотителя, а следовательно, 5 его долговечность. Проводились такжесравнительные испытания по способу-прототипу и по предлагаемому способу, В результате экспериментов одинаковый износ поверхностей (количество оплавлений и уг лублений, определенное визуально) имелместо 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.ф о р мул а и зоб ре те н и я Способ электронно-лучевой сварки соединений большой толщины со сквозным 20 проплавлением, при котором проходящийчерез соединение пучок поглощают подвижным экраном, который располагают с обратной стороны стыка, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения срока службы экра на, уменьшения габаритов и расхода металла на его изготовление путем уменьшения его оплавления, в качестве экрана используют металлический цилиндр, вращающийся вокруг оси, которую ориентируют парал лельно стыку и смещают относительно плоскости стыка на расстояние, меньшее радиуса металлического цилиндра.1712104 2 3 Составитель В.Зубов Техред М. Моргентал едактор М.Циткин орректор Н.Рев оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина, 10 аказ 495 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5