Способ электронно-лучевого оплавления

(19) ( 1) 6132 5 В 23 К 15/О ГОСУДАРСТВЕННЫПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР ОМИТЕТОТКРЫТИЯМ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ВТ ОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Долгополов И,АМусарыгин В,В. иЕвграфов Н.Н. Поверхностная обработкаэлектронным лучом стыкуемых кромок деталей из гидридообразующих металлов передэлектронно-лучевой сваркой. В сб, Электронно-лучевая сварка, Материалы конференции. М.: МДНТП, 1986, с.111 - 116.(57) Изобретение относится к электроннолучевой технологии и может найти применение в машиностроении при изготовлениимногослойных рулонированных сосудоввысокого давления и им подобных толстоИзобретение относится к лучевой технологии и может н нение в машиностроении при и многослойных рулонированных сокого давления и им подобных ных изделий ответственного требующих предварительной необработанных торцов каждог том числе - переменного про фективного разглаживания и ва финирующего переплава на 10-20 мм. электронайти примезготовлениисосудов вытолстостен-назначения,подГотовкио из слоев(вфиля), их эфкуумного раглубину до Цель изобретения - повышение качест, ва оплавленного слоя заданной толщины с минимальной волнистостью поверхности. стенных изделий ответственного назначения,требующих предварительной подготовки необработанных торцов каждого из слоев(в том числе переменного профиля), их эффективного разглаживания и вакуумного рафинирующего переплава на глубину до 10 - 20 мм. Цель изобретения - повышение качества оплавленного слоя заданной толщины с минимальной волнистостью поверхности. Осуществляют однопроходное электронно-лучевое оплавление торцов состыкованных листов с формированием оплавленного слоя. Во впадинах исходной поверхности распределяют сыпучий присадочный материал, Во время оплавления 3 электронный пучок колеблют вдоль и поперек направления сварки и одновременно с этим обеспечивают его динамическую фоку- С сировку. Основные параметры рабочего режима сварки выбирают из формулы, приведенной в описании изобретения, 3 ил. На фиг. 1 показана схема реализации способа; на фиг. 2 - условно формирование оплавленного слоя; на фиг. 3 - функциональная блок-схема подключения к источникам питания отклоняющей и фокусирующей систем электронного излучателя,Подлежащее поверхностному оплавлению иэделие 1 в состоянии поставки имеет волнистую торцовую поверхность, перемен ный профиль которой исключает возможность высококачественной сварки при состыковке подобных листов в пакет, Оплавленный же слой 2 такую возможность обеспечивает. Во впадинах между выступами волнистой торцовой поверхности пакета распределен присадочный материал 3 в ви 1613278де металлической крошки, подлежащей переплаву совместно с этой поверхностью. Этот материал восполняет недостаток материала в тех случаях, когда объем, занимаемый выступами оплавленной поверхности,превышает заданную глубину оплавленного слоя, Если же объем выступов не превышает заданную глубину оплавленного слоя, то присадочный материал используется как 10 средство для выравнивания поверхности оплавления за счет экранировки пучка плавящейся присадкой.Электронный излучатель 4 расположен над оплавленным изделием 1 и генерирует электронный пучок 5, колеблющийся (с помощью не показанной на фиг. 1 и 2 отклоняющей системы) по двум ортогональным горизонтальным координатам. Изделие 1 и пучок 5 находятся в относительном движении друг относительно друга и пучок 5 ко 20 25 ными колебаниями пучка производят его динамическую фокусировку по пилообразному закону, обеспечивая возвратно-поступательные колебания фокуса пучка относительно оплавляемой поверхности с низкой частотой 1 - 5 Гц и с амплитудой М,ЗО равной максимальной высоте Ниах выступов исходной поверхности изделия; ЛР = айвах - ,щи. Происходит "подрезание" выступов поверхности, а порции расплавленного металла принудительно переносятся в заднюю часть ванны 6. При частотах менее 1 Гц источник нагрева становится квазиимпульсным ввиду выравнивания скоростей оплавления и чрезмерного 35 40 смещения пятна нагрева во время "импульса", что снижает степень "подрезания" выступов, При частотах более 5 Гц источник нагрева становится равномерно распределенным, что приводит к значительному уменьшению глубины проплавления; а попытки увеличить ее за счет увеличения токапучка сопровождаются недопустимым перегревом оплавляемой поверхности, рос-,том зерна в литой зоне и значительным 50 разупрочнением эоны термического влияния.Синхронизация частот динамической фокусировки и продольных колебаний пучка по фазе обеспечивает поддержание максимальной плотности мощности на передней "подрезаемой" стенке по всей высоте выступов в любой момент времени.Амплитуда продольных колебаний пучка не должна быть менеемм, иначе источлеблют поперек направления оплавления самплитудой, равной ширине В оплавляемойповерхности, и по направлению оплавленияс амплитудой 1 - 3 мм; синхронно с продольник нагрева становится линейным, движущимся со скоростью оплавления, и при этомснижается эффективность "подрезания" выступов, а остаточная волнистость увеличивается. Если же амплитуда продольныхколебаний пучка превышает 3 мм, то на имеющемся в настоящее время серийном оборудовании ЭЛА 60/60 (ускоряющеенапряжение 60 кВ, максимальная мощность60 кВт) не удается длительно обеспечитькачественное оплавление поверхности с выступами высотой около 25 мм (из-за снижения ресурса работы катодного узлаизлучателя при работе на максимальноймощности),При оплавлении поверхности иэделия 1целесообразно использовать мецный водоохлаждаемый кристаллизатор 7, обеспечивающий поддержание заданноготемпературного режима.Укаэанные колебания пучка и его фокуса обеспечивают отклоняющая и фокусирующая системы излучателя 4 (см,фиг,З),Отклоняющая система ОС содержит катушки Х и У для смещения, пучка по соответствующим горизонтальным координатам.Через усилитель тока У 1 катушка Х электрически связана со стандартным генераторомспециальных сигналов ГСС, управляющим.поперечной разверткой пучка, Через усилитель У 2 катушка У электрически связана сгенератором пилообразных сигналов ГПС,который имеет раздельную регулировкуэтих сигналов по каналам продольного отклонения пучка и фокусировки. Фокусирующая система ФС через блок питанияфокусирующей системы также связана электрически с блоком ГПС.Во время оплавления ток в ОС изменяют по треугольному закону для обеспеченияпоперечных колебаний на всей ширине Воплавляемой поверхности и по пилообразному закону для обеспечения в процессепродольного отклонения пучка плавного на-.растания величины тока и его быстрыйсброс (плавное отклонение пучка обеспечивают в направлении, противоположном направлению перемещения источниканагрева).Основные параметры рабочего режимаоплавления выбирают по формулеивпускЦ = соплВопл ХХ (СтРгЬТпл + лс 5 ж + СжржЬТж)где и - ток электронного пучка А;Оуск - ускоряющее напряжение В;д- КПД электронного пучкаЧопл - скорость оплавления, м/с;В - ширина оплавляемой поверхности, м;5 10 15 20 25 рж- плотность расплавленного металла, кг/м;4 - скрытая теплота плавления, Дж/кг;йТпл - изменение температуры оплавляемого металла в твердом состоянии на этапе его нагрева, равное ЛТпл =(Тпл - То), К,где Т,л - температура плавления, К и То -. исходная температура, К; ЛТж - изменениетемпературы оплавляемого металла в расплавленном состоянии, равное ЛТж = Тщах - Тпл), К, где Татах - максимальная температура перегрева металла.При построении этой формулы учтенпринцип местного влияния применительнок расплавлению выступов и необходимостьобеспечить сплавление оплавляемого слояс основным металлом по всей обрабатываемой поверхности. учтена также технологическая необходимость в некоторомпревышении заданной глубины оплавляемого слоя и экономические соображения, касающиеся рационального расходованияприсадочного металла,Изобретение реализовано, в частности,на серийной электронно-лучевой установкеУ - 788 при использовании серийного оборудования ЭЛА 60/60. Оплавлению подлежалиторцы колец - имитаторов рулонированныхсосудов высокого давления диаметром 1600мм с толщиной стенки 100 мм. Их изготовили методом плотной намотки из листЬвойконструкционной низкоуглеродистой стали08 Г 2 СФБ толщиной 5 мм, причем их торцыне. были подвергнуты механической обработкеПри оплавлении использована сыпучаяприсадка - "крупка" сварочной проволокиСв - 08 ГСМ Г.Оплавленные торцы колец механическиобрабатывали и затем производили однопроходную электронно-лучевую сварку,Реализация изобретения включаласледующие этапы: вначале на обрабатываемой поверхности определяли максимальную высоту выступов (Нвыст); затемподсчитали требуемую глубину оплавления-опл (1.опл = Нвыст/1,29+12). Затем равномерно заполнили впадины сыпучим присадочным материалом, Включив электронныйизлучатель, обеспечили поперечные колебания маломощного пучка с амплитудой,равной ширине оплавляемой поверхности,55 где Ь - ток электронного пучка, А;опл - глубина оплавляемой зоны,м; Ст - теплоемкость твердого металла, Дж/кг К;Сж - теплоемкость расплавленного металла,Дж/кг К;р, - плотность твердого металла, кг/м; Затем сфокусировали пучок на уровне вершин выступов, включили генератор ГПС и задали амплитуду продольных колебаний пучка и режим его динамической фокусировки. Затем включили рабочий ток пучка, на- плавили сварочную ванну на всю ширину оплавляемой поверхности и обеспечили рабочее перемещение излучателя,В данном случае на режиме: и = 0,320 А; В=0,08 м; А=0,001 м; Чопл = 2,8 м/ч; поперечная = 100 Гц 1 продольн, = 5 Гц; д= 15 мм; Нвв ст, = 20 мм получен бездефектный и гладкий оплавленный слой глубиной Ьпл = =17 мм, а процесс оплавления был устойчивым.Технико-экономическая эффективность изобретения определяется возможностью изготовления толстостенных многослойных изделий типа сосудов высокого давления при высоком качестве сварных соединений. Стоимостная оценка этой эффективности зависит как от конкретной стоимости каждого изделия, так и от масштабов их изготовления. Формула изобретения Способ электронно-лучевого оплавления в нижнем положении при относительном взаимном перемещении оплавляемого 30 изделия и электронного пучка, колеблющегося по двум ортогональным горизонтальным координатам, отл и ч а ю щи й с я тем, что, с целью повышения качества оплавленного слоя заданной толщины с минималь ной волнистостью поверхности,электронный пучок колеблют поперек направления оплавления с амплитудой, равной ширине оплавляемой поверхности изделия, и по направлению оплавления с 40 амплитудой 1 - 3 мм, синхронно с продольными колебаниями пучка производят его динамическую фокусировку по пилообразному закону с частотой 1 - 5 Гц и с амплитудой, равной максимальной высоте выступов 45 исходной поверхности иэделия, причем вовпадинах исходной поверхности перед ее оплавлением распределяют присадочный материал в виде металлической крошки, а основные параметры рабочего режима оп лавления выбирают по формуле1 пОуск7/ = НоплВ-опл к (Ст р, ЬТ+,р + С р ЛТ,),впуск - ускоряющее напряжение, В;д - КПД электронного пучка;Нопл скорость оплавления, м/с;В - ширина оплавляемой поверхности, м;Ьпл - глубина оплавленной зоны, м;Ст - теплоемкость твердого металла,Дж/кг К; Сж - теплоемкость расплавленного металла, Дж/кг К;р- плотность твердого металла, кг/м;з.р- плотность расплавленного металла, кг/м,Яс-скрытая теплота плавления, Дж/кг; Молл - изменение температуры оплавляемого металла в твердом состоянии на этапе его нагрева, равное ЬТпл=Тпл-То),К, где Тпл - температура плавления, К и То - 5 исходная температура, К;Л Т - изменение температуры оплавляемого металла в расплавленном состоянии, равное Л Тж=(Таам - Тлл),К, где Твах. - максимальная. температура перегрева ме талла.1613278Составитель Е.Мамутов Редактор О.Спесивых Техред М.Моргентал Корректор В.Гирняк аказ 3856 Тираж 636 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10