Способ электронно-лучевой сварки

РЕТЕ Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам ИСАБИЕ И к авторскому свидетельств(57) Использование: изготовление конструкций из высокопрочных сталей в термоупрочненном состоянии. Сущность ЯУ (и) 1792 ОЗизобретения; в способе электронно - лучевой сварки после сварки термообрабатывают материал шва перемещением остросфокусированного электронного луча, сканирующего по эллипсу, имеющему соотношения осей 10; 1, Большую ось эллипса располагают поперек шва. Обработку ведут при мощности электронного луча, составляющей 20 - 25% мощности. режима сварки и относительнойдорости перемещения зоны. нагрева 10 - 12 м/ч. Сварку ведут с удельной мощностью луча, составляющей .2110 - 2310 Вт/см . При4 4 2 этом электронный луч перемещают по эллипсу с соотношением осей 2: 1 и расположением большой оси поперек сварного шва и заглублением фокуса на 2/3 толщины соединения. 3 ил., 1 табл.1792035 3Изобретение относится к электроннолучевой сварке и может быть использованов различных областях машиностроения приизготовлении конструкций из высокопрочных -талей в термоупрочненном состоянии.Известен способ, по которому сварныесоединения локально термообрабатывалирасфокусированным лучом, сканирующимвдоль шва.Недостаткомтого способа является то,что при этом способе увеличивается шириназоны разупрочнения,Известен способ сварки высокопрочных сталей в термически упрочненном состоянии, по которому наименьшую зонуразупрочнения.получают при сварке на оп, тимальном режиме.Недостатком этого способа является то,. что в околошовной зоне наблюдается существенный рост зерна и образование зонподкалки, что приводит к снижению пластических свойств металла.Образование зон с пониженными проч.ностными и пластическим свойствами ограничивает применение конструкций извысокопрочных сталей, сварйваемых в термоупрочненном состоянии.Термическая обработка сварных соединений и конструкций во избежание разупрочнения производится при низкойтемпературе нагрева до Т 300 С и недозволяет в. значительной мере устранитьзакалочные структуры и повысить пластические свойства сварных соединений,Применение известных локальных источников нагрева, например индукционного, увеличивает ширину зоныразупрочнения, а следовательно, снижаетпрочность сварных соединений,Известен способ электронно-лучевойсварки высокопрочных сталей, при которомосуществляют сквозное проплавление стыка основным проходом, выполняют усиленияшва присадочным металлом последующимпроходом и осуществляют оплавление границ усиления шва электронным лучом, развернутым по синусоидальному законупоперек оси шва с амплитудой колебаний,равной ширине валика шва и отношениемскоростой перемещения луча Чпоп/1/прод=25Недостаток способа-неудовлетвори,тельное качество сварного. соединения изза пониженной пластичности материаласваренного шва, что связано с недостаточной эффективностью термообработки ме. талла шва.Цель изобретения - улучшение качествасварного соединения и тем повышенияпластичности металла шва,Указанная цель достигается тем, что визвестном способе электронно-лучевойсварки высокопрочных сталей, при которомосуществляют проплавление стыка основ 5 ным и последующим проходами, а затемвыполняют обработку зону усиления шваэлектронным сканирующим лучом, развернутым по кривой 2-ого порядка поперек осишва, тем самым дополнительно после свар 10 ки термообрабатывают материал шва перемещением остросфокусирован ногоэлектронного луча, сканирующего по эллипсу, имеющему соотношение осей 10:1,причем большую ось эллипса.распрлагают15 поперек шва на ширину эоны обработки,обработку ведут при мощности электронного луча, составляющей 20-25 омощностирежима сварки и относительной скоростиперемещения зоны нагрева 10-12 м/ч, а20 сварку ведут удельной мощ 4 ностью луча, со.- ставляющей 21 10 - 23 10 Вт/см, притомэлектронный луч перемещают по эллипсу ссоотношением осей 2;1 и расположениембольшой оси поперек сварного шва и за.25 глублением фокуса на 2/3 толщины провар.ки.Применение совокупности заявляемыхпризнаков позволяет за счет режимов сварки и локальной термической обработки эон30 сварного соединения (ЗТБ), снизить твердость участков подкладки и увеличить пластичность сварных соединений,На фиг. 1 изображен эскиз поперечногосечения соединения, выполненного ЭЛС по35 предложенному способу (1 - сварной шов; 2- зона подкладки; А - амплитуда сканироваЬш ания электронного луча, А В - + - ; где Ьш2 2- ширина шва, а - ширина участка разупроч 40 нения); на фиг. 2 - схема процесса ЭЛС сосканированием электронного луча (3- зонанагрева, 4 - основной металл, 5 - пятнонагрева); на фиг, 3 - график распределениятвердости в зонах сварного соединения,45 Процесс ЭЛС выполняют в едином технологическом цикле и включает три технологические операции; локальногопредварительного подогрева, сварки и зональной термической обработки сканирую 50 щим лучом. Опытным путем на основанииэкспериментальных данных определен оптимальный диапазон основных параметроврежимов подогрева сварки и термическойобработки,55 Оптимальный диапазон параметров режимов определен исходя из условий меха- .нических испытаний сварных соединений,выполненных при различных режимах подогрева, сварки и термической обработки.15 оптимальной для расплавления данного объема металла. В случае ее увеличения резко падает пластичность в зоне термического влияния сварного соединения. Уменьшение погонной энергии с соответст 20 вующим повышением пластичности ограничена определенным уровнем этой величины (ан=70 от основного металла), Дальнейшее уменьшение мощности не приводит к росту значений ударной вязкости. но снижает качество шва, т.к. требуемая глубина про 25 плавления не обеспечивается.Исследования макроструктур соединений, сваренных на различных режимах, показали, что с уменьшением мощности электронного луча уменьшается ширина зо 30 ны термического влияния, а при сварке нарежимах, близких к оптимальному, эта зонаимеет минимальные размеры,Повышение пластичности шва и эоны 35 термического влияния (ЗТВ) сварного соединения происходит за счет улучшения структур этих зон, достигаемой при снижении тепловложения и высокочастотных сканирующих колебаний луча. Экспериментально установлено, что наиболее благоприятной является осцилляция луча в форме эллипса с соотношением осей 1/2 при расположении большой оси перпендикулярно стыку и заглублением луча на 2/3 40 45 толщины детали, При выбранной форме осцилляции происходит наиболее благоприятное распределение плотности мощности луча. Применение других форм осцилляции луча не дает качественного формирования 50 сварного шва, удовлетворяющего требованиям. нормативно-технической документации. После электронно-лучевой сварки деталей выполняют нагрев зоны термического влияния сварного соединения сканирующим лучом, обесгечивающим прямоугольную форму нагрева при снижении мощности луча на 20-25 О/о от мощности сварки, Разме 55 Предварительный подорев поверхности кромок свариваемого стыка до температуры 250-300"С производят сканирующим электронным лучом небольшой мощности, составляющей 20-25% мощности сварки. 5При уменьшении мощности ниже указанных значений не достигается прогрев свариваемых кромок до требуемых температур, а дальнейшее увеличение в совокупности с нагревом в процессе сварки и после 10 сварки может привести к увеличению зоныразупрочнения.Величина удельной мощности при свар 4 2 ке не должна превышать 23 10 Вт/см ры зоны нагрева не превышают ширинц зоны разупрочнения,Экспериментально установлено, по оптимальная температура нагрева не должна превышать температуру высокого отпуска, равную 650 С. Перепад температур по толщине детали не должен превышать + 50" С, При более низких температурах структурных превращений не наблюдается, а при более высоких увеличивается зона разупрочнения сварного соединения.Опытным путем установлено оптимальное относительное перемещение эоны наЧпгрева, т.е. отношение (скоростиЧрпоперечного перемещения к скорости продольного перемещения относительно оси шва, При скоростисварки 10-14 м/ч частота сканирования должна составлять 800 - 1000/иГц, Соотношение - представляет собойЧпротносительную величину, характеризующую эффективность нагрева в зонах подкладки до температуры высокого отпуска Т=650 С, Изменение соотношения воЧп Чпр сторону уменьшения приводит к нагреву до высоких температур не толь о эон подкалки сварного шва, но и к его г,азупрочнению. При частоте сканирования более 1000 Гц температура нагрева превышает 650 С, что приводит к росту зерна.Время выдержки при 650 С в процессе локальной термической обработки оказывает влияние на размер зерна в зоне подкалки и на показатели пластичности, Экспериментально установлено, что время выдержки должно быть равным 25 - ЗО мин. Превышение времени выдержки более 30 мин приводит к снижению значений ударной вязкости. Показатели ударной вязкости в этом случае ниже соответствующих показателей по ТУ на изделие (70%). При времени выдержки менее 25 мин процесс высокотемпературного отпуска не успевает пройти в полном объеме. Ударная вязкость соединения ниже показателей по ТУ на изделие (70).П р и м е р, Способ электронно-лучевой сварки высокопрочных сталей апробирован на полых цилиндрических деталях 0 150 мм с толщиной стенки О мм из стали ЗОХГСН 2 А. Г 1 еред сваркой детали подвергали термической обработке: закалке на Т=9004 10 и низкому отпуску при Т=210 С. Подогрев, сварку и термическую обработку сварных соединений осуществляли на установке фирмы; МЕ 55 ЕВ ОВЕЯНЕ 1 М с ускоряющим энергетическим блоком мощностью 30 кВт. Параметры режима1792035 После сварки и локальной термическойобработки по предлагаемому способу из опытных образцов были изготовлены макрошлифы для измерения твердости и иссле дования структур и образцы длямеханических испытаний на ударную вязкость, Исследования показали, что термическая обработка сварных соединений сканирующим лучом позволяет получить 10 1,5 - 2 кратное измельчение дендритов вЗТВ. Твердость металла зоны подкалки снижается на 40 - 45/, (прибл. 100 единиц НЧ), Исследования микроструктуры сварных соединений стали 30 ХГСН 2 А показали, что в 15 этой зоне вместо крупнозернистого мартенсита образуется структура низкоотпущенного мартенсита.По сравнению с известным способомпредложенный способ повышает качество 20 сварных соединений и их эксплуатационную надежность.Использование предлагаемого способапо сравнению с известным обеспечивает при сохранении равнопрочности соедине ния повышение ударной вязкости на 10 -20%, т.е. соответственно ударная вязкость по известному варианту ан=7,5-8,0 кгс м/см 2, а по предлагаемому а,=9,0 - 10,0 кгс м/см (см. таблицу).30 ф Б ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ысокопрочных сталей, при ко- ществляют проплавление стыым и последующим проходаем выполняют обработку зоны шва электронным сканируюм, развернутым по кривой, ийся тем, чтос целью повыества за счет улучшения пламатериала шва, после сварки батывают материал шва переостросфокусированного элект СПОСОСВАРКИтором осука основнми, а затусилениящим лучотличавщшения кастичноститермообрамещением сварки: ток фокусировки 1 ф 1700 МА, сварочный ток 1 св=40 ф 5 мА ускоряющее напряжение Оус=90 кВ, диаметр луча 0.5 мм, скорость сварки Ус=10 м/ч, частота сканирования электронного луча при сварке в форме эллипса 1=1000 Гц с соотношением осей 2;1, Режим термической обработки сканирующим лучом; сварочный ток 1,л,=100 мА, ток фокусировки 1 ф=1710 мА, ускоряющее напряжение 90 кВ, скорость сварки 10 м/ч, частота колебаний 1=1000 Гц, Подогрев и локальную термическую обработку выполняли с использованием системы развертки, которая позволяет осуществлять сканирование электронного луча в форме эллипса с расположением большой оси поперек шва; Нагрев кромок перед сваркой производили на расстоянии 10 мм от кромки стыка до температуры 250 С. Перепад температуры по толщине соединения 35-50 С. Контроль температуры производили пирометром типа "Спектрометр", Размеры зоны нагре ва при локальной термической обработке сварного соединения задавали пропорционально ширине участка подкладки ЗТВ сварного соединения. Для толщины 20 мм образца трубы диаметром 150 мм из высокопрочной стали 30 ХГСН 2 А зона нагрева составила 8 мм. ла изобретени ронного луча, сканирующего по эллипсу с соотношением осей 10: 1, причем большую ось эллипса располагают поперек шва, при мощности электронного луча, составляющей 20 - 22 фмощности режима сварки, и относительной скорости перемещения зоны нагрева 10 - 12 м/ч, а сварку ведут с.удельной мощностью луча 2110" - 2310 Вт/см 2, при этом электронный луч перемещают по эллипсу с соотношением осей 2: 1 и расположением большой. оси поперек сварного шва и заглублением фокуса на 2/3 толщины соединения..Обручар Тираж Подпис НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 каз 162 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101