Способ электронно-лучевой сварки трудносвариваемых сталей и сплавов

(7 Ф) Научнбаследоеалтельский институттехноевее щнввестроеиия(4) СПОСОЬ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙСВАРКИ ТРУДНОСВАРИВЯЕМЫХ СТЯЛЕЙИСЙЛАВОВ57) Сущность изобретение: сварку деталейтрудносварвеаеммх сталей и сплэеое больших телщин емполнвют св сквозным проплэелением стмка при ускоряющемнапряжении 60-120 кВ горизонтальным лу.Изобретение относится к электроннолучевой сварке, а именно к технологии сверки трудносвариваемых сталей и сплавов, склонных и образованию металлургических дефектов в виде трещин, несплавлений, раковин и может быть использовано в любых отраслях машиностроения.Цель изобретения - повышение качества сварных соединений путем снижения внутренних и наружных дефектов в виде трещин, раковин, несплавлений.На фиг, 1 показана схема процес(."а ЭЛС; на фиг, 2 - схема развертки электронного луча по круговой траектории: 1 - опти. мальный 1 ф, И1 ф,опт., И 1-ф 1 ф.опт,Способ состоит в ориентации электронного луча 1 в горизонтальной плоскости, и изделия 2 в вертикальной плоскости, устачом, развернуттмм по круговой траекториидиаметром 0,8-1,5 мм с частотой 150-2000Гц, сварку осутществляют при рабочем расстоянии тоОии со скоростью 9 Н 1 Н: мм/ч для горизонтальных аеов и 4,5 10 /Н,мм/ч для вертикальных аеов, где Н - толщина соедийения, мм. при токе луча 1 а 1,2мд, где- номинальное значениетока луча В. МА, необходимое дла сквозногопроплавления, и обесйечении его стэбмльности е процессе сварки не хуае йбф. а .фокус луча на рабочем режиме заглублаетпод поверхность деталей нэ величину в/В Нмм для горизцнтальнаа авоа и /12 Н длявертикальных ааов и обеспечении его ста-,бильности В процессе сварки не хуже,, й 20.2 ил, 1 табл,Ъфновке рабочего расстояния Я=1 Имм" между торцем электронно-лучевой луаки 3 0 р и поверхностью изделия 2, развертке электронного луча 1 по круговой траектории ди-ар аметром бР 0,8-,5 мм и частотой1=150-2000 Гц, установке тока луча 4-1,2 фьф 1 ном, мЯ, гдеНою - номинальное значениеМ тока луча, необходимое для сквозного про-ОО плавления стыкаи фокуса луча под поверхность изделия 2 на расстоянии ть 15/Р)Н, фа мм для горизонтальных швов и Ь = (5/12)Н, а мм для вертикальных швов фланг. 1), сваркестыка со скоростью чс 8=9 10 /Н, мм/ч для горизонтальных швов и чсв=4,5 10 /Н, мм/ч5для вертикальных швов, где Н - толщина соединения; равная 30-150 мм и обеспечение стабильностй в процессе сварки 1 л и не хуже +5 ф/о и не хуже Ь +200 Д.Основной трудностью при ЭЛС перспективных высоколегированных сталей и жаропрочных сплавов является образование трещин в процессе сварки в металле шва и ОШЗ, раковин и несплавлений в шве 5 металлургического характера. Количество и протяженность этих дефектов увеличивается с повышением толщины соединения Н.Установлено, что на образование этих дефектов оказывает влияние термодеформа ционный цикл сварки и геометриия шва, определяемые углсм сходимости луча (рабочим расстоянием), заглублением фокального пятна в металл (тока фокусировки), током луча (мощностью), геометрией локальной 15 развертки в плоскости изделия, скоростью сварки. Причем эти закономерности являются общими и не зависят от используемого оборудования и определяются физико-металлургическими свойствами свариваемого 20 материала.Оптимальным выбран режим, при котором получается сквозное проплавление соединения на вертикальной плоскости при минимальных тепловложении и скорости 25 кристаллизации металла шва и оптимальных формировании и формы шва. Условия - минимальные тепловложение и скорость кристаллизации необходимы для трудносвариваемых материалов и определяются 30 выбором таких параметров режима, как ток луча и фокусировка и их стабильность, диаметр развертки, скорость сварки и рабочее расстояние (диаметр луча в фокальной плоскости,. Также эти параметры режима влия- З 5 ют на геометрию шва, его формирование и термодеформационный цикл сварки. Поэтому все параметры режима взаимосвязаны . между собой и не отделимы.В проводимых экспериментах по сварке 40 ускоряющее напряжение Оу, выбирали в пределах 60-120 кВ, а подводимую мощность регулировали током луча 1 л. Высокое Оу, выбрано из условия повышения удельной мощности электронного луча, а 1 л уста навливали из соотношения 1 л=1,2 1 ном При 1 д 1,2 1 ном увеличивается тепловложение в шов и образуются дефекты в виде трещин. . Причем отклонение 4 в процессе сварки от номинального значения не должно быть 50 больше + 50 , Это связано с тем, что оптимальный ток фокусировки 1 ф.опт. определяется величиной 1 л ( см, статью Назаренко О.К. и др. Закономерности управления фокусировкой сварочного электронного, пучка, 55 Международная конференция по электроннолучзвойтехнологии, София.1985 г,с.112- 118), При увеличении или уменьшении 1 л ток фокусировки становится больше или меньше оптимального, что приводит либо к недофокусировке (фиг. 2,П), либо к перефокусировке луча (фиг. 2, Ш). Ухудшение стабильности 1 л по сравнению с заданным пределом приводит к существенному снижению качества металла шва, При 1 л,1,21 ном - не обеспечивается стабильного сквозного проплавления из - за локальных магнитных отклонений луча и устранения корневых дефектов. Отсутствие сквозного проплавления увеличивает давление пара и газа в канале проплавления и повышает вероятность разрушения литого металла шва при кристаллизации.При ЭЛС Сталей и сплавов большихтолщин (более 30 мм) оптимальным является рабочее расстояние А=150- 220 мм. При уменьшении А увеличивается угол сходимости луча на изделие и возрастает отрицательное влияние на луч парового и ионного потоков из канала проплавления, Геометрия шва становится клинообразной; увеличивается Чигирина шва с лицевой стороны соединения, что повышает вероятность образования поверхностных трещин. При увеличении А более 220 мм сказываются абберации луча, увеличивается его диаметр и снижается плотность мощности в фокальном пятне и увеличивается длина перетяжки луча. Это приводит к увеличению ширины шва по всей его глубине и образованию усадочных трещин и, несплавлений.Геометрия локальной развертки луча влияет на распределение удельной мощности в зоне нагрева и геометрию шва, Локальную развертку луча меняли по различным траекториям - по окружности, эллипсу, дуге окружности и эллипса, Х и Т - образным траекториям, вдоль и поперек стыка. Технологию сварки с разверткой луча отрабатывали на оборудовании, укомплектованном приборами СУи СУ - 177 при разных частотах колебания луча. Установлено, что траектория луча по одной координате не обеспечивает стабилизации структуры луча в поперечном и продольном направлении и воспроизводимость режимов сварки снижается, Для сложных траекторий локальной развертки (кривйе второго порядка, пересекающиеся прямые) сварка металлов больших толщин со сквозным проплавлением стыка не оказйвает существенного влиянйя на геометрию шва и склонность металла шва к образованию трещин, Поэтому за основу выбрана простая, круговая траектория луча,Оптимальным является диапазон частот 1=150-20 ОО Гц, когда электронный луч действует как линейный пустотелый источник тепла. При 1 2000 Гц кольцевое распределение энергйи в пятне нагрева размывается, схема источника тепла приближается к равномерно распределенному и снижается плотность мощности в пятне нагрева, Зто приводит к снижению глубины проплавления и нарушению оптимального режима сварки. При 1 150 Гц частота собственных колебаний сварочной ванны не совпадает с колебаниями луча и нарушается устойчивость процесса формирования шва, что также увеличивает вероятность образования несплошностей в шве.Диаметр развертки луча бр не должен быть меньше 0,8 мм, т.к, снижается эффект стабилизации структуры луча, и больше 1,5 мм из - за увеличения объема металла шва и 15протяженности зоны термического влияния, Кроме того, при бр 1,5 мм парогазовый канал не перекрывается жидким металлом и происходит его "выдувание", что приводитк увеличению подрезав с лицевой и корневой сторон шва. 20 Экспериментально установлено, что для обеспечения качественных сварных швов с увеличением толщины соединения Нскорость сварки чав необходимо пропорционально уменьшить, Необходимость снижения чсв.обусловлена сохранением высокой плотности. мощности луча и снижения скоростей кристаллизации металла шва и временных деформаций в ОШЗ, С другой 30.стороны, малые чвв увеличивают металлоем.кость сварочной ванны, затрудняют процессы переноса и удержания расплавленйого металла вгоризонтальном положении, Поэ" тому оптимальная чсв определяется толщи ной соединения, При горизонтальном положении стыка оптимальной является скорость чвв= 9 10 /Н. Удовлетворительное5качество вертикальных швов обеспечивается при меньших оптимальных.скоростях 40 чвв=4,5.10 /Н. Это объясняется тем, что при5сквозном проплавлении вертикальных сты-, ков процессы переноса жидкого металла более устойчивы, т.к, сила тяжести расплавленного металла, скорость движе ния свариваемого изделия и термокапилярная сила направлены в одном направлении. Корффициенты пропорц 5 иональности К10 мм /час и К 2=4,5 10 мм /час связыва 2 2ют размерность между св м/ч и Н мм. При 50 св 4,5 10 /Н для вертикальных швов и чс,9 10 /Н для горизонтальных швов увеличиваются эона термйческого влияния ЗТВ и объем металла сварочной ванны, который становится трудно удержать на вертикаль ной плоскости и он стекает, Зто приводит кповышению концентрации деформаций и склонности металла шва к образованию продольных трещин по центру кристаллизации, При чвв 4,5 10 /Н для вертикальных5 швов и чсв 9 10/Н для горизонтальных5швов увеличивается вероятность образования поперечных (по отношению к оси шва) трещин в шве и ОШЗ, раковин и несплавлений в шве,Оптимальное положение фокального пятна по отношению к поверхности детали соответствует его заглублению вдеталь на величину Л= (5/8)Н для горизонтальных стыков и Л = (5/12)Н для вертикальных стыков, Причем отклонение Л в процессе сварки не должно превышать +20, т,е. фокус луча должен колебаться в пределах (1/2 - 3/4 )Н для горизонтальных швов и (1/3-1/2)Н для вертикальных швов. При расположении фокального пятна ниже (3/4)Н для горизонтального стыка и (1/2)Н для вертикального стыка, шов значительно расширяется с лицевой стороны, увеличивается его клиновидность(отношение ширины, верхней части шва к ширине нижней части составляет 2-6), Расплавленный металл сварочной ванны начийает стекать с лицевой стороны и увеличивается вероятность образования трещин в металле шва и несплавлений по центру кристаллизацйи. При расположении фокального пятна выше (1/7)Н для горизонтального стыка и (1/3)Н для вертикального стыка канал проплавлв-ния по мере его углубления. расширяется и форма шва принимает бочкообразное сечение. 8 расширенной части шва на глубине (0,6 - 0,7)Й образуются усадочные раковины и трещины. Для вертикальных швов оптимальное положение фокальнпго пятна должно.быть выше, чем для горизонтальных швое. Это объясняется необходимостью обжатия луча с лицевой стороны соединения для предотвращения перегрева передней стенки канала проплавления. При увеличении рабочего расстояния А область с мини:мальным сечением луча (перетяжка) и его диаметр увеличиваются, а с изменением ф и в фокальное пятно смещается, что изменяет величину Л, форму шва и вероятность образования несплошностей в металле шва. Поэтому в процессе сварки должен быть регламентирован допуск на из- менение Л . Из фиг, 2 следует, что положение фокального пятна сходящегося результирующего электронного луча и его угол сходимасти, определяются фокусным расстоянием Л и рабочим расстоянием А отдельного луча, Оценить влияние л иф на геометрию луча можно с помощью выражений, приведенных в статье О,К. Назаренко и др, (см, выше приведенную ссылку). Результаты расчета показывают, что при А=150-220 мм. Л =0,5 Н изменение величины ф в пределах 1 или 1 л Ь в пределах 10 приводит к изменению Л в пределах 45 , Экспериментальные результаты на установке, оснащенной источником питания У - 843 и пушкой УЛ - 141, полностью 5 подтверждаются. При изменении ф на й 0,4 мА( . 0,5 о ), 1 на + 25 мА( + 5,0 о ), А от 150 до 220 мм качественные швы при сохранении заданной геометрии обеспечиваются при стабильности величины Ь на 10 уровне + 20% от оптимального положения. Таким образом, фокус луча в процессе сварки должен находиться в интервале Ь =(1/3-1/2)Н для вертикальных швов и Л =(1/2-3/4)Н для горизонтальных швов 15П р и м е р. Выполняли ЭЛС высокопрочной стали 12 Х 2 НЧМД, жаропрочной хромистой стали 15 Х 11 МФ толщиной 40 - 150 мм и жаропрочного никелевого сплава ХН 73 МБТЮ толщиной 30-90 мм горизон тальным лучом на вертикальной плоскости на установках У, оснащенных энерго- комплексами мощностью 30,60 и 120 кВт. Для этих целей использовали электроннолучевые. пушки соответственно УЛ(60 25 кВ), ЗЛА 60/60, (60 кВ), У(120 кВ), Влияние параметров режима на качество сварных швов стали ЙХ 2 НЧМД и сплава ХН 73 МБТЮ представлено в таблице, В этих экспериментах использовали систему раз вертки луча с одной отклоняющей катушкой, которая обеспечивает круговую форму развертки, Так как частота развертки в пределах 150-2000 Гц особого влияния на форму35 шва и образование. дефектов не оказывает, то опыты представлены при 1=1000 Гц.Применение предлагаемого способа сварки позволяет предотвратить дефекты в сварных соединениях, что повышает выход годной продукции на 100.Формула изобретенияСпособ электронно-лучевой сварки трудносвариваемых сталей и сплавов больших толщин, при котором сварку деталей выполняют при ускоряющем напряжении 60-120 кВ горизонтальным лучом со сквозным проплавлением стыка, разверйутым покруговой траектории диаметром 0,8-1,5 мм счастотой 150-2000 Гц, отл и чающий-с я тем, что, с целью повышения качества сварных соединений путем снижения внутренних и наружных дефектов в виде трещин, раковин, несплавлений,.сварку осуществляют при рабочем расстоянии 150 - 220 мм со скоростью 9 105/Н, мм/ч для горизонтальных швов и 4,5 10 /Н мм/ч для вертикаль 5ных швов, где Н - толщина соединения, мм, при токе луча 1 л=1,2 мом. где 1 ном- номиналь-. ное значение тока луча, мА, необходимое для сквозного проплавления стыка, и обеспечения его стабильности в процессе сварки йе хуже +5, а фокус луча на рабочем режиме заглубляют под поверхность деталей на величину 5/8 Н для горизонтальных швов и 5/12 Н для вертикальных швов и обеспечений его стабильности в процессе сварки не хуже й 20 о .1810258 10111 1 1 1 . 3 Х ХЕ з с Э З 1 ф а х х ф х ис и) ес 9 Еа аЦ 1 Х 9 Ц 9 9 3З х ха х а ос аф е цс ео ф фц сх о це оф сх са;ь.сЧ О В.оь а а4 сче На СЧ Кщ; мок, о н. 1 ык оьа 1о нсФ 1 Че ь Мгаок мосЧ.омК% сч сЧа сЧ ь ЮО ОО1 ОН Ч;33. ОЪ ь-а (а ы о воа ь .3 3 а,Ф се4 о 1 сЧ Р 4 м 1 С . л е- х х ,Сеф Б ОХ Х ох Г, У с ,Хе Ф о о е ф 3-аЕ 1- 3-3- О сео к.а.1 Гььмм км ом.0 м4 а 4 сс3 г гав еьа егоссе ою е м ма НЕ Г ь 3: М Р (ььва 3 Г с щ г се асе 3 3 13131 11 11 1 13 1 11 1 11 3 1Эю Бо хсС ХйО Эх аХЩ йУ1 БО Хф ЕЛ флоУф Фх о ха11 Х ЭьЭ Б1810258 Редактор Составитель В, МорочкТехред М,Моргентал ор екто .Т,Ваоко Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарин р р ч Заказ 1415 . Тираж. Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Рауаская наб 4 Я,