СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ ИЗ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Российский патент 1996 года по МПК B23K5/00 B23K101/04 B23K103/08 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении сварных труб из сравнительно массивных монокристаллов металлов и сплавов с пониженной пластичностью, в частности для изготовления узлов термоэмиссионных преобразователей.

Известна сварка монокристаллов электронным лучом в вакууме, при котором возможно широкое регулирование количества вводимого тепла и формы теплового поля при надежной защите металла от взаимодействия с атмосферой (авт. Н.А. Ольшанский, Ф.В. Шубин, А.К. Какабадзе, Л.И. Серенков в сб. МВТУ "Технология и автоматизация процессов сварки и пайки: М. Машиностроение, 1969 г. с. 86 92 под редакцией Г.А. Николаева). В этой статье получение деталей больших размеров затруднительно, а деталей сложной объемной формы (полуцилиндр, цилиндр и т.д.) с одинаковой кристаллографической ориентировкой поверхности
невозможно. Усовершенствованием вышеназванной разработки было получение сварных соединений типа трубка-трубка из монокристаллического молибдена (см. Ф. В. Шубин, И.Д. Понимаш, Г.Н. Шабалин и др. "Труды Московского энергетического института". 1980 г. N 475, с. 56 61). При сборке монокристаллических трубок их ориентированная стыковка перед электроннолучевой сваркой осуществлялась таким образом, чтобы обеспечить совпадение их кристаллографической ориентации в зоне свариваемого стыка. В технических тугоплавких металлах (например, в молибдене и вольфраме) содержание реальных примесей, таких как О, С, N и др. более чем на десяток порядков превышает пределы растворимости. В молибдене, например, растворимость углерода составляет всего 10^-22-10 ^-23 мас. т.е. свободные примеси, особенно образующие с металлом фазы внедрения, являются активными центрами кристаллизации независимых зерен.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому способу является способ электронно-лучевой сварки, состоящий в том, что в приспособление устанавливают свариваемые монокристаллические трубы из тугоплавких металлов и сплавов. В процессе установки монокристаллические трубы собирают на стяжке, фиксируют конусами и затягивают через пружину гайками, т. е. к ним прикладывают осевое и радиальное усилия. Это приводит к значительным искривлениям трубки и, следовательно, к значительному объему правки на последующих стадиях изготовления, хотя свободная поводка и снижает значительно уровень термических напряжений.

Задачей авторов является разработка такого способа сварки монокристаллических труб, при котором исключается вероятность образования поликристаллической структуры из расплава в процессе кристаллизации сварочной ванны, исключается возникновение критических внутренних напряжений от температурных расширений и усадки, приводящих к формированию поликристаллической структуры, проведение правки до номинальной кривизны непосредственно в сварочной камере, исключая охлаждение стыка, т.е. используя нагрев от сварочного источника после сварки с помощью расфокусированного луча.

Сущность изобретения заключается в том, что при сварке монокристаллических труб из тугоплавких металлов электронным пучком встык дополнительно перед сваркой осуществляют кристаллографическую ориентацию стыка, пассивацию с уравновешиванием теплоотвода в зоне кристаллизации и подогрев стыка расфокусированным лучом. Сварку ведут в режиме существования сварочной ванны в течение 0,05 0,2 с. После сварки осуществляют правку труб, увеличив радиальное усилие при одновременном вращении труб и поддержании температуры нагрева труб не ниже температуры начала пластического течения их материала под приложенным радиальным усилием.

Осуществление пассивации предварительно сориентированных стыков с последующим очистительным вакуумным отжигом, уравновешиванием теплоотвода в зоне кристаллизации позволяет исключить корневые поры, а резкая усадка сварочной ванны способствует более спокойную формированию субструктуры в сварном шве. Параметры режима сварки, обеспечивают существования сварочной ванны в пределах 0,05 0,2 с. В течение этого времени существования ванны расплавленного металла возникающие центры кристаллизации поликристаллической структуры не успевают развиться в трехмерные зерна с произвольной ориентацией, так как они поглощаются растущими субзернами в результате доминирующего процесса роста монокристалла от затравок (торцев в стыке), т.е. исключается вероятность зарождения поликристаллической структуры в сварном шве, поскольку основное техническое требование к сварному шву сохранение им монокристальной структуры. То есть его структура должна продолжать "наследовать" монокристальную структуру основного металла.

После сварки стыка осуществляют правку путем увеличения первоначального сжимающего радиального усилия, причем правку ведут в процессе вращения заготовок, температуру которой поддерживают не ниже температуры начала пластического течения материала заготовки под упомянутым усилием.

Основные сложности при решении технической задачи заключались в нахождении оптимальных параметров комплексной технологии для удовлетворения противоречивых требований. Например, для того, чтобы в процессе кристаллизации процесс роста монокристалла от затравок (торцев) доминировал и подавлял одновременные процессы гомогенного и гетерогенного образования поликристаллической структуры из центральной части жидкой ванны, необходимо создать такую концентрацию энергии электронного луча, чтобы минимальная ванна существовала до сотых долей секунды (мах. 0,2 с). Но такой режим уже на грани режиме резки со всеми отрицательными для сварки последствиями (поры, несплошность в корне шва и др.). Поэтому, чтобы не увеличивать объем ванны и улучшить (смягчить) условия кристаллизации, необходимо вводить низкотемпературный подогрев. Также компромисное решение сказалось возможным и при выборе системы закрепления, с одной стороны требующей жесткости для сохранения точности посадки и следовательно сохранения взаимной ориентации свариваемых заготовок, с другой стороны система должна исключать возможность возникновения внутренних напряжений от термических расширений, т.е. должна обладать свойствами демпфера во всех направлениях.

На чертеже представлено устройство, с помощью которого реализуется предложенный способ.

Устройство содержит плиту 1, к которой крепятся стойки 2, два вращателя 3, ролики 4 (8 пар), шесть планок 5 с роликами 7, установленных на направляющих 6, планки с роликами поджимаются гайками через пружины 8, два прижимных вала 10, на которые установлены кулачки 9, две роликоопоры 11, установленные на плите 1, которые служат для предотвращения прогиба вращателей 3 в процессе правки. Шестерни 12 служат для привода в действие прижимных валов 10. Шестерни 13 служат для передачи вращения от существующего привода установки шестеренчатой паре 14, установленной на вращателях 3. Конуса 16, 17 служат для установки заготовок для стыковки в собранном виде, 18, 19 - фиксирующие винты.

Изготавливают монокристаллическую трубу из четырех трубных заготовок из монокристаллического вольфрама. Наружный диаметр трубных заготовок 22 мм длиной до 300 мм каждая. Трубы промывают, отжигают в вакууме, стыки пассивируют.

Заготовки стыкуют и устанавливают в собранном виде между подпружиненными конусами 16 и 17 устройства, приведенного на чертеже. Опорные ролики устанавливаются симметрично по сторонами от стыка заготовок и фиксируются винтами 18. Прижимные ролики 7 фиксируются пружинами 9 с усилием 10 кг на каждой пружине. Кулачки 9 фиксируются в рабочем положении винтами 19 и выводятся в свободное положение. Производят предварительный подогрев стыка расфокусированным электронным лучом до 900 1000^oС для исключения корневых пор, резкой усадки ванны и более спокойного формирования субструктуры в сварном шве. Далее производится сварка стыка электронным лучом с ускоряющим напряжением 80 85 кВ с острой фокусировкой в пятне. Сварочный ток - минимальный для провара 8 мА на мм толщине, скорость максимальная для гарантированного провара 40 м/ч. По окончании процесса сварки кольцевого шва включается расфокусированный луч, с помощью которого температура в зоне стыка сохраняется порядка 1400^oC, одновременно с включением подогревающего луча кулачки 9 приводятся в рабочее положение, передавая усилие, с помощью которого производится правка в месте стыка, завершение которой характеризуется приведением кулачков в положение, зафиксированное до начала сварки. Далее без разгерметизации камер с помощью механизмов перемещения последующие стыки устанавливаются для сварки и правки аналогично первому. Аналогичным образом подвергаются сварке трубные монокристаллические заготовки, изготовленные из Мо, легированные ниобием 3%
Возможность изготовления сварных труб из сравнительно массивных монокристаллов металлов и сплавов с пониженной пластичностью направлена на то, чтобы
выход годных по монокристальности стыков до 97 100% по сравнению с применением способа сращивания монокристаллов методом зонной плавки, где выход годных не превышал 35 40% в основном из-за нарушения монокристальности ввиду значительного объема ванны;
повысилась производительность за счет сокращения времени на герметизацию камеры и совмещения операции правки с процессом сварки в одной камере.

Изготовление сварных узлов по предлагаемым техническим решениям гарантирует высокое качество сварки, выращивающееся в сохранении монокристаллической структуры сварных швов.

Использование: изготовление сварных трубок из монокристаллов, в частности для узлов термоэмиссионных преобразователей. Сущность изобретения: при электронно-лучевой сварке монокристаллических труб из тугоплавких металлов и сплавов сначала производят установку стыков труб с приложением осевого и радиального усилий перед сваркой осуществляют кристаллографическую ориентацию стыка, пассивацию с уравновешиванием теплоотвода в зоне кристаллизации и подогрев стыка расфокусированным лучом. Сварку ведут в режиме существования сварочной ванны в течение 0,05 - 0,2 с. После сварки осуществляют правку, увеличив радиальное усилие при одновременном вращении труб и поддержании температуры нагрева труб не ниже пластического течения материала под приложенным радиальным усилием. Способ позволяет увеличить выход годных по монокристальности стыков до 97 - 100%. 1 ил.

Способ электронно-лучевой сварки монокристаллических труб из тугоплавких металлов и сплавов, при котором производят установку стыков труб с приложением осевого и радиального усилий, отличающийся тем, что перед сваркой осуществляют кристаллографическую ориентацию стыка, пассивацию с уравновешиванием теплоотвода в зоне кристаллизации и подогрев стыка расфокусированным лучом, сварку ведут в режиме осуществления сварочной ванны в течение 0,05 0,2 с, после сварки осуществляют правку, увеличив радиальное усилие при одновременном вращении труб и поддержании температуры нагрева труб не ниже пластического течения их материала под приложенным радиальным усилием.