СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ Российский патент 2003 года по МПК B23K15/00 B23K33/00 

Изобретение относится к технологии электронно-лучевой сварки и может быть использовано при изготовлении любых ответственных деталей газотурбинных двигателей, где необходимо точное выдерживание геометрических размеров деталей после сварки.

Известен способ электронно-лучевой сварки (авт. свидетельство 1280787, МПК⁴ В 23 К 15/00), по которому при сварке на свариваемом стыке со стороны действия электронного луча устанавливают пластину и закрепляют ее на свариваемых деталях. На стыке предварительно выполняют П-образный паз, а пластину устанавливают в этот паз.

К недостаткам этого способа следует отнести то, что установление пластины в зоне свариваемого стыка является дополнительным концентратором напряжения и не позволяет снизить уровень остаточных напряжений до допустимых величин.

Известен способ электронно-лучевой сварки (авт. свидетельство 1732570, МПК⁵ В 23 К 15/00), при котором формируют прямоугольную зону нагрева из нескольких расположенных последовательно участков, равных по длине, при расстоянии между участками, равном 2-4 их длинам, а зону нагрева при термообработке перемещают со скоростью 1800-2000 м/ч.

Данный способ электронно-лучевой сварки не позволяет перераспределить остаточные напряжения таким образом, чтобы деталь вернулась к исходным размерам по деформации.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ электронно-лучевой сварки деталей ГТД (журнал "Авиационная промышленность", 5, 1989 г., с.24), при котором производят сварку деталей, на свариваемом стыке которых утолщение не превышает 0,5 от толщины расчетного сечения шва.

Недостаток данного способа заключается в том, что величина утолщения в верхней части стыка существенно (в 2 раза) меньше, чем это необходимо для перераспределения остаточных напряжений, а в нижней части утолщение полностью отсутствует.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение качества сварных соединений и снижение уровня остаточных напряжений и деформаций.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что при электронно-лучевой сварке на свариваемом стыке со стороны действия электронного луча изготавливают утолщение свариваемых деталей, производят сварку в вакууме, последующую общую термическую обработку и окончательную механическую обработку стыка. Величина утолщения в верхней части стыка составляет 1÷1,2 от толщины расчетного сечения шва, а в корне шва составляет не менее 0,5 от толщины расчетного сечения шва. Удаление утолщения в верхней части стыка и в корне шва производят механической обработкой после электронно-лучевой сварки, уменьшая тем самым угловую деформацию сварной детали до допустимого значения.

Технический результат: повышение качества сварных соединений и снижение уровня остаточных напряжений и деформаций достигается тем, что на стыке свариваемых деталей в верхней части изготавливают механической обработкой утолщение, величина которого составляет 1÷1,2 от толщины расчетного сечения шва.

При электронно-лучевой сварке верхняя расширенная часть шва полностью располагается в этом утолщении стыка. Снижение величины утолщения менее расчетной глубины шва не позволяет локализовать полностью расширенную часть шва в металле утолщения и при последующей механической обработке снизить уровень остаточных напряжений и деформаций до необходимой величины торцевых биений 0,55 мм, а при увеличении величины утолщения более 1,2 от толщины расчетного сечения шва приводит к значительному дополнительному расходу металла на изготовление заготовки.

При кристаллизации металла свариваемые детали получают значительную угловую деформацию, т. к. верхняя расширенная часть шва имеет существенно больший объем расплавленного металла и, как следствие, большую усадку.

Последующая механическая обработка путем удаления утолщения верхней части стыка, в которой размещается расширенная часть шва, приводит к существенному уменьшению сжимающих остаточных напряжений в сварном соединении, и, как следствие, понижению угловых деформаций сварных деталей до допустимых значений (торцевое биение не превышает 0,55 мм).

В нижней части стыка изготавливают механической обработкой утолщение не менее 0,5 от толщины расчетного сечения шва для увеличения сечения стыка и сопротивления угловой деформации деталей после сварки, а также вывода корневых колебаний глубины и дефектов шва. Удаление утолщения в корне шва и утолщения в верхней части стыка производят механической обработкой после сварки.

При величине утолщения в нижней части стыка менее 0,5 от толщины расчетного сечения стыка не удается полностью вывести корневые дефекты из шва, а увеличение его значения свыше этого значения приводит к дополнительному расходу металла заготовки.

Способ осуществляется следующим образом.

На чертеже представлена схема электронно-лучевой сварки. На свариваемом стыке 1 со стороны действия электронного луча 2 механической обработкой изготавливают утолщение свариваемых деталей 3, 4. Величина утолщения в верхней части стыка 5, 6 составляет 1÷1,2 от толщины расчетного сечения шва S, величина утолщения в корне шва 7, 8 составляет не менее 0,5 от толщины расчетного сечения шва S.

Проводят электронно-лучевую сварку в вакуумной камере установки ЭЛУ-9Б с энергоблоком, укомплектованным пушкой БЭП 60/15К 9, с прямонакальным катодом. Электронный луч совмещают с центром стыка.

Проводят внешний осмотр и металлографические исследования качества сварных соединений. Производят также замер торцевых биений деталей.

Механической обработкой производят полное удаление утолщений в верхней части стыка, а затем в корне шва.

Осуществляют печную термическую обработку в вакуумной печи "ULVAK".

Проводят окончательную механическую обработку стыка.

Осуществляют радиографический контроль качества сварного соединения, замер торцевых биений деталей и макроструктурный анализ сварного шва.

Пример. По данному способу производили электронно-лучевую сварку барабанов ротора ГТД из титановых сплавов ВТ9 и ВТ18У, представляющих собой кольцевые детали с толщиной стыка 16 мм.

В верхней части стыка и в корне шва механической отработкой изготавливали утолщения. В верхней части стыка утолщение составляло 6 мм или 1,0 от толщины расчетного сечения шва. В корне шва утолщение составляло 3 мм или 0,5 от толщины расчетного сечения шва.

Электронно-лучевая сварка производилась в вакуумной камере установки ЭЛУ-9Б с энергоблоком, укомплектованным пушкой БЭП 60/15К, с прямонакальным катодом. Электронный луч совмещали с центром стыка и осуществляли сварку на режиме:
Ускоряющее напряжение - 60 кВ
Ток луча - 50 мА
Ток фокусирующей линзы - 36 мА
Скорость сварки - 45 м/час
Рабочее расстояние от торца пушки до изделия - 80 мм
Внешний осмотр и металлографические исследования установили требуемый уровень качества сварных соединений. Также производили на специализированном стенде замер торцевых биений ротора, которые составили 0,89 мм, что существенно превышает допустимый уровень (0,55 мм).

Производили механической обработкой полное удаление утолщений в верхней части стыка, а затем в корне шва, что привело к существенному уменьшению уровня остаточных напряжений в сварном соединении, и, как следствие, понижению угловых деформаций сварного барабана ротора до допустимых значений (торцевое биение не превышает 0,55 мм).

Общую печную термическую обработку ротора после сварки проводили в вакуумной печи фирмы "ULVAK" для полного снятия объемных напряжений при остаточном вакууме 1•10^-4 мм рт.ст., температуре 900±10^oС и выдержке 45 мин.

Проводили окончательную механическую обработку для получения точных геометрических размеров барабанов ротора.

Осуществляли радиографический контроль качества сварного соединения, который установил требуемый уровень сплошности металла сварного соединения.

Макроструктурный анализ шва толщиной 16 мм показал плохо выявляемую при травлении литую структуру с тонкими границами зерен. При исследовании поперечных макрошлифов сварных соединений на вершине и в корне шва в зоне сплавления получен плавный переход от металла шва к основному металлу. Острые подрезы в сварном соединении отсутствовали.

Торцевое биение барабана ротора составило 0,49 мм, что отвечает предъявляемым требованиям к барабанам сварных роторов газотурбинных двигателей.

Сварные барабаны роторов прошли полный цикл приемосдаточных испытаний и запущены в серийное производство барабанов роторов газотурбинных двигателей.

Таким образом, предлагаемый способ электронно-лучевой сварки обеспечивает повышение качества сварных соединений и снижение уровня остаточных напряжений и деформаций.

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке в вакууме и может найти применение при изготовлении любых ответственных деталей, где необходимо точное выдерживание геометрических размеров деталей после сварки. На свариваемом стыке со стороны действия электронного луча изготавливают утолщение свариваемых деталей. Величина утолщения в верхней части стыка составляет 1÷1,2 от толщины расчетного сечения шва, а в корне шва составляет не менее 0,5 от толщины расчетного сечения шва. Удаление утолщения в верхней части стыка и в корне шва производят механической обработкой после сварки, уменьшая тем самым угловую деформацию сварной детали до допустимого значения. Проводят общую термическую обработку и окончательную механическую обработку стыка. Способ электронно-лучевой сварки повышает качество сварных соединений и снижает уровень остаточных напряжений и деформаций. 1 ил.

Способ электронно-лучевой сварки, при котором на свариваемом стыке со стороны действия электронного луча изготавливают утолщение свариваемых деталей в верхней части стыка, производят сварку в вакууме, последующую общую термическую обработку, удаление утолщения и окончательную механическую обработку стыка, отличающийся тем, что дополнительно изготавливают утолщение в корке шва величиной не менее 0,5 от толщины расчетного сечения шва, а утолщение в верхней части стыка составляет 1÷1,2 от толщины расчетного сечения шва, причем для уменьшения угловой деформации сварной детали до допустимого значения удаление утолщений в верхней части стыка и в корне шва производят механообработкой после электронно-лучевой сварки.