СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ Российский патент 2005 года по МПК B23K15/04 B23K101/06 

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке толстостенных труб из циркониевых и титановых сплавов при заполнении U-образной разделки стыка присадочной проволокой.

Известен способ электронно-лучевой сварки труб или листов с использованием присадочной проволоки при заполнении U-образной разделки стыка (см. Wire freeders boost ЕВ Weldings potential, Yasud Кого, Nagai Hiroyoshi, Mori Eisuke. «Weld und Metal». Fbr, 1984, 52, №3, 101-103).

Известный способ заключается в том, что при электронно-лучевой сварке толстостенных труб присадочную проволоку подают в U-образную разделку стыка непосредственно под электронный луч, при этом электронный луч расплавляет присадочную проволоку и кромки разделки стыка.

Для обеспечения одновременного расплавления присадочной проволоки и кромок разделки диаметр пятна нагрева электронного луча увеличивают минимум в 2,5 раза по сравнению с диаметром присадочной проволоки. Для сохранения способности пятна нагрева плавить металл увеличивают его мощность, что в свою очередь увеличивает объем сварочной ванны и ее вес.

Дело в том, что для химически активных металлов типа циркония характерным является их высокая температура плавления, например, у циркония она равна 1840°С, и относительно этой температуры весьма низкая жаропрочность, например, при температуре 1200°С цирконий теряет более 97% своей исходной прочности.

Из-за этого при образовании относительно большой жидкой сварочной ванны прилегающие к ней слои твердого металла нагреваются до высокой температуры и под тяжестью веса жидкой сварочной ванны прогибаются, что приводит к провисанию сварного шва, а при небольшом перегреве может произойти нарушение сплошности сварного шва, т.е. прожог. Для избежания этого используют специальные подкладки, которые после сварки удаляют механическим путем, что значительно удорожает изготовление сварочного соединения из циркониевых и титановых сплавов.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является «Способ электронно-лучевой сварки труб» по патенту РФ №2085347, кл. В 23 К 15/00, 1997 г., авт. Белов В.И. и др. По этому способу на свариваемых торцах толстостенных труб выполняют U-образную разделку кромок, сваривают корень шва и заполняют разделку присадочной проволокой, которую расплавляют теплом сварочной ванны, формируемой пятном нагрева электронного луча. Отличительной особенностью этого способа электронно-лучевой сварки труб с подачей присадочной проволоки в U-образную разделку шва является способ подачи и расплавления присадочной проволоки, которую подают не под электронный луч, а в жидкую сварочную ванну, которую непрерывно формируют с помощью пятна нагрева стационарного (неподвижного) электронного луча. При этом пятно нагрева формируют достаточно большим, чтобы можно было одновременно плавить боковые стенки разделки стыка и непрерывно подаваемую в сварочную ванну присадочную проволоку. Для этого диаметр пятна нагрева увеличивают почти до размера ширины разделки, а чтобы оно обладало способностью плавить увеличивают его мощность за счет повышения тока в электронном луче.

Недостатком этого способа электронно-лучевой сварки толстостенных труб является необходимость создания относительно большой сварочной ванны, что при небольшом нарушении режима в сторону перегрева ванны может приводить к провисанию сварного шва, а то и к его прожогу. Кроме того, для этого способа характерны достаточно широкие пришовные зоны, в которых происходят нежелательные термические превращения, понижающие прочностные и антикоррозионные свойства сварного соединения.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке способа электронно-лучевой сварки с подачей присадочной проволоки в U-образную разделку, при котором объем сварочной ванны должен быть меньше, чем у известного способа электронно-лучевой сварки с подачей присадочной проволоки.

Технический результат, получаемый в результате осуществления заявляемого способа, состоит минимум в уменьшении тепловложения электронного луча на единицу длины сварного шва, в уменьшении ширины пришовной зоны, в уменьшении опасности провисания сварного шва и в улучшении прочностных и антикоррозионных свойств сварного соединения.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе, в котором на свариваемых торцах труб выполняют U-образную разделку кромок, сваривают корень шва и заполняют разделку металлом присадочной проволоки, которую расплавляют теплом сварочной ванны, формируемой пятном нагрева электронного луча, электронный луч фокусируют до диаметра пятна нагрева не более 1,2 мм и колеблют его с частотой не более 30 колебаний в секунду по траектории полуэллипса, продольную ось которого располагают вдоль разделки, а длину поперечной оси полуэллипса устанавливают не менее ширины донной части U-образной разделки, при этом точки изменения направления движения пятна нагрева по траектории полуэллипса располагают в хвостовой части сварочной ванны.

Фокусирование электронного луча до размеров пятна нагрева менее 1,2 мм расширяет его технологические возможности в сочетании с колебаниями пятна нагрева поперек разделки по траектории полуэллипса симметрично оси разделки.

Оптимальный подбор размеров осей полуэллипса позволяет экономно использовать тепло электронного луча только в тех локальных местах разделки; где требуется предварительный подогрев боковых кромок U-образной разделки с начальной стадией оплавления и последующим смыканием оплавливаемых участков боковых граней U-образной разделки с металлом сварочной ванны, в которой обеспечивается формирование необходимого объема жидкого металла, расходуемого на заполнение металлом части (слоя) U-образной разделки за один проход.

Форма траектории колебания пятна нагрева в виде вытянутой петли, охватывающей сварочную ванну с трех сторон, обеспечивает постоянную сохранность сварочной ванны в жидком состоянии, несмотря на непрерывное ее перемещение за счет вращения свариваемых труб.

В отличие от известного способа присадочная проволока подается в сварочную ванну не в холодном состоянии, а в подогретом за счет многократного пересечения подаваемой присадочной проволоки пятном нагрева радиусной частью полуэллипсной траектории колебания пятна нагрева.

В результате такого подогрева присадочной проволоки, который по вложенному в проволоку теплу составляет от 7 до 12% от полной тепловой мощности электронного луча, возникают условия для возможности снижения объема сварочной ванны, в которой расплавляется присадочная проволока.

Простым подбором соотношения продольной и поперечной осей полуэллипса можно легко добиться оптимального размера зеркала сварочной ванны, ограничивая его траекторией колебания пятна нагрева по ширине и длине.

Процесс формирования сварочной ванны происходит в основном за счет тепла, выделяемого на боковых гранях разделки, а это определяет небольшую глубину жидкой сварочной ванны, что в свою очередь практически исключает опасность провисания сварочного шва и тем более прожога от перегрева корня шва.

Выделение тепла на боковых гранях U-образной разделки и образование в этих местах боковых краев жидкой ванны практически исключает дефекты сварного шва в виде несплавлений и непроваров.

Кроме этого, уменьшение объема сварочной ванны влечет за собой и уменьшение ширины пришовных зон, что также улучшает прочностные и антикоррозионные свойства сварных швов труб из циркониевых и титановых сплавов.

Пример осуществления способа

С помощью электронно-лучевой сварки проводили заполнение U-образной разделки труб из циркониевого сплава диаметром 100 мм и толщиной стенки 5 мм присадочной проволокой, диаметром 1,6 мм.

Предварительно корень шва U-образной разделки толщиной 2 мм был сварен электронно-лучевой сваркой с применением колебаний пятна нагрева электронного луча по траектории полуэллипса.

Пятно нагрева было сфокусировано до диаметра 0,9±0,1 мм.

Пятно нагрева электронного луча колебали по траектории полуэллипса с частотой 20 колебаний в секунду.

Размеры траектории колебания пятна нагрева составляли:

длина продольной полуоси - 5,5 мм;

длина поперечной оси - 3,8 мм.

Заполнение U-образной разделки сварного шва осуществляли за три прохода.

Из сваренного трубчатого образца были вырезаны шлифы для оценки качества сварного шва.

Исследования показали, что провисание шва полностью отсутствует, ширина литой зоны шва колебалась в пределах 5,5-7,5 мм, а технологические дефекты в виде прожогов и непроваров полностью отсутствовали.

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке толстостенных труб из химически активных металлов, таких как цирконий, титан и другие, и может быть применено при изготовлении каналов для центральной зоны атомного реактора, а также для сварки труб в химической промышленности. При осуществлении электроннолучевой сварки толстостенных труб с U-образной разделкой при заполнении ее металлом присадочной проволоки используют колебание электронного луча по траектории полуэллипса. Пятно нагрева электронного луча фокусируют до диаметра не более 1,2 мм и колеблют его с частотой не более 30 колебаний в секунду. Длину поперечной оси полуэллипса устанавливают не менее ширины донной части U-образной разделки. Точки изменения направления колебания движения по траектории полуэллипса располагают в хвостовой части сварочной ванны. Способ позволяет формировать сварной шов с литой зоной, ширина которой не превышает двойной толщины стенок труб в месте сварки, при этом снижается ширина пришовных зон, повышаются прочностные и антикоррозионные свойства сварного соединения труб.

Способ электронно-лучевой сварки толстостенных труб, заключающийся в том, что на свариваемых торцах труб выполняют U-образную разделку кромок, сваривают корень шва и заполняют разделку металлом присадочной проволоки, которую расплавляют теплом сварочной ванны, формируемой сфокусированным пятном нагрева электронного луча, отличающийся тем, что электронный луч фокусируют до диаметра пятна нагрева не более 1,2 мм и колеблют его с частотой не более 30 колебаний в секунду по траектории полуэллипса, продольную ось которого располагают вдоль разделки, а длину поперечной оси полуэллипса устанавливают не менее ширины донной части U-образной разделки, при этом точки изменения направления движения пятна нагрева по траектории полуэллипса располагают в хвостовой части сварочной ванны.