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

Изобретение относится к способу сварки кольцевых швов электронным лучом в вакууме изделий, преимущественно из химически активных металлов, например труб из циркониевых сплавов для каналов атомных реакторов.

При сварке электронным лучом значительную технологическую трудность представляет сварка встык труб из химически активных металлов и их сплавов, таких как цирконий, титан и т.п., имеющих высокую температуру плавления, например, у циркония температура плавления составляет 1840°С.

Особенностью химически активных металлов (цирконий, титан и др.) является их относительно низкая жаропрочность, например, при температуре 1200°С цирконий теряет более 97% своей исходной прочности, поэтому при образовании относительно большой жидкой сварочной ванны прилегающие к ней слои твердого металла под тяжестью жидкой ванны прогибаются, что приводит к провисанию сварного шва, а то и к нарушению его сплошности в виде образования свищей и прожогов. Поэтому при сварке этих металлов сварщики всегда стремятся уменьшить сварочную ванну за счет уменьшения пятна нагрева до технологически допустимого предела, чтобы сократить до минимума опасность провисания жидкой ванны.

При стационарном электронном луче технологически трудно обеспечить стабильное качество сварного шва, т.к. пятно нагрева небольшого размера трудно вручную установить точно по стыку, чтобы при сварке одинаково прогревались обе свариваемые кромки стыка. Даже небольшое смещение пятна нагрева малого диаметра от центра стыка приводит к преимущественному расплавлению одной из кромок, что неизбежно влечет за собой неполное проплавление стыка, т.е. в итоге к браку.

Одним из путей преодоления этого недостатка является колебание электронного луча поперек и вдоль стыка, что упрощает наводку луча на стык, уменьшает перегрев металла в зоне стыка и повышает стабильность процесса формирования шва.

Известно авторское свидетельство №1659183 от 30.06.91 г., бюл. №24, кл. В 23 К 15/00, по которому с помощью колебания электронного луча (пятна нагрева) по определенной программе распределяют мощность электронного луча по зоне нагрева свариваемых кромок и таким образом формируют сварной шов.

По данному а.с. распределение тепла источника происходит вдоль линии стыка за счет прерывистого прямолинейного движения пятна нагрева вдоль стыка, нагревая и расплавляя одновременно две кромка свариваемого изделия и при этом также за счет возвратного прерывистого колебания луча производят термообработку (отжиг) уже сваренного участка сварного шва.

Основным технологическим недостатком этого способа является необходимость тщательной подгонки свариваемых кромок друг к другу, а также высокоточное ведение пятна нагрева по стыку.

Этот способ мало пригоден для сварки труб из циркониевых сплавов, т.к. при снижении точности подготовки стыка возрастает вероятность образований дефектов в виде непроваров или прожогов.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является "Способ электронно-лучевой сварки" по патенту РФ №1311113, кл. В 23 К 15/00, 1995 г., авт. Мелюков В.В. По этому способу для упрощения настройки луча на стык, уменьшения сварочной ванны и снижения опасности ее перегрева, а также для снижения дефектов сварного шва в виде непроваров и прожогов электронный луч (пятно нагрева) колеблют поперек и вдоль стыка с изменением плотности теплового потока в пятне нагрева в процессе его перемещения вдоль стыка.

Недостатком известного способа электронно-лучевой сварки является сложность электронной системы управления поперечными и продольными колебаниями электронного луча путем наложения пилообразных и прямоугольных колебаний друг на друга. Кроме этого, эта электронная система колебания луча предусматривает изменение концентрации тепловой энергии в пятне нагрева, что также усложняет настройку и отработку режимов сварки при переходе от одного изделия к другому.

Увеличение диаметра пятна нагрева в процессе его движения вдоль свариваемых кромок увеличивает площадь нагрева свариваемых кромок и увеличивает вероятность перегрева сварочной ванны, что может привести к прожогам сварного шва.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в упрощении траектории перемещения пятна нагрева электронного луча и упрощении его настройки на стык, а также в улучшении качества формирования сварного шва.

Технический результат, получаемый в результате осуществления заявленного способа, состоит в том, что форма траектории перемещения пятна нагрева позволяет легко настраивать электронный луч точно по стыку, при этом форма траектории движения пятна нагрева вдоль кромок стыка позволяет разогревать кромки в зоне, расположенной вблизи основного металла, а не вблизи зазора, что обеспечивает прижатие кромок друг к другу, уменьшает зазор в месте сварки стыка, что, в свою очередь, обеспечивает плотный тепловой контакт между торцами свариваемых деталей. За счет этого стабильно формируется сварной шов, при этом ширина его литой зоны не превышает двойной толщины стенки свариваемых изделий, например труб.

При малой ширине литой зоны сварного шва пропорционально сокращается ширина пришовной зоны, в которой происходит интенсивный нагрев и быстрое охлаждение, что приводит, как правило, к нежелательным структурным превращениям в металле, которые ослабляют механические и коррозионные свойства химически активных металлов. Сужение литой зоны сварного шва и пришовной зоны повышает эксплуатационные свойства сварного соединения ответственных конструкций, например, каналов активной зоны атомного реактора.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе электронно-лучевой сварки труб, в котором пятно нагрева электронного луча симметрично колеблют вдоль и поперек стыка:

- 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 стыка, а длину поперечной оси полуэллипса устанавливают равной не менее размера толщины стенки трубы в месте стыка;

- кроме того, точки изменения направления движения пятна нагрева по траектории полу эллипса располагают в сторону несваренных кромок стыка.

Уменьшение диаметра пятна нагрева электронного луча осуществляют с помощью максимальной фокусировки электронного луча исходя из возможностей электромагнитной линзы электронной пушки.

В результате фокусировки диаметр пятна нагрева становится равным менее 1,2 мм в зависимости от возможностей фокусирующей системы. Чем меньше диаметр пятна нагрева, тем легче его вручную наводить на стык таким образом, чтобы пятно нагрева перемещалось вдоль стыка на одинаковых расстояниях от него, при этом эти расстояния не должны быть менее 0,5 толщины свариваемой стенки и не более ее толщины.

При этих условиях пятно нагрева разогревает только свариваемые кромки до температуры, близкой к температуре плавления, при этом в точке пересечения пятном нагрева стыка температура кромки не намного превышает температуру плавления, образуя минимальную сварочную ванну.

Минимальный диаметр пятна нагрева обеспечивает быстрый прогрев стенки изделия (трубы) на всю ее толщину, что достигается подбором оптимальной мощности луча и частотой его колебания. Практика показала, что частота колебания луча не должна превышать 30 колебаний в секунду.

Оптимальный диапазон колебаний составляет 15-20 колебаний в секунду.

Минимальный диаметр пятна нагрева и его перемещение по дуге полуэллипса вдоль кромок стыка на расстоянии от него, равном не более толщины стенки свариваемого изделия, позволяет получать качественный сварной шов с минимальным перегревом литой зоны шва и зоны термического влияния (ЗТВ), что обеспечивает высокие прочностные и антикоррозионные свойства этих зон.

Перегрев этих зон сварных соединений циркония приводит к снижению ударной вязкости и антикоррозионной стойкости в горячей воде и паре и в целом снижает эксплуатационные свойства сварного соединения, особенно в сложных условиях эксплуатации.

Для улучшения прогрева свариваемых кромок и подготовки их к оплавлению точки изменения направления движения пятна нагрева по траектории полуэллипса располагают в сторону несваренных кромок стыка.

Пример осуществления способа.

Осуществляли электронно-лучевую сварку корня шва в циркониевых трубчатых образцах с U-образной разделкой стыка. Короткие трубы диаметром 100 мм с толщиной стенки 5 мм имели толщину притупления в корневой части разделки 2 мм, при этом суммарная ширина в корневой части разделки составляла не более 4 мм.

Электронно-лучевая сварка корня шва осуществлялась на специализированной центрирующей оправке с применением поперечно-продольных колебаний пятна нагрева по траектории полуэллипса с частотой 20 колебаний в секунду. Пятно нагрева электронного луча было сфокусировано до диаметра 0,8±0,1 мм.

Размеры траектории колебания пят на составляли:

длина продольной оси полуэллипса - 4,5 мм;

длина поперечной оси - 2,5 мм.

Сварку корня U-образной разделки осуществляли за один оборот трубы. Из сваренной заготовки были вырезаны шлифы для оценки качества сварного шва. Исследования показали, что провисание шва полностью отсутствует, ширина литой зоны шва колебалась в пределах 2,7-3,6 мм, технологические дефекты (прожоги, непровары) отсутствовали.

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке 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. Электронно-лучевую сварку выполняют с колебанием электронного луча поперек и вдоль стыка. 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 полуэллипса располагают вдоль стыка. Длину поперечной оси полуэллипса устанавливают равной толщине стенки трубы в месте стыка. Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, состоит в том, что траектория перемещения пятна нагрева в виде полуэллипса 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 коррозионные свойства сварного соединения труб. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ электронно-лучевой сварки труб из химически активных металлов, при котором электронный луч фокусируют в пятно нагрева и в процессе сварки пятно нагрева симметрично колеблют вдоль и поперек стыка, 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 стыка, при этом длину поперечной оси полуэллипса устанавливают равной не менее толщины стенки трубы в месте стыка.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что точки изменения направления движения пятна нагрева по траектории полуэллипса располагают в сторону несваренных кромок стыка.