СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ РАЗНОТОЛЩИННЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2025 года по МПК B23K15/00 B23K15/06 B23K26/32 

Изобретение относится к области сварочного производства, в частности к способу электронно-лучевой сварки при изготовлении разнотолщинных конструкций из алюминиевых сплавов.

Известен способ аргонодуговой сварки неплавящимся электродом (патент РФ № 2505385, МПК В23К 9/18, В23К 9/167, опубл. 27.01.2014), заключающийся в том, что при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом деталей из алюминиевых и магниевых сплавов, одна из которых тонкостенная, другая толстостенная на толстостенной детали выполняют канавку, одна сторона которой выше, чем другая. Ширина канавки составляет от 2,5 до 3, а глубина от 0,25 до 0,45 от толщины тонкостенной детали. На сопрягаемые поверхности деталей наносят слой очищающего флюса, который находится на поверхностях деталей от 1 до 10 минут. Затем с деталей удаляют флюс на 2/3 от толщины тонкостенной детали и устанавливают тонкостенную деталь до упора в более высокую стенку канавки на толстостенной детали. Расплавляют детали в зоне их стыка, освобожденной от флюса. При изменении толщины сечения толстостенной детали в процессе сварки ступенчато изменяют сварочный ток без прерывания процесса сварки и сваривают детали не более, чем через 8 часов с момента удаления флюса.

Способ позволяет получить сварной шов более прочным и качественным. Снижается трудоемкость и стоимость замкового соединения двух деталей разной толщины.

Недостатком данного способа является низкая производительность сварки, что связано с использованием ручной аргонодуговой сварки при соединении деталей. Также получение качественного сварного соединения (без дефектов), при использовании ручной аргонодуговой сварки, очень сильно зависит от квалификации сварщика. Кроме этого, применение очищающих флюсов усложняет технологию изготовления деталей, увеличивает количество контрольных операций, которые заключается в измерении количества нанесенного на поверхность свариваемых деталей флюса, выдержке флюса на поверхностях деталей в фиксированном диапазоне времени, и точного расстояния, на которое удаляется флюс с поверхности деталей непосредственно перед сваркой. Применение очищающего флюса также увеличивает стоимость изделия, связанную с дополнительными затратами на его изготовление. Повышается сложность процесса сварки, связанная с одновременным ступенчатым изменением сварочного тока при изменении толщины свариваемой детали.

Известен способ изготовления алюминиевой сложной осесимметричной сварной конструкции (патент РФ № 2451586, МПК В23К 31/02, 33/00, 9/16, 101/12, 9/23, опубл. 27.05.2012), который предназначен для сварки сложных осесимметричных конструкций из алюминиевых сплавов, включающих сочетание массивных и тонкостенных элементов. Свариваемая конструкция содержит перегородки с торцевыми основаниями, одно из которых сварено с кожухом. Одну из перегородок выполняют сплошной с продольными окнами прямоугольной формы вдоль центральной оси с заданным шагом Т и упорами в хвостовой части. В двух других перегородках вдоль внутренней образующей выполняют фиксаторы с шагом 2Т, со взаимным смещением на шаг Т. Последовательно собранные под углом 90° перегородки сваривают сначала по местам фиксации в окнах, а затем со втулкой переднего основания. В хвостовую часть перегородок вставляют до упоров предварительно сваренный с задним основанием тонкостенный перфорированный кожух с образованием технологических зазоров между торцами перегородок и задним основанием. Сваривают сначала опоры прерывистыми швами с шахматным расположением, а затем торцы перегородок с задним основанием. По стыковому замковому соединению автоматической сваркой приваривают кольцо переднего основания.

Данный способ обеспечивает требуемую прочность, продольную прямолинейность протяженной конструкции и повышение технологичности ее изготовления.

Однако, при данном варианте конструкции сварного соединения (с зазором) формирование сварного шва происходит за счет расплавления более массивной детали, в том числе, с расплавлением нижней части технологической канавки. В таком случае существует вероятность накопления оксидных включений в корне шва. Это негативно влияет на качественные характеристики шва и механические свойства сварных соединений.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является способ сварки неплавящимся электродом деталей из алюминиевых сплавов, включающий выполнение на первой детали с большей толщиной выступа, на котором выполняют канавку, вторую деталь с меньшей толщиной располагают на выступе с упором в первую деталь, зону стыка нагревают с расплавлением и растеканием металла первой детали в зону стыка, формируют сварной шов со смещением в сторону канавки первой детали, сварку выполняют в автоматическом режиме за два прохода (пат. РФ № 2699493, МПК В23К 9/167, 33/00, опубл. 05.09.2019 г.).

Разделывают торцы деталей со скосом кромок в интервале от 68 до 72 градусов, притупляют кромку на второй детали с высотой, не превышающей величину разности высот стенок канавки первой детали. Перед установкой второй детали на первую свариваемые кромки химически протравливают, механически зачищают, обезжиривают, обезвоживают, устанавливают вторую деталь на первую, обеспечивают плотную сборку свариваемых кромок, подают защитный газ в зону стыка деталей. В процессе второго прохода применяют сварочную проволоку для заполнения разделки.

Данный способ обеспечивает уменьшение сварочных напряжений и деформаций, повышение точности сборки, гарантированное исключение пор в корне шва и вытеснение оксидных включений в объем канавки, что приводит к повышению стабильности формирования и качества сварного шва со смещенной геометрией в сторону канавки и с равномерной внешней конфигурацией на всем протяжении стыка.

Недостатком данного способа является высокая степень тепловложения при дуговой сварке, в том числе, за счет двухпроходной сварки. Это может привести к накоплению избыточных внутренних напряжений в шве, что, в свою очередь, может привести к повышению деформации конструкции сварного соединения. Наличие разделки кромок предусматривает необходимость выполнения заполняющего прохода с применением дополнительного присадочного материала, что приводит к увеличению зоны воздействия теплового потока сварочной дуги и ширины шва. Это приводит также к увеличению тепловложения и уровня напряжений. Кроме этого, применение присадочной проволоки также требует введения дополнительной технологической операции в виде травления применяемой проволоки перед сваркой.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения - получение качественных и равнопрочных сварных соединений при изготовлении разнотолщинных конструкций из алюминиевых сплавов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе электронно-лучевой сварки разнотолщинных деталей из алюминиевых сплавов, который заключается в том, что на первой детали с большей толщиной выполняют выступ, на котором выполняют канавку, вторую деталь с меньшей толщиной располагают на выступе с упором в первую деталь, зону стыка нагревают с расплавлением и растеканием металла первой детали в зону стыка, формируют сварной шов со смещением в сторону канавки первой детали, сварку выполняют в автоматическом режиме, согласно изобретению предварительно на первой детали выполняют дополнительную канавку с образованием буртика, ширина которого равна толщине второй детали, которую располагают с упором в буртик, наружная поверхность которого расположена выше наружной поверхности второй детали, выполняют электронно-лучевую сварку за один проход, формируют сварной шов с расплавлением буртика и смещением в сторону канавки первой детали, при этом обеспечивают формирование шва без уменьшения его рабочего сечения.

Выполнение дополнительной канавки на первой детали обеспечивает оптимальное изменение температурного поля при сварке за счет равномерного расплавления буртика первой детали и кромки второй детали. Равномерное распределение теплового фронта при сварке, в том числе, за счет одинаковой ширины буртика и толщины второй детали также способствует равномерному распределению внутренних сварочных напряжений, что, в свою очередь, способствует уменьшению деформации соединения.

Наличие дополнительной канавки на первой детали также частично компенсирует жесткость контура сварного соединения за счет равномерного распределения тепла, что уменьшает вероятность образования трещин в сварном шве.

Расположение буртика первой детали выше относительно наружной поверхности второй детали обеспечивает смещение геометрии сварного шва в сторону канавки. Это необходимо для вытеснения оксидных пленок в объем канавки. Оксидная пленка является источником газов, растворяющихся в металле, и косвенной причиной возникновения в нем несплошностей различного рода. Оксидная пленка, попавшая в сварочную ванну, может образовывать тугоплавкие оксидные включения в швах, снижающие свойства соединений и их равнопрочность. Вытеснение оксидных включений за счет расположения буртика первой детали выше относительно наружной поверхности второй детали улучшает качественные и механические характеристики сварного шва.

Выполнение сварки за один проход обеспечивает уменьшение уровня тепловложения в сварное соединение, что способствует снижению напряжений в шве и деформаций соединения. Кроме того применение электроннолучевой сварки обеспечивает минимально возможное тепловложение, благодаря концентрированному вводу энергии и малой зоне нагрева, что также приводит к снижению уровня напряжений в шве и деформаций конструкции.

При электронно-лучевой сварке происходит процесс активного испарения металла за счет высокой концентрации энергии в луче и, как правило, сварной шов формируется с вогнутостью с наружной стороны. Расплавление буртика (за счет расположения выше относительно наружной поверхности второй детали) компенсирует недостаток металла с наружной стороны сварного шва и обеспечивает формирование шва без искажений в виде вогнутостей и углублений с наружной стороны. То есть, это позволяет получить сварное соединение с усилением шва с наружной стороны и обеспечить качество и равнопрочность сварного соединения.

При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулу, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям «новизна» и «изобретательский уровень».

На фиг. 1 показан вариант конструкции сварного соединения.

На фиг. 2 показано поперечное сечение сварного соединения без дефектов.

Представленным способом можно выполнять продольные и кольцевые швы, а также швы по замкнутому контуру со сложной траекторией разнотолщинных деталей из алюминиевых сплавов. Далее будет описан один из вариантов осуществления изобретения - электронно-лучевая сварка модельных образцов в виде пластин из алюминиевого сплава АМг6.

Как показано на фиг. 1, в сварке участвуют толстостенная деталь 1 и тонкостенная деталь 2. На детали 1 выполняют выступ 3. На выступе 3 выполняется технологическая канавка 4 для вытеснения оксидных пленок и включений. Также на детали 1 выполняется дополнительная канавка 5, которая обеспечивает формирование буртика 6 рядом со свариваемым стыком. Причем дополнительная канавка 5 выполняется таким образом, что ширина буртика 6 равна толщине второй детали 2.

Для качественного формирования сварного шва очищают свариваемые поверхности деталей 1 и 2 от загрязнений. Для этого перед сваркой детали 1 и 2 подвергают химическому травлению. После этого кромки свариваемых деталей протирают бязевой салфеткой, смоченной ацетоном.

После очистки деталь 2 с меньшей толщиной располагают на выступе 3 с упором в буртик 6 первой детали 1, при этом наружная поверхность буртика 6 расположена выше второй детали 2. Это исключает смещение деталей 1 и 2 относительно друг друга по высоте при сборке и обеспечивает формирование сварного шва со смещенной геометрией в сторону канавки 4 для вытеснения оксидных включений в объем канавки 4.

После сборки детали 1 и 2 помещают в сварочную камеру и закрепляют на координатном столе электронно-лучевой установки при помощи универсальных сборочно-сварочных приспособлений (на фиг. 1 не показано).

Затем выполняют непосредственно сварку соединения. Конструктивно буртик 6 детали 1 расположен выше наружной поверхности детали 2, поэтому вначале обеспечивают нагрев, расплавление и растекание металла первой детали 1 в центральную зону стыка с последующим смещением сварного шва в сторону канавки 4 детали 1. Электронно-лучевую сварку выполняют за один проход на автоматизированной установке с ускоряющим напряжением 60 кВ, при остаточном давлении в вакуумной камере не выше 10^-4 мм рт. ст.

После сварки детали 1 и 2 охлаждают в сварочной камере в течение 10 минут, затем на воздухе до комнатной температуры.

Таким образом, на модельных образцах из алюминиевого сплава с предложенным вариантом конструкции сварного соединения была выполнена электронно-лучевая сварка, обеспечивающая формирование сварных швов без дефектов, фиг 2.

Использование предложенного способа возможно при изготовлении резервуаров и сосудов в авиационной, химической промышленности, машиностроении, автомобилестроении. Там, где в конструкции присутствуют элементы жесткости (шпангоуты) и присутствует необходимость соединения деталей разной толщины и переменной толщины и повышенные требования к геометрии изделия в целом и к качеству сварных швов в частности.

Предлагаемый способ обеспечивает технический эффект, заключающийся в получении качественных и равнопрочных сварных соединений при изготовлении разнотолщинных конструкций из алюминиевых сплавов, уменьшении сварочных напряжений в шве и деформаций конструкции, формировании шва без искажений в виде вогнутостей и углублений с наружной стороны.

Рассмотренный вариант выполнения изобретения был реализован на существующем в настоящее время оборудовании с использованием имеющихся материалов.

Это подтверждает эффективность и практическую применимость разработанного способа.

Изобретение относится к области сварочного производства, в частности к электронно-лучевой сварке при изготовлении разнотолщинных конструкций из алюминиевых сплавов. В способе на первой детали с большей толщиной выполняют выступ, на котором выполняют канавку, вторую деталь с меньшей толщиной располагают на выступе с упором в первую деталь, зону стыка нагревают с расплавлением и растеканием металла первой детали в зону стыка, формируют сварной шов со смещением в сторону канавки первой детали. Предварительно на первой детали выполняют дополнительную канавку с образованием буртика, ширина которого равна толщине второй детали, которую располагают с упором в буртик, наружная поверхность которого расположена выше наружной поверхности второй детали. Выполняют электронно-лучевую сварку в автоматическом режиме за один проход, формируют сварной шов с расплавлением буртика и смещением в сторону канавки первой детали, при этом обеспечивают формирование шва без уменьшения его рабочего сечения. Технический результат заключается в получении качественных и равнопрочных сварных соединений при изготовлении разнотолщинных конструкций из алюминиевых сплавов. 2 ил., 1 пр.

Способ электронно-лучевой сварки разнотолщинных деталей из алюминиевых сплавов, в котором на первой детали с большей толщиной выполняют выступ, на котором выполняют канавку, вторую деталь с меньшей толщиной располагают на выступе с упором в первую деталь, зону стыка нагревают с расплавлением и растеканием металла первой детали в зону стыка, формируют сварной шов со смещением в сторону канавки первой детали, сварку выполняют в автоматическом режиме, отличающийся тем, что предварительно на первой детали выполняют дополнительную канавку с образованием буртика, ширина которого равна толщине второй детали, которую располагают с упором в буртик, наружная поверхность которого расположена выше наружной поверхности второй детали, выполняют электронно-лучевую сварку за один проход, формируют сварной шов с расплавлением буртика и смещением в сторону канавки первой детали, при этом обеспечивают формирование шва без уменьшения его рабочего сечения.