Способ электронно-лучевой сварки трудносвариваемых сплавов Советский патент 1989 года по МПК C22F1/18 B23K15/00 

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке и может быть использовано в различных областях машиностроения при сварке высокопрочных сталей и сплавов, склонных к закалке и образованию трещин. .

Цель изобретения - повышение качества сварных соединений путем расширения пределов регулирования тепловых процессов в зоне обработки.

На фиг. 1 показана схема электрон- но.-лучевой термообработки соединения, на фиг. 2 - графики расширения температурных полей при термообработке электронным лучом по известному способу обработки расфокусированным лучом (сплошные линии) и предлагаемому, способу (штриховые и штрихпунктирные :линии).

Способ состоит в локальной термообработке свариваемого металла электронным лучом до и после сварки прямоугольной зоной нагрева, колеблющейся поперек направления скорости перемещения детали относительно электронной пушки (фиг 4 1). Амплитуду колебаний зоны нагрева Нп изменяют от мин Ни до макс Ни пропорционально мощности луча Qu по законам

419

со

Од

;о ел

00

HI Н(1 - a sinwt).

Q(1 - b.sinot),

где H - исходное расстояние зоны

нагрева от стыка, м, Q - исходная мощность электронного луча, Вт, а и b - коэффициенты, равные 1 а

0, 1 b ; О,

СО - угловая частота колебаний зоны нагрева или мощности луча, Гц, t - время, с.

Прямоугольную зону нагрева созда- ют, например, сканированием луча С высокой скоростью Vj (на несколько порядков вьше скорости перемещения свариваемых деталей относительно электронной пушки) по прямоугольной траектс ии, Нц и Qu изменяют по приведенным выше законам.

Так как мощность луча изменяют пропорционально амплитуде, то с уве- пичением Ни увеличивается и QH, т.е. при удалении электронного луча от стыка увеличивается и мощность. Этим обеспечивается отсутствие перегрева металла в зоне обработки и более равномерный -нагрев всех зон сварного соединения.

После нагрева свариваемых кромок до заданной температуры производят электронно-лучевую сварку и охлаждение сварного шва до требуемой темпе- ратуры.

На следующем этапе производят термическую обработку сварного соединения также прямоугольной зоной нагрева, колеблющейся поперек направления скорости, перемещения свариваемьк деталей относительно электронной пушки Исходное расстояние Н, исходную мощг ность электронного луча Q, угловую частоту Q коэффициенты а и.Ь выби- рают в зависимости от химического состава свариваемых сталей и конст- руктивньЬс особенностей свариваемьк изделий. При а О расположение зоны воздействия луча относительно стыка не изменяется, при а 1 обе зоны, расположенные параллельно стыку, пе- ремещаются от линии стыка до расстояния, равного 2 Н. При b О эффектив ная мощность электронного луча не изменяется § зависимости от расположения зон нагрева, при b 1 эффективная мощность электронного луча максимальна при наибольшем удалении

0

в

5

0 5 0 5

зон нагрева от стыка и уменьшается до нуля при приближении зон нагрева к линии стыка. Исходя из приведенных законов изменения Ни и Q видно, что при а больше единицы Ни может менять свой знак (т.е. фактически зона нагрева с одной стороны переходит на другую), что трудно осуществимо и нецелесообразно. При значении b больше 1 мощность луча Qu в некоторые моменты становится отрицательной, что в данном случае осуществить невозможно.

Для оценки эффективности предлагаемого способа сварки производили моделирование процессов распределе- ния температурных полей на ЭВМ ЕС1060. Сравнивали характеристики нагрева отдельных зон сварных соединений при обработке электронным лучом по известному (обработка расфокусированным электронным лучом), и предлагаемому способам. Предварительно на установке ЭЛУ-5 с энергетическим блоком У -250 сваривали образцы из стали 38Х2НМФ толщиной 15 мм по базовой технологии: пред- варительньй подогрей расфокусированным лучом диаметром 5 мм при относительной скорости перемещения пушки 5,6 мм/с, токе луча 95 мА, ускоряющем напряжении 28 кВ, сварка при токе луча 2АО мА, скорости 5,6 мм/с, ускоряющем напряжении 28 кВ, заглублении фокуса луча в свариваемый образец на 5-7 ,мм и термообработка после сварки в печи при 550 с в течение 4 чо Изменить структуру свариваемого металла нагревом . расфокусированным не удается, так как температура по центру пятна нагрева всегда превышает температуру периферийных участково,Поэтому при отпуске зоны термического влияния (находящейся на периферии пятна нагрева) сам шов нагреться до температуры, закалки. Многократный проход расфокусированным электроннь1м лучом, когда тампература по центру пятна нагрева не превьш1ает температуры отпуска, а нагрев до требуемых температур зоны термического влияния происходит за счет теплопроводности, является неэффективным из-за низкой производительности.

Дп я излучения распределения температуры по известному и предлагаемому Способам разработаны две тепловые

5U96958

модели, которые получены при решении

исходного уравнения теплопроводности с использованием функции Грина.

Тепловая модель при нагреве свариваемых пластин по известному способу имеет следующий вид:

Т

Q

lecpHi a,

J (- Ч)

erf

Х + Уу + Vtb

А .

) - erf

2л1а(+ t,)

(

X + V + Vto - Н,

(Tt)

I еур

+ ехр (Y + Н)

Т

(Z + 2п1)

Тепловая модель при нагреве по предлагаемому способу имеет вид:

i

16СрН| н а

tsin СО ( + tp)

dc Г

J ( - t)

о

и

пределенность источника ,

1 - толщина пластины, Н - длина источника

вдоль оси стыка,

Частоту, амплитуду колебаний луча и его мощность выбирают таким обра- :зом, чтобы обеспечить более равномер- JO ный нагрев до заданных температур всех зон сварного соединения. Выбор этих параметров производится с помощью моделирования на ЭВМ и последующей проверки,, Температура нагрева 15 различных зон определялась на фиг.2 по результатам моделирования на ЭВМ.

Кривая 1 показывает температуру на поверхности линии стыка, кривая 2 - на расстоянии 5 мм от стыка, кри- 20 вая 3-е обратной стороны пластины в интервале от О до 5 мм от линии стыка по обе стороны.

Данные моделирования свидетельст- взтот, что если производить нагрев по 25 предлагаемому способу при следующих параметрах: ток луча 95 мА, ускоряю- , щее напряжение 28 кВ, V 5, м/с E 5ЧСГ м, СО 0,15, Н 5 х X , 1 15 X , to 0,2 с. 30 0 0,8 X /с, а 0,5, 7850 кг/м , с 5900 Вт/(кг b 0,5, - то разность максимальных температур нагрева по центру шва и 1 - Ькпо зоне термического влияния составfc

35

ляет около 70 С. При нагреве же по

.„..X-«-V -bVi,-bH, ,(С+Ц)

известному способу эта разность составляет около 450°С (см. фиг. 2),

Пример. Выполняли термообработку соединения из стали 15x2 Мф

erf(

X+Vf

2л|а,

+Vta-H. 1 (+ t,)J

f.

1

exp t

Y + H(1 - a. ( to)l

С, p , a

V t.

теплоемкость, удельный вес и температу- ропроводимость свариваемого металла, скорость сварки, постоянная времени, характеризующая расельрев ующ кор 1СГ 5 х 0,2 льн ва ост

ляет около 70 С. При нагреве же по

известному способу эта разность составляет около 450°С (см. фиг. 2),

Пример. Выполняли термообработку соединения из стали 15x2 Мф

толщиной 15 мм электронным лучом до и после сварки на установке ЭЛУ-5 с энергетическим блоком У-250А. Теп- лофизические характеристики обрабатываемого металла представлены выше;

Подогрев зон ы соединения перед сваркой выполняли с помощью специального устройства, обеспечивающего развертку луча по прямоугольной траектории размером 10x40 мм. Размер прямоугольной зоны по оси Y с частотой 1 Гц (угловая частота Ы 0,15) изменяли от 5 до 15 мм. При этом ток луча при минимальном размере зоны нагрева составлял 50 мА, а при максимальном 150 мА.. После двух оборотов кольцевых соединений 0100 мА температура в зоне сварки составила , что соответствует расчетным данным. Контроль температуры осуществляли хрЬмвльалюмелевыми термо - парами, прижимаемыми к изделию в -: , двух точках с координатами; X, в -5,5 мм, мм, Zj О, Xj -5 мм, Y 5 мм, Z 15 мм. Параметры режи ма термообработки: UUCK 27 кВ, 1д « 100 мЛ, диаметр луча 1,5 мм, Vjjg «5,6 с Параметры режима сварки U иск 27 кВ,

5

-250 мА, 1ф ,6.10 м/с.

140 мА, V

съ

После термообработки соединения предлагаемым способом ударная, вязкость металла зоны термического влияния составили 5 кггм/см , что, превышает значения при термообработке известным способом расфокусирован- .УЧОМ, трещины в околошовной зоне соединения отсутствуют, что свидетельствует об отсутствии перегрева металла и закалочньк структур.

Использование предлагаемого способа обеспечивает повышение производительности подогрева.и получение качественных сварны с соединений за счет возможности эффективного управления термическими циклами отдельных зон сварного соединения. Формула изо.бретения

Способ электронно-лучевой сварки трудносвариваемых сплавов,при котором перед сваркой вьлолняют локальную, термообработку свариваемых кромок, а после сварки - локальную термообработку сварного соединения лучом, отличающийся тем,

ных соединений путем расширения пределов регулирования тепловых процес- сов в зоне обработки, термообработку до и после сварки вьтолняют прямоугольной зоной нагрева, колеблющейся поперек направления скорости обработки, амплитуду.колебаний Зоны нагрева Ни изменяют пропорционально мощности луча Qu по законам

Ни Н(1 - а sinut),

Qu Q(1 Ь sintot), о

где Н - исходное расстояние зоны

нагрева от стыка, м, Q - исходная мощность электронного луча, Вт,

а и b - коэффициенты, равные 1 i; а

О, 1 ,Ь О, Q - угловая частота колебаний

зоны нагрева или мощности .

луча, Гц, t - время, с.

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке и может быть использовано в различных областях машиностроения при сварке высокопрочных сталей и сплавов, склонных к закалке и образованию трещин. Цель изобретения - повышение качества сварных соединений путем расширения пределов регулирования тепловых процессов в зоне обработки. Осуществляют локальную термообработку свариваемого металла электронным лучом до и после сварки прямоугольной зоной нагрева, колеблющейся поперек направления скорости перемещения детали относительно электронной пушки. Амплитуду колебаний зоны нагрева H_Y изменяют от МиНН_Y до MAKCH_Y пропорционально мощности луча Q_Y по законам H_Y=H(1-SIN ΩT), Q_Y=Q(1-BSINΩT), где ω - угловая частота колебаний

A и B -коэффициенты. С увеличением H_Y увеличивается Q_Y и тем самым предотвращается перегрев металла в зоне обработки и обеспечивается равномерный нагрев всех зон соединения. 2 ил.

фa.f