Способ электронно-лучевой сварки Советский патент 1991 года по МПК B23K15/00 

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке и может быть использовано в машиностроении для производства сварных конструкций из разнородных металлов и сплавов, а также металлов с остаточнной намагниченностью.

Целью изобретения является повышение качества сварных соединений путем повышения точности определения положения оси электронного пучка относительно плоскости стыка.

На фиг. 1 изображена схема способа электронно-лучевой сварки; на фиг. 2 - распределение температуры в зоне охлаждения; на фиг. 3 - зона измерения температур; на фиг. 4 - схема оптимального расположения электронно-оптических датчиков; на фиг. 5 - схема установки датчиков под углом к поверхности детали.

По способу сварки, включающему формирование двух контрольных сигналов, определяющих положение плоскости стыка отно- 20 температуры этих зон, так как удельный посигильно оси электронного пучка и смещение электронного пучка в зависимости от величины сип.ьлов, для формирования одного контрольного сигнала измеряют раз ностьтем- ператур свариваемых деталей в точках, симметричных относительно плоскости стыка с лицевой стороны сварного шва, и для формирования другого сигнала - то же в корне шва.

В случае сварки сталей большой толщины при нгличии сигнала рассогласования при измерении температуры в вершине шва производят смещение пучка, перпендикулярное плоскости стыка, а при наличии сигнала рассогласования при измерении температуры в корне шва - угловое смещение пучка. Темпер-атуру измеряют в области, ограниченной сварочной ванной и изотермой (0,5- 0.9) Т,, в зависимости от теплофизических свойств свариваемых материалов, где Т - температура кристаллизации.

Способ электронно-лучевой сварки реализуется следующим образом.

На стол 1 (фиг. 1) механизма 2 перемещения устанавливают образец 3 из разнородных металлов или из стали с остаточной намагниченностью 5-6 Гс. Для измерения температуры над образцом 3 жестко закрепляют четырехкоординатные электронно-оптические датчики 4 и 5 температуры контроля формирования вершины и корня шва, соответственно, помещенные в защитные экраны 6. Перед сваркой совмещают начало координат датчиков 4 и 5 с плоскостью стыка, а затем проводят электронно-лучевую сварку.

В процессе сварки оба электропко-опти- ческих датчика 4 и 5 регистрируют зоны шва, размеры которых не превышают области, ограниченных изотермами Т и 0,9 Т определяют разность температур точек (или разновеликих зон), симметричных относительно плоскости стыка, и выдают сигналы для управления пучком 7 с целью его оптимальток излучения q, Вт/м2 тела, нагретого до температуры Т (°С), через его поверхность согласно закону Стефана-Брльцмана пропорционален четвертой степени абсолютной температуры поверхности этого тела

д-г(

30

iOD

где С - коэффициент излучения, зависящий

от состояния поверхности. При несимметричности теплового поля относительно плоскости стыка сигнал рассогласования при измерении температур двух точек будет больше в том случае, если градиент температуры выше. Такие области мак35 симально приближены к источнику теплоты. Однако для различных металлов и сплавов при одинаковых режимах сварки они имеют разные размеры (фиг. 2). Так, например, оптимальныя зона регистрации (зона с высоким градиентом температуры) для аустенит40 ной стали ограничена изотермой 0,9 Т , для углеродистой стали - 0,7 Т алюминия - 0,9 Т , меди - 0,5 Т, . В общем случае, точки, в которых измеряют темературу, должны входить в области, ограниченные изотер45 мой (0,5-0,9) , в зависимости от тепло- физических свойств свариваемых материалов.

Измерение температур проводят следующим образом.

Предварительно настроенные на область

50 стыка четырехкоординатные электронно-оптические датчики 4 и 5 (начало координат датчика совмещено с плоскостью стыка) определя7 т в точках или равных по площади частях А и В симметричных относительно плоскости стыка среднюю температуру (Тд. и

55 Те ) (фиг. 3), затем эти температуры сравниваются, формируется сигнал рассогласования, в соответствии с которым блок 8 управления выдает команды для переориентации

ной ориентации. Сигнал рассогласования от датчика 4 контроля вершины шва поступает на блок 8 управления механизмом 2 пеое- мещения пучка в направлении, перпендикулярном плоскости стыка, а сигнал от датчика 5 контроля корня шва поступает на усилитель 10, а затем на отклоняющие катушки 11 электронно-лучевой пушки 9 с целью изменения угла наклона электронного пучка в плоскости стыка. Изменение пространст- 0 венного положения электронного пучка можно проводить различными способами - с помощью механических систем, двойным преломлением пучка, а также их комбинацией. Таким образом, в процессе сварки осуществляют регулирование положения зоны плавления относительно плоскости стыка.

Чтобы исключить изменения температуры в зонах регистриации за счет движения жидкой фазы, их выбирают за пределами сварочной ванны. Точность способа зависит от

5

температуры этих зон, так как удельный поток излучения q, Вт/м2 тела, нагретого до температуры Т (°С), через его поверхность согласно закону Стефана-Брльцмана пропорционален четвертой степени абсолютной температуры поверхности этого тела

д-г(

0

iOD

где С - коэффициент излучения, зависящий

от состояния поверхности. При несимметричности теплового поля относительно плоскости стыка сигнал рассогласования при измерении температур двух точек будет больше в том случае, если градиент температуры выше. Такие области мак5 симально приближены к источнику теплоты. Однако для различных металлов и сплавов при одинаковых режимах сварки они имеют разные размеры (фиг. 2). Так, например, оптимальныя зона регистрации (зона с высоким градиентом температуры) для аустенит0 ной стали ограничена изотермой 0,9 Т , для углеродистой стали - 0,7 Т алюминия - 0,9 Т , меди - 0,5 Т, . В общем случае, точки, в которых измеряют темературу, должны входить в области, ограниченные изотер5 мой (0,5-0,9) , в зависимости от тепло- физических свойств свариваемых материалов.

Измерение температур проводят следующим образом.

Предварительно настроенные на область

0 стыка четырехкоординатные электронно-оптические датчики 4 и 5 (начало координат датчика совмещено с плоскостью стыка) определя7 т в точках или равных по площади частях А и В симметричных относительно плоскости стыка среднюю температуру (Тд. и

5 Те ) (фиг. 3), затем эти температуры сравниваются, формируется сигнал рассогласования, в соответствии с которым блок 8 управления выдает команды для переориентации

пучка до выполнения ранее установленного отношения Тд /Тв при сварке разнородных металлов или ТЛ Та при сварке однородных металлов.

Поскольку теплофизические свойства свариваемых материалов и величина остаточной магнитной индукции по длине образца изменяются незначительно, а быстродействие оптических датчиков и электронных систем составляют 1-5 мс, исполнительных механизмов - 50-100 мс, то точность предлагаемого способа высока.

Угол а между поверхностью детали и линией электронно-оптических датчиков. Зону регистрации излучения выбирают в зависимости от условий сварки. Наилучшие условия для регистрации излучения с помощью электронно-оптических датчиков 4 и 5 возникают в том случае, когда (фиг. 4). Однако это условие не всегда можно осуществить из-за ряда технологических параметров (наклон оси электронного пучка к поверхности детали, использование пучков с большим углом сходимости и т.п.). В этих случаях выбирают максимально возможный угол регистрации az (фиг. 5), причем минимальное его значение ai определяется длиной зоны регистрации L и разрешающей способностью электронно-оптического датчика а. Таким образом, регистрацию проводят под углом, который выбирают из соотношения

arcsin ,

и в направлении перемещения источника теплоты по детали, так как в противном случае регистрация будет проводиться через пучок и продукты разрушения, выносимые из парогазового канала, что снижает точность способа.

Контроль положения пучка относительно плоскости стыка с помощью измерения температуры позволяет получить оптимальное распределение теплового поля относительно стыка, которое определяет положение и размеры сварочной ванны. Это дает возможность повысить качество сварных соединений

путем устранения дефектов в виде непрова- ров.

Экспериментальную проверку проводили на прямолинейных образцах из следующих пар сплавов 48КНФ и ЗбНХТЮ, ЭП517 и

ВУС-17, 36НХ1Ю и БрХО.5 толщиной 30 мм. Режимы электронно-лучевой сварки: ускоряющее напряжение 60 кВ, ток сварки 160- 200 мА, скорость сварки 20 м/ч.

Предлагаемый способ электронно-лучевой сварки значительно повышает качество сварных соединений, выполненных электронно-лучевой сваркой, и позволяет применять

ее для соединения разнородных уатериалов, в частности для производства биметаллических роторов из магнитных и немагнитных сплавов.

Формула изобретения

5

1.Способ электронно-лучевой сварки, включающий формирование дву контрольных сигналов, определяющих положение плоскости стыка относительно оси электронQ ного пучка и смещение электронного пччка в зависимости от величины рассогласования контрольных сигналов, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварных соединений путем повышения точности определения положения оси электронного пучка относительно плоскости стыка, для формирования одного контрольного сигнала измеряют разность температур свариваемых деталей в точках, симметричных относительно плоскости стыка с лицевой стороны сварного шва, а для формирования другого сигнала измеряют разность температур свариваемых деталей в точках, симметричных относительно плоскости стыка в корне сварного шва.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что при наличии сигнала рассогласования при

изм-ерении температуры в вершине шва пучок смещают перпендикулярно плоскости стыка, а при наличии сигнала рассогласования при измерении температуры в корне шва производят угловое смещение пучка.

0

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что температуру измеряют в области, ограниченной сварочной ванной и изотермой (0,5- 0,9) Т, в зависимости от теплофизическнх свойств свариваемых материалов, где Т - температура кристаллизации.

т,°с

2000

1500

0,9 Txplaycm. столь)

0,8Ткр(угл.столь)

1000

0,5ТкР(Си} 500 , . Ц9Гкр{А1)

Х,мм

Изобретение относится к электроннолучевой сварке и может быть использовано в машиностроении для производства сварных конструкций из разнородных металлов и сплавов, а также металлов с остаточной намагниченностью. Цель изобретения - повышение качества сварных соединений путем повышения точности определения положения электронного пучка относительно плоскости стыка. В процессе сварки образца 3 четырех- координатные электронно-оптические датчики 4 и 5 температуры контроля формирования вершины и корня шва соответственно регистрируют зоны шва, ограниченные изотермами 1Kf и 0,9 Т, определяют разность теператур точек, симметричных относительно плоскости стыка, и выдают сигналы управления пучком 7 с целью его оптимальной ориентации. Контроль положения электронного пучка относительно плоскости стыка с помощью измерения температуры позволяет получить оптимальное распределение теплового поля относительно стыка, которое определяет положение и размеры сварочной ванны. Это позволяет устранить дефекты в виде непроваров сварного шва. 2 з.п. ф-лы, 5 ил. (С (Л с 05 ю о ГС -U 00 2 Фиг. 1

Зона регистрации

AzSC

Сборочная данно

0,9т,,

Плоскость стына

Электронный пучок

Фиг.З

К усилител/а (Ю)

К усилителю(Ю)

Фиг. 5