Способ электронно-лучевой сварки Советский патент 1992 года по МПК B23K15/00 

Изобретение относится к сварке, а именно к технологии электронно-лучевой сварки (ЭЛС) ферромагнитных материалов (сталейг, спеченных порошков), способных намагничиваться в процессе изготовления деталей и обладающих остаточной магнитной индукцией, и может быть использовано в машиностроении.

На практике приходится часто сталкиваться с отклонениями электронного луча или самой литой зоны от плоскости свариваемого стыка ферромагнитных материалов, обладающих относительно высокой коэрцитивной силой (не менее 103 А/м) В качестве основных причин, вызывающих отклонение электронного луча при сварке однородных материалов, рассматривается остаточная намагниченность самого изделия.

Известен способ электронно-лучевой сварки ферромагнитных сталей с присадочным металлом, при котором сварку деталей

выполняют по гарантированному зазору в стыке со сквозным лроплавлением и заполнением зазора расплавленным присадочным металлом.

Недостат ком этого способа является отсутствие регламентированных рекомендаций по выбору зазора в стыке и скорости подачи присадочной проволоки Отсутствие таких рекомендаций не позволяет обеспечить высокое качество сварных соединений ферромагнитных сталей, склонных к намагничиванию в процессе изготовления деталей из-за несплавления свариваемых кромок, и провисание литой зоны шва Величина остаточной магнитной индукции в зазоре отклоняет электронный пуч от плоскости стыка и в корневой части шва образуется дефект - несплавление который возможно устранить только повторной сваркой. Зазор в стыке необходимо заполнять присадочным металлом подаваемым с

-4 XI 0 СЛ

регламентированной скоростью. Проблема усугубляется при ЭЛС больших толщин и деталей сложной несимметричной конфигурации, тороидальной формы, образующих замкнутые магнитные системы. Размагничивание деталей перед сваркой не устраняет намагниченность (поперечный вектор остаточной магнитной индукции) всей сварной конструкции.

Цель изобретения - повышение качества сварных соединений деталей больших толщин.

Поставленная цель достигается тем, что в способе электронно-лучевой сварки ферромагнитных материалов с подачей присадочного металла, при котором сварку деталей выполняют по гарантированному зазору в стыке со сквозным проплавлением и заполнением зазора расплавленным металлом, величину зазора в стыке устанавливают пропорционально величине остаточной магнитной индукции В, мТл, по закону А VB, мм, а скорость подачи присадочной проволоки определяют из выражения:

/ 4 Уев Д( + г.сл + пк) Vn.n

jrdnn где VCB - скорость сварки, мм/с:

Ьл высота усиления шва с лицевой стороны стыка, мм:

пк - высота усиления шва с корневой стороны стыка, мм;

dn.п. -диаметр присадочной проволоки, мм;

д- толщина стыка, мм.

В результате анализа известных технических решений не выявлена предлагаемая совокупность признаков, поэтому предложение соответствует критерию существенные отличия.

Заявленные признаки, характеризующие выбор величины зазора в стыке и скорости подачи присадочной проволоки, являются новыми и оптимальными при сварке ферромагнитных материалов.

На фиг.1 показана схема процесса ЭЛС с присадочным металлом; на фиг.2 - график зависимости изменения максимальной индукции в зазоре стыка от его величины; на фиг.З - площадь поперечного сечения шва и схема расчета vn.n.

Способ состоит в сборке свариваемых деталей 1 и 2 (фиг,1) с зазором в стыке 3, замере величины намагниченности В в стыке 3 и установке зазора согласно выражению A VBi мм. Электронным лучом 4 расплавляют свариваемые кромки деталей 1 и 2 и заполняют зазор А в стыке 3 присадочным металлом в виде проволоки 5, подаваемой со скоростью Vn п 4 VCB А ((5 + ЬСЛ +hK)..

ГД6 VCB СК°Р°

.rcrdnn

сть сварки, мм/с; пл - высота усиления шва с лицевой стороны стыка, мм; hK - высота усиления шва с корневой стороны стыка, мм; dn п. -диаметр присадочной проволоки, мм; д - толщина стыка, мм.

Известно, что магнитное поле может быть создано постоянными магнитами, переменным электрическим полем и движущимися электрическими зарядами. При ЭЛС ферромагнитных материалов реализуются все эти условия. Свариваемые намагниченные детали можно рассматривать как постоянные магниты, переменное электрическое поле наводится колеблющимся лучом, а движущийся электрический заряд возникает при прохождении тока через свариваемую деталь. Изменение формы поверхности заряженных тел (свариваемых деталей) приводит к изменению конфигурации образующихся электромагнитных полей, которые прогнозировать становится практически невозможно. Наличие при ЭЛС нескольких источников возникновения электрического поля усугубляет трудности при разработке методов предотвращения отклонения луча. Наиболее распространенными методами являются размагничивание свариваемых деталей или компенсирование остаточного магнитного поля дополнительными электромагнитными источниками. Однако полностью устранить намагниченность деталей не удается, т.к. она зависит от многих факторов и наводится непосредственно в процессе сварки. Если свариваемые детали отличаются размерами и формой, то метод размагничивания малоэффективен.

Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В, определяемый через силу F, действующую на заряд в магнитном поле. Индукция магнитного поля в вакууме называется на- пряженностью магнитного поля Н Если намагниченные детали установить с зазором Л то Н ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния между деталями. Поэтому величина Н зависит от ширины зазора Д между магнитами. Однако это отношение справедливо для простых магнитных полей, создаваемых прямолинейным током. В действительности магнитное поле в свариваемых трехмерных деталях ориентировано в разных плоскостях и имеет разную плотность, Например, магнитные силовые линии гуще на периферии деталей. По этой причине компенсировать остаточные магнитные поля по длине стыка с помощью

дополнительных источников малоэффективно и дорого. Поэтому предлагаемый способ предотвращения отклонения луча остаточной магнитной индукцией за счет выбора оптимальной величины зазора в стыке является наиболее эффективным и простым.

В проводимых экспериментах по намагничиванию образцов различных размеров и формы из ферромагнитных сталей 35Х2Н4МД и АКЗЗ установлена обратно пропорциональная зависимость изменения остаточной магнитной индукции В в зазоре Д,между деталями от величины этого зазора. Чем больше величина Д,тем меньше В (фиг.2). Перед испытаниями образцы намагничивались до В 50 мТл. Магнитные характеристики в зазоре стыка определялись на установке МИС-ЗМ щупом. В интервале 2,5 Л 0, наиболее приемлемом для ЭЛС, значения В изменялись по зависимости /В А/К, где 1 К 0, мм/мТл,- коэффициент пропорциональности, изменяющийся в зависимости от величины В. При В тах, К min, а при В - min, равной 17 мТл, и Д 2,5 мм, при которых отклонение электронного луча практически отсутствует. К 0,96. Численное значение К зависит от состава металла, формы и размера состыкованных .образцов, но во всех случаях при IWI Д VQ. Поэтому при величине зазора в стыке, установленном пропорционально V остаточная магнитная индукция не влияет на отклонение электронного луча.

Выбранный оптимальный зазор Д в стыке необходимо заполнять присадочным металлом. Поэтому обьем V подаваемого присадочного металла определяется объемом пространства между свариваемыми кромками. Основным определяющим параметром режима является Vn п - скорость подачи присадочного металла, которая выбирается из соотношения

w 4 Уев А((3 + пСл +ЬК)

Vn.n ---j

JTdnn

где VCB - скорость сварки, мм/с: пл, Ьк - высоты усиления шва с лицевой и корневой сторон, мм; dn.n-диаметр присадочной проволоки, мм; б - толщина стыка, мм.

Поясним вывод формулы ,Vn.n, предположив, что присадочный металл в виде проволоки заполняет только пространство между свариваемыми кромками. Объем V присадочного металла, необходимый для заполнения гарантированного зазора Дв стыке деталей 1 и 2, складывается из объемов Vi , V2 Д плI и V3 Д hK I (фиг.З). Причем объемы присадочного металла Va и Уз, определяющие формирование усиления шва с лицевой и корневой сторон шва, приведены с учетом потерь металла на разбрыз гивание и испарение. С другой стороны обьем V присадочного металла, подаваемого в

зону сварки за время tee1

Vr

в виде проволоки сечением

JTdn.n.

можно записать

/ t % ОП ПI 1-,

как V Vn.n -лтт- Приравнивая

4VCB

выражение для V, получим ДI (б + пл + (IK) :г

о

Vn п. 7Г dn.n Iг-. , .

- .Откуда Vn n

4 Vcn

4 Vcg Д(5 + ric;i +пк)

„ , 2

jrdnn

Пример. Выполняли ЭЛС стыковых деталей из стали АКЗЗ толщиной 40 и 60 мм с максимальной остаточной намагниченностью в зазоре стыка от 0 до 30 мТл. При этом

зазор в стыке между свариваемыми деталями меняли от 0 до 3,7 мм. Оптимальное значение Д определяли по формуле . Режим сварки: UycK 60 кВ, lca 260-350 мА,

VCB 3,6 ММ/С, dn п 1,5 ММ, йразвертки

2,5 мм. При этом замеряли отклонение корня шва от стыка и контролировали качество формирования шва. Оптимальное значение Vn.n определяли из выражения Vn.n

4 VCB Д(5 + псл +ЬК) п

. Для этого задаJTdnn

вали необходимые значения Кл и Ьк и подставляли их в формулу для Vn п. Результаты эксперимента представлены в таблице.

Как видно из опытов 2, 8, 9, 10 с уменьшением значения В величина , обеспечивающая отсутствие отклонения луча от стыка, уменьшается. Опыты 1-3, 6-11 свидетельствуют, что выбор Vn.n по предлагаемому выражению обеспечивает равномерное, заданное усиление шва с лицевой и корневой сторон. Отклонение Vn.n от расчетного значения приведет или к провисанию, или к чрезмерному усилению шва (опыты 4, 5).

Таким образом, выбор оптимальных

значений зазора в стыке свариваемых ферромагнитных материалов и скорости подачи присадочной проволоки обеспечивают качественное соединение деталей с остаточной

намагниченностью. Это позволит предотвратить брак свариваемых изделий ответственного назначения.

Формула изобретения Способ электронно-лучевой сварки с

присадочным металлом, при котором свариваемый стык собирают с гарантированным зазором, а сварку ведут со сквозным про- плавлением, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварных соединений больших толщин из ферромагнитных материалов, склонных к намагничиванию при изготовлении деталей, образующих сварное соединение, величину зазора в стыке устанавливают пропорционально величине остаточной магнитной индукции В деталей, мТл, из выражения:

А VJJT мм,

а скорость подачи присадочного металла Vn.n устанавливают в соответствии с соотно-. шением:

Vnn

4 Уев А ((5 + h л +Г1К )

л dnn где VCB скорость сварки, мм/с;

Ьл - высота усиления шва с лицевой стороны стыка, мм;

Ьц - высота усиления шва с корневой стороны стыка, мм;

dn.n - диаметр присадочной проволоки, мм;

д - толщина стыка, м.

Использование: электронно-лучевая сварка ферромагнитных материалов, способных намагничиваться в процессе изготовления деталей, соединений больших толщин Сущность изобретения в способе электронно-лучевой сварки ферромагнитных материалов с подачей присадочного ме- талла, при котором сварку деталей выполняют по гарантированному зазору в стыке со сквозным проплавлением и заполнением зазора расплавленным металлом, величину зазора устанавливают пропорционально величине остаточной магнитной индукции В, мТл, по закону A vB. MM, a скорость подачи присадочной проволоки определяют из выражения Vn п 4 VCB Д (5 + + пл + гк)/ dn п , где VCB - скорость сварки, мм/с, Ьл - высота усиления шва с лицевой стороны стыка, мм, Ик - высота усиления корневой части шза, мм 6- толщина стыка мм; dn п диаметр присадочной проволоки, мм. 3 ил. 1 табл (Л С

Влияние величины зазора в стыке и скорости подачи присадочной проволоки на качество

сварных соединений стали АКЗЗ

Д WM