Способ электронно-лучевой сварки трудносвариваемых сталей и сплавов Советский патент 1993 года по МПК B23K15/00 B23K103/04 

Изобретение относится к электроннолучевой сварке, а именно к технологии сварки трудчосвариваемых сталей и сплавов, склонных и образованию металлургических дефектов в виде трещин, несплавлений, раковин и может быть использовано в любых отраслях машиностроения.

Цель изобретения - повышение качества сварных соединений путем снижения внутренних и наружных дефектов в виде трещин, раковин, несплавлений.

На фиг. 1 показана схема процесса ЭЛС; на фиг, 2 - схема развертки электронного луча по круговой траектории: - оптимальный 1ф, II 1Ф.ОПТ., МНф 1Ф.6ПТ.

Способ состоит в ориентации электронного луча 1 в горизонтальной плоскости, и изделия 2 в вертикальной плоскости, установке рабочего расстояния А 150-220 мм между торцем электронно-лучевой пушки 3 и поверхностью изделия 2, развертке электронного луча 1 по круговой траектории ди- : аметром ,8-1,5 мм и частотой f 150-2000 Гц. установке тока луча ,2 i, IHOM, мА, где 1ном - номинальное значение тока луча, необходимое для сквозного про- пла&ления стыка и фокуса луча под поверхность изделия 2 на расстоянии Л p/QH, мм для горизонтальных швов п )Н. мм для вертикальных швов (фиг. 1), сварке i стыка со скоростью 10 /Н, мм/ч для горизонтальных швов и ,5 10 /Н,мм/ч для вертикальных швов, где Н - толщина соединения, равная 30-150 мм и обеспечение стабильности в процессе сварки 1л и не хуже ±5% и не хуже А ±20%.

00

о

го ел

00

Основной трудностью при ЭЛС перспективных высоколегированных сталей и жаропрочных сплавов является образование трещин в процессе сварки в металле шва и ОШЗ, раковин и несплавлений в шве металлургического характера. Количество и протяженность этих дефектов увеличивается с повышением толщины соединения Н. Установлено, что на образование этих дефектов оказывает влияние термодеформационный цикл сварки и геометриия шва, определяемые углем сходимости луча (рабочим расстоянием), заглублением фокального пятна в металл (тока фокусировки), током луча (мощностью), геометрией локальной развертки в плоскости изделия, скоростью сварки. Причем эти закономерности являются общими и не зависят от используемого оборудования и определяются физико-металлургическими свойствами свариваемого материала.

Оптимальным выбран режим, при котором получается сквозное проплавление соединения на вертикальной плоскости при минимальных тепловложёнии и скорости кристаллизации металла шва и оптимальных формировании и формы шва. Условия - минимальные тёпловложение и скорость кристаллизации необходимы для трудносвариваемых материалов и определяются выбором таких параметров режима, как ток луча и фокусировка и их стабильность, диаметр развертки, скорость сварки и рабочее расстояние (диаметр луча в фокальной плоскости). Также эти параметры режима влияют на геометрию шва, его формирование и термодеформационный цикл сварки. Поэтому все параметры режима взаимосвязаны между собой и не отделимы.

В проводимых экспериментах по сварке ускоряющее напряжение иуск выбирали в пределах 60-120 к В, а подводимую мощность регулировали током луча 1л. Высокое UycK выбрано из условия повышения удельной мощности электронного луча, а 1л устанавливали из соотношения ,2 IHOM. При ,2 IHOM увеличивается тёпловложение в шов и образуются дефекты в виде трещин. Причем отклонение 1Л в Процессе сварки от номинального значения не должно быть больше ±5%. Это связано с тем, что оптимальный ток фокусировки 1Ф.ОПТ. определяется величиной 1Л.( см. статью Назаренко O.K. и др. Закономерности управления фокусировкой сварочнргр электронного, пучка. Международная конференция по электрон- нолучзвой технологии, София, 1985 г, с. .112- 118). При увеличении или уменьшений I/, ток фокусировки становится больше или меньше оптимального, что приводит либо к н ёдофокусировке (фиг, 2,П), либо к перефокусировке луча (фиг. 2. Ш). Ухудшение стабильности (л по сравнению с заданным пределом приводит к существенному снижению качества металла шва. При 1л,1, - не обеспечивается стабильного сквозн.ого проплавления из-за локальных магнитных отклонений луча и устранения корневых дефектов. Отсутствие сквозного проплавле0 нйя увеличивает давление пара и газа в канале проплавления и повышает вероятность разрушения литого металла шва при кристаллизации.

При ЭЛС сталей и сплавов большихтол- 5 щин (более 30 мм) оптимальным является рабочее расстояние А 150-220 мм. При уменьшении А увеличивается угол сходимости луча на изделие и возрастает отрицательное влияние на луч парового и ионного

0 потр.ков из канала проплавления, Геометрия шва становится клинообразной, увеличивается 1иирина шва с лицевой стороны соединения, что повышает вероятность образования поверхностных трещин. При уве5 личении А более 220 мм сказываются абберации луча, увеличивается его диаметр и снижается плотность мощности в фокальном пятне и увеличивается длина перетяжки луча. Это приводит к увеличению ширины

.0 шва по всей его глубине и образованию усадочных трещин и .несплавлений.

Геометрия локальной развертки луча влияет на распределение удельной мощности в зоне нагрева и геометрию шва. Ло5 кальную развертку луча меняли по различным траекториям - по окружности, эллипсу, дуге окружности и эллипса, X и Т - образным траекториям, вдоль и поперек стыка. Технологию сварки с разверткой луча

0 отрабатывали на оборудовании, укомплектованном приборами СУ-165 и СУ-177 при разных частотах колебания луча. Установлено, что траектория луча по одной координате не обеспечивает стабилизации структуры

5 луча в поперечном и продольном направлении и воспроизводимость режимов сварки снижается. Для сложных траекторий локальной развертки (кривые второго порядка, пересекающиеся прямые) сварка

0 металлов больших толщин со сквозным про- плавлением стыка не оказывает существенного влияния на геометрию шва и склонность металла шва к образованию трещин. Поэтому за основу выбрана простая.

5 круговая траектория луча.

Оптимальным является диапазон частот f 150-2000 Гц, когда электронный луч действует как линейный пустотелый источник тепла. При f 2ФЬо Гц кольцевое распределение энергии в пятне нагрева размывается, схема источника тепла приближается к равномерно распределенному и снижается плотность мощности в пятне нагрева. Это приводит к снижению глубины проплавле- ния и нарушению оптимального режима сварки. При f 150Гц частота собственных колебаний сварочной ванны не совпадает с колебаниями луча и нарушается устойчивость процесса формирования шва, что также увеличивает вероятность образования несплошностей в шве.

Диаметр развертки луча dp не должен быть Меньше 0,8 мм, т.к. снижается эффект стабилизации структуры луча, и больше 1,5 мм из-за увеличения объема металла шва и протяженности зоны термического влияния. Кроме того, ,5ммпарогазовый канал не перекрывается жидким металлом и происходит его выдувание, что приводит к увеличению подрезов с лицевой и корневой сторон шва.v

Экспериментально установлено, что для обеспечения качественных сварных швов с увеличением толщины соединения Н скорость сварки Усе необходимо пропорционально уменьшить. Необходимость снижения VCB.обусловлена сохранением высокой плотности мощности луча и снижения скоростей кристаллизации металла шва и временных деформаций в ОШЗ, С другой стороны, малые VCB увеличивают металлоемкость сварочной ванны, затрудняют процессы переноса и удержания расплавленного металла в горизонтальном положений. Поэ тому оптимальная vce определяется толщиной соединения. При горизонтальном положении стыка оптимальной является скорость св 9 -105/Н. Удовлетворительное качество вертикальных швов обеспечивается при меньших оптимальных скоростях ,54d5/H. Это объясняется тем, что при сквозном проплавлении вертикальных стыков процессы переноса жидкого металла более устойчивы, т.к. сила тяжести расплавленного металла, скорость движения свариваемого изделия и термокапиляр- ная сила направлены в одном направлении. Коэффициенты пропорциональности 10 мм2/час и ,5 -10 мм2/час связывают размеоность между ев м/ч и Н мм. При ев 4,5-10 /Н для вертикальных швов и vCs9 10 /Н для горизонтальных швов увеличиваются зона термического влияния ЗТВ и объем металла сварочной ванны, который становится трудно удержать на вертикальной плоскости и он стекает. Это приводит к

повышению концентрации деформаций и склонности металла шва к образованию продольных трещин по центру кристаллиза- ции. При VCB 4,5- 105/Н для вертикальных

швов и VCB 9 105/Н для горизонтальных швов увеличивается вероятность образования поперечных (по отношению к оси шва) трещин в шве и ОШЗ, раковин и несплавле- ний в шве,

Оптимальное положение фокального пятна по отношению к поверхности детали соответствует его заглублению в деталь на величину А (5/8)Н для горизонтальных

стыков и А (5/12)Н для вертикальных стыков. Причем отклонение А в процессе сварки не должно превышать ±20%, т.е. фокус луча должен колебаться в пределах (1/2- 3/4 )Н для горизонтальных швов и

(1/3-1/2)В для вертикальных швов. При расположении фокального пятна -ниже (3/4)Н для горизонтального стыка и (1/2)Н для вертикального стыка, шов значительно расширяется с лицевой стороны, увеличиваетея его клиновидноеть (отношение ширины

верхней части шва к ширине нижней части

составляет 2-6). Расплавленный металл

сварочной ванны начинает стекать с лицевой стороны и увеличивается вероятность

образования трещин в металле шва и не- сплавлений по центру кристаллизации. При расположении фокального пятна выше (1/2)Н для горизонтального стыка и (1/3)Н для вертикального сты ка кан ал п ро плавления по мере его углубления расширяется и форма шва принимает бочкообразное сече- ние; В расширенной части шва на глубине (0,6-0,7)Н образуются усадочные раковины и трещины. Для вертикальных швов оптимальное положение фокального пятна должно быть выше, чем для горизонтальных швов. Это объясняется необходимостью обжатия луча с лицевой стороны соединения для предотвращения перегрева передней

Стенки канала проплавления. При увеличении рабочего расстояния А область с минимальным сечением луча (перетяжка) и его диаметр увеличиваются, а с изменением ф и п фокальное пятно смещается, что изменяет величину А , форму шва и вероятность образования несплошностей в металле шва. Поэтому в процессе сварки должен быть регламентирован допуск на из- менение А . Из фиг. 2 следует, что положение фокального пятна сходящегося результирующего электронного луча и его угол сходимости, определяются фокусным расстоянием А и рабочим расстоянием А отдельного луча. Оценить влияние fn и ф

на геометрию луча можно с помощью выражений, приведенных в статье O.K. Назарен- ко и др, (см, выше приведенную ссылку). Результаты расчета показывают, что при А 150-220 iyiM. А Ю,5Н изменение величины ф в пределах 1% или л А в пределах 10% приводит к изменению А в пределах 45%. Экспериментальные результаты на установке, оснащенной источником питания У-843 и пушкой УЛ-141, полностью подтверждаются. При изменении ф на ± 0,4мА ( ± 0,5%), 1л на ± 25мА ( ± 5,0%), А от 150 до 220 мм качественные швы при сохранении заданной геометрии обеспечиваются при стабильности величины А на уровне ± 20% от оптимального положения. Таким образом, фокус луча в процессе сварки должен находиться в интервале А (1/3-1/2)Н для вертикальных швов и А (1/2-3/4)Н для горизонтальных швов.

Пример. ВыполнялиЭЛСвысокопрочной стали 12Х2НЧМД, жаропрочной хромистой стали 15X11МФ толщиной 40-150 мм и жаропрочного никелевого сплава ХН73МБТЮ толщиной 30-90 мм горизон- тальным лучом на вертикальной плоскости на установках У-570, оснащенных энергокомплексами мощностью 30,60 и 120 кВт. Для этих целей использовали электроннолучевые, пушки соответственно УЛ-141 (60 кВ), ЭЛА 60/60, (60 кВ); У-858 (120 кВ). Влияние параметров режима на качество сварных швов стали 15.Х2НЧМД и сплава ХН73МБТЮ представлено в таблице, В этих экспериментах использовали систему раз- вертки луча с одной отклоняющей катушкой, которая обеспечивает круговую форму развертки. Так как частота развертки в пределах 150-2000 Гц особЪго влияния на форму ......

шва и образование дефектов не оказывает, то опыты представлены при-f 1000 Гц.

Применение предлагаемого способа сварки позволяет предотвратить дефекты в сварных соединениях, что повышает выход годной продукции на 100%.

Формула изобретения

Способ электронно-лучевой сварки трудносвариваемых сталей и сплавов больших толщин, при котором сварку деталей выполняют при ускоряющем напряжении 60-120 кВ горизонтальным лучом со сквозным проплавлением стыка, развернутым по круговой траектории диаметром 0,8-1,5 мм с частотой 150-2000 Гц, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что, с целью повышения качества сварных соединений путем снижения внутренних и наружных дефектов в виде трещин, раковин, несплавлений, сварку осуществляют при рабочем расстоянии 150-220 мм со скоростью 9 Ю5/Н, мм/ч для горизонтальных швов и 4,5 105/Н мм/ч для вертикальных швов, где Н - толщина соединения, мм, при токе луча ,21Ном. где 1ном номинальное значение тока луча, мА, необходимое для сквозного проплавления стыка, и обеспечения его стабильности в процессе сварки не хуже ±5%, а фокус луча на рабочем режиме заглубляют под поверхность деталей на величину 5/8 Н для горизонтальных швов и 5/12 Н для вертикальных швов и обеспечении его стабильности в процессе сварки не хуже ± 20%.

микротрещины корневые дефекты дефекты отсутствуют -t - no центру.кристаллизации трещины и несплав ления

усадочнае раковины и трещины

дефекты отсутствуют

. поверхностные трещины

усадочные трещины и несплавления

поперечные трещины, раковины, несплавлени

продольные трещины дефекты отсутствуют корневые дефекты микрот.рещины дефек . отсутствуют

на участках микротрещины

Сущность изобретения: сверку деталей трудиосваршэамых степей и сплавов больших толщни выполняют со- сквозным про- плаелеинем стыка при ускоряющем напряжении 60-120 кВ горизонтальным лучом, развернутум по круговой траектории диаметром 0,8-1,5 мм с частотой 150-2000 Гц. сварку осуществляют при рабочем оас- стоянйи 150-220 мм со скоростью 9 мм/ч для горизонтальных швов и 4,510 /Н, мм/ч для вертикальных швов, где Н - толщина соединения, мм, при токе луче U-1.2 1ном мА, где (ном - номинальное значение тока луча в мА. необходимое для сквозного проплааленйя; и обеспечении его стабильности в процессе сварки не хуже ±5%, а фокус луче на рабочем режиме заглубляют под поверхность деталей на величину 5/8 Н, мм для горизонтальных швов и 5/12 Н для вертикальных швов и обеспечении его стабильности в процессе сварки не хуже , ±20%. 2 ил, 1 табл. s IS