Способ электронно-лучевой сварки разнородных ферро- и парамагнитных материалов
METHOD OF ELECTRON-BEAM WELDING OF DISSIMILAR FERRO- AND PARAMAGNETIC MATERIALS

Изобретение относится к области машиностроения, и предназначено для создания сварных конструкций из разнородных материалов способом электронно-лучевой обработки, в частности к технологии электронно-лучевой сварки стыковых соединений разнородных ферро- и парамагнитных сталей и сплавов, и может быть использовано в различных отраслях промышленности.
Известен способ электронно-лучевой сварки разнородных металлических материалов [Патент РФ №2534183, МПК В23K 15/00, В23K 103/18, опубл. 27.11.2014, Бюл. №33]. Способ включает направление электронного пучка с лицевой стороны стыка и отклонение его по толщине свариваемой детали в требуемом направлении на заданную величину, формируя необходимую геометрию электронного пучка и канала проплавления, в процессе сварки электронный пучок отклоняют в сторону материала с отрицательным термоэлектрическим потенциалом под острым углом ϕ(0) к стыку, при котором под воздействием магнитных полей термоэлектрических токов отклонения оси пучка от стыка с обратной стороны свариваемой детали совпадают. Величину угла ϕ(0) определяют в зависимости от заряда и массы электрона, ускоряющего напряжения, магнитной индукции на поверхности стыка, толщины свариваемой детали и коэффициента, учитывающего для каждой пары разнородных материалов параметры стыка и температуру нагрева.
Недостатком такого технического решения является отсутствие возможности регулировать степень проплавления кромок для получения заданного структурного состава сварного шва при сварке парамагнитных сталей и сплавов с ферромагнитными.
Наиболее близким к предлагаемому является способ электронно-лучевой сварки разнородных ферро- и парамагнитных материалов (Драгунов В.К. Особенности технологического процесса изготовления сварных комбинированных роторов из разнородных сталей и сплавов // Сварочное производство. 2003. №5. С. 15-20), при котором для обеспечения требуемого структурного состава и магнитных свойств металла шва регулируют степенью проплавления кромок свариваемых деталей за счет смещение электронного пучка в требуемом направлении, причем величину смещения определяют на основе структурной диаграммы Шеффлера. Однако в этом случае регулированием степени проплавления кромок при ЭЛС парамагнитных и ферромагнитных сталей и сплавов не обеспечивается расчетный химический и структурный состав металла шва, так как при сварке разнородных материалов степень проплавления кромок определяется не только смещением электронного пучка, но и перераспределением тепловых потоков между свариваемыми кромками из-за отличий теплофизических свойств.
Недостатком такого способа является низкая точность регулирования степени проплавления сварных кромок.
Техническая задача изобретения заключается в снижении степени химической, структурной и механической неоднородности сварных соединений.
Техническим результатом изобретения является повышение точности регулирования степени проплавления сварных кромок в зависимости от энергии электронов и теплофизических свойств свариваемых металлов при получении аустенитного и мартенситного (или перлитного) классов с требуемым структурным составом и минимальными переходными зонами.
2
1
1
2
Это достигается тем, что в известном способе электронно-лучевой сварки ферро- и парамагнитных материалов, включающем формирование аустенитной структуры шва смещением электронного пучка относительно стыка свариваемых деталей при обеспечении заданной степени проплавления кромок, смещение электронного пучка проводят периодически попеременно поперек стыка с амплитудами А и А, причем величину смещения оси пучка на парамагнитный материал А выбирают величиной до r, где r - половина ширины шва при сварке статичным пучком, а значение смещения на ферромагнитный материал А определяют по формуле:
э1
э2
э1
э2
где  - степень проплавления кромок парамагнитного материала, Cr и Cr - соответственно эквивалентное содержание хрома в парамагнитном и ферромагнитном материалах, Ni и Ni - эквивалентное содержание никеля парамагнитном и ферромагнитном материалах соответственно, причем длительность пребывания пучка на парамагнитном и ферромагнитном материалах определяют соответственно:
1
2
1
2
где Т - период попеременного смещения пучка - существенно меньше времени перехода к стационарному процессу теплопроводности в сварочной ванне, T=1/f; f - частота попеременного смещения пучка, сρ, cρ, λ, λ - удельная теплоемкость и теплопроводность парамагнитного и ферромагнитного материалов соответственно.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена структурная диаграмма Шеффлера, на фиг. 2 показана установка для реализации способа сварки и формирование зоны проплавления при ЭЛС расщепленным пучком.
Структурное состояние наплавленного металла и свариваемых сталей в исходном состоянии после сварки в соответствии с содержанием в них аустенито- и ферритообразующих элементов можно оценить с помощью диаграммы Шеффлера. Эквивалентные содержания хрома и никеля в металле шва, которые соответственно определяются формулами:
э1
э1
э2
э2
зависят от его смещения относительно плоскости стыка. Поэтому фазовый состав металла шва, например, при сварке сталей мартенситного (или перлитного) и аустенитного классов, будет характеризовать прямая на диаграмме Шеффлера, проходящая через точки (Cr, Ni) и (Cr, Ni), уравнение которой имеет вид:
Граница, отделяющая аустенитную и аустенитоферритную области на диаграмме от областей, где происходит формирование мартенситной структуры, может быть представлена уравнением прямой в отрезках:
Чтобы исключить появление мартенситной структуры, обладающей ферромагнитными свойствами, в сварных соединениях перлитных и мартенситных сталей с аустенитными, необходимо повышать в металле шва долю аустенитной стали. Совместное решение уравнений (7) и (8) позволяет определить минимальную степень проплавления аустенитной стали или сплава, обеспечивающую аустенитную структуру металла шва:
1
где γ - степень проплавления аустенитного материала.
Рассмотрим процесс шовной сварки двух пластин толщиной h встык электронным лучом мощностью Q на глубину h. Предположим, что канал проплавления имеет цилиндрическую форму, при этом источник тепла действует на боковую поверхность цилиндра S. В случае если сварка материалов осуществляется электронным пучком без колебаний (статическим), то основание цилиндра представляет собой проекцию канала проплавления (ширины шва) в виде окружности радиусом r.
2
При условии, что плотность мощности источника нагрева q остается постоянной во всех точках поверхности его действия, тогда мощность, приходящаяся на нагрев и плавление каждой из деталей при стационарном воздействии источника тепла, пропорциональна площади канала в каждой из деталей:
1
2
1
2
Причем Q+Q=Q, a S+S=S, где S=2πrh - площадь боковой поверхности канала проплавления.
Степень проплавления, определяемая как объемная доля участия одного из соединяемых металлов в общем объема сварочной ванны может быть определена по соотношению:
1
2
где F и F - площади проплавления в поперечном сечении первой и второй детали соответственно.
1
2
1
2
1
2
1
В способе сварки регулирование степени проплавления осуществляют периодическим во времени смещением оси электронного пучка попеременно на первую и вторую детали с амплитудами А и А с частотой, достаточной для существования канала с формой, приведенной на фиг. 2. Канал проплавления при этом также имеет цилиндрическую форму. Форма основания цилиндра при этом состоит из двух дуг окружности, радиусом r и двух сопряженных прямых. Причем длина прямой, соединяющей окружности равна сумме амплитуд смещения пучка А+А, а плоскость стыка делит эту прямую в соотношении А/А. Степень проплавления первой детали γ определяется соотношением:
Данное соотношение получено из условия
Очевидно, что площадь проплавления пропорционально связана с мощностью, вкладываемой в каждую из деталей, вместе с тем известно, что при сварке разнородных материалов тепловая мощность источника с учетом различия теплофизических свойств распределяется между свариваемыми деталями в соотношении:
1
2
1
2
где сρ, сρ, λ, λ - удельная теплоемкость и теплопроводность аустенитного и неаустенитного (мартенситного или перлитного) материала соответственно, Q - мощность электронного луча.
Если период воздействия теплового источника намного меньше времени перехода к стационарному процессу теплопроводности в сварочной ванне, то для сварочной ванны такой источник может быть рассмотрен как непрерывно действующий с эффективной мощностью:
1
2
1
2
где τ, τ - время воздействия источника на каждую из деталей соответственно, Т=τ+τ -  период попеременного смещения пучка.
1э
2э
Тогда при условии выравнивания тепловых потоков q=q получим:
св
1
2
Установка, реализующая предлагаемый способ сварки содержит парамагнитную (аустенитную) деталь 1, деталь 2 из ферромагнитного (мартенситного или перлитного) материала, зоны 3 и 4 проплавления парамагнитного (аустенитного) и ферромагнитного (мартенситного или перлитного) материала соответственно, расщепленный электронный пучок 5, электромагнитная отклоняющая система 6, сварочный стол электронно-лучевой установки 7, на который устанавливаются детали 1 и 2, которые перемещаются с заданной скоростью сварки ν. Электронный пучок 5 посредством электромагнитной отклоняющей системы 6 периодически попеременно смещается на парамагнитную зону 3 на величину Ф и на ферромагнитную зону 4 на величину А, образуя зону проплавления парамагнитного материала 3 и зону проплавления ферромагнитного материала 4.
Способ электронно-лучевой сварки разнородных ферро- и парамагнитных материалов реализуется следующим образом.
Предварительно проводят электроннолучевую сварку аустенитного материала с мартенситным (или перлитным) без смещения электронного пучка 5 и определяют радиус канала проплавления r и мощность Q электронного пучка 5, необходимую для проплавления материалов на заданную глубину h. Далее по формуле:
1
1
2
рассчитывают требуемую для гарантированного получения аустенитной структуры металла шва с парамагнитными свойствами степень проплавления аустенитного материала γ. Задают величину смещения оси пучка на первую деталь А из диапазона величиной до r и вычисляют значение смещения на вторую деталь А по формуле
.
1
2
Задают период Т попеременного смещения пучка, который должен быть существенно меньше времени перехода к стационарному процессу теплопроводности в сварочной ванне, на практике Т>0,002 с. Далее определяют время импульса τ и τ из соотношений:
;
.
1
2
1
2
После чего аустенитную деталь 1 и мартенситную (или перлитную) деталь 2 устанавливают на сварочном столе 7 электронно-лучевой установки, откачивают область обработки до требуемого давления, формируют электронный пучок 5, посредством электромагнитной отклоняющей системы задают рассчитанные величины А, А и времена τ и τ смещения электронного пучка на парамагнитную и ферромагнитную детали, а затем проводят электронно-лучевую сварку.
Использование предлагаемого способа позволяет получать требуемый химический и структурный состав металла шва при электронно-лучевой сварке парамагнитных сталей с ферромагнитными с минимальными размерами переходных зон.