Особенности и преимущества электронно-лучевой сварки

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

УДК 621.791.722

А. А. Трошин, А. С. Мухин, М. В. Шепелевич Научный руководитель - Н. В. Успенский Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ОСОБЕННОСТИ И ПРЕИМУЩЕСТВА ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ

Рассмотрены особенности, возможности и преимущества технологии ЭЛС по сравнению с традиционными видами сварки.

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) относится к методам сварки высококонцентрированными источниками энергии и обладает широкими технологическими возможностями, позволяя соединять за один проход металлы и сплавы толщиной от 0,1 мм до 400 мм. ЭЛС в вакуумных камерах выполняется преимущественно при давлении остаточных газов порядка 10-2 Па. Благодаря этому ЭЛС оказалась эффективной для соединения деталей из любых металлических материалов особенно сплавов на основе химически активных металлов, таких как алюминий, титан и тугоплавкие элементы. При этом обеспечиваются максимальная пластичность и вязкость сварных соединений. Наиболее перспективным является соединение деталей из термически упрочненных материалов, когда затруднена или не возможна последующая обработка. Максимальная пластичность и вязкость соединений, минимальные сварочные деформации позволяют также успешно использовать ЭЛС при изготовлении изделий после завершающей механической обработки.

Источник нагрева в виде пучка электронов сосредоточен на малом пятне диаметром в десятые и даже сотые доли миллиметра. При мощности пучка в десятки киловатт плотность энергии в нем превышает плотность энергии электрической сварочной дуги на два - пять порядков (от 105 до 109 Вт/см2.Такая концентрация энергии, достигаемая при специальной фокусировке пучка в сварочных электронных пушках, делает возможным сварку с недостижимым для электродуговых методов отношением глубины к ширине проплавления (до 50:1). Погонная энергия при ЭЛС не превышают 20 % от аналогичного показателя при дуговой сварке. Узкий шов, параллельность его границ и малая протяженность ЗТБ обуславливают незначительные линейные и угловые деформации свариваемых изделий. Практически отсутствие коробления является выдающимся критерием ЭЛС. Это позволяет применять более простые сборочно-сварочные приспособления, не требует больших усилий зажатия соединяемых деталей, а также последующей механической обработки. Погонная энергия, поперечная усадка и угловые деформации при ЭЛС лежат существенно ниже показателей для лазерной сварки. Глубокое проплавление металла при низких значениях погонной энергии ЭЛС приводит к повышенной скорости кристаллизации малой по объему сварочной ванны, благодаря чему измельчается структура сварного шва. Размеры, конфигурация и качество формирования швов при ЭЛС определяется устойчивостью, формой и размерами парового канала сварочной ванны, которые в свою очередь зависят от

мощности, эффективного радиуса, угла сходимости луча, положения фокального пятна луча, пространственного положения стыка, теплофизических свойств металла и скорости сварки.

Электронный луч (ЭЛ) является практически без-инерционным источником тепловой энергии. Возможность тонкой регулировки мощности, фокусировки и положения луча на поверхности изделия позволяет широко использовать системы управления лучом и программирования режимов сварки. Сварку можно вести отдельными импульсами с различной скважностью. А также сканируя луч вдоль и (или) поперек стыка, что позволяет сваривать с наименьшими производственными затратами крупные серии однотипных деталей. Спектр ЭЛС распространяется от деталей, изготавливаемых из фольги, до деталей толщиной более 100 мм, соединяемых за один проход, от деталей микромеханики до сегментов корпусов самолетов и подводных лодок, от отдельных частей космических аппаратов до крупных серий в электро-и автомобилестроении.

Электронно-лучевым способом можно сварить соединения тех же типов, что и дуговой сваркой: стыковые, нахлесточные, по отбортованным кромкам. Однако ЭЛС позволяют выполнять соединения принципиально новых видов, например, соединения элементов конструкций, расположенных на разной высоте, прорезными швами. С помощью ЭЛ можно производить сварку в труднодоступных местах и в узких разделках - щелях, можно также выполнять соединение обечаек внедренным лучом через ребро жесткости.

В ряде случаев, например, при сварке элементов из весьма тонкого металла или металлов, имеющих низкую температуру плавления и легко испаряющихся (магний, алюминий), необходимо использовать импульсный режим. Такая сварка импульсно-модули-рованным пучком производится с помощью специальных автоматических прерывателей при частоте до 300 имп/с и продолжительностью импульса 0,010,00005 с.

В целом при конструировании и выборе способа сварки изделий следует учитывать следующие преимущества ЭЛС, по сравнению, с другими способами сварки плавлением:

- широкий диапазон толщин свариваемых деталей - от долей миллиметра до 100 мм и более;

- возможность получения узких швов с глубоким проплавлением;

- возможность регулирования отношения глубины проплавления к ширине шва;

- уменьшение роста зерна в шве и ЗТВ сварки;

Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственнее технологии»

- небольшие линейные размеры ЗТБ;

- большие скорости нагрева и охлаждения металла в вакууме, что позволяет получать максимальную степень чистоты и высокие физико-химические свойства соединения;

- резкое снижение величины деформаций сварных конструкций;

- возможность сварки соединений различных типов, в том числе принципиально новых, не выполнимых известными способами сварки плавлением;

- высокая производительность и экономичность;

- универсальность аппаратуры, позволяющая сваривать детали разных толщин;

- наличие предпосылок для комплексной автоматизации процесса.

ЭЛ наряду со сваркой может быть использован для локальной термообработки сварных соединений, наплавки, напыления, перфорации, изготовления пазов (в металлах и сверхтвердых материалах), контурной резки тонкостенных элементов, гравирования.

© Трошин А. А., Мухин А. С., Шепелевич М. В., 2013

УДК 621.791.722

А. А. Трошин, М. В. Шепелевич Научный руководитель - Н. В. Успенский Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ

Рассмотрены причины возникновения специфических - корневых дефектов при ЭЛС алюминиевых сплавов, предложен способ их предотвращения.

Качество шва при ЭЛС, как и при любом способе сварки плавлением, определяется совокупностью технологических и энергетических параметров процесса. Поддержание на требуемом уровне энергетических параметров процесса сварки обеспечивает при неизменных технологических условиях постоянство эксплуатационных параметров сварного соединения, геометрических размеров, структурных, прочностных и других показателей. Однако, возможность формирования проплавления уникальной «кинжальной» формы с минимальной металлоемкостью ванны вступает в противоречие с достижением стабильных эксплуатационных параметров сварного соединения, как для одного, так и для многих швов. Нарушение оптимального режима ЭЛС зачастую ведет к появлению в швах дефектов, причем даже на хорошо свариваемых материалах. Они встречаются при любых способах сварки плавлением и хорошо известны: непровары, подрезы, провисание шва, а также повышенное разбрызгивание. Однако возникают и другие, специфические дефекты: корневые дефекты, протяженные полости в объеме шва, «срединные» трещины и отклонения шва от стыка из-за остаточных или наведенных магнитных полей. Корневые дефекты шва -наиболее распространенный вид дефектов, они могут иметь место при сварке любых материалов обычно в режиме несквозного проплавления в любом пространственном положении.

Трудноуправляемым в настоящее время дефектом при ЭЛС толщин более 10 мм является корневой дефект, который формируется в корне шва как пустоты различной абстрактной формы. При рентген - контроле данный дефект смотрится как цепь пор различной формы с наложением и соприкосновением. Это явление не имеет нечего общего с привычным нам

порообразованием и зависит только от распределения энергии в пятне нагрева. Некачественное формирование луча с искаженным пятном нагрева, как правило, приводит к формированию корневого дефекта и чем хуже пятно нагрева, тем меньше свариваемая толщина, которая поражается данным дефектом. Сварка толщин свыше 12 мм не гарантируется от поражения этим дефектом различной интенсивности. Для устранения этого дефекта необходимо управлять законом распределения энергии в пятне нагрева луча и формировать форму шва таким образом, чтобы в корне шва было притупление с радиусом не менее 1...2 мм., правильное перемешивание жидкой фазы шва как по вертикале, так и по горизонтали.

Предварительные исследования по использованию этих технологических возможностей выявили перспективность новых траекторий сканирования в целях усовершенствования технологии электронно-лучевой сварки, повышения качества сварных соединений.

Экспериментальные исследования проводились на электронно-лучевой установке ЭЛУ - 5 с электроннолучевым оборудованием и пушкой КЭП - 2 с таблеткой 04,7 мм. Сварка проводилась на кольцевых образцах 0 300 мм толщиной 27 мм из материала АМг-6-НН. Скорость сварки - 30 м/час.

Целью экспериментальных исследований являлось изучение влияния различных форм распределения энергии по пятну на процесс формирования сварного шва и его характеристики.

Качество сварных соединений оценивалось по результатам рентгеновского контроля сварных соединений, микрошлифам поперечного и продольного разреза сварных соединений.

Для управления распределением энергии электронного пучка по пятну нагрева было запрограмми-