Способ электронно-лучевой сварки с осцилляцией луча
METHOD FOR ELECTRON BEAM WELDING WITH BEAM OSCILLATION

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к технологии электронно-лучевой сварки, и предназначено для создания сварных конструкций в таких отраслях промышленности, как энергетическое машиностроение, судостроение, двигателестроение, авиакосмическая отрасль, ракетостроение.
Известен способ электронно-лучевой сварки на высоких скоростях (патент US №3746831, публ. 17.07.1973, МПК В23K15/00), согласно которому осуществляют электронно-лучевую сварку с высокочастотной осцилляцией луча вдоль стыка свариваемых деталей с частотой свыше 600 Гц и амплитудой отклонения, зависящей от диаметра электронного луча.
Недостатком данного технического решения является его ограниченная область применения из-за неудовлетворительного качества сварных швов и появления дефектов при сварке со сквозным проплавлением на низких и средних скоростях.
Известен также способ электронно-лучевой сварки (Нестеренков В.М. «Применение сканирующего сварочного электронного луча для устранения корневых дефектов на сталях большой толщины» // Автоматическая сварка, 2003. №9., С. 7-12), согласно которому сварку осуществляют с применением пилообразной симметричной осцилляции электронного луча вдоль стыка свариваемых деталей с амплитудой осцилляции 3 мм и частотой 133 Гц.
Недостатком данного технического решения является ограниченная область применения, поскольку предложенный способ не позволяет получать качественные сварные соединения при сварке со сквозным проплавлением из-за вытекания металла со стороны корня шва и недостатка металла в верхней части сварного шва.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ электронно-лучевой сварки с осцилляцией луча (Акопянц К.С., Нестеренков В.М. Электронно-лучевая сварка сталей толщиной 60 мм с продольными колебаниями луча // Автоматическая сварка, 2002, №9., С. 3-5), включающий импульсное динамическое воздействие на сварочную ванну посредством осцилляции луча в виде пилообразных колебаний вдоль стыка свариваемых деталей с частотой 130 Гц и амплитудой 3 мм, превышающей в два раза диаметр канала проплавления, причем в начале каждого периода осцилляции электронный луч импульсно перебрасывают в направлении хвостовой части сварочной ванны, а потом в течение оставшегося времени периода осцилляции луч перемещают в направлении фронта плавления, совпадающем с направлением сварки.
Недостатком данного технического решения является низкое качество сварных соединений из-за повышенного разбрызгивания жидкого металла сварочной ванны и формирования дефектов сплошности сварных швов типа вакуумной пористости и вакуумных полостей вследствие снижения стабильности парогазового канала.
Технической задачей предлагаемого изобретения является получение сварных соединений деталей больших толщин со сквозным проплавлением без применения удаляемых корневых подкладок, уменьшение объемов вплоть до полного исключения механической обработки после сварки, уменьшение ширины швов и зоны термического влияния, уменьшение деформаций сварных конструкций.
Технический результат заключается в снижении экономических издержек, расширении технологических возможностей и повышении качества сварных соединений при электронно-лучевой сварке деталей больших толщин.
св
св
Это достигается тем, что в известном способе электронно-лучевой сварки с осцилляцией луча, основанном на направлении электронного луча на стык свариваемых деталей, перемещении электронного луча со скоростью сварки V и продольной осцилляции электронного луча в виде пилообразных колебаний вдоль стыка свариваемых деталей с формированием сварочной ванны и парогазового канала заданной глубины, в процессе осцилляции электронный луч перемещают в течение всего периода осцилляции Т в направлении, противоположном направлению сварки, с постоянной скоростью V > 2 ⋅ V, затем при достижении величины перемещения, равной амплитуде осцилляции А, электронный луч импульсно перебрасывают в направлении сварки до восстановления ортогональной ориентации относительно плоскости свариваемых деталей, при этом осцилляцию луча проводят с частотой  где k - коэффициент, определенный из условия получения сплошного проплавления сварного стыка и наилучшего формирования и наименьшей ширины сварного шва, А=0,5…2 диаметра парогазового канала.
B
K
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема процесса электронно-лучевой сварки с осцилляцией луча; на фиг. 2 изображена траектория движения электронного луча вдоль стыка во времени t при осцилляции, на фиг. 3 показаны макрошлифы сварного шва сплава АМг3 толщиной 12 мм при разных частотах осцилляции: ускоряющее напряжение 60 кВ, ток луча 80 мА, скорость сварки 25 мм/с, на фиг. 4 представлена зависимость площади усиления в вершине F и корне F шва от частоты осцилляции/электронного луча при электронно-лучевой сварке сплава АМг3, на фиг. 5 показана зависимость ширины шва В от частоты осцилляции ƒ электронного луча при электронно-лучевой сварке сплава АМг3.
св
Схема процесса электронно-лучевой сварки с продольной осцилляцией луча содержит электронный луч 1, направленный в стык 2 свариваемых деталей 3 ортогонально их поверхности и перемещающийся со скоростью сварки V относительно свариваемых деталей 3 вдоль оси X. В области воздействия электронного луча 1, испытывающего продольные колебания с амплитудой осцилляции А, на свариваемые детали 3 расположены сформированные его действием парогазовый канал 4, сварной шов 5, фронт кристаллизации 6, сварочная ванна 7 и фронт плавления 8.
Предлагаемый способ электронно-лучевой сварки с осцилляцией луча осуществляется следующим образом.
Электронный луч 1 направляют в стык 2 свариваемых деталей 3 ортогонально их поверхностям. Электронный луч 1 расплавляет кромки свариваемых деталей 3 и формирует канал проплавления 4 требуемой глубины и сварной шов 5. В процессе сварки производят непрерывную осцилляцию электронного луча по пилообразной траектории (фиг. 2) за счет отклоняющей магнитной системы сварочной электронной пушки, таким образом, что в течение всего периода осцилляции Т электронный луч движется в направлении фронта кристаллизации 6 сварочной ванны 7 со скоростью  При достижении величины отклонения, равной амплитуде осцилляции А, электронный луч импульсно перебрасывают в направлении фронта плавления 8 до восстановления ортогональной ориентации относительно поверхностей свариваемых деталей 3, после чего электронный луч возобновляет движение в направлении фронта кристаллизации 6 сварочной ванны 7 со скоростью  Амплитуду осцилляции выбирают с учетом размеров канала проплавления 4 в диапазоне от 0,5 до 2 диаметра канала проплавления 4. Частоту осцилляции выбирают из условия получения сплошного проплавления сварного стыка 2 и наилучшего формирования сварного шва 5.
Известно, что выбор частоты осцилляции зависит от типа свариваемых материалов и конструкции свариваемого стыка [Sliva А.Р., Dragunov V.K., Terentyev E.V., Goncharov A.L. EBW of aluminium alloys with application of electron beam oscillation // Journal of Physics: Conf. Series. 2018. Vol.1089. No. 012005]. При сварке изделий со сквозным проплавлением возникают дефекты, связанные с вытеканием жидкого металла сварочной ванны, и происходит формирование занижения на поверхности сварных стыков (фиг. 3). Введение осцилляции показывает, что на определенных частотах осцилляции появляется эффект вытеснения жидкого металла сварочной ванны из канала проплавления на лицевую поверхность сварных швов (фиг. 3).
B
K
На фиг. 4 и 5 приведена экспериментально полученная графическая зависимость площади усиления в вершине шва F и в корне шва F от частоты осцилляции f при использовании пилообразной осцилляции (фиг. 2) с амплитудой 1 мм. При отсутствии осцилляции наблюдается занижение в вершине шва (фиг 3, фиг. 4). Максимальное вытеснение металла на лицевую поверхность сварного стыка происходит при частоте осцилляции 35 Гц, при этом в корне шва образуется недостаток металла (фиг. 4).
B
B
Изменение направления осцилляции приводит к повышению разбрызгивания жидкого металла сварочной ванны и снижению эффекта вытеснения металла на лицевую поверхность - усиление F снижается, а также к росту средней ширины шва. Увеличение амплитуды осцилляции до 1,5 мм также приводит к снижению эффекта вытеснения металла на лицевую поверхность - усиление F снижается, и к росту средней ширины шва В.
B
K
С увеличением частоты происходит уменьшение усиления в верхней части, и при частоте 100 Гц формируется усиление, как со стороны корня, так и в вершине шва. Дальнейшее увеличение частоты приводит к занижению с лицевой поверхности. Зависимость усиления в вершине шва F и в корне шва F от частоты осцилляции f в интервале от 70 до 200 Гц достаточно пологая, и формирование качественного сварного соединения с усилением в вершине и корне шва проявляется в диапазоне частот осцилляции от 90 до 110 Гц (фиг. 4), при этом средняя ширина сварного шва снижается с 2,00 мм - для сварки без осцилляции, до 1,56 мм (фиг. 5).
В случае увеличения толщины сварных соединений, допустимый диапазон изменения частоты осцилляции будет смещаться в сторону собственной частоты колебания сварочной ванны вследствие увеличения столба жидкого металла и, соответственно силы тяжести, действующей на жидкий металл сварочной ванны.
Зависимость средней ширины шва от частоты осцилляции (фиг. 5) указывает на наличие экстремумов при кратных частотах осцилляции - 35, 70, 140 Гц, что дополнительно подтверждает периодический перенос металла от фронта плавления в сварочную ванну.
Уменьшение ширины сварного шва и периодичность переноса металла в сварочную ванну приводит к изменению условий кристаллизации шва и изменению его механических свойств. Исследование механических свойств металла сварного шва методом индентирования показывает увеличение твердости шва при сварке с применением предлагаемого способа осцилляции на 5% по сравнению со сваркой без осцилляции - с 69,3HV до 73,9HV (осреднение по 18 измерениям).
Аналогичные результаты получены при электронно-лучевой сварке высокопрочной стали 30ХГСА, коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т, низкоуглеродистой стали 09Г2С. Например, при ЭЛС стали 30ХГСА толщиной 24 мм оптимальное формирование сварного шва происходит при частоте осцилляции 44 Гц и амплитуде осцилляции 1,6 мм.
Использование предлагаемого способа позволяет получать качественные сварные швы со стабильными геометрическими параметрами при большей толщине сварного стыка без применения подкладок, уменьшить зону термического влияния, повысить механические свойства сварных соединений, обеспечить высокую стабильность и энергетическую эффективность сварочного процесса для материалов разных структурных классов.