СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ КОЛЬЦЕВЫХ ИЛИ КРУГОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ МЕДНЫХ СПЛАВОВ
METHOD FOR ELECTRON RAY WELDING OF ANNULAR OR CIRCULAR JOINTS FROM COPPER ALLOYS

Область техники
Изобретение относится к области сварочного производства, в частности, к способу электронно-лучевой сварки медных сплавов с контролируемым сквозным проваром, формированием шва на весу и распространяется на получение кольцевых, или круговых сварных соединений. Изобретение может быть использовано в атомной энергетике, в машиностроении, авиастроении, в космической и других отраслях промышленности.
Предшествующий уровень техники
Известен способ, на который получен патент РФ № 2433023 «Способ электронно-лучевой сварки» МПК (51): B23K 15/00, B23K 28/02 приоритет от 16.02.2010 г, опубликовано 10.11.2011 г, авторы: Драгунов В.К., Овечников С.А., Чепурин М.В., Александрова О.П., Голубчик P.M. (RU), патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский энергетический институт» (ГОУВПО «МЭИ (ТУ)») (RU).
Способ включает формирование электронного луча, его отклонение и перемещение относительно оси пушки, расположение фокуса луча внутри свариваемой детали и поддерживание положения фокуса луча по толщине свариваемой детали постоянным. Отклонение и перемещение электронного луча от оси пушки осуществляют переменным тока к нижней части свариваемой детали через токоподводы, которые располагают с двух сторон симметрично стыку на расстоянии между ними, равном ширине сварного шва в верхней части свариваемой детали. При этом магнитное поле перемещают в направлении сварки со скоростью, равной скорости электронного луча, а величину переменного, подводимого через токоподводы, тока выбирают из условия обеспечения ширины сварного шва корневой зоны, равной ширине его верхней части.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются формирование электронного луча и поддерживание положения фокуса луча по толщине свариваемой детали постоянным.
Недостатком данного способа является сложность технологического процесса, связанная с отклонением электронного луча от оси пушки за счет подвода переменного электрического тока к нижней зоне свариваемых деталей и последующим формированием магнитного поля и его перемещением в процессе сварки. Увеличение ширины корневой части шва приводит к увеличению размеров зоны нагрева, что, в свою очередь, может привести к возрастанию уровня внутренних сварочных напряжений в шве. Кроме этого, качество формирования корня шва зависит от степени отклонения электронного луча от оси пушки, от величины переменного электрического тока. Наличие отклонений от соосности электронного луча и токоподвода и неравенство скорости сварки и скорости перемещения токоподводов могут привести к нарушению стабильности формирования сварного шва и появлению корневых дефектов в сварном соединении.
Известен способ, на который получен патент РФ №1568376 «Способ электроннолучевой сварки с регулированием тепловложеиия по длине стыка» МПК: B23K 15/00, приоритет 02.10.1987 г, опубликовано 30.11.1994 г, авторы: Мелюков В.В. (RU), патентообладатель: Мелюков В.В.
1
2
2
3
3
4
2
3
Способ предусматривает плавное увеличение тока пучка на начальном этапе сварки вплоть до рабочего значения, затем некоторое снижение этого тока во время прохода пучка вдоль всего стыка с формированием сварного шва. На этом этапе снижение тока пучка производят или по линейному, или по экспоненциальному закону. За счет этого обеспечивают постоянство температуры в тоне сварки в любой части кольцевого стыка. В начальный период сварки в пределах временного интервала от t до t плавно увеличивается ток электронного пучка до рабочего значения, затем поддерживают на заданом уровне ток пучка в пределах временного интервала от t до t с последующим уменьшением тока пучка на этапе перекрытия сварного шва и вывода сварочного кратера в пределах временного интервала от t до t, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварки кольцевых соединений путем уменьшения перегрева в зоне сварки при замкнутых тепловых потоках вдоль оси кольцевого шва, ток пучка в пределах временного интервала от t до t плавно уменьшают.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются - в начальный период сварки плавно увеличивают ток электронного пучка до рабочего значения, затем поддерживают на заданном уровне ток пучка, уменьшают ток пучка на этапе вывода сварочного кратера.
Недостатком данного способа является ограниченное количество зон (3 сектора) по контролю тепловложения вдоль оси кольцевого шва. Для получения сварного шва оптимальной формы с жестко регламентируемыми параметрами по ширине и выпуклости шва необходимо контролировать тепловложение на протяжении всего стыка с оценкой влияния автоподогрева в разных секторах кольцевого соединения. Это необходимо, как правило, при сварке деталей из материалов с большим коэффициентом теплопроводности и низкой температурой плавления. В способе регулирование тепловложеиия осуществляется только за счет уменьшения тока луча, при условии сквозного провара в зоне перекрытия возможен непровар (поскольку значение тока уменьшается от рабочего значения до 0).
Из аналогов, в качестве прототипа, был выбран патент РФ №2433024 «Способ электронно-лучевой сварки немагнитных металлов и сплавов»: приоритет 16.06.2010 г, опубликовано 10.11.2011 г. МПК: B23K 15/00, B23K 28/02, авторы: Хохловский А.С., Мартынов В.П.. Голубчик P.M.. Саяпин А.С.(RU), патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский энергетический институт (технический университет)» (ГОУВПО «МЭИ» (ТУ)») (RU).
Способ электронно-лучевой сварки немагнитных металлов и сплавов, включающий проплавление стыка свариваемых деталей электронным лучом, создание магнитного поля внутри свариваемых деталей и формирование заданной геометрии электронного луча и канала проплавления при отклонении электронного луча по толщине деталей, отличающийся тем, что осуществляют несквозное проплавление стыка, при этом в процессе сварки отклонение луча осуществляют поперек стыка и изменяют форму и размеры корня шва при постоянном размере вершины шва внутри свариваемых деталей со стороны корня шва переменным магнитным нолем.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются: способ электронно-лучевой сварки немагнитных металлов и сплавов, включающий проплавление стыка свариваемых деталей электронным лучом, формирование заданной геометрии электронного луча, перемещение электронного луча.
Недостатком данного способа является низкая прочность сварного шва при несквозном проплавлении стыка свариваемых деталей. Также отклонение электронного луча поперек сварного соединения приводит к расширению корневой части сварного шва. что может привести к увеличению уровня сварочных напряжений и деформации конструкции.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение прочности сварных соединений при улучшении стабильности формирования сварного шва на весу с контролируемым сквозным проваром для обеспечения требуемых значений выпуклости шва с обратной стороны.
Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, заключается в получении сварных швов без дефектов, неровностей и выплесков расплавленного металла и уменьшении уровня внутренних сварочных напряжений в шве и уменьшении уровня деформации конструкции сварного соединения.
Технический результат достигается тем, что в способе электронно-лучевой сварки медных сплавов со сквозным проваром, включающем проплавление силка свариваемых деталей электронным лучом, формирование заданной геометрии электронного луча, перемещение электронного луча, согласно изобретению, перед сваркой детали химически протравливают, пассивируют, свариваемые кромки механически зачищают, обезвоживают. Устанавливают свариваемые детали в приспособлении, обеспечивают плотный контакт свариваемых кромок без смещения по высоте. Устанавливают положение фокуса электронного луча над поверхностью свариваемых деталей с получением пятна фокусировки на стыке деталей. Выполняют прихватки. Выполняют электронно-лучевую сварку. При этом перемещают пятно фокусировки по поступательно-круговой траектории относительно стыка деталей. Увеличивают ток электронного луча до рабочего режима на участке ввода луча. Поддерживают ток луча на заданном уровне. Последовательно увеличивают скорость сварки в заданных секторах кольцевого соединения до зоны перекрытия и в самой зоне перекрытия шва. Затем уменьшают ток электронного луча до нулевого значения на участке вывода луча.
Совокупность перечисленных существенных признаков обеспечивает получение технического результата - получение сварных швов без дефектов, неровностей и выплесков расплавленного металла, уменьшение уровня внутренних сварочных напряжений в шве и деформации конструкции сварного соединения то позволяет решить задачу повышения прочности сварных соединений при улучшении стабильности формирования шва на весу с контролируемым проплавлением для обеспечения требуемых значений выпуклости шва с обратной стороны.
Возможно, формируют сварной шов на весу со сквозным проваром деталей и с необходимой выпуклостью шва с обратной стороны. Возможно, прихватки выполняют короткими участками шва электронным лучом в четырех диаметрально противоположных точках на стыке с эффективной мощностью луча, составляющей 30% от рабочей эффективной мощности луча при сварке. Это обеспечивает точность расположения деталей в зоне стыка (без смещения) в процессе сварки и тем самым уменьшают уровень внутренних сварочных напряжений и деформации конструкции.
Возможно, для получения пятна фокусировки на стыке деталей устанавливают значение тока фокусировки электронного луча превышающим на 10% значение тока острой фокусировки луча. Это способствует формированию качественного сварного шва без дефектов и искажений формы в виде неровностей и выплесков расплавленного металла.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана конструкция сварного соединения без разделки кромок.
На фиг. 2 показан внешний вид поперечного сечения сварного соединения с дефектами.
На фиг. 3 показано соединение деталей электронно-лучевой сваркой.
На фиг. 4 показана зона перекрытия сварного шва.
На фиг. 5 показан график зависимости выпуклости сварного шва с обратной стороны от угла сектора кольцевого соединения при постоянстве режимов сварки.
На фиг. 6 показан график зависимости выпуклости шва с обратной стороны в зависимости от угла сектора кольцевого соединения при изменении скорости сварки в различных секторах.
На фиг. 7 показано схематичное изображение процесса выполнения электронно-лучевой сварки кольцевого соединения с контролируемой выпуклостью шва с обратной стороны.
На фиг. 8 показан график зависимости выпуклости шва с обратной стороны в зависимости от угла сектора кольцевого соединения после корректировки скорости сварки в различных секторах.
На фиг. 9 показан внешний вид поперечного сечения сварного соединения без дефектов.
Варианты осуществления изобретения
Описанным в патенте способом можно сваривать круговые и кольцевые соединения деталей. Далее будет описан один из вариантов осуществления изобретения - электронно-лучевая сварка модельных образцов в виде кольцевых соединений трубных заготовок из меди высокой степени чистоты (бескислородная медь). Толщина исследуемых образцов составляет 3.0 мм. Основным условием получения качественных швов является сварка со сквозным проваром без дефектов и обеспечение выпуклости сварного шва с обратной стороны не более 8% от толщины свариваемых деталей (0,24 мм). Для оценки величины выпуклости шва с обратной стороны кольцевое соединение разделяют на сектора с шагом 60° для фиг. 5 и с шагом 40° для фиг. 6 и 8.
Как показано на фиг. 1, в сварке участвуют детали 1 и 2 цилиндрической формы без выполнения разделки свариваемых кромок (стыковое соединение).
Электронно-лучевую сварку деталей 1 и 2 из меди осуществляют следующим образом. Для стабильного формирования сварного шва очищают свариваемые поверхности от загрязнений. Для этого перед сваркой детали 1 и 2 подвергают химическому травлению и пассивированию. Процесс пассивирования заключается в создании на поверхности свариваемых деталей 1 и 2 тонких слоев соединений в виде оксидной пленки, обеспечивающих защиту от коррозии. После этого кромки деталей 1, 2 и особенно их торцевые поверхности подвергают механической очистке шабером, с последующей протиркой бязевой салфеткой, смоченной спиртом. Этим доводят свариваемые поверхности до необходимой чистоты и. таким образом, исключают влияние местных загрязнений на качество сварного шва. Ниже приведена таблица влияния подготовки свариваемых кромок на качественные характеристики сварного шва. Результаты получены в результате проведения экспериментов. Шлиф сварного шва с дефектами, полученный в результате подготовки кромок без механической зачистки, показан на фиг. 2.
Из таблицы 1 видно, что отсутствие дефектов наблюдается при полном цикле подготовки свариваемых кромок в виде химического травления, пассивирования, механической зачистки и протирки бязевой салфеткой, смоченной спиртом. Поры 3 (на фиг. 2), которые образуются при подготовке свариваемых кромок без механической зачистки, являются концентраторами напряжений в сварном шве, снижают рабочее сечение и прочностные свойства шва. Они также могут привести к разрушению конструкции при накоплении внутренних сварочных напряжений и деформации сварного соединения.
Детали 1 и 2 устанавливают в сборочно-сварочном приспособлении, обеспечивают плотный контакт свариваемых кромок без смещения по высоте, как показано на фиг. 3. Устанавливают положение фокуса электронного луча 4, сгенерированного электронно-лучевой пушкой 5, над поверхностью свариваемых деталей 1 и 2 с получением пятна фокусировки. Устанавливают значение тока фокусировки электронного луча 4 на 10% больше значения тока острой фокусировки луча 4, без смещения относительно стыка 6 (фиг. 3).
Результаты экспериментов показали, что при токе фокусировки менее 10% от тока острой фокусировки луча 4 формируется сварной шов с дефектами в виде неровностей и выплесков расплавленного металла. Кроме этого, наблюдается превышение требуемых значений 0,24 мм выпуклости шва с обратной стороны с образованием единичных пор 3 в корне шва.
При токе фокусировки более 10% от тока острой фокусировки луча 4 уменьшается степень концентрации луча 4 в зоне стыка 6 и увеличивается зона теплового воздействия электронного луча 4 и ширины шва, поскольку фокус луча 4 располагается еще выше относительно поверхности деталей 1 и 2. Это повышает уровень сварочных напряжений в шве и деформации конструкции соединения. Также это приводит к уменьшению глубины провара или к появлению дефекта в виде непровара, который является концентратором сварочных напряжений и снижает прочность шва.
После установления фокуса выполняют прихватки электронным лучом 4 короткими участками в четырех диаметрально противоположных точках на стыке 6 с эффективной мощностью луча 4 не меньше 30% от основной эффективной мощности луча 4 при сварке. Прихватки выполняют с целью исключения возможных короблений и зазоров в процессе сварки.
Результаты экспериментов показали, что при выполнении прихваток с эффективной мощностью луча 4 меньше 30% от рабочей эффективной мощности луча 4 происходит частичное оплавление свариваемых кромок без взаимного перемешивания металла или несплавление кромок. Это может привести к снижению прочности и разрыву прихваток в процессе воздействия термического цикла сварки, так как при сварке в процессе нагрева происходит расширение свариваемых кромок.
При выполнении прихваток с эффективной мощностью луча 4 больше 30% от рабочей эффективной мощности луча 4 реализуется избыточное тепловложение от источника сварки и происходит увеличение глубины провара. После выполнения сварки это приводит к превышению допустимых значений по выпуклости шва с обратной стороны в зонах расположения прихваток.
Электронно-лучевую сварку выполняют в нижнем положении на автоматизированной установке. При сварке в нижнем положении свариваемые детали 1 и 2 вращаются вокруг оси 7, расположенной в горизонтальной плоскости и перпендикулярной оси 8 электронного луча 4. Кроме этого обеспечивают высокочастотное вращение луча 4 относительно своей оси 8. Происходит движение луча 4 по круговой траектории с малым диаметром, порядка 0,5 мм. Этим обеспечивают улучшение структуры, механических свойств и сплошности металла шва, предотвращают несплавление кромок с обратной стороны сварного шва и исключают появление дефектов в виде пор.
На этапе предварительных работ были выполнены экспериментальные исследования по сварке модельных образцов. На первом образце в интервале заданных значений тока сварки при постоянстве остальных параметров режима было определено опорное значение тока сквозного провара. При данном значении тока сварки, постоянной скорости сварки и постоянстве остальных параметров режима была выполнена сварка следующего модельного образца. При этом была выявлена закономерность увеличения выпуклости сварного шва с обратной стороны перед началом зоны перекрытия 9 шва и в зоне перекрытия 9. Зона перекрытия 9 (фиг. 4) - это участок сварного шва, который определяется расстоянием «наложенного» слоя относительно точки 10 начала сварки до точки 11 окончания сварки.
3
2
Увеличение выпуклости сварного шва с обратной стороны происходит за счет высокого коэффициента теплопроводности меди и проявления эффекта автоподогрева. Эффект автоподогрева сопровождается изменением условий формирования шва за счет встречного влияния теплового фронта, распространяющегося от точки 10 начала сварки, что способствует увеличению геометрических размеров шва и его выпуклости к концу сварки по степенному закону в соответствии с эмпирической формулой у=4Е-08х-2Е-05х+0,0046х+2,83, как показано на фиг. 5.
В интервале от 0° до 60° плавно увеличивают значение тока и скорости сварки от 0 до рабочих значений. В этом диапазоне выпуклость шва с обратной стороны составляет величину до 0,1 мм, значением которой можно пренебречь.
В интервале от 60° до 180° происходит увеличение выпуклости шва с обратной стороны в допустимом диапазоне от 0,1 до 0,12 мм, что составляет 50% от максимально допустимой выпуклости шва с обратной стороны.
В интервале от 180° до 330° происходит дальнейшее увеличение выпуклости шва с обратной стороны до максимально допустимого значения 0,24 мм. В секторе с углом 330° выпуклость составляет максимально допустимое значение 0,24 мм.
В начале зоны перекрытия 9 от точки 10 выпуклость составляет 0,32 мм, что превышает требуемое значение на 1/3 часть. Для уменьшения значения выпуклости шва с обратной стороны до требуемого значения до 0,24 мм необходимо уменьшить влияние автоподогрева по всей длине стыка.
Для уменьшения влияния автоподогрева по всей длине стыка окружности был применен вариант сварки с последовательным увеличением скорости сварки от 1200 до 1600 мм/мин, как показано на фиг. 6. В интервале углов от 0° до 280° скорость сварки составляет 1200 мм/мин, При этом максимальная величина выпуклости шва с обратной стороны составляет 0,15 мм.
Как показано на фиг. 6, в интервале углов от 280° до 330° скорость сварки увеличили до 1300 мм/мин. При этом максимальная величина выпуклости шва с обратной стороны уменьшилась. Дальнейшее увеличение скорости сварки в интервале от 330° до 355° приводит к существенному уменьшению выпуклости шва с обратной стороны до непровара. Для выравнивания выпуклости шва в пределах допустимых значений опытным путем были скорректированы значения скорости сварки на всем протяжении стыка, как показано на фиг. 8.
Эти скорректированные значения скорости сварки в установленных секторах сварного соединения были применены при сварке образца в соответствии с фиг. 7. При этом значения выпуклости по обратной стороне шва всего соединения не вышли за пределы допустимых (0,18-0,24 мм), как показано на фиг. 8.
В интервале от 0° до 5°, фиг. 7, происходит нарастание тока электронного луча 4 от 0 до рабочего значения, данный интервал является участком ввода луча. Плавное увеличение тока электронного луча 4 обеспечивает стабильность формирования сварного шва и более равномерный нагрев, исключает появление дефектов в виде выплесков расплавленного металла.
В интервале от 5° до 280° (фиг. 7. 8) скорость сварки составляет 1230 мм/мин. Максимальное значение выпуклости шва с обратной стороны для интервала от 5° до 280° составляет 0,14 мм, как показано на фиг. 8.
В интервале от 280° до 330° (фиг. 7, 8) скорость сварки составляет 1290 мм/мин. Значение выпуклости шва с обратной стороны для этого интервала составляет 0,15 мм. как показано на фиг. 8.
Дальнейшее увеличение скорости сварки до 1340 мм/мин в интервале от 330° до 355°, увеличение до 1380 мм/мин в интервале от 355° до 375°. далее до 1550 мм/мин в интервале от 375° до 395°, как показано на фиг. 7, обеспечивает значение выпуклости шва с обратной стороны в допустимых пределах. Максимальное значение выпуклости шва с обратной стороны составляет 0.18 мм, как показано на фиг. 8.
В интервале от 395° до 415° (фиг. 7, 8) до точки 11 окончания сварки происходит плавное уменьшение тока электронного луча 4 от рабочего значения до 0. Данный интервал является участком вывода луча. При этом скорость сварки в интервале от 395° до 415° составляет 1550 мм/мин. Плавное уменьшение тока электронного луча 4 исключает образование возможных дефектов в виде кратера и подрезов, которые являются концентраторами напряжений в шве и могут привести к снижению прочности шва и нарушению требуемой выпуклости шва с обратной стороны.
В процессе сварки с увеличением скорости сварки в секторах до начала зоны перекрытия 9 и в зоне самого перекрытия 9 расплавляют детали 1, 2 и формируют сварной шов 12, фиг. 9, на весу (со сквозным проваром свариваемых кромок без использования подкладок).
После кристаллизации шва 12, фиг. 9, образуется неразъемное соединение деталей 1, 2. По результатам металлографического анализа шва внутренних дефектов в нем не выявлено. Сварной шов 12 формируют со сквозным проваром без образования дефектов и с выпуклостью шва 12 с обратной стороны не более 0,24 мм (8% от толщины соединения). Таким образом, изменение скорости сварки в разных секторах кольцевого соединения обеспечивает равномерное тепловложение по всей длине стыка 6, необходимую конфигурацию сварного шва 12 и, тем самым, уменьшает уровень внутренних сварочных напряжений и деформации конструкции в целом.
Промышленная применимость
Наиболее эффективно выглядит использование предложенного способа в протяженных конструкциях переменного сечения в виде замкнутых корпусов, контейнеров, труб, закрытых сосудов, работающих в условиях импульсного возрастания температуры и давления внутренней агрессивной среды, динамических нагрузок и т.д. Там, где необходимо соединить детали с контролируемым сквозным проваром, и с повышенными требованиями к точности изготовления, и к качеству сварных швов.
Предлагаемый способ обеспечивает технический эффект, заключающийся в получении сварных швов без дефектов, неровностей и выплесков расплавленного металла и уменьшении уровня внутренних сварочных напряжений в шве и деформации конструкции сварного соединения. Рассмотренный вариант выполнения изобретения был реализован на существующем в настоящее время оборудовании с использованием имеющихся материалов. Это подтверждает его работоспособность и промышленную применимость.