Способ электронно-лучевой сварки

 

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке, в частности к технологии сварки сканирующим электронным пучком, и может быть использовано в различных областях машиностроения . Целью изобретения является повьшение качества сварного соединения путем устранения дефектов формирования . Движение пучка (П) начинают из точки N по траектории 1. Переместив П с заданной скоростью сканирования V;. на расстоянии 2ге, где Ге - средний радиус электронного П (до точки А), его мгновенно перебрасывают по траектории 2 в симметричное отно- . сительно оси X положение (точку В) на заданном контуре. Далее П снова перемещают со скоростью на расстояние 2т: (до точки С) , а затем с (Л оо N5 00 Ю со СХ) а

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (и) Ш4 В 23 К 15/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ,(21) 4045345/31-27 (22) 28.03.86 (46) 15.07.87. Бюл. Р 26 (71) Институт электросварки им. Е.О.Патона (72) А.А.Кайдалов, К.С.Акопьянц, Ю.И.Пастушенко, Л.П.Стрекаль, А.В.Емченко-Рыбко, В.Ю.Непорожний, Т.Ф.Ермакова и В.Ф.Загорный (53) 621.791.72(088.8) (56) Шилов Г.А. и др. Влияние частоты и диаметра развертки электронного луча на проплавление металла при электронно-лучевой сварке. Автоматическая сварка, 1983, Р 8, с. 25-28.

Friedel К.P. Arata J. "Proceedings of International, Conference

on ve1ding Research in the 1980 s, October 27-29, 1980, Osaka, Japan", Session А. — Osaka, 1980, р. 7-12. (54) СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ . (57) Изобретение относится к электронно-лучевой сварке„ в частности к технологии сварки сканирующим электронным пучком, и может быть использовано в различных областях машиностроения. Целью изобретения является повышение качества сварного соединения путем устранения дефектов формирования. Движение пучка (П) начинают из точки N no траектории 1. Переместив П с заданной скоростью сканирования V на расстоянии 2г, где re ск средний радиус электронного П (до точки А), его мгновенно перебрасывают по траектории 2 в симметричное относительно оси Х положение (точку В) на заданном контуре. Далее П снова перемещают со скоростью V« Ha расстояние 2r (до точки С), а затем

1323298 перебрасывают в симметричное положение (точку D). Далее процесс движения

П повторяется до тех пор, пока электронный П не достигнет конечной точки К заданного контура, после чего

П мгновенно перебрасывают в начальную точку N. Одновременное формирование симметричных относительно направИзобретение относится к электроннолучевой сварке, в частности к технологии сварки сканирующим электронным пучком, и может быть использовано в различных областях машиностроения.

Целью изобретения является повыше- 5 ние качества сварного соединения пу— тем устранения дефектов формирования.

На фиг. 1 показана схема траектории движения электронного пучка; на

10 фиг. 2 — блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг. 3 — диаграмма изменения во времени сигналов квадратурного генератора (а, б) и токов в отклоняющей системе по координатам Х (в) и У (г), Способ заключается в следующем.

Движение пучка начинают из точки N, например, влево от оси Х по траектории 1. Переместив с заданной скорос20 тью сканирования 7 на расстояние к

2r где r — средний радиус электе> е ронного пучка (до точки А), пучок мгновенно перебрасывают по траектории 2 в симметричное относительно оси Х положение (точку В) на заданном контуре. Далее пучок снова перемещают со скоростью V на расстояние е

2r (до точки С), а затем перебрасы"вают в симметричное положение (точку Р). Далее процесс движения пучка повторяется до тех пор, пока электронный пучок не достигент конечной точки К заданного контура, после чего пучок мгновенно перебрасывают в начальную точку N. Таким образом, 35 осуществляется одновременное формирование зон нагрева на обеих половинах заданной траектории сканирования электронного пучка симметричных от l

40 носительно плоскости симметрии сварочной ванны. ления сварки зон нагрева на заданной траектории сканирования обеспечивает симметричное движение расплава в сварочной ванне, повышает ее устойчивость и тем самым уменьшает вероятность образования дефектов шва гидродинамического характера. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Как видно из фиг. 1, зоны нагрева между точками А и D, N и В, С и F формируются практически непрерывно, так как поперечные сечения электронного пучка соприкасаются при выбран- . ном периоде его переброса Т = 4г /

/Ч, мс, При меньшем периоде поперечные сечения пучка будут перекрываться, обеспечивая еще большую равномерность нагрева свариваемого металла. Следовательно, всегда выбирают период из условия Т 4г /Ч, . Для формирования симметричного нагрева металла на обеих половинах заданной траектории сканирования при сварке однородных металлов необходимо, чтобы время пребывания электронного пучка в каждом из отклоненных положений было одинаковым, т.е. равным Т/2.

При сварке разнородных материалов соотношение времен пребывания электронного пучка в каждом иэ отклоненных положений определяется соотношением количества тепла, необходимого для

l расплавления каждого из металлов,т.е.

Т=,+

Р Тол

Тпв где индексы "1" и "2" относятся к разным металлам: с — время пребывания пучка в отклоненном положении, мс;

С вЂ” теплоемкость металла,кал/r град;

P — плотность металла, г/см;

Т вЂ” температура плавления металAh о ла, С.

При этом, как видно из фиг..1, для обеспечения непрерывности формирования зон нагрева необходимо, чтобы время паузы на более легкоппавком металле (время пребывания пучка в

1323298 отклоненном положении на более тугоплавком металле) не превьппало величины 2r / „„т.е. макс(Т,,c. J с 2ге/V«.

Одновременное формирование симмет- 5 ричных относительно направления сварки зон нагрева на заданной траектории сканирования обеспечивает симметричный отток расплавленного металла от мест непосредственного воздействия t0 электронного пучка. Поскольку перенос расплава происходит в направлении, обратном направлению перемещения пучка, то при движении пучка от точки N к точке К и создается поток t5 расплава, имеющий то же направление, что и при сварке неотклоненным пучком. Таким образом, предлагаемый способ электронно-лучевой сварки обеспечивает симметричное движение 20 расплава в сварочной ванне, повьппает ее устойчивость и тем самым уменьшает вероятность образования дефектов шва гидродинамического характера.

Предлагаемый способ реализуется устройством, блок-схема которого представлена на фиг. 2. Рассматривается реализация кругового сканирования электронного пучка.

Устройство содержит сварочную 30 электронную пушку 1, формирующую электронный пучок 2 и оснащенную электромагнитной отклояющей системой

3, согласующие усилители 4 и 5 для отклонения по координатам Х и У со- 35 ответственно, электронные коммутато ры 6 и 7, квадратурный генератор 8, пульт 9 управления и свариваемое изделие 10.

Устройство работает следующим образом.

После включения электронной пушки

1 формируется электронный пучок 2, направленный на стык свариваемого из-4 делия 10. Квадратурный генератор 8 выдает два синусоидальных сигнала, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 90 . Эти сигналы подаются через электронные коммутаторы 6 и 7 на прямые (+) или инверсные (-) входы согласующих усилителей 4 и 5 и затем на отклоняющие катушки координат

Х и У. Частота и амплитуда сигналов квадратурного генератора 8, а .также .частота и скважность импульсов переключения выходов электронного комм„татора 7 задаются оператором с пульта 9 управления. Частота переключения электронного коммутатора 6 синхронизируется входным сигналом и устанавливается равной удвоенной его частоте.

Сигнал квадратурного генератора

8, управляющий током отклоняющей системой 3 по координате Х, пропорционален cos ы t (фиг. З,а), а сигнал, управляющий током отклоняющей системы

3 по координате 7 — sin дt (фиг.3,6) где ц — заданная частота квадратурного генератора 8. Ток I в отклоняющей системе 3 коммутируется с частотой

2 а так, что повторяется только нарастающая половина косинусоидальной зависимости, т.е. ток изменяется от

-(Т„) до +(IÄ), где (I„) — амплитуда (фиг ° 3, в). Это и обеспечивает повторяющееся движение электронного пучка от точки И до точки К (фиг. 1), Ток I в отклоняющей системе 3 ком3 мутируется с периодом Т импульсного переброса электронного пучка. При этом часть периода ток I npoi J порционален + sin у t, а другую часть периода ь ток I пропорционален sin u t (фиг. 3, r). Этим и обеспечивается поочередное отклонение электронного пучка на симметричные относительно координаты Х половины заданной траектории сканирования.

Пример..На установке У570М, оборудованной электронной пушкой и источником питания ЭЛА-15, сваривают образцы из титанового сплава ВТ6 толщиной 30 и 60 мм, а также нержавеющей стали 12Х18Н9Т с медью толщиной 10 мм вертикальным и горизонтальным электронными пучками со скоростью 5мм/с.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, создано иэ генератора периодического отклонения электронного пучка и согласующих усилителей, имеющихся в составе источника питания

ЭЛА-15, и макетов электронных коммутаторов на базе микросхем серии К590КН.

Средний радиус электронного пучка

0 35 мм. Используют круговую траекторию сканирования. пучка. Частота квадратурного генератора 130 Гц. Диаметр круга, описываемого осью сканирующего пучка 1,2 мм. Скорость сканирования пучка, таким образом, равна Ч „

1 2

= — - - ° 130 " 245 мм/с. Период им2 пульсного переброса пучка выбирают

2г, 2 О 35 равным Т = = --- — = 2,857 мс, 7,„245 что соответствует частоте 350 Гц.Вре1323298 мя пребывания пучка в каждом из отклоненных положений при сварке сплава ВТ6 Т/2 = 1,428 мс, а при сварке стали 12Х18Н9Т с медью МО кал г 5

0,09 — — — 8.,93 — —, 1083 С

"vp r. град см ф \

"! ? х48 нфг кал г о

0,12 — — — 7,85 --; 1425 С г град смз

0,6526, Исследования качества сварных швов выполняют визуальным наблюдением процесса сварки, оптико-инструментальными и рентгенографическими методами. В результате этих исследований установлено, что при сварке сплава ВТ6 (т.е. однородных металлов) уменьшается разбрызгивание расплава из сварочной ванны, исключается образование подрезав (для вертикального пучка) и обеспечивается симметричное и устойчивое формирование усиления шва (для горизонтального пучка), при этом отпадает необходимость в ограничительной планке вдоль нижней кромки стыка для предотвращения вытекания расплава, кроме того, при свар- З0 ке стали с медью (т.е. разнородных металлов) уменьшается разбрызгивание расплава иэ сварочной ванны, снижается в 2-3 раза вероятность образования трещин, нет необходимости в постоянном смещении со стыка электронногд пучка, чтобы площадь части поперечного сечения пучка, воздействующей на сталь, превышала в 1,5 раза площадь части сечения пучка, воздейст- А > вующей на медь. Последний результат показывает, что при сварке разнород- ных металлов па предлагаемому способу резко упрощается работа с системой наведения на стык и с системой слеже- 45 ния за стыком, Предлагаемый способ электроннолучевой сварки по сравнению с прототипом позволяет снизить брак при сварке разнородных металлов и затраты на ега исправления, расширить номенклатуру свариваемых изделий и повысить производительность труда и качества соединения.

Формула изобретения

1. Способ электронно-лучевой сварки, при котором электронный пучок сканируют по замкнутой, симметричной относительно направления сварки траектории, а т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повьппения качества сварного соединения путем устранения дефектов формирования, электронный пучок периодически перебрасывают поперек оси шва на симметричные относительно направления сварки участки траектории сканирования с периодом

Т 4г /V«, мс, где rp - средний радиус электронного пучка в зоне сварочной ванны, мм, Ч „ — скорость сканирования, мм/с и временем задержки в симметричных точках траектории, равным Т/2.

2. Способ по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повьппения качества сварного соединения разнородных металлов, время задержки.в симметричных точках траектории определяют из выражений

= Т

С,Р, Т„„,

2re макс (Т

СК где 1 и 2 — индексы металлов с различными теплофизическими свойствами, — время задержки пучка в атклоненнам положе".

НИИ МС

С вЂ” теплоемкость,кал/г град, t) — плотность, г/см ;

Т„„ — температура плавления, С.

1323298

Составитель Г. Квартальнов а

Техред И.Попович Корректор Г. Решетник

Редактор Э. Слиган

Тираж 975

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Заказ 2908/1б

Производственно †полиграфическ предприятие, г.ужгород, ул.Проектная, 4