Способ электронно-лучевой сварки

 

Изобретение относится к технологии электронно - лучевой сварки развернутым лучом и может быть использовано в различных областях машиностроения при сварке трудосвариваемых сталей и сплавов. Цель изобретения - повышение качества сварного соединения путем расширения пределов регулирования скорости нагрева и охлаждения зоны шва в процессе сварки. Способ состоит в создании при сварке развернутым электронным лучом, обеспечивающим симметричные относительно линии зоны нагрева 1, дополнительных зон нагрева позади 2 и впереди 3 сварочного пятна нагрева. Последние также расположены симметрично относительно линии стыка и обеспечивают последующий и предварительный нагрев. При этом в зависимости от необходимого термического цикла сварки меняют распределение эффективной мощности луча по зонам нагрева и расстояния зон последующего и предварительного нагрева оси сварочного пятна и от линии стыка. За счет дополнительных источников предварительного и последующего местного подогрева с оптимальной формой пятна и с оптимальным распределением удельного теплового потока в пятна нагрева повышается технологическая прочность сварного соединения. 1 з. п. ф - лы, 9 ил.

Изобретение относится к технологии электронно-лучевой сварки развернутым лучом, является усовершенствованием способа по авт.св. N 1311113 и может быть использовано в различных областях машиностроения при сварке трудносвариваемых сталей и сплавов. Цель изобретения повышение качества сварного соединения путем расширения пределов регулирования скорости нагрева и охлаждения зоны шва в процессе сварки. На фиг. 1 показаны осциллограммы изменения токов системы отклонения луча, фокусировки и тока луча при формировании зоны последующего подогрева сварного шва; на фиг. 2 то же, при формировании зоны предварительного подогрева сварного шва; на фиг. 3 формы пятен нагрева сварочного источника с последующим подогревом; на фиг. 4 то же, с предварительным подогревом; на фиг. 5 осциллограммы изменения токов системы отклонения луча, фокусировки и тока луча при формировании зон последующего и предварительного подогрева сварного шва; на фиг. 6 формы пятен нагрева сварного источника с последующим и предварительным нагревом; на фиг. 7 9 разные по форме пятна предварительного и последующего подогрева. Способ состоит в создании при сварке развернутым электронным лучом, обеспечивающим симметричные относительно линии стыка зоны нагрева 1, дополнительных зон нагрева позади 2 и впереди 3 сварочного пятна нагрева, также расположенных симметрично относительно линии стыка и обеспечивающих последующий и предварительный нагрев (фиг. 6). При этом в зависимости от необходимого термического цикла сварки меняют распределение эффективной мощности луча по зонам нагрева и расстояния зон последующего и предварительного нагрева от сварочного пятна и от линии стыка. Для осуществления способа электронно-лучевая установка содержит пушку, систему отклонения луча вдоль (ось Х) и поперек (ось Y) направления сварки, систему управления током фокусирующей линзы и систему управления током луча с источниками питания. Исполнительными механизмами помещения луча вдоль и поперек направления сварки служат катушки отклоняющей системы. Поступательное перемещение электронного луча по изделию в направлении сварки осуществляется перемещением стола в вакуумной камере в противоположном направлении. Способ осуществляют следующим образом. На катушки отклоняющей системы подают токи I_x, I_x', I_y, I_y'. Ток I_x системы отклонения луча вдоль направления сварки может изменяться по закону пилообразных колебаний с формой кривой в виде симметричных треугольников (фиг. 1) или по закону колоколообразных колебаний (фиг. 2). На эти колебания дополнительно накладывают прямоугольные импульсы тока I_x' положительной (фиг. 1) или отрицательной (фиг. 2) полярности с частотой их следования, меньшей частоты колебаний тока I_y отклонения луча поперек направления сварки в целое число n раз (n > 1), и с длительностью импульса τ_и, отношение которой к периоду I_y колебаний тока отклонения луча поперек направления сварки I_y кратно целому числу m (m≅ n 1). На фиг. 1 частота следования импульсов тока I_x' в два раза меньше частоты колебаний тока I_y (т.е. n 2), а отношение τ_и/T_y равно единице (m 1). Импульсы тока I_x' положительного значения с амплитудой I_xт' (фиг. 1) отклоняют электронный луч в положительном направлении оси Х на величину А_хт' (фиг. 3), а амплитуды колебаний токов I_хт, I_yт и I_yт' увеличиваются в 3, 2 и 2 раза соответственно. В результате на поверхности изделия (фиг. 3) создается на период времени τ_и второе пятно нагрева размерами А_хт, А_yт', А_yт'', которое следует за сварочным пятном нагрева и выполняет последующую местную термическую обработку сварного шва. Сварное пятно нагрева с размерами А_х, А_y', A_y'' образуется в период паузы между импульсами тока I_хт'. Отклонение луча вдоль оси Х (вдоль направления сварки) на величины А_х, А_хт, А_хт' (фиг. 3) обеспечиваются током отклоняющей системы I_x'' (фиг. 1), колебания которого определяются наложением импульсов тока I_x' на колебания тока I_x. Отклонение луча вдоль оси Y (поперек направления сварки) на величину А_y', A_y'', A_yт' и А_yт'' обеспечивается током отклоняющей системы I_y'', колебания которого определяются наложением I_y' на I_y. Для изменения удельного теплового потока по длине полос периодически изменяют ток фокусирующей системы I_ф и ток луча I_л (фиг. 1). Для рассмотренного на фиг. 1, 3 случая отношение частот колебаний токов I_x' и I_y равно 2 (n 2) и отношение τ_и/T_y равно (m 1). Распределение эффективной мощности электронного луча между сварочным пятном нагрева (с параметрами А_х, А_y'. А_y'') и пятном местной термической обработки (с параметрами А_хт, А_yт', A_yт''), определяемое выражением 1 при n 2 и m 1 равно q_с/g_n 1, т.е. эффективная мощность распределяется поровну между источниками нагрева. При равной эффективной мощности, выделяющейся в том и другом пятне нагрева, среднее значение удельного теплового потока в пятне местной термической обработки должно быть меньше среднего значения удельного теплового потока в сварочном пятне нагрева. Среднее значение удельного теплового потока в сварочном пятне определяется отношением q_с.ср= где S_c площадь пятна нагрева с параметрами А_х, А_y', A_y''. В пятне сопутствующего подогрева среднее значение удельного теплового потока равно q_и.ср= где S_и- площадь пятна нагрева с параметрами А_хт, А_yт', A_yт''. Уменьшение среднего значения удельного теплового потока в пятне сопутствующего подогрева происходит за счет увеличения площади пятна S_и> S_c. Условие S_и> S_c обеспечивается за счет увеличения параметров А_хт, А_yт', A_yт'' по сравнению с параметрами А_х, А_y', A_y''. Для случая, рассмотренного на фиг. 1, 3, это увеличение соответствует увеличению амплитуды токов I_хт, I_yт, I_yт' и I_xт', т.е. 3, 2, 2 Размеры зоны термического влияния, которая подвергается местной термической обработке, всегда больше размеров сварного шва, поэтому должно быть А_хт> А_х, А_yт' > > A_yт'' > A_y''. Кроме того, наиболее равномерный прогрев по толщине сварного соединения поверхностным источником (при сопутствующем подогреве) происходит при увеличении размеров пятна нагрева поверхностного источника. Для средних толщин сварного соединения значения параметров А_хт, А_yт', A_yт'' могут на порядок (до 10 раз) превосходить ширину сварного шва. Дальнейшее увеличение размеров зон нагрева за счет увеличения амплитуды колебаний тока отклонения луча вдоль и поперек направления сварки нецелесообразно из-за снижения качества и производительности обработки, для больших толщин сварного соединения возможна обработка с двух противоположных сторон стыка. Для предварительного подогрева зоны соединения на фиг. 2 4 рассмотрен случай соотношения частот колебаний токов I_x' и I_y равного трем (n 3), и отношение τ_и/I_y равного 1 (m 1). При этом импульсы тока I_x' имеют отрицательные значения с амплитудой I_xn' (фиг. 2). При наложении таких импульсов тока I_x' на ток отклоняющей системы I_x электронный луч отклоняется в отрицательном направлении оси Х на величину А_xn', в результате чего на поверхности изделия создается на период действия импульса τ_и второе пятно нагрева размерами А_хп, А_yn', A_yn'' (фиг. 4) которое находится впереди сварочного пятна нагрева и осуществляет предварительный местный подогрев свариваемых кромок изделия. Амплитуды токов I_xn, I_yn, I_yn' увеличиваются в 2, 3, 2 раза соответственно в течение периода времени τ_и. Распределение эффективной мощности электронного луча в этом случае определяется отношением g_c/g_n 2. Совместные последующие и предварительные подогревы зон соединения достигаются периодическим изменением полярности и длительности периода прямоугольных импульсов тока I_x (фиг. 5). При этом электронный луч периодически отклоняется в положительном и отрицательном направлениях оси Х с амплитудами А_хт' и А_хn' (фиг. 6). В периоды этих отклонений на поверхности изделия создаются два пятна нагрева: при положительной полярности тока I_x' с амплитудой I_хт' пятно нагрева источника местной термической обработки с параметрами А_хт, А_yт', A_yт'', следующее за сварочным источником, при отрицательной полярности тока I_x' с амплитудой I_xт' пятно нагрева источника предварительного местного подогрева с параметрами А_хn, A_yn'', A_yn'', расположенное впереди сварочного источника. Пятно нагрева сварочного источника с параметрами А_х, А_y', A_y'' создается во время пауз между импульсами тока I_x'. Частота прямоугольных импульсов тока I_x' (фиг. 5) при положительной полярности с амплитудой I_хт' в 3 раза меньше частоты тока I_y (n_т 3), а длительность импульса τ_ит равна периоду тока I_y (m_т 1). Частота прямоугольных импульсов тока I_x' при отрицательной полярности с амплитудой I_xn' в 4 раза меньше частоты тока I_y (n_n 4), а длительность импульса τ_ип в 3 раза больше периода тока I_y (m_n 3). Распределение эффективной мощности электронного луча в этом случае периодического изменения полярности тока I_x' и длительности его периода, определяемое соотношением q_к q_ит q_ип (n_т m_т + n_n m_n) m _т m_п, при n_т 3, m_т 1, n_п 4, m_п 3, равно q_c q_ит q_ип 3 1 3. где q_c суммарная эффективная мощность воздействия луча в период двух пауз между импульсами токов I_хт', I_xn' разной полярности; q_ит эффективная мощность воздействия электронного луча во время действия прямоугольного импульса положительной полярности; q_ип эффективная мощность воздействия луча во время действия прямоугольного импульса отрицательной полярности; через n_т, m_т выражается частота и длительность прямоугольных импульсов положительной полярности, через n_п, m_п частота и длительность импульсов отрицательной полярности. Кроме того, для создания разных по форме пятен предварительного и последующего подогрева изменяют периодически в моменты включения прямоугольных импульсов пилообразные колебания тока отклонения луча вдоль направления сварки на колоколообразные или колоколообразные колебания на пилообразные. Если пилообразные колебания тока I_x, происходящие во время паузы импульсов I_x' в момент включения прямоугольных импульсов изменять на колоколообразные, то формы пятен нагрева имеют вид, изображенный на фиг. 7: при положительной полярности импульсов I_x' фиг. 7,а; при отрицательной полярности импульсов I_x' фиг. 7,б; при периодическом изменении полярности фиг. 7,в. Если во время пауз между импульсами I_x' происходят колоколообразные колебания тока I_x, то при изменении их на пилообразные в момент включения прямоугольных импульсов формы пятен нагрева имеют вид, изображенный на фиг. 8: при положительной полярности импульсов фиг. 8,а; при отрицательной полярности фиг. 8,б; при периодическом изменении полярности фиг. 8,в. Если в момент включения прямоугольных импульсов I_x' периодически меняются пилообразные и колоколообразные колебания тока I_x, то форма пятен сопутствующего подогрева периодически изменяется. Примеры изменения формы пятен сопутствующего подогрева при периодически изменяющейся полярности импульсов I_x' представлены на фиг. 6, 9. П р и м е р. Выполняют электронно-лучевую сварку пластин из трудносвариваемой стали толщиной 3 мм. Режим сварки с последующей местной термической обработкой: I_л= 110 мА, U 19 кВ, V_св 1 см/c. На ток отклонения электронного луча вдоль направления сварки накладывают прямоугольные импульсы тока с частотой n 11 раз, меньшей частоты колебаний тока отклонения луча поперек направления сварки. При этом отношение длительности импульса к периоду колебаний тока отклонения луча поперек направления сварки составляет m 2. Амплитуду колебаний токов I_хт, I_yт и I_yт' увеличивают так, чтобы обеспечить размеры второго пятна нагрева (сопутствующего подогрева) равными А_хт 10 мм, А_хт'' 16 мм и А_yт'' 13 мм (см. фиг. 3). Распределение эффективной мощности электронного луча между сварочным пятном нагрева (с параметрами А_х, А_y' и A_y'') и пятном сопутствующего подогрева (с параметрами А_хт, А_yт, А_yт'') определяется соотношением q_c/q_ит 9/2, что обеспечивает оптимальное распределение эффективной мощности нагрева в зоне сварки. Это позволяет устранить образование горячих трещин в зоне соединения. По сравнению с известным предложенный способ за счет дополнительных источников предварительного и последующего местного подогрева с оптимальной формой пятна нагрева и с оптимальным распределением удельного теплового потока в пятне нагрева позволяет улучшить служебные свойства и технологическую прочность сварных соединений, повысить их работоспособность и надежность.

Формула изобретения

1. Способ электронно-лучевой сварки по авт. св. N 1311113, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварного соединения путем расширения пределов регулирования скорости нагрева и охлаждения зоны шва в процессе сварки, на ток отклонения электронного луча вдоль направления сварки накладывают прямоугольные импульсы тока с частотой, меньшей частоты колебаний тока отклонения луча поперек направления сварки в n раз, где n=2,3,4. и отношением длительности импульса к периоду колебаний тока отклонения луча поперек направления сварки, кратным m, где m ≅ n-1, а амплитуду колебаний тока отклонения луча вдоль и поперек направления сварки увеличивают в 2 10 раз, при этом полярность, амплитуду и длительность прямоугольных импульсов тока отклонения изменяют периодически. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что во время подачи прямоугольных импульсов тока закон колебания тока отклонения луча вдоль направления сварки изменяют периодически.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 10-2002

Извещение опубликовано: 10.04.2002        

---