Способ электронно-лучевой сварки трудносвариваемых сплавов

 

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке и может быть использовано в различных областях машиностроения при сварке высокопрочных сталей и сплавов, склонных к закалке и образованию трещин. Цель изобретения - повышение качества сварных соединений путем расширения пределов регулирования тепловых процессов в зоне обработки. Осуществляют локальную термообработку свариваемого металла электронным лучом до и после сварки прямоугольной зоной нагрева, колеблющейся поперек направления скорости перемещения детали относительно электронной пушки. Амплитуду колебаний зоны нагрева H<SB POS="POST">Y</SB> изменяют от МиНН<SB POS="POST">Y</SB> до MAKCH<SB POS="POST">Y</SB> пропорционально мощности луча Q<SB POS="POST">Y</SB> по законам H<SB POS="POST">Y</SB>=H(1-SIN ΩT), Q<SB POS="POST">Y</SB>=Q(1-BSINΩT), где ω - угловая частота колебаний

A и B -коэффициенты. С увеличением H<SB POS="POST">Y</SB> увеличивается Q<SB POS="POST">Y</SB> и тем самым предотвращается перегрев металла в зоне обработки и обеспечивается равномерный нагрев всех зон соединения. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

RCECOf

ИАТНТЙ

Е. 4 БЛ "1

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4228403/25-27 (22) 13.04.87 (46) 30. 07.89. Бюл. М- 28 (72) В.M.ßçoâñêèõ, А.Н.Аржакин, Г.Б.Изгагин, Н.В. Кабаев и И.И. Столяров (53) 621. 791. 72(088.8) (56) Заявка франции Р 2361180, кл. В 23 K 15/00, 1978.

Заявка Японии N - 50-1695, кл. В 23 K 15/00, 1975. (54) СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ ТРУДНОСВАРИВАЕМЫХ СПЛАВОВ (57) Изобретение относится к электронно-лучевой сварке и может быть использовано в различных областях машиностроения при сварке высокопрочных сталей и сплавов, склонных к закалке и образованию трещин. Цель

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке и может быть использовано в различных областях машиностроения при сварке высокопрочных сталей и сплавов, склонных к закалке и образованию трещин..

Цель изобретения — повышение качества сварных соединений путем расширения пределов регулирования тепловых процессов в зоне обработки.

На фиг ° 1 показана схема электронно;лучевой термообработки соединения, на фиг. 2 - графики расширения температурных полей при термообработке электронным лучом по известному споÄÄSUÄÄ 1496958 А 1 (5Н4В23К1500С22Р1 18 изобретения - повышение качества сварных соединений путем расширения пределов регулирования тепловых процессов в зоне обработки. Осуществляют локальную термообработку свариваемого металла электронным лучом до и после сварки прямоугольной зоной нагр ева, кол еблющейся попер ек направления скорости перемещения детали от- носительно электронной пушки. Амплитуду колебаний зоны нагрева Н > изменяют от munH до makcH пропор1 ционально мощности луча Q по законам Н = Н(1 —. à sinMt), Qg — —. Q(1 — Ь з пц ), где u — угловая частота колебаний, а и b — коэффициенты.

С увеличением Н увеличивается Q . и тем самым предотвращается перегрев металла в зоне обработки и обеспечивается равномерный нагрев всех зон соединения. 2 ил. собу обработки расфокусированным лучом (сплошные линии) и предлагаемому. способу (штриховые и штрихпунктирные линии) °

Способ состоит в локальной термообработке свариваемого металла элект"ронным лучом до и после сварки прямоугольной зоной нагрева, колеблющейся поперек направления скорости перемещения детали относительно электронной пушки (фиг 1). Амплитуду колебаний зоны нагрева Н изменяют от мин Н до макс Н пропорционально мощности луча Q по законам

Н = Н(1 — а sinvt), 1

Q Q (1 — Ъ s inQt), 1496958 где Н вЂ” исходное расстояние зоны 5 нагрева от стыка, м, Q — исходная мощность электронного луча, Вт, а и Ь - коэффициенты, равные 1 > а

)О, 1) b )09

Я - угловая частота колебаний зоны нагрева или мощности луча, Гц, t — время, с.

Прямоугольную зону нагрева создают, например, сканированием луча с высокой скоростью V) (íà несколько порядков выше скорости перемещения свариваемых деталей относительно электронной пушки) по прямоугольной траектории, а Н и Q изменяют ло приведенным выше законам.

Так как мощность луча изменяют пропорционально амплитуде, то с увеличением Н» увеличивается и Я», т ° е. при удалении электронного луча от стыка увеличивается и мощность. Этим обеспечивается отсутствие перегрева металла в зоне обработки и более равномерный .нагрев всех зон сварного соединения .

После нагрева свариваемых кромок до заданной температуры производят электронно-лучевую сварку и охлаждение сварного шва до требуемой темпе-. 35 ратуры. На следующем этапе производят термическую обработку сварного соединения также прямоугольной зоной нагрева, колеблющейся поперек направления 40 скорости, перемещения свариваемых деталей относительно электронной пушки.

Исходное расстояние Н, исходную мощ-, ность электронного луча Q угловую частоту g, коэффициенты а и Ь выби- 45 рают в зависимости от химического состава свариваемых сталей и конструктивных особенностей свариваемых изделий. При а = 0 расположение эоны воздействия луча относительно стыка не изменяется, при а = 1 обе зоны, расположенные параллельно стыку, пе ремещаются от линии стыка до расстояния, равного 2 Н. При Ь 0 эффектив" ная мощность электронного луча не 55 изменяется в зависимости от расположения эон нагрева, при b 1 эффективная мощность электронного луча максимальна при наибольшем удалении зон нагрева от стыка и уменьшается до нуля при приближении зон нагрева к линии стыка. Исходя из приведенных законов изменения Н и Q видно, что при а больше единицы Н может менять свой знак (т.е. фактически зона нагрева с одной стороны переходит на другую), что трудно осуществимо и нецелесообразно. При значении

Ь больше 1 мощность луча Q в некоторые моменты становится отрицательной, что в данном случае осуществить невозможно.

Для оценки эффективности предлагаемого способа сварки производили моделирование процессов распределе- . ния температурных полей на ЗВМ

ЕС1060. Сравнивали характеристики нагрева отдельных зон сварных соединений при обработке электронным лу". чом по известному (обработка расфокусированным электронным лучом), и предлагаемому способам. Предварительно на установке ЭЛУ-5 с энергетическим блоком У 250 сваривали образцы из стали 38Х2НМФ толщиной

15 мм . по базовой технологии: предварительный подогреЬ расфокусированным лучом диаметром 5 мм при относительной скорости перемещения пушки

S 6 мм/с, токе луча 95 мА, ускоряющем напряжении 28 кВ, сварка при токе луча 240 мА, скорости 5,6 мм/с, ускоряющем напряжении 28 кВ, эаглублении фокуса луча в свариваемый образец на 5-7 мм и термообработка после сварки в печи при 550 С в течение 4-.ч. Изменить структуру свариваемого металла нагревом; расфокусированным лучом не удается, так как температура по центру пятна нагрева всегда превышает температуру периферийных участков. Поэтому при отпуске зоны термического влияния (находящейся иа цериферии пятна нагрева) сам moa может нагреться до температуры. закалки. Многократный проход расфокусированным электронным лучом, когда тампература по центру пятна нагрева не превышает температуры отпуска, а нагрев до требуемых температур зоны термического влияния происходит за счет теплопроводности, являвтея неэффективным из-за низкой .производительности.

Для излучения распределения температуры по известному и предлагаемому способам разработаны две тепловые

5 14969 58 модели, которые получены при решении исходного уравнения теплопроводности с использованием функции Грина °

Х+Ч-„+Ч +Н, 2/а (Ф + tö,) 15

„(x+ ч + Uto — н,)

2(аЯ+ а ) (+ H)

4а („+ ) 20 (Y — Н)

4ао(С+ t,) ехр ) + ехр

25 (Z + 2п1)

4 л

Х+Ч;+Ч . -Н, о в ехр к

2 a() ((+ ta) 40 ехр

t (Z + 2п1)

4ао ) 50 пе-оо где С, 55

Тепловая модель при нагреве свари5 ваемых пластин по известному способу имеет следующий вид;

dt

Т =

16Срн,.)) aо 1 (Ф„+ to,)

erf к о

Тепловая модель при нагреве по З0 предлагаемому способу имеет вид:

1л

16C H(na, (+ t ) о

35 л Х+Ч +Чф, +Н вв(а<я(в + te)) erf(2 а, (2ва,) (2

fY + Н(1 — à sin(Q ((+ t,)7) .4а (, + ) 45

+ ехр (Y-H(1 — à sin(Q (ь + tо,) 1 о " о а — теплоемкость, удельный в ес и т емп ерат уропроводимость сва,— риваемого металла, Ч - скорость сварки, — иост оя нная времени, характеризующая распределенность источника, 1 — толщина пластины, Н вЂ” длина источника

1 вдоль оси стыка.

Частоту, амплитуду колебаний луча и его мощность выбирают таким образом, чтобы обеспечить более равномерный нагрев до заданных температур всех зон сварного соединения. Выбор этих параметров производится с помощью моделирования на ЭВМ и последующей проверки. Температура нагрева различных зон определялась на фиг.2 по результатам моделирования на ЭВМ.

Кривая 1 показывает температуру на поверхности линии стыка, кривая

2 - на расстоянии 5 мм от стыка, кривая 3 — с обратной стороны пластины в интервале от 0 до 5 мм от линии стыка по обе стороны.

Данные моделирования свидетельствуют, что если производить нагрев по предлагаемому способу при следующих параметрах . ток луча 95 мА, ускоряющее напряжение 28 кВ, U = 5,6 10 м/с

Н=5 10м,Я=0,15,Н=5х х 10 м, 1 = 15 х 10 м, t, 0,2 с, ао=0,8х10 м/с, à =05 — 7850 кг/м, с = 5900 Вт/(кг К)

Ь = 0,5, — то разность максимальных температур нагрева по центру шва и по зоне термического влияния составляет около 70 С. При нагреве же по о известному способу эта разность составляет около 450 С (см. фиг. 2).

Пример. Выполняли термообработку соединения из стали 15х2 Мф толщиной 15 мм электронным лучом до и после сварки на установке ЗЛУ-5 с энергетическим блоком У-250А. Теплофизические характеристики обрабатываемого металла представлены выше;

Подогрев зоны соединения перед сваркой выполняли с помощью специального устройства, обеспечивающего развертку луча по прямоугольной траектории размером 10х40 мм. Размер прямоугольной зоны по оси Y с частотой

1 Гц (угловая частота Я = 0,15) изменяли от 5 до 15 мм. При этом ток луча при минимальном размере эоны нагрева составлял 50 мА, а при максимальном 150 мА. После двух оборотов кольцевых соединений ф 100 мА температура в зоне сварки составила

250 С, что соответствует расчетным данным. Контроль температуры осу1496958 ром перед сваркой выполняют локальную. термообработку свариваемых кромок, а после сварки — локальную термообработку сварного соединения лучом, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварных соединений путем расширения пределов регулирования тепловых процессов в зоне обработки, термообработку до и после сварки выполняют прямоугольной зоной нагрева, колеблющейся поперек направления скорости обработки, амплитуду . колебаний эоны нагрева Нч изменяют пропорционально мощности луча Q по законам . ществляли хромельалюмелевыми термопарами, прижимаемыми к изделию в -:, двух точках! с координатами: Х

-5,5 мм, 74 5 мм, 2 О, Ха 5

"5 мм, У 5 мм, 2а 15 мм. Параметры режима термообработки: Q «

27 кВ, I 100 мА, диаметр луча м/с. ПараметРы Режима сварки . U « 27 кВ, Х„ 250 мА, Ið 140 мА, Vts

5,6 ° 10 м/с.

После термообработки соединения. предлагаемым способом ударная, вязкость металла зоны термического влияния составила 5 кг.м/см что. превышает значения при термообработ.ке известным способом расфокусированным лучом, трещины в околошовной зоне соединения отсутствуют, что свидетельствует об отсутствии перегрева металла и закалочных структур.

Использование предлагаемого..способа обеспечивает повышение производительности йодогрева и получение ка- 25 чественных сварных соединений за счет возможности эффективного управления термическими циклами отдельных зон сварного соединения, Формула изобр ет ения 30

Способ электронно-лучевой сварки трудносвариваемых сплавов,при котоН(1 — à silat)

Q(1 — Ь sinQt), гдеНисходное расстояние эоны нагрева от стыка, м, исходная мощность электронного луча, Вт, коэффициенты, равные 1 « а > а и Ь> О, 1 «.Ь « О, угловая частота колебаний зоны нагрева или мощности; луча, Гц„ время, с. е3 т я

Ф S 6 7 8 9 Ю t,с

Фца,2

4toe. (Составитель В.Морочко

Техр ед J1,Олийнык Корр ект ор О. Ципле

Редактор И.Рыбченко

Заказ 4375/16 Тираж 894 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.ужгород, ул. Гагарина,101