Способ электронно-лучевой сварки

 

Использование: изготовление конструкций из высокопрочных сталей в термоупрочненном состоянии. Сущность изобретения: в способе электронно - лучевой сварки после сварки термообрабатывают материал шва перемещением остросфокусированного электронного луча, сканирующего по эллипсу, имеющему соотношения осей 10 : 1. Большую ось эллипса располагают поперек шва. Обработку ведут при мощности электронного луча, составляющей 20 - 25% мощности режима сварки и относительной скорости перемещения зоны нагрева 10 - 12 м/ч. Сварку ведут с удельной мощностью луча, составляющей 21· 10⁴ - 23· 10⁴ Вт/см². При этом электронный луч перемещают по эллипсу с соотношением осей 2 : 1 и расположением большой оси поперек сварного шва и заглублением фокуса на 2/3 толщины соединения. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке и может быть использовано в различных областях машиностроения при изготовлении конструкций из высокопрочных сталей в термоупрочненном состоянии. Известен способ, по которому сварные соединения локально термообрабатывали расфокусированным лучом, сканирующим вдоль шва. Недостатком этого способа является то, что при этом способе увеличивается ширина зоны разупрочнения. Известен способ сварки высокопрочных сталей в термически упрочненном состоянии, по которому наименьшую зону разупрочнения получают при сварке на оптимальном режиме. Недостатком этого способа является то, что в околошовной зоне наблюдается существенный рост зерна и образование зон подкалки, что приводит к снижению пластических свойств металла. Образование зон с пониженными прочностными и пластическим свойствами ограничивает применение конструкций из высокопрочных сталей, свариваемых в термоупрочненном состоянии. Термическая обработка сварных соединений и конструкций во избежание разупрочнения производится при низкой температуре нагрева до Т ≅ 300^оС и не позволяет в значительной мере устранить закалочные структуры и повысить пластические свойства сварных соединений. Применение известных локальных источников нагрева, например индукционного, увеличивает ширину зоны разупрочнения, а следовательно, снижает прочность сварных соединений. Известен способ электронно-лучевой сварки высокопрочных сталей, при котором осуществляют сквозное проплавление стыка основным проходом, выполняют усиления шва присадочным металлом последующим проходом и осуществляют оплавление границ усиления шва электронным лучом, развернутым по синусоидальному закону поперек оси шва с амплитудой колебаний, равной ширине валика шва и отношением скоростей перемещения луча V_поп/V_прод=25. Недостаток способа-неудовлетворительное качество сварного соединения из-за пониженной пластичности материала сваренного шва, что связано с недостаточной эффективностью термообработки металла шва. Цель изобретения улучшение качества сварного соединения путем повышения пластичности металла шва. Указанная цель достигается тем, что в известном способе электронно-лучевой сварки высокопрочных сталей, при котором осуществляют проплавление стыка основным и последующим проходами, а затем выполняют обработку зону усиления шва электронным сканирующим лучом, развернутым по кривой 2-ого порядка поперек оси шва, тем самым дополнительно после сварки термообрабатывают материал шва перемещением остросфокусированного электронного луча, сканирующего по эллипсу, имеющему соотношение осей 10:1, причем большую ось эллипса располагают поперек шва на ширину зоны обработки, обработку ведут при мощности электронного луча,составляющей 20-25% мощности режима сварки и относительной скорости перемещения зоны нагрева 10-12 м/ч, а сварку ведут удельной мощностью луча, составляющей 21^. 10⁴-23 ^.10⁴ Вт/см², притом электронный луч перемещают по эллипсу с соотношением осей 2:1 и расположением большой оси поперек сварного шва и заглублением фокуса на 2/3 толщины проварки. Применение совокупности заявляемых признаков позволяет за счет режимов сварки и локальной термической обработки зон сварного соединения (ЗТБ), снизить твердость участков подкладки и увеличить пластичность сварных соединений. На фиг. 1 изображен эскиз поперечного сечения соединения, выполненного ЭЛС по предложенному способу (1 сварной шов; 2 зона подкладки; А амплитуда сканирования электронного луча, А + где b_ш ширина шва, а ширина участка разупрочнения); на фиг. 2 схема процесса ЭЛС со сканированием электронного луча (3- зона нагрева, 4 основной металл, 5 пятно нагрева); на фиг. 3 график распределения твердости в зонах сварного соединения. Процесс ЭЛС выполняют в едином технологическом цикле и включает три технологические операции: локального предварительного подогрева, сварки и зональной термической обработки сканирующим лучом. Опытным путем на основании экспериментальных данных определен оптимальный диапазон основных параметров режимов подогрева сварки и термической обработки. Оптимальный диапазон параметров режимов определен исходя из условий механических испытаний сварных соединений, выполненных при различных режимах подогрева, сварки и термической обработки. Предварительный подогрев поверхности кромок свариваемого стыка до температуры 250-300^оС производят сканирующим электронным лучом небольшой мощности, составляющей 20-25% мощности сварки. При уменьшении мощности ниже указанных значений не достигается прогрев свариваемых кромок до требуемых температур, а дальнейшее увеличение в совокупности с нагревом в процессе сварки и после сварки может привести к увеличению зоны разупрочнения. Величина удельной мощности при сварке не должна превышать 23 ^.10⁴ Вт/см² оптимальной для расплавления данного объема металла. В случае ее увеличения резко падает пластичность в зоне термического влияния сварного соединения. Уменьшение погонной энергии с соответствующим повышением пластичности ограничено определенным уровнем этой величины (а_н=70% от основного металла). Дальнейшее уменьшение мощности не приводит к росту значений ударной вязкости, но снижает качество шва, т.к. требуемая глубина проплавления не обеспечивается. Исследования макроструктур соединений, сваренных на различных режимах, показали, что с уменьшением мощности электронного луча уменьшается ширина зоны термического влияния, а при сварке на режимах, близких к оптимальному, эта зона имеет минимальные размеры. Повышение пластичности шва и зоны термического влияния (ЗТВ) сварного соединения происходит за счет улучшения структур этих зон, достигаемой при снижении тепловложения и высокочастотных сканирующих колебаний луча. Экспериментально установлено, что наиболее благоприятной является осцилляция луча в форме эллипса с соотношением осей 1/2 при расположении большой оси перпендикулярно стыку и заглублением луча на 2/3 толщины детали. При выбранной форме осцилляции происходит наиболее благоприятное распределение плотности мощности луча. Применение других форм осцилляции луча не дает качественного формирования сварного шва, удовлетворяющего требованиям нормативно-технической документации. После электронно-лучевой сварки деталей выполняют нагрев зоны термического влияния сварного соединения сканирующим лучом, обеспечивающим прямоугольную форму нагрева при снижении мощности луча на 20-25% от мощности сварки. Размеры зоны нагрева не превышают ширины зоны разупрочнения. Экспериментально установлено, что оптимальная температура нагрева не должна превышать температуру высокого отпуска, равную 650^оС. Перепад температур по толщине детали не должен превышать ± 50^оС. При более низких температурах структурных превращений не наблюдается, а при более высоких увеличивается зона разупрочнения сварного соединения. Опытным путем установлено оптимальное относительное перемещение зоны нагрева, т. е. отношение (скорости поперечного перемещения к скорости продольного перемещения относительно оси шва. При скорости сварки 10-14 м/ч частота сканирования должна составлять 800-1000 Гц. Соотношение представляет собой относительную величину, характеризующую эффективность нагрева в зонах подкладки до температуры высокого отпуска Т=650^оС. Изменение соотношения в сторону уменьшения приводит к нагреву до высоких температур не только зон подкалки сварного шва, но и к его разупрочнению. При частоте сканирования более 1000 Гц температура нагрева превышает 650^оС, что приводит к росту зерна. Время выдержки при 650^оС в процессе локальной термической обработки оказывает влияние на размер зерна в зоне подкалки и на показатели пластичности. Экспериментально установлено, что время выдержки должно быть равным 25-30 мин. Превышение времени выдержки более 30 мин приводит к снижению значений ударной вязкости. Показатели ударной вязкости в этом случае ниже соответствующих показателей по ТУ на изделие (70%). При времени выдержки менее 25 мин процесс высокотемпературного отпуска не успевает пройти в полном объеме. Ударная вязкость соединения ниже показателей по ТУ на изделие (70%). П р и м е р. Способ электронно-лучевой сварки высокопрочных сталей апробирован на полых цилиндрических деталях ⊘ 150 мм с толщиной стенки 20 мм из стали 30ХГСН2А. Перед сваркой детали подвергали термической обработке: закалке на Т=900± 10 и низкому отпуску при Т=210^оС. Подогрев, сварку и термическую обработку сварных соединений осуществляли на установке фирмы: MESSER GRIESHEIM с ускоряющим энергетическим блоком мощностью 30 кВт. Параметры режима сварки: ток фокусировки I_ф=1700 МА, сварочный ток I_св=40 ± 5 мА ускоряющее напряжение U_ус=90 кВ, диаметр луча 0,5 мм, скорость сварки V_св=10 м/ч, частота сканирования электронного луча при сварке в форме эллипcа f= 1000 Гц с соотношением осей 2:1. Режим термической обработки сканирующим лучом: сварочный ток I_св.т.=100 мА, ток фокусировки I_ф=1710 мА, ускоряющее напряжение 90 кВ, скорость сварки 10 м/ч, частота колебаний f=1000 Гц. Подогрев и локальную термическую обработку выполняли с использованием системы развертки, которая позволяет осуществлять сканирование электронного луча в форме эллипса с расположением большой оси поперек шва. Нагрев кромок перед сваркой производили на расстоянии 10 мм от кромки стыка до температуры 250^оС. Перепад температуры по толщине соединения 35-50^оС. Контроль температуры производили пирометром типа "Спектрометр-10". Размеры зоны нагрева при локальной термической обработке сварного соединения задавали пропорционально ширине участка подкладки ЗТВ сварного соединения. Для толщины 20 мм образца трубы диаметром 150 мм из высокопрочной стали 30 ХГСН2А зона нагрева составила 8 мм. После сварки и локальной термической обработки по предлагаемому способу из опытных образцов были изготовлены макрошлифы для измерения твердости и исследования структур и образцы для механических испытаний на ударную вязкость. Исследования показали, что термическая обработка сварных соединений сканирующим лучом позволяет получить 1,5-2 кратное измельчение дендритов в ЗТВ. Твердость металла зоны подкалки снижается на 40-45% (прибл. 100 единиц HV). Исследования микроструктуры сварных соединений стали 30ХГСН2А показали, что в этой зоне вместо крупнозернистого мартенсита образуется структура низкоотпущенного мартенсита. По сравнению с известным способом предложенный способ повышает качество сварных соединений и их эксплуатационную надежность. Использование предлагаемого способа по сравнению с известным обеспечивает при сохранении равнопрочности соединения повышение ударной вязкости на 10-20% т.е. соответственно ударная вязкость по известному варианту а_н=7,5-8,0 кгс м/см², а по предлагаемому а_н=9,0-10,0 кгс м/см² (см. таблицу).

Формула изобретения

СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ высокопрочных сталей, при котором осуществляют проплавление стыка основным и последующим проходами, а затем выполняют обработку зоны усиления шва электронным сканирующим лучом, развернутым по кривой, отличающийся тем, что, с целью повышения качества за счет улучшения пластичности материала шва, после сварки термообрабатывают материал шва перемещением остросфокусированного электронного луча, сканирующего по эллипсу с соотношением осей 10 : 1, причем большую ось эллипса располагают поперек шва, при мощности электронного луча, составляющей 20 - 22% мощности режима сварки, и относительной скорости перемещения зоны нагрева 10 - 12 м/ч, а сварку ведут с удельной мощностью луча 21 · 10⁴ - 23 · 10⁴ Вт/см², при этом электронный луч перемещают по эллипсу с соотношением осей 2 : 1 и расположением большой оси поперек сварного шва и заглублением фокуса на 2/3 толщины соединения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

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: 31-2000

Извещение опубликовано: 10.11.2000        

---