книги / Электронно-лучевая сварка и смежные технологии

хности без пазов. Сравнивая отклонения электронного пучка при прямых измерени­ ях и полученные по предла­ гаемой методике, установи­ ли, что эти величины совпа­ дают с точностью около 20%

(см. рис. 74), что является вполне удовлетворительным.

Как правило, при разра­ ботке технологии сварки ферромагнитных материа­ лов проводят расчетную оценку возможного отклоне­ ния электронного пучка при воздействии магнитных по­ лей остаточной намагничен­ ности. Такая оценка показы­ вает, что расчетные и экспе­ риментальные значения от­ клонения электронов пучка с энергией 30 кэВ отгаданной траектории отличаются прак­ тически в два раза (рис. 75,

а). Аналогичные результаты получены при использовании ускоря­ ющего напряжения 40 кВ (рис. 75, б). Возможными причинами не­ совпадения этих значений могугбьпъ несовершенство расчетной ме­ тодики, неверное определение топографии магнитного поля, атакже изменение параметров электронного пучка в процессе взаимодей­ ствия с материалом.

Следует отметить, что на отклонение электронного пучка в об­ щем случае влияют все три составляющие магнитного поля, на­ правленные вдоль каждой из осей X, У, Z. Однако основной вклад в отклонение пучка поперек стыка вносит продольная к стыку со­ ставляющая индукции магнитного поля. Тогда траекторию движе­ ния осевого электрона пучка в постоянном магнитном поле над изделием и по его толщине можно описать с помощью следующих

где 0 (z), 6yM(z) — зависимость угла поперечного отклонения элек­ тронного пучка от оси Z соответственно над поверхностью и по толщине образца; B(z), BXM(z) — зависимость продольной состав­ ляющей магнитного поля от оси Z соответственно над поверхнос­ тью и по толщине образца. При аппроксимации реальных значе­ ний B(z) и BXM(z) (рис. 77, а) постоянными величинами (рис. 77, б)

выражение (166) приводится к виду

Для исключения ошибки при определении индукции магнитно­ го поля провели дополнительные измерения аналогичным прибо­ ром и дефектоскопическим магнитометром МФ-23ИМ как на на­ магниченных образцах, так и магнитных эталонах. Результаты из­ мерений совпадают с точностью до 5%. Поэтому можно утверж­ дать, что выявленное противоречие не связано с методикой и средствами измерения параметров магнитного поля.

Для применения полученных результатов к реальным технологи­ ческим процессам можно сделать допущение, что отклонение элек­ тронного пучка в условиях сварки обусловлено индукцией поля с теми же абсолютными значениями, что и на стыкуемых поверхностях от­ дельно взятых деталей, между которыми установлена немагнитная вставка толщиной, равной ширине парамагнитной зоны, ограничен­ ной изотермой с температурой Кюри. Размеры этих зон при сварке с достаточной степенью точности определяют по выражению (159), они зависят от режимов сварки. Граничные поверхности при этом пред­ ставляют собой параллельные плоскости, расположенные на рассто­ янии 21. В связи с этим реальное отклонение электронного пучка в корне шва при сварке должно соответствовать его отклонению в аналогичном зазоре между образцами, зафиксированному на под­ ложке. Сопоставление полученных отклонений корня шва с откло­ нением электронного пучка в зазоре показывает, что расхождение не превышает 25%, а изменение формы проплавления при сварке намагниченных деталей определяет не только плотность магнитно­ го потока по толщине свариваемых деталей, но и режимы сварки (табл. 26).

Таким образом, при контроле остаточной магнитной индукции с применением магнитометра МХ-10 для оценки максимального от-

Таблица 26. Зависимость отклонения электронного пучка от режима сварки и намагниченности свариваемых деталей

клонения электронного пучка в корне шва при сварке деталей тол­ щиной до 40 мм необходимо выполнить следующие мероприятия:

■измерить значение продольной к стыку составляющей маг­ нитной индукции на расстоянии 4,25 мм от стыкуемой по­ верхности каждой детали;

■по формуле (160) рассчитать значения магнитной индукции непосредственно на стыкуемых поверхностях;

■с помощью соотношения (161) определить значение индук­ ции в стыке при нулевом зазоре;

■по соотношению (159) в соответствии с режимом сварки вычислить ширину парамагнитной зоны и соответствующий ей эквивалентный зазор;

■с помощью выражения (162) определить плотность магнит­ ного потока на оси электронного пучка;

■по экспериментальным зависимостям (см. рис. 75) опреде­ лить отклонение электронного пучка.

Технологические приемы сварки

Классиф икация технологических приемов сварки и рем он­ та ш вов электронны м пучком . По степени изученности и приме­ няемости известные технологические приемы сварки можно раз­ делить натри группы.

К первой группе относят наиболее изученные и широко приме­ няемые в промышленности приемы:

■развертку и наклон электронного пучка;

■модуляцию тока электронного пучка;

■подачу присадочного материала;

■применение подкладок;

■сварку смещенным и расщепленным электронным пучком;

■выполнение прихваток, предварительных и «косметических» проходов;

■сварку секциями.

Вторая группа включает приемы, хорошо изученные в лаборатор­ ных условиях, но не получившие пока практического применения:

■тандемную сварку;

■сварку в узкий зазор;

■сварку пробковыми швами.

В третью группу входят приемы, целесообразность или возмож­ ность реализации которых недостаточно обоснована:

■оплавление корневой части шва проникающим электрон­ ным пучком;

■осцилляция уровня фокусировки электронного пучка;

■применение флюсов;

■сварка с использованием широкой вставки;

■сварка с дополнительным теплоотводом;

■двухсторонняя сварка;

■вибрация свариваемого изделия;

■ввод ультразвуковых колебаний в сварочную ванну.

По типам физического воздействия технологические приемы разделяют на четыре группы:

■управление пространственно-энергетическими параметра­ ми электронного пучка (периодическое и статическое откло­ нение, модуляция токов электронного пучка и фокусирую­ щей линзы);

■применение дополнительных конструктивных элементов и материалов (подкладки, вставки, накладки, наплавки, теп­ лоотводящие элементы, присадки, флюсы);

■применение специальных сварных швов (дополнительные проходы, прерывистые швы, дополняющие швы);

■механическое воздействие на сварочную ванну (вибрация изделия, ввод ультразвуковых колебаний).

Вспомогательные операции. Прихватки на стыке целесооб­ разно выполнять с помощью электронного пучка (особенно для

ферромагнитных материалов), так как дуговая сварка в этом слу­ чае приводит к намагничиванию изделия. Порядок наложения при­ хваток вдоль стыка — от середины к краям. Количество прихваток определяется конструкцией свариваемого изделия. Длина прихват­ ки обычно не должна превышать 20-30 мм, чтобы обеспечивать надежную работу системы слежения за стыком.

С целью уменьшения газонасыщенности и концентрации неме­ таллических примесей в зоне сварки иногда выполняют вначале неполную сварку (предварительный проход) с глубиной проплав­ ления, меньшей требуемой глубины шва. Возможно применение и нескольких таких проходов с последовательным увеличением глубины проплавления.

Основные приемы. К числу наиболее изученных и применяе­ мых приемов сварки относят следующие: полное проплавление, развертку и наклон электронного пучка, сварку с присадкой, свар­ ку с подкладкой, сварку смещенным и расщепленным электрон­ ным пучком, модуляцию тока электронного пучка.

Полное проплавление позволяет исключить корневые дефек­ ты, свести к минимуму угловые деформации и вероятность появ­ ления пор и раковин.

Для технологической развертки электронного пучка наиболее эффективны следующие типы траекторий: окружность, эллипс, дуга, продольная и поперечная. Формирование при развертке усред­ ненного распределения плотности мощности электронного пучка поперек направления сварки с «провалом» в приосевой области уменьшает амплитуду корневых пиков и расширяет корень свар­ ного шва. При радиусе закругления корня сварного шва 1-1,5 мм (для глубины проплавления 10-80 мм) и 2 -4 мм (для глубины про­ плавления 100-200 мм) вероятность появления корневых дефек­ тов минимальная. Двойное преломление электронного пучка при развертке позволяет существенно увеличить угол его отклонения относительно оси по сравнению с однократным преломлением при сохранении той ж е ширины сварного шва в его верхней половине. Частоту развертки электронного пучка рекомендуют выбирать в диапазоне 100-500 Гц для сталей и 500-1000 Гц для алюминие­ вых и титановых сплавов. Поперечные размеры траектории раз­ вертки оптимальны в диапазоне 1-1,5 мм. Скорость движения электронного пучка вдоль траектории развертки желательно под­ держивать постоянной: 600-800 мм/с для сталей и 2000-2500 мм/с для алюминиевых и титановых сплавов. Продольная развертка элек­ тронного пучка с небольшой амплитудой (1-1,5 мм) в том ж е диа­

пазоне частот, но со скачкообразными колебаниями (пилообразная форма тока в отклоняющей системе), обеспечивает более глубокое проплавление при сварке в нижнем положении благодаря отстава­ нию задней части сварочной ванны от фронта плавления [11].

Сварка двумя электронными пучками (тандемом) листовых с толщиной металла менее 10 мм позволяет резко (в 5 -7 раз) повы­ сить скорость сварки при увеличении общей мощности источников сварочного нагрева на 20-25% . При этом достигается лучшее ка­ чество сварного шва [82].

Постоянный наклон при сварке электронного пучка в направ­ лении его перемещения по изделию на угол 5-7° (но иногда и до 20°) предотвращает S-образную форму фронта кристаллиза­ ции сварочной ванны и, тем самым, резко снижает пористость и вероятность возникновения раковин, а также исключает бугрис­ тость сварного шва.

Сварку с присадкой используют для предотвращения неполномерности шва (при больших зазорах в стыке) или поддержания в металле заданной концентрации легкоиспаряемых элементов. В качестве присадки применяют, в основном, проволоку диамет­ ром 0,8-1,2 мм, подаваемую в сварочную ванну позади электрон­ ного пучка под углом 15-45° к его оси или укладываемую на стык перед зоной сварки.

При сварке на подкладке обеспечивается выведение корневых дефектов из несущей части соединения, причем подкладка может быть как удаляемой, так и неудаляемой. Для улучшения выхода газов и паров из сварочной ванны и снижения трудоемкости уда­ ления можно использовать подкладку в виде гранул или рубленой сварочной проволоки. С помощью подкладки из керамики можно добиться исключения финишной обработки.

При сварке разнородных металлов электронный пучок смеща­ ется в сторону более тугоплавкого металла, а при сварке-пайке — в сторону менее тугоплавкого металла. Смещение электронного пучка применяют и для компенсации его отклонения от стыка про­ дольной составляющей магнитного поля, возникающего при свар­ ке разнородных материалов.

Используя импульсное знакопеременное отклонение электрон­ ного пучка, можно одновременно сваривать отдельными точками или непрерывными швами два или более близко расположенных стыка на тонколистовых материалах.

Для уменьшения тепловложения при сварке малогабаритных тонкостенных изделий, а также для выполнения точечной сварки

используют импульсную модуляцию тока электронного пучка с час­ тотой до 400 Гц.

Для расширения номенклатуры марок материалов, сваривае­ мых с помощью электронного пучка, применяют электронно-лу­ чевую наплавку и электронно-лучевое оплавление стыкуемых по­ верхностей. На поверхности деталей со стороны будущего свар­ ного соединения наплавляют слои хорошо свариваемого матери­ ала толщиной до 10 мм, которые и сваривают после механической обработки. Оплавлением с помощью быстросканирующего элект­ ронного пучка стыкуемых поверхностей на глубину 4 -8 мм дости­ гается рафинирование исходного материала в зоне будущего свар­ ного шва и, тем самым, значительно снижается или исключается дефектность (прежде всего пористость) шва.

Предотвращение корневы х деф ектов при сварке с д во й ­ ным преломлением электронного пучка. Данный прием пред­ назначен для получения сварных швов с параллельными боковы­ ми границами и широким корнем [4].

Сварку осуществляют повторяющимися циклами, состоящими из трех этапов. Вначале сварку выполняют неотклоненным элек­ тронным пучком, а затем при поочередном его отклонении — с помощью двойного преломления вперед и назад по отношению к направлению перемещения зоны сварки. Этап сварки с откло­ нением электронного пучка производят вначале с направлением электронного пучка на новое дно сварочной ванны и последую­ щим плавным перемещением его на переднюю верхнюю кром ку ванны, затем с выбросом электронного пучка на заднюю верхнюю кромку ванны и последующим плавным перемещением его на дно ванны. Одновременно осуществляют сканирование электронного пучка по траектории, являющейся дугой окружности или эллипса и обращенной выпуклостью в сторону отклонения электронного пуч­ ка. Время сварки неотклоненным электронным пучком определяюттак, чтобы, перемещаясь со скоростью сварки, пучок проходил расстояние, равное радиусу своего поперечного сечения на уров­ не свариваемых изделий, и рассчитывают из соотношения

(167)

Суммарное время отклонения в переднюю и хвостовую части ванны t2 выбирают равным или меньше времени затекания пароди­ намического канала в сварочной ванне и рассчитывают по формуле861

(168)

где тол— вРемя отклонения электронного пучка вперед; тон— вре­ мя отклонения электронного пучка назад.

Максимальный и минимальный углы отклонения электронного пучка от его оси в неотклоненном положении определяют соответ­ ственно из выражений

где а2 — максимальный угол отклонения электронного пучка; а: — минимальный угол отклонения электронного пучка; D — расстоя­ ние от последнего уровня преломления электронного пучка до дна сварочной ванны.

Сканирование электронного пучка осуществляют по траекто­ рии с поперечным размером, равным диаметру поперечного се­ чения электронного пучка на уровне свариваемых изделий.

Последовательность операций показана на рис. 78, а-е. Операции электронным пучком направлены на то, чтобы создать

сварочную ванну цилиндрической формы с круговым или эллип­ тическим сечением с помощью расплавления той части металла, которая составляет разницу между конической и цилиндрической формами ванны с равными сечениями на верхнем уровне. Такое дополнительное расплавление можно осуществить тем же элек­ тронным пучком, увеличив угол его встречи с передней или зад­ ней стенками пародинамического канала в сварочной ванне по сравнению с предыдущим равновесным состоянием. На рис. 79 показана траектория сканирования (дополнительного перемеще­ ния электронного пучка в отклоненном положении), где АВ=2гв— хорда дуги, по которой производят сканирование; А тВ — дуга, по которой производят сканирование.

Увеличить указанный угол встречи можно только с помощью двойного преломления электронного пучка. Вначале электронный пучок отклоняется на дно сварочной ванны (I) и с увеличиваю­ щейся скоростью (так как уменьшается толщина слоя металла между конической и цилиндрической формами ванны) переме­ щается на переднюю и верхнюю кромку ванны (II). Затем элект­ ронный пучок перебрасывается на заднюю верхнюю кромку сва­ рочной ванны и с уменьшающейся скоростью опускается на ее дно (III). При этих двух операциях электронный пучок сканирует по дуге окружности или эллипса с хордой, равной диаметру его поперечного сечения, что и позволяет получить сварочную ванну цилиндрической формы. Кроме того, такой порядок отклонения

электронного пучка сохраняет существующее при обычной свар­ ке направление переноса расплавленного металла. Время фор­ мирования ванны цилиндрической формы не должно превышать времени затекания пародинамического канала, в противном слу­ чае будут образовываться дефекты сварного шва типа непрова­ ров и раковин. Время затекания канала определяет период его

капиллярных колебаний, равны йлю г^/а .

Разработанный прием электронно-лучевой сварки позволяет максимально снизить вероятность образования корневых и дру­ гих дефектов сварного шва и получить шов с высоким качеством при минимальных деформациях свариваемого изделия.

Стыковая сварка разнородных металлов. Обычно стыковую сварку разнородных металлов осуществляют при смещении элек­ тронного пучка в сторону более тугоплавкого металла (собственно сварка) или в сторону более легкоплавкого металла (сварка -пай ­ ка). При этом практически сложно выполнять слежение за сты­ ком. На рис. 80 представлена диаграмма изменения во времени силы тока в отклоняющих системах электронной пушки.