книги / Электронно-лучевая сварка и смежные технологии

Для точного ведения электронного пучка по линии стыка разра­ ботан технологический прием [5] сварки с импульсно-точечной раз­ верткой (рис. 81), при котором ось электронно-оптической системы электронной пушки, ось развертки и плоскость стыка совмещены.

Движение электронного пучка начинается из точки N, например, влево от оси X по траектории 1. Переместившись с заданной скоро­ стью сканирования VCK на расстояние 2ге, где ге— средний радиус электронного пучка до точки А, электронный пучок мгновенно пере­ брасывается по траектории 2 в симметричное относительно оси X положение (точку В} на заданном контуре. Далее электронный пу­

чок снова перемещается со скоростью VcK на расстояние 2ге (до точки Q , а затем перебрасывается в симметричное положение (точку D). Далее процесс движения электронного пучка повторяется до тех пор, пока электронный пучок не достигнет конечной точки К за­ данного контура, после чего электронный пучок мгновенно пере­ брасывается в начальную точку N. Таким образом, осуществляет­ ся одновременное формирование зон нагрева на обеих полови­ нах заданной траектории сканирования электронного пучка, сим­ метричных относительно плоскости симметрии сварочной ванны.

электронно-лучевой сварки

171

Рис. 81. Схема импульсно-точечной развертки электронного пучка:

1 — траектория точечной развертки;

2 — траектория импульсной переброски пучка; А, В, С, D, Е, F — точки развертки

К а к видно из ри с. 81, зоны нагрева м еж ду точка­ ми А и D, N и В, С и F фор­ мируются практически не­ прерывно, так как попереч­ ные сечения электронного пучка соприкасаю тся при выбранном периоде его пе­ р е бр о с а Т = 4 r e/V CK. П ри меньшем периоде «следы» поперечного сечения элек­ тронного пучка будут пере­ кры ваться, о б ес п е чи в а я еще больш ую р а в н о м е р ­ ность нагрева свариваемо­ го металла. Следовательно, период всегда выбирают из условия Т<4геЛ /ск. Для фор­ мирования симметричного нагрева металла на обеих половинах заданной траек­

тории сканирования при сварке однородных металлов необходи­ мо, чтобы время пребывания электронного пучка в каж дом из отклоненных положений было одинаковым, т. е. равным Т/2.

При сварке разнородных материалов соотношение времен пре­ бывания электронного пучка в каждом из отклоненных положений определяют соотношением количества теплоты, необходимой для расплавления каждого из металлов, т. е.

т =Т1+Т2,	(171)
/^2=С1Р1Тщи/сгР2^”пл2*	("172)

где индексы «1» и «2» относятся к разным металлам; т — время пребывания электронного пучка в отклоненном положении.

При этом (см. рис. 81), для обеспечения непрерывности фор­ мирования зон нагрева необходимо, чтобы время паузы на более легкоплавком металле, которое равно времени пребывания элек­ тронного пучка в отклоненном положении на более тугоплавком металле, не превышало 2г / V • max [т ., x j< 2 r /V .

Одновременное формирование симметричных относительно направления сварки зон нагрева на заданной траектории с ка ­ нирования обеспечивает симметричный отток расплавленного

172	Технология

металла от мест непосредственного воздействия электронного пуч­ ка. Поскольку перенос расплава происходит в направлении, об­ ратном направлению перемещения электронного пучка, то при движении пучка отточки N к точке К и создается поток расплава, имеющий то же направление, что и при сварке неотклоненным электронным пучком. Таким образом, при сварке разнородных ме­ таллов обеспечивается симметричное движение расплава в сва­ рочной ванне, повышается ее устойчивость и тем самым умень­ шается вероятность образования дефектов сварного шва гидро­ динамического характера, а также обеспечивается возможность работы системы слежения за стыком.

Сканирование фокуса электронного пучка. В этом хорошо известном технологическом приеме нужно лишь отметить эффект нелинейности колебаний фокуса, который часто не учитывает пользователь.

Колебания уровня фокусировки электронного пучка относитель­ но некоторого среднего значения осуществляют модуляцией тока электромагнитной линзы.

Как известно, оптические свойства фокусирующей линзы опи­ сывают следующие соотношения геометрической оптики:

/ „ = И - ,/2,	(173)
V U A /a+V b.	(174)
Зададим модуляцию тока линзы в виде

<175)

где 0 — коэффициент модуляции (9<1), и найдем закон изменения положения минимального сечения электронного пучка (расстоя­ ния Ь). Выражая Ь через / с помощью соотношений (173)—(175), получаем

b _	akl-2 ______________bp____________			(176)
	l+ ^ -e 2+ ^ 0 s in t o t - % e 2cos2(Ot
э
	f0	fo	2f0
				(177)

Видно, что простая синусоидальная модуляция тока линзы при­ водит к намного более сложному закону колебания уровня фоку­ сировки электронного пучка. Это обусловлено нелинейными свой­ ствами электромагнитной линзы как преобразователя колебаний тока в колебания фокуса электронного пучка. В спектре колеба­

электронно-лучевой сварки

173

ний расстояния Ь появляется бесконечное число гармоник с час­ тотами, кратными основной частоте модуляции, и с амплитудами, убывающими с увеличением номера. Действительно, разлагая

уравнение (176) в ряд по параметру 0, имеем

ЫЬ0Н 1 + Ь Д (2 Ь Д -1 )02+9Ь20Щ Щ	- bQff0-Q(2-5b0If0-Q)x
xsincof-b0 / fQ-e2(2bQ//„-1 /2+ Ь Д -0 2)cos 2cof-b2//J-03sin 3cof+
+bg/8f*-Q* cos4cof.	(178)

Дальнейшее разложение уже не изменит знак коэффициентов при первых двух членах ряда, а также не изменит существенно и их величину.

Как видно из формулы (178), лишь при малом 0 продольные колебания минимального сечения электронного пучка близки по форме и частоте к модулирующим токам линзы, но сдвинуты по фазе на 180°. Нелинейность линзы приводит и к появлению посто­ янной составляющей в правой части выражения (178). Тем самым

нарушается статическая фокусировка электронного пучка, а именно

расстояние Ь0изменяется на величину D =bj£ ,(2b0/r0~,-1 )02+.... Обыч­ но b > fQ, поэтому b'=b0+A>b0.

Начало и окончание шва. Плавное начало и окончание шва с постоянной скоростью сварки [34]. При несквозном и сквозном проплавлении металлов толщиной до 60 мм предотвращение воз­ никновения внешних дефектов достигают при плавном нараста­ нии или спаде мощности электронного пучка на-длине стыка, пре­ вышающей глубину шва не менее чем в два раза. Поскольку гео­ метрия и качество шва в значительной степени зависят от уровня фокусировки электронного пучка по отношению к глубине проплав­ ления, то при изменении мощности электронного пучка в начале и конце сварки необходимо, по крайней мере, поддерживать посто­ янным расстояние между минимальным поперечным сечением электронного пучка и дном сварочной ванны. Если распределе­ ние плотности мощности электронного пучка не обеспечивает пре­ дотвращение корневых дефектов, то минимальное сечение элек­ тронного пучка в процессе изменения его мощности необходимо удалять от корня проплавления. При этих операциях нужно учиты­ вать, что регулирование мощности изменяет положение минималь­ ного сечения электронного пучка из-за проявления магнитного пинчэффекга. В случае применения развертки электронного пучка пара­ метры ее необходимо изменять в зависимости от мощности пучка.

174	Технология

Полное изменение силы тока фокусирующей линзы электрон­ ной пушки за время замыкания сварного шва рассчитывают по выражениям

	(179)
K M- a \ j 2 b 0{a+bJbbt	(180)

где Ы (*~э>— изменение силы тока фокусирующей линзы для ком­ пенсации влияния магнитного пинч-эффекга электронного пучка; 8 1 ^ — изменение силы тока фокусирующей линзы для обеспече­ ния заданного положения фокуса электронного пучка; 8Ь— необ­ ходимое изменение положения фокуса электронного пучка; индекс «О» соответствует параметрам до начала ЗТВ.

Плавное окончание шва с переменной скоростью сварки. Для сокращения длины участка окончания шва следует одновременно с плавным уменьшением мощности электронного пучка плавно уменьшать скорость сварки до 0 [6, 113]. Это позволяет снизить перегрев свариваемых деталей при перекрытии замкнутого шва небольшой длины и предотвратить возможное разупрочнение ЗТВ.

Такой способ реализован при сварке со сквозным проплавле­ нием. С помощью системы автоматического регулирования под­ держивается постоянной сила сквозного тока электронного пучка на участке окончания шва до тех пор, пока скорость сварки не станет равной нулю. Затем мощность электронного пучка быстро уменьшается до нуля.

При сварке сталей толщиной более 100 мм разработан прием окончания шва с линейным увеличением скорости сварки в 2,1 раза (мощность электронного пучка уменьшается линейно) и кусочно-линейным изменением положения фокуса электронного пучка (рис. 82) [93]. Такое изменение Vca в данном случае связано с тем, что оптимальная скорость сварки увеличивается с умень­ шением глубины проплавления.

Начало и окончание шва при нулевой скорости сварки. При свар­ ке толстолистовых металлов электронный пучок можно включать и/или выключать при попадании его в отверстие на стыке. Отвер­ стие выполняют предварительно либо электронным пучком повы­ шенной мощности, либо механически. После сварки основного уча­ стка стыка отверстие заполняют в нижнем положении с помощью присадочного материала в виде сплошной или рубленой проволо­ ки, расплавляемой сканирующим по окружности электронным пучком мощностью 5-7,5 кВт [58]. Описанный прием можно при­ менять и при сварке металлов средних толщин.

электронно-лучевой сварки

175

				Возможно также плавное
				(во времени) окончание шва
.18 кВт,			24? OI	при VCB=0 без предваритель­
	о б / м и н ^ ^			но подготовленного отвер­
				стия и подачи присадочного
				материала. Такой прием эф­
	/ \			фективен при сварке титано­
	\	X	Конец
/				вых сплавов.
'	Начало	12 кВт,	сварки
'	окончания 162 об/мин			Приемы ремонта свар ­
	сварного
			140 Х.м	ного шва. Ш ирокое приме­
				нение электронно-лучевой
Рис. 82. Гоафик изменения силы тока 1М				сварки для соединения тол­
фокусирующей линзы и положения АЬ				столистовых металлов по­
фокуса электронного пучка при окончании				влекло за собой и развитие
сварного шва на стали 12СгМо толщиной				способов ремонта шва, так

100 мм

как вероятность возникнове­

ния дефектов с ростом глубины проплавления увеличивается. Раз­ работано несколько приемов ремонта как внешних, так и внутрен­ них дефектов сварного шва.

«Косметические» проходы электронным пучком пониженной мощ­ ности выполняют для устранения неровностей на поверхности шва (как с лицевой, так и с обратной сторон), небольших кратеров и под­ резов. Иногда этот прием используют с целью термообработки свар­ ного соединения. В ряде случаев проходы выполняют с подачей цель­ ной присадочной проволоки (в любом пространственном положении) либо рубленой (в нижнем положении). Наименьшая вероятность об­ разования корневых дефектов обеспечивается при использовании по­ перечной пилообразной развертки или сильно расфокусированного электронного пучка. При этом достигается и весьма гладкая поверх­ ность оплавленного шва, особенно на титановых сплавах.

Оплавление корневой части сварного шва проникающим элек­ тронным пучком. Этот прием [105] практически осуществим, тре­ буется лишь разместить с обратной стороны стыка отклоняющую электромагнитную систему с углом поворота до 180 °. Однако при этом возникают и большие трудности. Фокусировка электронного пучка после поворота его на 180° нарушается. Весьма сложно так­ ж е точно совместить отклоненный электронный пучок со сварным швом, особенно если свариваются ферромагнитные материалы, имеющие остаточную намагниченность, даже сравнительно не­ большую. Если ж е необходимо осуществить ремонт отдельного, относительно короткого участка корневого шва сразу после вы­

176	Технология

полнения основного прохода, то данный прием, естественно, не­ применим. Поэтому целесообразно ориентироваться на подварку корневой части сварного шва отдельной электронной пушкой, снаб­ женной механизмом подачи присадочного материала.

Повторный проход применяют для ремонта внутренних дефек­ тов сварного шва, выявляемых неразрушающими методами конт­ роля. При этом режим сварки либо повторяют, либо стремятся несколько расширить литую зону.

Вварку пробок используют для устранения непротяженных де­ фектов сварного шва (например, типа «кратер» [3]). На глубину залегания дефекта сверлят отверстие, в которое затем вставляют пробку из того ж е материала. Далее пробку вваривают путем про­ плавления электронным пучком на всю глубину сварного шва. Для толстолистовых металлов часть пробки, выступающую над повер­ хностью сварного шва, предварительно оплавляют.

Сварка алюминия и сплавов на его основе

При электронно-лучевой сварке термически упрочняемых или усиленно нагартованных сплавов алюминия особенно заметны преимущества этого метода по сравнению с дуговой сваркой. Ко­ эффициент прочности таких материалов после аргонодуговой свар­ ки обычно составляет 0,5-0,65 временного сопротивления разры­ ву основного материала. Для компенсации потери прочности и обеспечения равнопрочности сварных соединений с основным металлом стык располагают на участке с утолщенными сваривае­ мыми кромками. Утолщение обычно составляет 100% сваривае­ мой толщины металла, а ширина утолщенного участка всегда дол­ ж на превышать ширину зоны термического влияния. Это вызыва­ ет существенное возрастание массы сварных конструкций. Соеди­ нения же, выполненные электронно-лучевой сваркой, имеют временное сопротивление разрыву на 15-25% выше, а ширину зоны термического влияния в 2 -3 раза меньше, чем при дуговой сварке. Это позволяет значительно уменьшить массу сварных кон­ струкций.

Сварку алюминиевых сплавов электронным пучком можно осу­ ществлять на весу и в различных пространственных положениях без применения подкладных или формирующих устройств, так как вследствие высокой теплопроводности этих сплавов сварочная ванна имеет малый объем жидкого металла.

Ударная вязкость металла сварного шва у алюминиевых спла­ вов всегда выше, чем у основного металла до сварки, а условный

электронно-лучевой сварки

177

предел текучести практически сохраняется на уровне его значе­ ний для основного металла.

Перед сборкой и сваркой всю поверхность алюминиевых дета­ лей подвергают очистке путем травления в щелочных ваннах, а стыкуемые поверхности непосредственно перед загрузкой изде­ лия в вакуумную камеру очищают от оксидного слоя шабрением. Присадочную проволоку и малогабаритные заготовки после ще­ лочного травления рекомендуют дополнительно очищать с помо­ щью химической или электрохимической полировки вместо шаб­ рения. Допустимые сроки хранения проволоки или деталей после химической полировки могут достигать нескольких дней при усло­ вии, что их хранят чистыми и сухими в упакованном виде.

В алюминиевых сплавах обычно содержится значительное ко­ личество легколетучих элементов: магния, цинка, лития, марганца и др. При сварке в вакууме из-за испарения концентрация этих легирующих элементов снижается. Однако при оптимальных ре­ жимах сварки недопустимого уменьшения легирующих элемен­ тов практически не происходит. Если же необходимы повторные проходы, то следует применять присадочную проволоку для ком ­ пенсации потерь легкоиспаряющихся элементов.

Поперечные укорочения и угловые деформации при однопро­ ходной электронно-лучевой сварке алюминиевых сплавов толщи­ ной 2-250 мм в 2-4 раза меньше, чем при аргонодуговой. Припус­ ки на механическую обработку могут не превышать 5% от толщи­ ны заготовок при сварке листов и 2% от толщины стенки при свар­ ке цилиндрических обечаек.

Коэффициент прочности сварных соединений для сплавов:

АМц и технического алюминия	................................0,95-1,0
Д20-1 .............................................................................	0,75-0,9
В 95....................................................................................	0,75-0,8
1201 ..................................................................................	0,74-1,0
А К4....................................................................................	0,75-0,9.

Прочность сварных соединений увеличивается на 45-65% при снижении температуры до 4,2 К, что важно для применения свар­ ных конструкций из алюминиевых сплавов в криогенной технике.

При сварке литейных алюминиевых сплавов твердость метал­ ла сварного шва выше твердости основного металла, а длитель­ ная прочность, ползучесть и сопротивление усталости сварных со­ единений идентичны этим показателям основного металла.

Сварные соединения деформируемых алюминиевых сплавов (АМгб, 1201) не склонны к коррозионному растрескиванию, меж - кристаллитной коррозии и расслаивающейся коррозии.

178	Технология

Сварка титановых сплавов

При электронно-лучевой сварке титановых сплавов в металле сварного шва уменьшается содержание водорода и кислорода. Однако дегазация способствует появлению пористости в сварных швах, что снижает работоспособность сварных конструкций в ус­ ловиях воздействия циклических нагрузок. Поперечный размер пор составляет 0,01-1,2 мм. Располагаются они в основном вблизи линии сплавления и на оси шва. В нижней части сварного шва поры более мелкие и встречаются чаще, чем в верхней. Несмотря на то, что поры при электронно-лучевой сварке титана — трудноуст­ ранимый дефект, правильный выбор условий и режимов сварки все же позволяет свести к минимуму количество пор и обеспечить достаточно высокие усталостные характеристики сварных соеди­ нений. Для снижения пористости необходима тщательная хими­ ческая или гальваническая очистка, шабрение и тепловая очистка электронным пучком стыкуемых поверхностей перед сваркой. Рекомендуемая скорость сварки при толщине металла 30 мм — не более 5 мм/с. После сварки следует выполнять локальную тер­ мообработку сварного соединения электронным пучком.

Ш вы на титане при сварке в нижнем положении на весу хоро­ шо формируются при толщине металла до 80 мм. Однако на сложных ответственных изделиях сварку выполняют с использованием удаляе­ мой подкладки. При сварке на боку получают швы глубиной до 200 мм.

Сварка технического титана и а-сплавов сопровождается сни­ жением концентрации водорода, что ведет к уменьшению проч­ ности и повышению пластичности сварного шва. Для снижения напряжений в сварных конструкциях их подвергают отжигу, кото­ рый не вносит заметных изменений в структуру и механические свойства соединений а - и псевдо а-сплавов. Механические свой­ ства соединений при электронно-лучевой сварке выше, чем при аргонодуговой, и близки к показателям основного металла.

Свариваемость а+|3-сплавов зависит от содержания в них ^-ста­ билизирующих элементов. С увеличением концентрации таких эле­ ментов в сплаве повышается его прочность при заметном сниже­ нии пластичности. Свариваемость сплава ухудшается, и во мно­ гих случаях необходимо использование присадки.

Сварка меди и ее сплавов

Сварку меди толщиной до 15 мм осуществляют в нижнем по­ ложении, а медь большей толщины рекомендуют сваривать в по­ ложении на боку. Одним из основных дефектов является порис­

электронно-лучевой сварки

179

тость как в металле сварного шва, так и на линии сплавления. Склонность к пористости возрастает с увеличением содержания кислорода в меди. При сварке тонколистовой меди эффективным способом снижения пористости является повторный проход или предварительный подогрев.

Наличие в медных сплавах легкоиспаряющихся элементов и добавок (кадмий, цинк, магний, свинец и др.) затрудняет, а иногда и делает невозможной сварку этих металлов электронным пучком. Например, не сваривается бронза Бр.05Ц5С5 из-за взрывного вски­ пания свинца и коллекторная медь МК, содержащая 0,6% кадмия.

Бездефектные сварные швы на меди и бронзе Бр.Х0,8 толщиной 20-60 мм выполняют при скоростях сварки 2,2-4,2 мм/с (практически не требуют дополнительной обработки). Механические свойства свар­ ных соединений находятся на уровне 95% свойств основного металла.

Сварка тугоплавких металлов

К тугоплавким металлам относят цирконий, ниобий, тантал, вана­ дий, хром, молибден, вольфрам. Электронно-лучевая сварка явля­ ется одним из самых перспективных методов сварки плавлением тугоплавких металлов и сплавов на их основе. Благодаря наличию вакуума, обеспечиваются идеальные условия по чистоте атмосфе­ ры. При сварке электронным пучком на скоростях 8,3-16,6 мм/с зона термического влияния в 2,5-3 раза меньше, чем при дуговой свар­ ке неплавящимся электродом. Увеличение скорости сварки до 41 мм/с позволяет получить сварные швы практически без зоны рекристаллизации. Для выравнивания теплового поля в соединяе­ мых деталях, достижения симметричного проплавления и обеспе­ чения хорошего формирования сварного шва рекомендуют сопря­ гать элементы конструкции одинаковой толщины.

В основном сварку всех тугоплавких металлов и сплавов целе­ сообразно выполнять в условиях высокого безмасляного вакуума (не хуже 1,33-10-4 Па). Повышение давления в сварочной камере ведет к снижению пластичности и вязкости сварных соединений.

Для предотвращения пористости стыкуемые поверхности дета­ лей необходимо подвергать обезжириванию, химической очистке (травлению) и протирке спиртом. Применяют также и электрохи­ мическую полировку. Непосредственно перед сваркой осущест­ вляют тепловую очистку электронным пучком пониженной мощ ­ ности. Для повышения трещиностойкости при сварке молибдена и вольфрама в ряде случаев рекомендуют предварительный или сопутствующий подогрев до температуры 700 К.

180	Технология