RU1311113C

RU1311113C - Method of electron-beam welding

Info

Publication number: RU1311113C
Authority: RU
Inventors: В.В. Мелюков
Original assignee: Мелюков Валерий Васильевич
Priority date: 1985-10-05
Filing date: 1985-10-05
Publication date: 1995-01-27

Abstract

FIELD: welding. SUBSTANCE: oscillations of electron beam along and across the direction of welding are accomplished by actuation of the deflecting system. Deflection of electron beam across the direction of welding by superposition of saw-tooth and square oscillations of the same frequency prevents a mutual overlap of the heat spot. The reference points of the heat spot strips spread in the Y-axis over equal distances from the X-axis, whose value is proportional to the amplitude of current square oscillations. To vary the area of the heat spot and heat flux density, currents of the focusing lens and electron beam are varied in it according to the saw-tooth law in the X- and Y-coordinates. EFFECT: enhanced quality of welded joint due to decrease of over-heat in the weld central zone. 6 dwg

Description

Изобретение относится к области сварочного производства, а именно к способам для электронно-лучевой сварки и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства: авиастроении, машиностроении, прибоpостроении. The invention relates to the field of welding production, and in particular to methods for electron beam welding and can be used in various sectors of the economy: aircraft, mechanical engineering, instrument manufacturing.

Целью изобретения является повышение качества сварного соединения за счет уменьшения перегрева центральной зоны сварного шва. The aim of the invention is to improve the quality of the weld by reducing overheating of the Central zone of the weld.

На фиг. 1 изображена схема электронно-лучевой установки для осуществления способа сварки; на фиг.2, 3 изображены кривые изменения токов системы отклонения луча, фокусировки и тока луча. На фиг.4, 5, 6 даны формы нагрева при различных колебаниях луча (колоколообразных и пилообразных) вдоль оси Х. In FIG. 1 shows a diagram of an electron beam apparatus for implementing a welding method; figure 2, 3 shows the curves of changes in the currents of the beam deflection system, focusing and beam current. Figures 4, 5, 6 show the forms of heating with various beam oscillations (bell-shaped and sawtooth) along the X axis.

Для осуществления способа электронно-лучевая установка (фиг.1) содержит пушку (не показана), систему 1 отклонения луча вдоль направления сварки, систему 2 отклонения луча поперек направления сварки, систему 3 управления током фокусирующей линзы и систему 4 управления током луча с источниками питания. Исполнительными механизмами перемещения луча вдоль и поперек направления сварки служат катушки 5, 6, размещенные в вакуумной камере 7. To implement the method, the electron-beam installation (Fig. 1) contains a gun (not shown), a beam deflection system 1 along the welding direction, a beam deflection system 2 across the welding direction, a focus lens current control system 3 and a beam current control system 4 with power sources . Executive mechanisms for moving the beam along and across the direction of welding are coils 5, 6, placed in a vacuum chamber 7.

Ток системы 1 отклонения луча вдоль направления сварки Ix может изменяться по закону колоколообразных колебаний, например (фиг.2.а, кривая I). The current of the beam deflection system 1 along the welding direction Ix can vary according to the law of bell-shaped oscillations, for example (Fig.2.a, curve I).

I_x = I_макс (sinft), или по закону пилообразных колебаний с формой кривой в виде симметричных треугольников (фиг. 2а; кривая 2), где I_макс - амплитудное значение тока I_x; f - частота колебаний; t - время.I _x = I _max (sinft), or according to the law of sawtooth oscillations with the shape of a curve in the form of symmetrical triangles (Fig. 2a; curve 2), where I _max is the amplitude value of the current I _x ; f is the oscillation frequency; t is time.

Ток системы 2 отклонения луча поперек направления сварки I_yизменяется по закону пилообразных колебаний (фиг.2,б), на которые дополнительно накладываются прямоугольные колебания тока I_y ^I (фиг.2,в), с частотой, равной частоте пилообразных колебаний. При этом частота пилообразных колебаний I_y равна половине частоты колоколообразных или пилообразных колебаний тока I_x.The current of the beam deflection system 2 across the welding direction I _y changes according to the law of sawtooth oscillations (Fig.2, b), on which rectangular oscillations of the current I _y ^I (Fig.2, c) are additionally superimposed, with a frequency equal to the frequency of the sawtooth oscillations. The frequency of the sawtooth oscillations I _y equal to half the frequency of bell-shaped or sawtooth current fluctuations I _x .

Токи системы 3 управления фокусировкой луча и системы 4 управления током луча изменяются по закону пилообразных колебаний (фиг.2,д,е) с частотой, равной частоте колебаний тока системы 1 отклонения луча вдоль направления сварки. The currents of the beam focusing control system 3 and the beam current control system 4 change according to the law of sawtooth oscillations (Fig. 2, e, f) with a frequency equal to the frequency of the current fluctuations of the beam deflection system 1 along the welding direction.

Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.

Стол (не показан) перемещают в вакуумной камере 7 вдоль оси Х. Форма пятна нагрева в виде двух полос образуется при сложении колебаний луча в направлении осей х и y. При включении системы 1 отклонения луча в направлении сварки на катушки 5 подается ток I_x, изменяющийся по закону I_x = I_макс (sinft) (фиг. 2,а; кривая 1) или по закону пилообразных колебаний с формой кривой в виде симметричных треугольников (фиг.2,а; кривая 2). Под действием этих сигналов электронный луч совершает колебательные движения вдоль оси х с амплитудой А_х (фиг.4). При включении системы 2 отклонения луча поперек направления сварки вырабатывается ток I_y, изменяющийся по закону пилообразных колебаний с формой кривой в виде симметричных треугольников (фиг.2,б) и ток I_y ^I, изменяющийся по закону прямоугольных колебаний (фиг.2,в) с частотой, равной частоте колебаний тока I_y или половине частоты колебаний тока I_x. При сложении колебаний токов I_y и I_y ^I в отклоняющие катушки 6 подается суммарный ток I_y ^II, изменяющийся по закону колебаний, изображенных на фиг. 1, г. Электронный луч будет совершать колебательные движения вдоль оси у с амплитудой А_y (фиг.4), при этом траектория электронного луча имеет разрыв первого рода. Величина этого разрыва, равная А_y ^I, определяется амплитудой тока I_y ^I.A table (not shown) is moved in the vacuum chamber 7 along the X axis. The shape of the heating spot in the form of two bands is formed when the beam oscillates in the direction of the x and y axes. When the beam deflection system 1 is turned on in the welding direction, a current I _x is applied to the coils 5, which varies according to the law I _x = I _max (sinft) (Fig. 2, a; curve 1) or according to the law of sawtooth oscillations with the shape of a curve in the form of symmetrical triangles (figure 2, a; curve 2). Under the influence of these signals, the electron beam oscillates along the x axis with amplitude A _x (Fig. 4). When you turn on the system 2 of the deflection of the beam across the welding direction, a current I _{y is} generated, which varies according to the law of sawtooth oscillations with a curve in the form of symmetrical triangles (Fig. 2, b) and a current I _y ^I that changes according to the law of square waves (Fig. 2, c ) with a frequency equal to the current oscillation frequency I _y or half the current oscillation frequency I _x . When the oscillations of the currents I _y and I _y ^I are added, the total current I _y ^II , which varies according to the law of oscillations shown in FIG. 1, g. The electron beam will oscillate along the y axis with amplitude A _y (Fig. 4), while the path of the electron beam has a first-order discontinuity. The magnitude of this gap, equal to A _y ^I , is determined by the amplitude of the current I _y ^I.

При одновременном включении обеих систем 1, 2 электронный луч будет совершать синхронизированные колебания по двум ортогональным направлениям. В результате сложения этих колебаний траектория электронного луча на поверхности пластины имеет вид, изображенный пунктирной линией 3 на фиг.4 (при изменении тока I_x по закону колоколообразных колебаний, кривая 1 на фиг. 2, а) и пунктирной линией 4 на фиг.5 (при изменении тока I_x, по закону пилообразных колебаний, кривая 2, на фиг.2,а).With the simultaneous inclusion of both systems 1, 2, the electron beam will perform synchronized oscillations in two orthogonal directions. As a result of the addition of these oscillations, the path of the electron beam on the surface of the plate has the form depicted by the dashed line 3 in Fig. 4 (when the current I _x changes according to the law of bell-shaped oscillations, curve 1 in Fig. 2, a) and the dashed line 4 in Fig. 5 (when changing the current I _x , according to the law of sawtooth oscillations, curve 2, figure 2, a).

Пpи одновременном сдвиге начальной фазы пилообразных колебаний тока I (фиг. 3,б) и прямоугольных колебаний тока I_y ^I (фиг.3,в) на угол π/2 колебания cуммарного тока I_y ^II (фиг.3,г) также получают сдвиг на угол π/2. В результате сложения этих колебаний луча вдоль оси у с колоколообразными колебаниями луча вдоль оси (фиг.3,а) траектория электронного луча на поверхности пластин имеет вид, изображенный пунктирной линий 5 на фиг.6.With a simultaneous shift of the initial phase of the sawtooth oscillations of the current I (Fig. 3, b) and rectangular oscillations of the current I _y ^I (Fig. 3, c) by the angle π / 2, the oscillations of the total current I _y ^II (Fig. 3, d) also receive angle shift π / 2. As a result of the addition of these oscillations of the beam along the y axis with bell-shaped oscillations of the beam along the axis (Fig. 3, a), the path of the electron beam on the surface of the plates has the form shown by dashed lines 5 in Fig. 6.

Траектории электронного луча (пунктирные линии 3, 4, 5) определяют три различные по форме пятна нагрева с регулируемыми параметрами А_y, A_y ^I, A_x.The trajectories of the electron beam (dashed lines 3, 4, 5) define three different in shape heating spots with adjustable parameters A _y , A _y ^I , A _x .

Для изменения площади пятна нагрева и плотности теплового потока в нем по координатам х и y регулируют токи фокусирующей линзы и луча. При подключении системы 3 (фиг.1), формирующей пилообразные колебания тока I_ф (фиг.2, д), к фокусирующей линзе пятно нагрева будет иметь форму полос, расширяющихся к хвостовой части (фиг.4. 5). Плотность теплового потока в пятне нагрева такой формы уменьшается к хвостовой части с удалением от оси шва из-за увеличения диаметра электронного луча на поверхности изделия.To change the area of the heating spot and the density of the heat flux in it, the currents of the focusing lens and beam are controlled by the x and y coordinates. When you connect the system 3 (Fig. 1), forming sawtooth current fluctuations I _f (Fig. 2, e), to the focusing lens, the heating spot will have the form of strips expanding to the tail (Fig. 4. 5). The heat flux density in a heating spot of this shape decreases towards the tail portion with distance from the weld axis due to an increase in the diameter of the electron beam on the surface of the product.

При подключении системы 4, формирующей пилообразные напряжения, изменение тока луча I_л будет определяться кривой, изображенной на фиг.2,е. При этом плотность теплового потока в пятне нагрева (фиг.4, 5) вдоль осей х и у будет уменьшаться к хвостовой части с удалением от оси шва из-за уменьшения тока луча.When connecting the system 4, forming a sawtooth voltage, the change in the beam current I _l will be determined by the curve depicted in figure 2, e. In this case, the heat flux density in the heating spot (Figs. 4, 5) along the x and y axes will decrease towards the tail part with distance from the weld axis due to a decrease in the beam current.

Если траектория электронного луча имеет вид, изображенный пунктиром на фиг. 6, то при пилообразном изменении тока I_ф (фиг. 3, д) и тока I_л(фиг.3, е) также получаем пятно нагрева с расширяющимися полосами к хвостовой части (фиг.6) и с уменьшением плотности теплового потока при удалении от оси шва.If the path of the electron beam has the form shown by the dotted line in FIG. 6, then with a sawtooth change in current I _f (Fig. 3, d) and current I _l (Fig. 3, e) we also get a heating spot with expanding stripes to the tail part (Fig. 6) and with a decrease in the heat flux density when removed from the axis of the seam.

При сдвиге начальных фаз колебаний токов I_ф и I_х на π можно обеспечить возрастание плотности теплового потока в пятне нагрева в направлении расширения его полос.When the initial phases of the oscillations of the currents I _f and I _x shift by π, it is possible to increase the density of the heat flux in the heating spot in the direction of expansion of its bands.

Способ был опробован при сварке стыкового соединения без разделки кромок пластин толщиной 0,4 см из сплава Zr 2,5 Nb. Режим сварки: ток луча I_y = 105 мА, ускоряющее напряжение U = 17 кВ, скорость сварки V_св = 0,9 см/с. Параметры пятна нагрева: А_х = 1 см, А_у ^I = 0,6 см, А_у ^I ≈ 0,2 см.The method was tested when welding a butt joint without cutting the edges of the plates with a thickness of 0.4 cm from Zr 2.5 Nb alloy. Welding mode: beam current I _y = 105 mA, accelerating voltage U = 17 kV, welding speed V _sv = 0.9 cm / s. The parameters of the heating spot: A _x = 1 cm, A _at ^I = 0.6 cm, A _at ^I ≈ 0.2 cm.

Получаемые три различных по форме пятна нагрева с изменением величины А_у ^I взаимного перекрытия полос значительно расширяют возможности управления тепловым процессом сварки металлов с различными теплофизическими свойствами и толщинами сварных соединений, что позволяет уменьшить перегрев в центральной зоне сварного соединения.The resulting three different heating spots in shape with a change in the value of A _at ^{I of the} overlapping bands significantly expand the ability to control the thermal process of welding metals with different thermophysical properties and thicknesses of welded joints, which allows to reduce overheating in the central zone of the welded joint.

Данный способ обеспечивает по сравнению с известными уменьшение перегрева в центральной зоне сварного соединения при электронно-лучевой сварке, что повышает технологические и эксплуатационные свойства сварных соединений, в результате повышается работоспособность сварных изделий и увеличивается срок безаварийной работы их. This method provides, in comparison with the known methods, a decrease in overheating in the central zone of the welded joint during electron beam welding, which increases the technological and operational properties of welded joints, as a result, the working capacity of welded products increases and the period of their trouble-free operation increases.

Claims

METHOD OF ELECTRON BEAM WELDING, including oscillations of the electron beam along and across the direction of welding by applying a sawtooth current with a frequency ratio of 2: 1 to the deflecting system, while the focus and current of the electron beam are changed according to the law of the sawtooth oscillations with a frequency equal to the frequency of the beam deflection current along the direction of welding, characterized in that, in order to improve the quality of the welded joint by reducing overheating of the weld zone, the deviation of the electron beam across the direction of the weld ki is carried out by additionally superimposing, in each half-cycle, the oscillations of the rectangular component of the current of the deflecting system.