RU1450237C

RU1450237C - Способ электронно-лучевой сварки

Info

Publication number: RU1450237C
Authority: RU
Inventors: В.В. Мелюков
Original assignee: В.В. Мелюков
Priority date: 1987-04-06
Filing date: 1987-04-06
Publication date: 1996-05-27

Abstract

Изобретение относится к технологии электронно - лучевой сварки развернутым лучом и может быть использовано в различных областях машиностроения при сварке трудосвариваемых сталей и сплавов. Цель изобретения - повышение качества сварного соединения путем расширения пределов регулирования скорости нагрева и охлаждения зоны шва в процессе сварки. Способ состоит в создании при сварке развернутым электронным лучом, обеспечивающим симметричные относительно линии зоны нагрева 1, дополнительных зон нагрева позади 2 и впереди 3 сварочного пятна нагрева. Последние также расположены симметрично относительно линии стыка и обеспечивают последующий и предварительный нагрев. При этом в зависимости от необходимого термического цикла сварки меняют распределение эффективной мощности луча по зонам нагрева и расстояния зон последующего и предварительного нагрева оси сварочного пятна и от линии стыка. За счет дополнительных источников предварительного и последующего местного подогрева с оптимальной формой пятна и с оптимальным распределением удельного теплового потока в пятна нагрева повышается технологическая прочность сварного соединения. 1 з. п. ф - лы, 9 ил.

Description

Изобретение относится к технологии электронно-лучевой сварки развернутым лучом, является усовершенствованием способа по авт.св. N 1311113 и может быть использовано в различных областях машиностроения при сварке трудносвариваемых сталей и сплавов.

Цель изобретения повышение качества сварного соединения путем расширения пределов регулирования скорости нагрева и охлаждения зоны шва в процессе сварки.

На фиг. 1 показаны осциллограммы изменения токов системы отклонения луча, фокусировки и тока луча при формировании зоны последующего подогрева сварного шва; на фиг. 2 то же, при формировании зоны предварительного подогрева сварного шва; на фиг. 3 формы пятен нагрева сварочного источника с последующим подогревом; на фиг. 4 то же, с предварительным подогревом; на фиг. 5 осциллограммы изменения токов системы отклонения луча, фокусировки и тока луча при формировании зон последующего и предварительного подогрева сварного шва; на фиг. 6 формы пятен нагрева сварного источника с последующим и предварительным нагревом; на фиг. 7 9 разные по форме пятна предварительного и последующего подогрева.

Способ состоит в создании при сварке развернутым электронным лучом, обеспечивающим симметричные относительно линии стыка зоны нагрева 1, дополнительных зон нагрева позади 2 и впереди 3 сварочного пятна нагрева, также расположенных симметрично относительно линии стыка и обеспечивающих последующий и предварительный нагрев (фиг. 6). При этом в зависимости от необходимого термического цикла сварки меняют распределение эффективной мощности луча по зонам нагрева и расстояния зон последующего и предварительного нагрева от сварочного пятна и от линии стыка.

Для осуществления способа электронно-лучевая установка содержит пушку, систему отклонения луча вдоль (ось Х) и поперек (ось Y) направления сварки, систему управления током фокусирующей линзы и систему управления током луча с источниками питания. Исполнительными механизмами помещения луча вдоль и поперек направления сварки служат катушки отклоняющей системы. Поступательное перемещение электронного луча по изделию в направлении сварки осуществляется перемещением стола в вакуумной камере в противоположном направлении.

Способ осуществляют следующим образом.

На катушки отклоняющей системы подают токи I_x, I_x', I_y, I_y'. Ток I_x системы отклонения луча вдоль направления сварки может изменяться по закону пилообразных колебаний с формой кривой в виде симметричных треугольников (фиг. 1) или по закону колоколообразных колебаний (фиг. 2). На эти колебания дополнительно накладывают прямоугольные импульсы тока I_x' положительной (фиг. 1) или отрицательной (фиг. 2) полярности с частотой их следования, меньшей частоты колебаний тока I_y отклонения луча поперек направления сварки в целое число n раз (n > 1), и с длительностью импульса τ_и, отношение которой к периоду I_y колебаний тока отклонения луча поперек направления сварки I_y кратно целому числу m (m≅ n 1).

На фиг. 1 частота следования импульсов тока I_x' в два раза меньше частоты колебаний тока I_y (т.е. n 2), а отношение τ_и/T_y равно единице (m 1). Импульсы тока I_x' положительного значения с амплитудой I_xт' (фиг. 1) отклоняют электронный луч в положительном направлении оси Х на величину А_хт' (фиг. 3), а амплитуды колебаний токов I_хт, I_yт и I_yт' увеличиваются в 3, 2 и 2 раза соответственно. В результате на поверхности изделия (фиг. 3) создается на период времени τ_и второе пятно нагрева размерами А_хт, А_yт', А_yт'', которое следует за сварочным пятном нагрева и выполняет последующую местную термическую обработку сварного шва. Сварное пятно нагрева с размерами А_х, А_y', A_y'' образуется в период паузы между импульсами тока I_хт'.

Отклонение луча вдоль оси Х (вдоль направления сварки) на величины А_х, А_хт, А_хт' (фиг. 3) обеспечиваются током отклоняющей системы I_x'' (фиг. 1), колебания которого определяются наложением импульсов тока I_x' на колебания тока I_x.

Отклонение луча вдоль оси Y (поперек направления сварки) на величину А_y', A_y'', A_yт' и А_yт'' обеспечивается током отклоняющей системы I_y'', колебания которого определяются наложением I_y' на I_y.

Для изменения удельного теплового потока по длине полос периодически изменяют ток фокусирующей системы I_ф и ток луча I_л (фиг. 1).

Для рассмотренного на фиг. 1, 3 случая отношение частот колебаний токов I_x' и I_y равно 2 (n 2) и отношение τ_и/T_y равно (m 1).

Распределение эффективной мощности электронного луча между сварочным пятном нагрева (с параметрами А_х, А_y'. А_y'') и пятном местной термической обработки (с параметрами А_хт, А_yт', A_yт''), определяемое выражением

1 при n 2 и m 1 равно q_с/g_n 1, т.е. эффективная мощность распределяется поровну между источниками нагрева.

При равной эффективной мощности, выделяющейся в том и другом пятне нагрева, среднее значение удельного теплового потока в пятне местной термической обработки должно быть меньше среднего значения удельного теплового потока в сварочном пятне нагрева.

Среднее значение удельного теплового потока в сварочном пятне определяется отношением
q_с.ср=

где S_c площадь пятна нагрева с параметрами А_х, А_y', A_y''.

В пятне сопутствующего подогрева среднее значение удельного теплового потока равно
q_и.ср=

где S_и- площадь пятна нагрева с параметрами А_хт, А_yт', A_yт''.

Уменьшение среднего значения удельного теплового потока в пятне сопутствующего подогрева происходит за счет увеличения площади пятна S_и> S_c.

Условие S_и> S_c обеспечивается за счет увеличения параметров А_хт, А_yт', A_yт'' по сравнению с параметрами А_х, А_y', A_y''.

Для случая, рассмотренного на фиг. 1, 3, это увеличение соответствует увеличению амплитуды токов I_хт, I_yт, I_yт' и I_xт', т.е.

3,

2,

2
Размеры зоны термического влияния, которая подвергается местной термической обработке, всегда больше размеров сварного шва, поэтому должно быть А_хт> А_х, А_yт' > > A_yт'' > A_y''. Кроме того, наиболее равномерный прогрев по толщине сварного соединения поверхностным источником (при сопутствующем подогреве) происходит при увеличении размеров пятна нагрева поверхностного источника.

Для средних толщин сварного соединения значения параметров А_хт, А_yт', A_yт'' могут на порядок (до 10 раз) превосходить ширину сварного шва. Дальнейшее увеличение размеров зон нагрева за счет увеличения амплитуды колебаний тока отклонения луча вдоль и поперек направления сварки нецелесообразно из-за снижения качества и производительности обработки, для больших толщин сварного соединения возможна обработка с двух противоположных сторон стыка.

Для предварительного подогрева зоны соединения на фиг. 2 4 рассмотрен случай соотношения частот колебаний токов I_x' и I_y равного трем (n 3), и отношение τ_и/I_y равного 1 (m 1). При этом импульсы тока I_x' имеют отрицательные значения с амплитудой I_xn' (фиг. 2). При наложении таких импульсов тока I_x' на ток отклоняющей системы I_x электронный луч отклоняется в отрицательном направлении оси Х на величину А_xn', в результате чего на поверхности изделия создается на период действия импульса τ_и второе пятно нагрева размерами А_хп, А_yn', A_yn'' (фиг. 4) которое находится впереди сварочного пятна нагрева и осуществляет предварительный местный подогрев свариваемых кромок изделия. Амплитуды токов I_xn, I_yn, I_yn' увеличиваются в 2, 3, 2 раза соответственно в течение периода времени τ_и. Распределение эффективной мощности электронного луча в этом случае определяется отношением g_c/g_n 2.

Совместные последующие и предварительные подогревы зон соединения достигаются периодическим изменением полярности и длительности периода прямоугольных импульсов тока I_x (фиг. 5). При этом электронный луч периодически отклоняется в положительном и отрицательном направлениях оси Х с амплитудами А_хт' и А_хn' (фиг. 6). В периоды этих отклонений на поверхности изделия создаются два пятна нагрева: при положительной полярности тока I_x' с амплитудой I_хт' пятно нагрева источника местной термической обработки с параметрами А_хт, А_yт', A_yт'', следующее за сварочным источником, при отрицательной полярности тока I_x' с амплитудой I_xт' пятно нагрева источника предварительного местного подогрева с параметрами А_хn, A_yn'', A_yn'', расположенное впереди сварочного источника. Пятно нагрева сварочного источника с параметрами А_х, А_y', A_y'' создается во время пауз между импульсами тока I_x'. Частота прямоугольных импульсов тока I_x' (фиг. 5) при положительной полярности с амплитудой I_хт' в 3 раза меньше частоты тока I_y (n_т 3), а длительность импульса τ_ит равна периоду тока I_y (m_т 1). Частота прямоугольных импульсов тока I_x' при отрицательной полярности с амплитудой I_xn' в 4 раза меньше частоты тока I_y (n_n 4), а длительность импульса τ_ип в 3 раза больше периода тока I_y (m_n 3).

Распределение эффективной мощности электронного луча в этом случае периодического изменения полярности тока I_x' и длительности его периода, определяемое соотношением
q_к q_ит q_ип (n_т m_т + n_n m_n) m _т m_п, при n_т 3, m_т 1, n_п 4, m_п 3, равно
q_c q_ит q_ип 3 1 3. где q_c суммарная эффективная мощность воздействия луча в период двух пауз между импульсами токов I_хт', I_xn' разной полярности;
q_ит эффективная мощность воздействия электронного луча во время действия прямоугольного импульса положительной полярности;
q_ип эффективная мощность воздействия луча во время действия прямоугольного импульса отрицательной полярности; через n_т, m_т выражается частота и длительность прямоугольных импульсов положительной полярности, через n_п, m_п частота и длительность импульсов отрицательной полярности.

Кроме того, для создания разных по форме пятен предварительного и последующего подогрева изменяют периодически в моменты включения прямоугольных импульсов пилообразные колебания тока отклонения луча вдоль направления сварки на колоколообразные или колоколообразные колебания на пилообразные. Если пилообразные колебания тока I_x, происходящие во время паузы импульсов I_x' в момент включения прямоугольных импульсов изменять на колоколообразные, то формы пятен нагрева имеют вид, изображенный на фиг. 7: при положительной полярности импульсов I_x' фиг. 7,а; при отрицательной полярности импульсов I_x' фиг. 7,б; при периодическом изменении полярности фиг. 7,в.

Если во время пауз между импульсами I_x' происходят колоколообразные колебания тока I_x, то при изменении их на пилообразные в момент включения прямоугольных импульсов формы пятен нагрева имеют вид, изображенный на фиг. 8: при положительной полярности импульсов фиг. 8,а; при отрицательной полярности фиг. 8,б; при периодическом изменении полярности фиг. 8,в.

Если в момент включения прямоугольных импульсов I_x' периодически меняются пилообразные и колоколообразные колебания тока I_x, то форма пятен сопутствующего подогрева периодически изменяется. Примеры изменения формы пятен сопутствующего подогрева при периодически изменяющейся полярности импульсов I_x' представлены на фиг. 6, 9.

П р и м е р. Выполняют электронно-лучевую сварку пластин из трудносвариваемой стали толщиной 3 мм. Режим сварки с последующей местной термической обработкой: I_л= 110 мА, U 19 кВ, V_св 1 см/c. На ток отклонения электронного луча вдоль направления сварки накладывают прямоугольные импульсы тока с частотой n 11 раз, меньшей частоты колебаний тока отклонения луча поперек направления сварки. При этом отношение длительности импульса к периоду колебаний тока отклонения луча поперек направления сварки составляет m 2. Амплитуду колебаний токов I_хт, I_yт и I_yт' увеличивают так, чтобы обеспечить размеры второго пятна нагрева (сопутствующего подогрева) равными А_хт 10 мм, А_хт'' 16 мм и А_yт'' 13 мм (см. фиг. 3). Распределение эффективной мощности электронного луча между сварочным пятном нагрева (с параметрами А_х, А_y' и A_y'') и пятном сопутствующего подогрева (с параметрами А_хт, А_yт, А_yт'') определяется соотношением
q_c/q_ит 9/2, что обеспечивает оптимальное распределение эффективной мощности нагрева в зоне сварки. Это позволяет устранить образование горячих трещин в зоне соединения.

По сравнению с известным предложенный способ за счет дополнительных источников предварительного и последующего местного подогрева с оптимальной формой пятна нагрева и с оптимальным распределением удельного теплового потока в пятне нагрева позволяет улучшить служебные свойства и технологическую прочность сварных соединений, повысить их работоспособность и надежность.

Claims

1. Способ электронно-лучевой сварки по авт. св. N 1311113, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварного соединения путем расширения пределов регулирования скорости нагрева и охлаждения зоны шва в процессе сварки, на ток отклонения электронного луча вдоль направления сварки накладывают прямоугольные импульсы тока с частотой, меньшей частоты колебаний тока отклонения луча поперек направления сварки в n раз, где n=2,3,4. и отношением длительности импульса к периоду колебаний тока отклонения луча поперек направления сварки, кратным m, где m ≅ n-1, а амплитуду колебаний тока отклонения луча вдоль и поперек направления сварки увеличивают в 2 10 раз, при этом полярность, амплитуду и длительность прямоугольных импульсов тока отклонения изменяют периодически.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что во время подачи прямоугольных импульсов тока закон колебания тока отклонения луча вдоль направления сварки изменяют периодически.