RU1665615C - Способ электронно-лучевой сварки разнородных металлов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к сварке плавлением. Цель изобретения - повышение качества сварки разнородных металлов путем управления распределением удельного теплового потока на кромках стыка. Для управления распределением мощности электронного луча на каждой кромке свариваемого стыка кроме отклонения электронного луча прямоугольными импульсами с частотой f электронный луч дополнительно отклоняют вдоль и поперек направления сварки синхронно и периодически с частотой f изменением параметров отклоняющих импульсов. В результате колебаний электронного луча одновременно вдоль и поперек направления сварки его мощность распределяется в двух источниках нагрева. Пятно нагрева каждого источника формируется в виде полос O′A и O″B криволинейной формы. Параметры A $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(}}{\text{x}}$ ¹⁾ A $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(}}{\text{y}}$ ¹⁾, α₁, A $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(}}{\text{x}}$ ²⁾, A $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(}}{\text{y}}$ ²⁾ и α₂ определяют размеры полос и их расположение по отношению к стыку. Способ обеспечивает распределение мощности на кромках свариваемых изделий в соответствующем соотношении и с заданным удельным тепловым потоком в каждом пятне нагрева, что позволяет сваривать разнотолщинные кромки. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Изобретение относится к сварке плавлением.

Целью изобретения является повышение качества сварки разнородных металлов путем управления распределением удельного теплового потока на кромках стыка.

На фиг. 1 изображены прямоугольные импульсы тока I_х ^′ и пилообразные колебания токов I_х и I_y отклоняющей системы с синхронным и периодическим уменьшением амплитуд колебаний токов I_x и I_y отклоняющей системы; на фиг.2 - форма пятен нагрева, которая создается на поверхности изделия при сложении колебаний; на фиг. 3 - колебания токов I_x ^′, I_x и I_y с синхронным и периодическим уменьшением длительности периодов колебаний токов отклоняющей системы; на фиг.4 - форма пятен нагрева на поверхности изделия в результате такого уменьшения; на фиг.5 - колебания токов I_х ^′, I_k и I_y отклоняющей системы с синхронным и периодическим уменьшением амплитуд и периодов колебаний токов; на фиг. 6 - форма пятен нагрева на кромках стыка изделия при таком варианте колебания токов отклоняющей системы; на фиг.7 - прямоугольные импульсы токов I_x′, I_y′ и колебания токов I_x", I_y" , определяющих отклонение электронного луча; на фиг. 8 - результирующая форма пятен нагрева на поверхности изделия в результате отклонения электронного луча в соответствии с изменениями токов I_х" и I_y" ; на фиг.9 - построение заданного распределения температуры в сечении х = h.

Способ электронно-лучевой сварки разнородных металлов заключается в отклонении электронного луча импульсами тока отклоняющей системы прямоугольной формы с частотой f и распределении таким образом его мощности в двух пятнах нагрева, располагающихся один за другим вдоль стыка на разных кромках сварного соединения. При этом дополнительно отклоняют электронный луч вдоль направления сварки пилообразными и(или) синусоидальными колебаниями тока I_х отклоняющей системы с частотой 2f и поперек направления сварки колебаниями тока I_y отклоняющей системы с частотой f, при этом изменяют синхронно и периодически с частотой f амплитуды колебаний тока I_x в n раз, I_y - в m раз и длительность периодов колебаний тока I_х, соответствующих полупериодов колебаний тока I_y и прямоугольных импульсов в k раз, где n, m, k - любые целые и дробные числа больше нуля.

Способ осуществляется следующим образом. На катушки отклоняющей системы подают прямоугольные импульсы тока I_х ^′ с частотой f (фиг.1), в результате воздействия которых электронный луч отклоняется вдоль направления сварки, на поверхности изделия образуются два пятна нагрева в точках 0 и 0^′, расположенные один за другим (см. фиг.2). На прямоугольные импульсы тока I_х ^′ дополнительно накладывают колебания токов I_х и I_y отклоняющей системы (см. фиг. 1). Частота колебаний тока I_хравна удвоенной частоте f следования прямоугольных импульсов, а частота колебаний тока I_y ^′ равна частоте f. Амплитуду колебаний тока I_хотклоняющей системы периодически с частотой f уменьшают в два раза (n = 2), а амплитуду колебаний тока I_y периодически с той же частотой уменьшают в 1,5 раза синхронно с изменением амплитуды колебаний тока I_x(m = 1,5). Отношения амплитуд колебаний определяются выражениями
n =

, m =

В результате сложения колебаний токов I_x ^′, I_x и I_y отклоняющей системы на поверхности изделия образуются два источника с пятнами нагрева в виде полос О^′А и ОВ (см. фиг.2).

При неизменных, равных между собой периодах Т_х колебаний тока I_x и при равных полупериодах Т_у/2 колебаний тока I_y и прямоугольных импульсов мощность электронного луча распределяется поровну между источниками О^′А и ОВ, т. е. Q₁ = Q₂. Отношение удельных тепловых потоков источников О^′А с мощностью Q₁ и ОВ с мощноcтью Q₂ определяется выражением

=

где q₁ - удельный тепловой поток источника О^′А;
q₂ - удельный тепловой поток источника ОВ.

При периодическом изменении длительности периодов Т_х колебаний тока I_x (и соответственно полупериодов колебаний тока I_y и прямоугольных импульсов) пропорционально изменяется соотношение мощностей источников. На фиг.3 - показаны колебания токов I_x, I_y с постоянными амплитудами, но с периодическим и синхронным изменением периодов колебаний тока I_x, I_y(k = 1,5). Отношение мощностей источников определяется выражением
k =

=

В случае постоянных значений амплитуд колебаний токов I_x и I_yотклоняющей системы получают О^′А = ОВ (см. фиг.4), а отношение удельных тепловых потоков в этом случае определяется выражением
k =

На фиг. 5 изображены колебания токов I_x ^′, I_x, I_y с периодическим изменением амплитуд, периодов и полупериодов (n = 2, m = 1,5, k = 1,5), а на фиг.6 - получаемое при этом расположение источников О^′А и ОВ на поверхности изделия. Отношение удельных тепловых потоков в случае изменения амплитуд и периодов колебания определяется выражением

=

В этом выражении отношение удельных тепловых потоков зависит от изменения управляющих коэффициентов n, m, k при заданных значениях амплитуд I_x ⁽¹⁾ и I_y ⁽¹⁾.

В данном способе кроме изменения соотношения мощностей Q₁/Q₂ и удельных тепловых потоков q₁/q₂ можно управлять распределением теплового потока каждого источника по поверхности. Это осуществляется путем регулирования длины полос источников О^′А, ОВ и угла их наклона к стыку сварного соединения согласно следующим выражениям:

=

tgα₁=

, tgα₂=

tgα₁
Задавая значения I_x ⁽¹⁾, I_y ⁽¹⁾, n, m, k, можно найти соотношения Q₁/Q₂, q₁/q₂, О′А/ОВ, α₁, и α₂. Возможна и обратная операция - через заданные Q₁/Q₂, q₁/q₂, О^′А/ОВ, α₁ и α₂ можно определить I_x ⁽¹⁾, I_y ⁽¹⁾, n, m, k.

Для случая, отображенного на фиг.1 и 2 при I_x ⁽¹⁾ = I_y ⁽¹⁾, получают k = 1, n = 2, m = 1,5, Q₁ = Q₂;

₌

_{= 2,5}

α₂= arctg

= arctg 1,33
Для того, чтобы расположить источники нагрева один за другим на разных кромках сварного соединения вдоль стыка, необходимо отклонять электронный луч не только вдоль, но и поперек направления сварки прямоугольными импульсами токов I_x ^′, I_y ^′, графики изменения которых изображены на фиг.7. В результате наложения колебаний токов I_x ^′, I_y ^′одинаковой частоты f источники окажутся расположенными в точках О^′, O^″системы координат Оxy, перемещающейся вдоль стыка со скоростью v (см. фиг.8), а взаимное положение источников определяется расстояниями А_х ^′, А_y ^′. Величины А_х ^′ и А_y ^′ можно регулировать, изменяя амплитуды колебаний токов I_x ^′, I_y ^′ отклоняющей системы.

Для управления распределением мощности электронного луча на каждой кромке сварного стыка кроме пилообразных колебаний тока I_х для отклонения луча вдоль направления сварки можно использовать разные виды колебаний тока I_x с частотой, вдвое превышающей частоты f прямоугольных импульсов. Например, ток I_х можно изменять в виде импульсов синусоидальной формы, изображенных на фиг.7. Результирующие колебания луча вдоль направления сварки определяются колебаниями тока I_x" отклоняющей системы.

Изменение тока I_x" определяется суммой I_x ^′ + I_х, соответственно изменение тока I_y" определяется суммой I_y ^′ + I_y.

В результате отклонения луча одновременно вдоль направления сварки согласно изменению тока I_х" и поперек направления сварки согласно изменению тока I_y" пятно нагрева каждого источника будет формироваться в виде полос О^′А и О^″ В криволинейной формы (см. фиг.8).

Параметрами А_х ⁽¹⁾, А_y ⁽¹⁾, α₁ и A_x ⁽²⁾, A_y ⁽²⁾ α₂ определяют размеры полос и их расположение по отношению к стыку. В примере, изображенном на фиг.7 и 8, управляющие коэффициенты k, n, m имеют следующие значения: k =

, n =

, m =

Величины n, m, k определяются из условия распределения тепловложения между нагревом кромок источниками Q₁ и Q₂, из отношения удельных тепловых потоков q₁, q₂ источников, из отношения углов α₁, α₂их наклона к оси стыка. Эти величины для каждого конкретного сочетания свариваемых разнородных соединений находят методом математического моделирования с применением ЭВМ обратных тепловых задач процесса сварки.

Расчетная методика формирования источника нагрева, использованная при разработке способа сварки разнородных материалов, построена на модели обратной задачи теплопроводности при квазистационарном состоянии теплового процесса сварки. При постановке обратной задачи теплопроводности температура процесса сварки является исходной величиной, и распределение температуры задают перед решением задачи с учетом требований качества сварного соединения и особенностей процесса сварки. Один из примеров построения заданного распределения тем-пературы в сечении х = h, проходящем через хвостовую часть пятна нагрева, изображен на фиг.9. Т_1m ^′, T_2m ^′ - заданные максимальные температуры нагрева в зоне сварки (y₁, y₂) для материалов пластин 1 и 2 соответственно (в общем случае распределение температур может быть неравномерным и непрерывным). В зоне термического влияния y∈(0,y₁)U(y₂,l) задано плавное распределение температур с необходимыми градиентами.

Решением обратной задачи определяют удельные тепловые потоки источников q₁, q₂.

q₁(x,y) =

q

+

q

sign

(x,y,h) при y <

q₂(x,y) =

q

+

q

sign

(x,y,h) при y >

где Ψ_n=

· e

e

- e

cosμ_ny
k_n=

k

=

-

k

=

+

μ_n = πn/l;
v - скорость сварки;
а - коэффициент температуропроводности (при подстановке а₁ или а₂получают соответственно Ψ_1n или Ψ_2n).

Числа γ_1n, γ_2n(n = 0,1,...,р) вычисляются на ЭВМ по специально разработанной программе при минимизации кри- терия качества (сглаживающего функционала) с использованием методов оптимизации.

Функция под знаком sign( Σγ_n Ψ_n) определяет размеры, форму пятна нагрева, мощность источников, их взаимное распо- ложение вдоль стыка и наклон относительно стыка. Поиск оптимального источника уточняется прямыми методами решения (методом сеток) с учетом нелинейности а(Т).

При заданных значениях Q₁, Q₂, q₁, q₂, α₁, α₂ и отношении I_y/I_x = tgα ₁ три неизвестных n, m, k определяются из уравнений
k =

=

=

Значения n, m, k больше единицы, если предполагать, что Q₁ > Q_2, O′A > ОВ. Величины n, m, k могут быть меньше единицы (но всегда больше нуля), если не учитывать указанные выше предположения. В этом случае амплитуды колебаний токов I_x, I_y отклоняющей системы, а также длительность полупериодов колебаний тока I_y и прямо- угольных импульсов синхронно и периодически увеличиваются.

Способ электронно-лучевой сварки разнородных металлов был использован при электронно-лучевой сварке встык пластин из титана и ванадия толщиной 1,2 и 1,5 мм.

Режим сварки: U_yск = 30 кВ; I_св = 50 мА; v_св = 13 мм/с; Q₁/Q₂ = 3/2; q₁/q₂ = 1; О^′А/ОВ = 3/2, α₁= 60^о, α₂ = 45^о.

Из данных соотношений определялись I $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(}}{\text{x}}$ ¹⁾=

I $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(}}{\text{y}}$ ¹⁾; n = 2,4; m = 1,6 и k = 1,5.

Сварка пластин из титана и ванадия выполнялась на установке с агрегатом ЭЛА-50/5М и подключенным блоком развертки электронного луча.

Результаты механических и металлографических испытаний сварных образцов подтверждают эффективность использования управления распределением мощности электронного луча. По сравнению с известными способами сварки без управления распределением мощности в пятне нагрева каждого источника сварка по данному способу обеспечивает улучшение механических свойств и повышение качества сварного соединения.

Способ обеспечивает оптимальное распределение эффективной мощности источников нагрева на поверхности свариваемых изделий из разнородных металлов, это позволяет получать качественные сварные соединения.

Управление распределением мощности и удельного теплового потока в пятне нагрева каждого источника на кромках стыка позволяет сваривать соединения разнородных металлов при разной толщине свариваемых кромок.

Claims (2)

1. СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ, при котором осуществляют распределение мощности электронного пучка в двух пятнах нагрева, расположенных один за другим на разных кромках свариваемого изделия вдоль стыка, отклоняя электронный луч прямоугольными импульсами тока отклоняющей системы с частотой f, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварки разнородных металлов путем управления распределением удельного теплового потока на кромках стыка, электронный луч дополнительно отклоняют вдоль направления сварки колебаниями тока отклоняющей системы с частотой 2f, поперек направления сварки - колебаниями тока отклоняющей системы с частотой f, при этом изменяют синхронно и периодически с частотой f амплитуды колебаний тока отклоняющей системы луча вдоль направления сварки и поперек направления сварки, а также длительность периодов колебаний тока отклоняющей системы луча вдоль направления сварки, соответствующих полупериодов колебаний тока отклоняющей системы луча поперек направления сварки и прямоугольных импульсов тока отклоняющей системы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отклонение электронного луча осуществляют пилообразными и (или) синусоидальными колебаниями тока отклоняющей системы.

Images