RU2057627C1

RU2057627C1 - Method of electron beam welding

Info

Publication number: RU2057627C1
Authority: RU
Inventors: В.М. Язовских; В.Я. Беленький; Н.В. Кабаев; Д.В. Руднев
Original assignee: Пермский государственный технический университет
Priority date: 1992-06-08
Filing date: 1992-06-08
Publication date: 1996-04-10

Abstract

FIELD: electron beam welding equipment. SUBSTANCE: method of electron beam welding comprises steps of performing a pulse width modulation of electron beam power, being extracted in a welding zone, with a frequency of modulation, being selected in accordance with a maximum oscillation frequency of alternative component of a current in an electric circuit of an article; realizing the modulation of the power, being extracted in the welding zone, by periodical deflection of the electron beam from the welding zone to a range of a welding bath, being solidified, in such a way, that the electron beam is being unfocused at deflection over a time period of its deflected state, sustaining a diameter of a spot of heating upon unfocusing of the beam, being equal to a width of a welded seam on a surface of a metal. EFFECT: elimination of notches of the welded seam and provision of predetermined mechanical properties of welded joints due to controlling input of power of the electron beam to the metal, being welded. 1 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке и может быть использовано при электронно-лучевой сварке деталей ответственного назначения. The invention relates to electron beam welding and can be used in electron beam welding of critical parts.

Наиболее близким к предлагаемому является способ электронно-лучевой сварки, при котором осуществляют широтно-импульсную модуляцию электронного пучка, а необходимую частоту модуляции тока электронного пучка выбирают соответствующей максимальной частоте колебаний переменной компоненты тока в электроцепи изделия, которую выявляют при острой фокусировке стационарного пучка [1] Недостатком способа является образование подреза на поверхности сварного шва, что снижает эксплуатационные свойства сварных соединений. Кроме того, при использовании известного способа в процессе сварки термоупрочняемых материалов в ряде случаев возможно получение неблагоприятной микроструктуры сварных соединений, не обеспечивающей требуемых механических свойств. Closest to the proposed is a method of electron beam welding, in which pulse-width modulation of the electron beam is carried out, and the necessary frequency of modulation of the electron beam current is selected corresponding to the maximum oscillation frequency of the variable current component in the product’s circuit, which is detected by sharp focusing of a stationary beam [1] The disadvantage of this method is the formation of an undercut on the surface of the weld, which reduces the operational properties of welded joints. In addition, when using the known method in the welding process of heat-strengthened materials, in some cases it is possible to obtain an unfavorable microstructure of welded joints that does not provide the required mechanical properties.

Задача изобретения устранение подрезов в сварном шве и получение заданных механических свойств сварного соединения за счет управления вводом мощности электронного пучка в свариваемый металл. The objective of the invention is the elimination of undercuts in the weld and obtaining the specified mechanical properties of the welded joint by controlling the input power of the electron beam into the welded metal.

Это достигается тем, что в процессе электронно-лучевой сварки с широтно-импульсной модуляцией мощности электронного пучка, выделяемой в зоне сварки, частоту которой выбирают соответствующей максимальной частоте колебаний переменной компоненты тока в электроцепи изделия, модуляцию мощности электронного пучка, выделяемой в зоне сварки, осуществляют путем периодического отклонения электронного пучка из зоны сварки в область кристаллизующейся сварочной ванны. При этом в процессе отклонения электронного пучка осуществляют его дефокусировку в течение времени нахождения пучка в отклоненном состоянии, а диаметр пятна нагрева при дефокусировке пучка поддерживают равным ширине сварного шва на поверхности металла. This is achieved by the fact that in the process of electron beam welding with pulse-width modulation of the power of the electron beam allocated in the welding zone, the frequency of which is selected corresponding to the maximum oscillation frequency of the variable current component in the circuit of the product, the modulation of the power of the electron beam released in the welding zone is carried out by periodically deflecting the electron beam from the weld zone to the area of the crystallizing weld pool. Moreover, in the process of deflection of the electron beam, it is defocused during the time the beam is in the deflected state, and the diameter of the heating spot during defocusing of the beam is maintained equal to the width of the weld on the metal surface.

Отличительными признаками предлагаемого способа, по сравнению с прототипом, является то, что модуляцию мощности электронного пучка, выделяемой в зоне сварки, осуществляют путем периодического отклонения электронного пучка из зоны сварки в область кристаллизующейся сварочной ванны, причем в процессе отклонения электронного пучка осуществляют его дефокусировку в течение времени нахождения пучка в отклоненном состоянии, а диаметр пятна нагрева при дефокусировке пучка поддерживают равным ширине сварного шва на поверхности металла. При этом ввиду того, что в процессе сварки дефокусированный пучок в течение некоторого времени периодически воздействует на поверхностную часть сварного шва в области кристаллизующейся сварочной ванны, происходит дополнительное расплавление формирующегося наружного валика шва, что обеспечивает отсутствие подрезов на поверхности сварного шва. Кроме того, дополнительное термическое воздействие отклоненного дефокусированного пучка на металл в области кристаллизующейся сварочной ванны обуславливает уменьшение скорости охлаждения металла, что в свою очередь позволяет получить оптимальную микроструктуру металла сварного соединения с улучшенными значениями механических характеристик. Distinctive features of the proposed method, in comparison with the prototype, is that the modulation of the power of the electron beam released in the welding zone is carried out by periodically deviating the electron beam from the welding zone to the region of the crystallized weld pool, and during the deflection of the electron beam, it is defocused for the time spent by the beam in the deflected state, and the diameter of the heating spot during defocusing of the beam is maintained equal to the width of the weld on the metal surface. Moreover, due to the fact that during the welding process, a defocused beam periodically acts on the surface of the weld in the area of the crystallizing weld pool for some time, the molten outer weld bead is further melted, which ensures that there are no undercuts on the surface of the weld. In addition, the additional thermal effect of the deflected defocused beam on the metal in the area of the crystallizing weld pool leads to a decrease in the cooling rate of the metal, which in turn allows to obtain the optimal microstructure of the weld metal with improved values of the mechanical characteristics.

Периодическое отклонение электронного пучка в направлении, противоположном направлению скорости сварки, широко применяется, как один из технологических приемов электронно-лучевой сварки (Назаренко О. К. Кайдалов А. А. Ковбасенко С. Н. и др. Электронно-лучевая сварка/ Под ред. Б. Е. Патона. Киев: Наукова думка, 1987, 256 с.). Однако новым в предлагаемом способе является то, что периодическое отклонение электронного пучка совмещают по времени с дефокусировкой пучка, причем диаметр пятна нагрева при дефокусировке поддерживают равным ширине сварного шва на поверхности металла. Новым результатом при этом является устранение подрезов на поверхности сварного шва и улучшение микроструктуры металла сварного соединения с возможностью получения требуемых механических свойств. Periodic deviation of the electron beam in the direction opposite to the direction of the welding speed is widely used as one of the technological methods of electron beam welding (Nazarenko OK K. Kaydalov A. A. Kovbasenko S. N. et al. Electron beam welding / Ed. B.E. Paton, Kiev: Naukova Dumka, 1987, 256 pp.). However, new in the proposed method is that the periodic deviation of the electron beam is combined in time with the defocusing of the beam, and the diameter of the heating spot during defocusing is maintained equal to the width of the weld on the metal surface. The new result is the elimination of undercuts on the surface of the weld and the improvement of the microstructure of the weld metal with the possibility of obtaining the required mechanical properties.

На чертеже приведена структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа. The drawing shows a structural diagram of a device for implementing the proposed method.

Способ осуществляется следующим образом. В процессе сварки генератор 1 прямоугольных импульсов с регулируемой скважностью формирует сигнал, который поступает на входы усилителя 2 тока фокусировки и усилителя 3 тока отклонения электронного пучка. Сигнал с выхода усилителя 2 подается на дефокусирующую катушку 4, а сигнал с выхода усилителя 3 на катушку 5 отклонения электронного пучка вдоль стыка. При этом в моменты, когда сигнал с генератора 1 имеет нулевое значение, токи в деформирующей и отклоняющей катушках отсутствуют, и процесс сварки ведется остросфокусированным вертикально расположенным пучком 7, генерируемым электронно-лучевой пушкой 6, что обуславливает глубокое проплавление металла. The method is as follows. In the process of welding, the generator 1 of rectangular pulses with an adjustable duty cycle generates a signal that is fed to the inputs of the amplifier 2 of the focus current and amplifier 3 of the current deflection of the electron beam. The signal from the output of amplifier 2 is supplied to the defocusing coil 4, and the signal from the output of amplifier 3 to the deflection coil 5 of the electron beam along the junction. At the same time, when the signal from the generator 1 has a zero value, there are no currents in the deforming and deflecting coils, and the welding process is carried out by a highly focused vertically located beam 7 generated by an electron beam gun 6, which causes deep penetration of the metal.

В моменты, когда сигнал с генератора 1 имеет амплитудное значение, на дефокусирующую катушку 4 подается ток дефокусировки, значение которого задается усилителем 2 и обеспечивает увеличение диаметра пятна нагрева на поверхности металла до размера, соответствующего ширине поверхностного валика сварного шва 8. Одновременно на отклоняющую катушку 5 поступает ток отклонения, значение которого задается усилителем 3 и обеспечивает отклонение электронного пучка из зоны сварки в область кристаллизующейся сварочной ванны. При этом реализуется режим поверхностного расплавления металла и происходит переплавление поверхностного валика сварного шва, сформированного в процессе глубокого проплавления металла острофокусированным электронным пучком, что обеспечивает устранение подрезков в наружной части сварного шва и дополнительное термическое воздействие на шов, улучшающее микроструктуру сварного соединения. Соотношение времени нахождения электронного пучка в остросфокусированном вертикальном положении 7 и времени нахождения пучка в дефокусированном отклоненном состоянии 9 определяется значением скважности прямоугольных импульсов на выходе генератора 1, и устанавливается в соответствии с требованиями к сварному соединению свариваемого изделия 10. At times when the signal from the generator 1 has an amplitude value, a defocusing current is applied to the defocusing coil 4, the value of which is set by the amplifier 2 and provides an increase in the diameter of the heating spot on the metal surface to a size corresponding to the width of the surface roller of the weld 8. At the same time, to the deflecting coil 5 a deflection current arrives, the value of which is set by the amplifier 3 and ensures the deviation of the electron beam from the welding zone to the area of the crystallized weld pool. In this case, the surface melting mode of the metal is realized and the surface weld bead is remelted, which is formed during the deep penetration of the metal by an electronically focused beam, which eliminates undercutting in the outer part of the weld and additional thermal effect on the weld, which improves the microstructure of the welded joint. The ratio of the time spent by the electron beam in a sharply focused vertical position 7 and the time spent by the beam in the defocused deflected state 9 is determined by the duty cycle of the rectangular pulses at the output of the generator 1, and is set in accordance with the requirements for the welded joint of the item being welded 10.

Опробование способа осуществляли при электронно-лучевой сварке деталей из стали 35Х на установке ЭЛУ-5 с энергетическим агрегатом У-250А. Параметры сварочного режима были следующими: ускоряющее напряжение 28 кВ, ток электронного пучка 195 мА, скорость сварки 4,4 мм/с, ток фокусирующей линзы при "острой" фокусировке пучка, обеспечивающей максимальную глубину проплавления, 71,5 мА. Для динамического воздействия на положение и диаметр электронного пучка использовались дополнительные малоиндуктивные низкоомные катушки отклонения и дефокусировки пучка, установленные на торце электронно-лучевой пушки. В качестве усилителей использовались усилители мощности У7-3, а в качестве генератора импульсов генератор Г5-54. Частоту модуляции мощности, выделяемой в зоне сварки, выбирали в соответствии с максимальной частотой колебательных газодинамических процессов в канале проплавления, которая определялась из спектра колебаний тока в цепи свариваемого изделия и составляла около 450 Гц. Соотношение времени нахождения электронного пучка в отклоненном дефокусированном состоянии к общему циклу периодического воздействия на пучок составляло 0,3. The testing of the method was carried out by electron beam welding of parts made of steel 35X on the installation of ELU-5 with a power unit U-250A. The welding parameters were as follows: accelerating voltage of 28 kV, electron beam current of 195 mA, welding speed of 4.4 mm / s, focusing lens current with "sharp" beam focusing, providing a maximum penetration depth, 71.5 mA. To dynamically affect the position and diameter of the electron beam, additional low-inductance low-resistance beam deflection and defocusing coils mounted at the end of the electron-beam gun were used. U7-3 power amplifiers were used as amplifiers, and the G5-54 generator as a pulse generator. The frequency of modulation of the power released in the welding zone was selected in accordance with the maximum frequency of the oscillatory gas-dynamic processes in the penetration channel, which was determined from the spectrum of current oscillations in the circuit of the item being welded and was about 450 Hz. The ratio of the time spent by the electron beam in the deflected defocused state to the total cycle of the periodic action on the beam was 0.3.

Анализ продольных макрошлифов сварных швов, выполненных по предлагаемому способу на вышеуказанных режимах, в также швов, полученных при электронно-лучевой сварке стационарным пучком и импульсной сварке с частотой импульсов 450 Гц и отношением длительности паузы к периоду колебаний 0,3, показал следующее: при электронно-лучевой сварке стационарным пучком отношение средней величины перепадов глубины проплавления к среднему значению глубины проплавления составило величину h=0,17. При импульсной сварке данное соотношение составило h=0,07, а при сварке по предлагаемому способу при h=0,06. В то же время электронно-лучевой сварке стационарным пучком на наружной поверхности шва имели место подрезы, которые еще более интенсивно проявлялись при импульсной сварке. Сварные швы, полученные при использовании предлагаемого способа, имели гладкий наружный валик с полным отсутствием подрезов. Значения ударной вязкости (KCU) металла сварного шва для случаев сварки стационарным электронным пучком, импульсной сварки и сварки по предлагаемому способу приведены в таблице. Analysis of longitudinal macro sections of welds made by the proposed method in the above modes, as well as welds obtained by electron beam welding with a stationary beam and pulsed welding with a pulse frequency of 450 Hz and a ratio of pause duration to the oscillation period of 0.3, showed the following: when electronically In beam welding with a stationary beam, the ratio of the average value of the drops in the penetration depth to the average value of the penetration depth was h = 0.17. When pulsed welding, this ratio was h = 0.07, and when welding by the proposed method with h = 0.06. At the same time, electron-beam welding by a stationary beam on the outer surface of the weld had undercuts, which were even more intense during pulsed welding. Welds obtained using the proposed method had a smooth outer roller with a complete absence of undercuts. The values of impact strength (KCU) of the weld metal for welding with a stationary electron beam, pulsed welding and welding by the proposed method are shown in the table.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет существенно повысить качество сварных соединений, устранить подрезы и получить требуемые механические свойства металла сварного соединения. Thus, the proposed method can significantly improve the quality of welded joints, eliminate undercuts and obtain the required mechanical properties of the welded metal.

Технико-экономический эффект от использования изобретения определяется возможностью улучшения свойств сварных соединений за счет отсутствия подрезов и получения заданных механических свойств сварного соединения при стабильном формировании корневой части сварного шва и в каждом конкретном случае зависит от особенностей конструкции свариваемого изделия и стоимости его материала. The technical and economic effect of the use of the invention is determined by the possibility of improving the properties of welded joints due to the absence of undercuts and obtaining the specified mechanical properties of the welded joint with stable formation of the root part of the weld and in each case depends on the design features of the welded product and the cost of its material.

Claims

METHOD OF ELECTRON BEAM WELDING with a sharply focused beam, in which pulse-width modulation of the electron beam is carried out, the frequency of which is selected according to the maximum oscillation frequency of the alternating current component in the electrical circuit of the product, characterized in that they modulate the power released in the zone of the weld pool, periodically deflecting the electron beam from zone of the weld pool in the area of crystallized weld pool, while in the process of deflection of the electron beam carry out its defocusing for the time spent by the beam in the deflected state, and the diameter of the heating spot during beam defocusing is maintained equal to the width of the weld on the metal surface.