RU2067516C1

RU2067516C1 - Method for electron-beam welding of monocrystallyne pipes from refractory metals and alloys

Info

Publication number: RU2067516C1
Authority: RU
Inventors: Е.М. Годжиева; В.П. Качкин; Б.Ш. Кишмахов; А.В. Коробов; В.С. Кузнецов; А.И. Мелешков; Ю.В. Николаев; А.А. Ястребков
Priority date: 1992-05-19
Filing date: 1992-05-19
Publication date: 1996-10-10

Abstract

FIELD: manufacture of welded tubes from single crystals, particular, for units of thermal emission converters. SUBSTANCE: monocrystalline pipes from refractory metal and alloys prior to electron-beam welding are joined to each other with application of axial and radial forces and joint is oriented crystallographically. Passivation is accomplished with balancing of heat removal in zone of crystallization and heating of joint with defocussed beam. Welding is conducted under the conditions of welding bath existence for 0.05-0.2 s. After welding, trueing is effected by increasing radial force and simultaneous rotation of pipes and maintaining the temperature of pipe heating not below the plastic flow of material under the applied radial force. EFFECT: increased yield by joint monocrystallinity up to 97-100%. 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении сварных труб из сравнительно массивных монокристаллов металлов и сплавов с пониженной пластичностью, в частности для изготовления узлов термоэмиссионных преобразователей. The invention relates to mechanical engineering and can be used in the manufacture of welded pipes from relatively massive single crystals of metals and alloys with reduced ductility, in particular for the manufacture of units of thermionic converters.

Известна сварка монокристаллов электронным лучом в вакууме, при котором возможно широкое регулирование количества вводимого тепла и формы теплового поля при надежной защите металла от взаимодействия с атмосферой (авт. Н.А. Ольшанский, Ф.В. Шубин, А.К. Какабадзе, Л.И. Серенков в сб. МВТУ "Технология и автоматизация процессов сварки и пайки: М. Машиностроение, 1969 г. с. 86 92 под редакцией Г.А. Николаева). В этой статье получение деталей больших размеров затруднительно, а деталей сложной объемной формы (полуцилиндр, цилиндр и т.д.) с одинаковой кристаллографической ориентировкой поверхности
невозможно. Усовершенствованием вышеназванной разработки было получение сварных соединений типа трубка-трубка из монокристаллического молибдена (см. Ф. В. Шубин, И.Д. Понимаш, Г.Н. Шабалин и др. "Труды Московского энергетического института". 1980 г. N 475, с. 56 61). При сборке монокристаллических трубок их ориентированная стыковка перед электроннолучевой сваркой осуществлялась таким образом, чтобы обеспечить совпадение их кристаллографической ориентации в зоне свариваемого стыка. В технических тугоплавких металлах (например, в молибдене и вольфраме) содержание реальных примесей, таких как О, С, N и др. более чем на десяток порядков превышает пределы растворимости. В молибдене, например, растворимость углерода составляет всего 10^-22-10 ^-23 мас. т.е. свободные примеси, особенно образующие с металлом фазы внедрения, являются активными центрами кристаллизации независимых зерен.Welding of single crystals by an electron beam in a vacuum is known, in which it is possible to widely control the amount of heat introduced and the shape of the heat field with reliable protection of the metal from interaction with the atmosphere (ed. N.A. Olshansky, F.V. Shubin, A.K. Kakabadze, L . I. Serenkov in the collection of MVTU "Technology and automation of welding and soldering processes: M. Mechanical Engineering, 1969, p. 86 92, edited by G. Nikolayev). In this article, obtaining large-sized parts is difficult, and complex volumetric parts forms (half cylinder, cylinder, etc.) with the same crystal surface orientation ograficheskoy
impossible. An improvement of the aforementioned development was the production of tube-to-tube welded joints from monocrystalline molybdenum (see F.V. Shubin, I.D. Ponimash, G.N. Shabalin, etc. "Transactions of the Moscow Power Engineering Institute." 1980 N 475, p. 56 61). When assembling single-crystal tubes, their oriented docking before electron beam welding was carried out in such a way as to ensure the coincidence of their crystallographic orientation in the area of the welded joint. In technical refractory metals (for example, in molybdenum and tungsten), the content of real impurities, such as O, C, N, etc., exceeds the solubility limits by more than ten orders of magnitude. In molybdenum, for example, the solubility of carbon is only 10 ^-22 -10 ^-23 wt. those. free impurities, especially the interstitial phases forming with the metal, are active centers of crystallization of independent grains.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому способу является способ электронно-лучевой сварки, состоящий в том, что в приспособление устанавливают свариваемые монокристаллические трубы из тугоплавких металлов и сплавов. В процессе установки монокристаллические трубы собирают на стяжке, фиксируют конусами и затягивают через пружину гайками, т. е. к ним прикладывают осевое и радиальное усилия. Это приводит к значительным искривлениям трубки и, следовательно, к значительному объему правки на последующих стадиях изготовления, хотя свободная поводка и снижает значительно уровень термических напряжений. The closest in technical essence and the achieved result to the described method is the method of electron beam welding, which consists in the fact that the device is installed weldable single-crystal pipes of refractory metals and alloys. During the installation process, single-crystal pipes are assembled on a screed, fixed with cones and tightened through the spring with nuts, i.e., axial and radial forces are applied to them. This leads to significant curvature of the tube and, consequently, to a significant amount of dressing at subsequent stages of manufacture, although a free leash significantly reduces the level of thermal stresses.

Задачей авторов является разработка такого способа сварки монокристаллических труб, при котором исключается вероятность образования поликристаллической структуры из расплава в процессе кристаллизации сварочной ванны, исключается возникновение критических внутренних напряжений от температурных расширений и усадки, приводящих к формированию поликристаллической структуры, проведение правки до номинальной кривизны непосредственно в сварочной камере, исключая охлаждение стыка, т.е. используя нагрев от сварочного источника после сварки с помощью расфокусированного луча. The authors' task is to develop such a method of welding single-crystal pipes, in which the probability of the formation of a polycrystalline structure from the melt during crystallization of the weld pool is excluded, the occurrence of critical internal stresses from temperature expansions and shrinkage, which leads to the formation of a polycrystalline structure, is corrected, straightening to the nominal curvature directly in the welding chamber, excluding joint cooling, i.e. using heat from a welding source after welding with a defocused beam.

Сущность изобретения заключается в том, что при сварке монокристаллических труб из тугоплавких металлов электронным пучком встык дополнительно перед сваркой осуществляют кристаллографическую ориентацию стыка, пассивацию с уравновешиванием теплоотвода в зоне кристаллизации и подогрев стыка расфокусированным лучом. Сварку ведут в режиме существования сварочной ванны в течение 0,05 0,2 с. После сварки осуществляют правку труб, увеличив радиальное усилие при одновременном вращении труб и поддержании температуры нагрева труб не ниже температуры начала пластического течения их материала под приложенным радиальным усилием. The essence of the invention lies in the fact that when welding single-crystal tubes of refractory metals with an end-to-end electron beam, in addition to welding, crystallographic orientation of the joint, passivation with balancing of the heat sink in the crystallization zone, and heating of the joint by a defocused beam are performed. Welding is carried out in the mode of existence of the weld pool for 0.05 0.2 s. After welding, pipes are straightened by increasing the radial force while rotating the pipes and maintaining the temperature of the pipes not lower than the temperature of the onset of plastic flow of their material under the applied radial force.

Осуществление пассивации предварительно сориентированных стыков с последующим очистительным вакуумным отжигом, уравновешиванием теплоотвода в зоне кристаллизации позволяет исключить корневые поры, а резкая усадка сварочной ванны способствует более спокойную формированию субструктуры в сварном шве. Параметры режима сварки, обеспечивают существования сварочной ванны в пределах 0,05 0,2 с. В течение этого времени существования ванны расплавленного металла возникающие центры кристаллизации поликристаллической структуры не успевают развиться в трехмерные зерна с произвольной ориентацией, так как они поглощаются растущими субзернами в результате доминирующего процесса роста монокристалла от затравок (торцев в стыке), т.е. исключается вероятность зарождения поликристаллической структуры в сварном шве, поскольку основное техническое требование к сварному шву сохранение им монокристальной структуры. То есть его структура должна продолжать "наследовать" монокристальную структуру основного металла. Passivation of preoriented joints with subsequent cleaning vacuum annealing, balancing the heat sink in the crystallization zone eliminates root pores, and the sharp shrinkage of the weld pool contributes to a more calm formation of the substructure in the weld. The parameters of the welding mode, ensure the existence of a weld pool within 0.05 0.2 s. During this lifetime of the molten metal bath, the resulting crystallization centers of the polycrystalline structure do not have time to develop into three-dimensional grains with an arbitrary orientation, since they are absorbed by growing subgrains as a result of the dominant process of single crystal growth from seeds (butt ends), i.e. the probability of the nucleation of a polycrystalline structure in the weld is excluded, since the main technical requirement for the weld is the preservation of a single crystal structure by it. That is, its structure should continue to “inherit” the single crystal structure of the base metal.

После сварки стыка осуществляют правку путем увеличения первоначального сжимающего радиального усилия, причем правку ведут в процессе вращения заготовок, температуру которой поддерживают не ниже температуры начала пластического течения материала заготовки под упомянутым усилием. After welding the joint, dressing is carried out by increasing the initial compressive radial force, and dressing is carried out in the process of rotation of the workpieces, the temperature of which is maintained not lower than the temperature of the onset of plastic flow of the workpiece material under the mentioned force.

Основные сложности при решении технической задачи заключались в нахождении оптимальных параметров комплексной технологии для удовлетворения противоречивых требований. Например, для того, чтобы в процессе кристаллизации процесс роста монокристалла от затравок (торцев) доминировал и подавлял одновременные процессы гомогенного и гетерогенного образования поликристаллической структуры из центральной части жидкой ванны, необходимо создать такую концентрацию энергии электронного луча, чтобы минимальная ванна существовала до сотых долей секунды (мах. 0,2 с). Но такой режим уже на грани режиме резки со всеми отрицательными для сварки последствиями (поры, несплошность в корне шва и др.). Поэтому, чтобы не увеличивать объем ванны и улучшить (смягчить) условия кристаллизации, необходимо вводить низкотемпературный подогрев. Также компромисное решение сказалось возможным и при выборе системы закрепления, с одной стороны требующей жесткости для сохранения точности посадки и следовательно сохранения взаимной ориентации свариваемых заготовок, с другой стороны система должна исключать возможность возникновения внутренних напряжений от термических расширений, т.е. должна обладать свойствами демпфера во всех направлениях. The main difficulties in solving the technical problem consisted in finding the optimal parameters of an integrated technology to meet conflicting requirements. For example, in order for the growth of a single crystal from seeds (ends) to dominate and suppress the simultaneous processes of homogeneous and heterogeneous formation of a polycrystalline structure from the central part of a liquid bath during crystallization, it is necessary to create such an energy concentration of the electron beam that the minimum bath exists up to hundredths of a second (max. 0.2 s). But such a mode is already on the verge of a cutting mode with all negative consequences for welding (pores, discontinuity at the root of the seam, etc.). Therefore, in order not to increase the volume of the bath and improve (soften) the crystallization conditions, it is necessary to introduce low-temperature heating. A compromise solution was also possible when choosing a fastening system, on the one hand requiring rigidity to maintain the accuracy of the fit and therefore maintain the mutual orientation of the welded workpieces, on the other hand, the system should exclude the possibility of internal stresses from thermal expansions, i.e. must have damper properties in all directions.

На чертеже представлено устройство, с помощью которого реализуется предложенный способ. The drawing shows a device with which the proposed method is implemented.

Устройство содержит плиту 1, к которой крепятся стойки 2, два вращателя 3, ролики 4 (8 пар), шесть планок 5 с роликами 7, установленных на направляющих 6, планки с роликами поджимаются гайками через пружины 8, два прижимных вала 10, на которые установлены кулачки 9, две роликоопоры 11, установленные на плите 1, которые служат для предотвращения прогиба вращателей 3 в процессе правки. Шестерни 12 служат для привода в действие прижимных валов 10. Шестерни 13 служат для передачи вращения от существующего привода установки шестеренчатой паре 14, установленной на вращателях 3. Конуса 16, 17 служат для установки заготовок для стыковки в собранном виде, 18, 19 - фиксирующие винты. The device comprises a plate 1, to which racks 2 are attached, two rotators 3, rollers 4 (8 pairs), six strips 5 with rollers 7 mounted on guides 6, the strips with rollers are pressed by nuts through springs 8, two clamping shafts 10 onto which installed cams 9, two roller bearings 11 mounted on the plate 1, which serve to prevent the deflection of the rotators 3 during the dressing process. Gears 12 are used to drive the clamping shafts 10. Gears 13 are used to transmit rotation from the existing installation drive to gear pair 14 mounted on rotators 3. Cone 16, 17 are used to install blanks for assembled docking, 18, 19 - fixing screws .

Изготавливают монокристаллическую трубу из четырех трубных заготовок из монокристаллического вольфрама. Наружный диаметр трубных заготовок 22 мм длиной до 300 мм каждая. Трубы промывают, отжигают в вакууме, стыки пассивируют. A single-crystal tube is made of four tube blanks from single-crystal tungsten. The outer diameter of the pipe blanks is 22 mm long, up to 300 mm each. The pipes are washed, annealed in vacuum, the joints are passivated.

Заготовки стыкуют и устанавливают в собранном виде между подпружиненными конусами 16 и 17 устройства, приведенного на чертеже. Опорные ролики устанавливаются симметрично по сторонами от стыка заготовок и фиксируются винтами 18. Прижимные ролики 7 фиксируются пружинами 9 с усилием 10 кг на каждой пружине. Кулачки 9 фиксируются в рабочем положении винтами 19 и выводятся в свободное положение. Производят предварительный подогрев стыка расфокусированным электронным лучом до 900 1000^oС для исключения корневых пор, резкой усадки ванны и более спокойного формирования субструктуры в сварном шве. Далее производится сварка стыка электронным лучом с ускоряющим напряжением 80 85 кВ с острой фокусировкой в пятне. Сварочный ток - минимальный для провара 8 мА на мм толщине, скорость максимальная для гарантированного провара 40 м/ч. По окончании процесса сварки кольцевого шва включается расфокусированный луч, с помощью которого температура в зоне стыка сохраняется порядка 1400^oC, одновременно с включением подогревающего луча кулачки 9 приводятся в рабочее положение, передавая усилие, с помощью которого производится правка в месте стыка, завершение которой характеризуется приведением кулачков в положение, зафиксированное до начала сварки. Далее без разгерметизации камер с помощью механизмов перемещения последующие стыки устанавливаются для сварки и правки аналогично первому. Аналогичным образом подвергаются сварке трубные монокристаллические заготовки, изготовленные из Мо, легированные ниобием 3%
Возможность изготовления сварных труб из сравнительно массивных монокристаллов металлов и сплавов с пониженной пластичностью направлена на то, чтобы
выход годных по монокристальности стыков до 97 100% по сравнению с применением способа сращивания монокристаллов методом зонной плавки, где выход годных не превышал 35 40% в основном из-за нарушения монокристальности ввиду значительного объема ванны;
повысилась производительность за счет сокращения времени на герметизацию камеры и совмещения операции правки с процессом сварки в одной камере.The workpieces are joined and installed in assembled form between the spring-loaded cones 16 and 17 of the device shown in the drawing. Support rollers are installed symmetrically on the sides of the junction of the workpieces and are fixed with screws 18. The pressure rollers 7 are fixed by springs 9 with a force of 10 kg on each spring. Cams 9 are fixed in position by screws 19 and are displayed in the free position. The joint is preheated with a defocused electron beam up to 900 1000 ^o C to exclude root pores, sharp shrinkage of the bath and a more calm formation of the substructure in the weld. Next, the joint is welded with an electron beam with an accelerating voltage of 80 85 kV with sharp focusing in the spot. Welding current - minimum for penetration 8 mA per mm thickness, maximum speed for guaranteed penetration 40 m / h. At the end of the welding process of the annular seam, a defocused beam is turned on, with which the temperature in the joint zone is maintained at about 1400 ^o C, while the heating beam is turned on, the cams 9 are brought into working position, transmitting the force by which the dressing at the joint is completed, the completion of which is characterized bringing the cams to the position fixed before welding. Further, without depressurization of the chambers using movement mechanisms, subsequent joints are installed for welding and dressing similarly to the first. In a similar manner, single-crystal tube blanks made of Mo, alloyed with niobium 3%, are welded.
The possibility of manufacturing welded pipes from relatively massive single crystals of metals and alloys with reduced ductility is aimed at
the yield of single-crystal joints up to 97 100% compared with the application of the method of splicing single crystals by the zone melting method, where the yield did not exceed 35 40% mainly due to a violation of the single crystal due to the significant volume of the bath;
increased productivity by reducing the time for sealing the chamber and combining the dressing operation with the welding process in one chamber.

Изготовление сварных узлов по предлагаемым техническим решениям гарантирует высокое качество сварки, выращивающееся в сохранении монокристаллической структуры сварных швов. The manufacture of welded units according to the proposed technical solutions guarantees high quality welding, grown in maintaining the single-crystal structure of welds.

Claims

A method of electron beam welding of single-crystal pipes made of refractory metals and alloys, in which the pipe joints are installed with the application of axial and radial forces, characterized in that before welding they perform crystallographic orientation of the joint, passivation with balancing the heat sink in the crystallization zone and heating the joint with a defocused beam, welding is carried out in the mode of implementation of the weld pool for 0.05 0.2 s, after welding, dressing is carried out, increasing the radial force while rotating ub and maintaining the heating temperature of the pipes not lower than the plastic flow of their material under the applied radial force.