RU2259264C1

RU2259264C1 - Method of electron-beam welding

Info

Publication number: RU2259264C1
Application number: RU2004106856/02A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Тюрин (RU); В.Н. Тюрин; А.Н. Семёнов (RU); А.Н. Семёнов; М.И. Плышевский (RU); М.И. Плышевский; Г.Н. Шевелёв (RU); Г.Н. Шевелёв; В.В. Мелюков (RU); В.В. Мелюков; А.Г. Корепанов (RU); А.Г. Корепанов; В.Б. Филиппов (RU); В.Б. Филиппов; Г.С. Черемных (RU); Г.С. Черемных; А.М. Блинов (RU); А.М. Блинов
Priority date: 2004-03-09
Filing date: 2004-03-09
Publication date: 2005-08-27
Also published as: RU2004106856A

Abstract

FIELD: welding.

SUBSTANCE: method comprises oscillating electron beam following semi-elliptical trajectory. The heating spot is focused down to a diameter of no more than 1.2 mm, and oscillations are performed with a frequency of no more than 30 oscillations per second. The length of the transverse axis of the semi-ellipse should be no less than the width of the bottom part of the U-shaped beveling.

EFFECT: improved quality of welding.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке толстостенных труб из циркониевых и титановых сплавов при заполнении U-образной разделки стыка присадочной проволокой.The invention relates to electron beam welding of thick-walled pipes made of zirconium and titanium alloys when filling the U-shaped groove of the joint with filler wire.

Известен способ электронно-лучевой сварки труб или листов с использованием присадочной проволоки при заполнении U-образной разделки стыка (см. Wire freeders boost ЕВ Weldings potential, Yasud Кого, Nagai Hiroyoshi, Mori Eisuke. «Weld und Metal». Fbr, 1984, 52, №3, 101-103).A known method of electron beam welding of pipes or sheets using filler wire when filling the U-shaped groove of the joint (see Wire freeders boost EB Weldings potential, Yasud Kogo, Nagai Hiroyoshi, Mori Eisuke. "Weld und Metal". Fbr, 1984, 52 No. 3, 101-103).

Известный способ заключается в том, что при электронно-лучевой сварке толстостенных труб присадочную проволоку подают в U-образную разделку стыка непосредственно под электронный луч, при этом электронный луч расплавляет присадочную проволоку и кромки разделки стыка.The known method consists in the fact that in the electron beam welding of thick-walled pipes, the filler wire is fed into the U-shaped groove of the joint directly under the electron beam, while the electron beam melts the filler wire and the edges of the joint.

Для обеспечения одновременного расплавления присадочной проволоки и кромок разделки диаметр пятна нагрева электронного луча увеличивают минимум в 2,5 раза по сравнению с диаметром присадочной проволоки. Для сохранения способности пятна нагрева плавить металл увеличивают его мощность, что в свою очередь увеличивает объем сварочной ванны и ее вес.To ensure simultaneous melting of the filler wire and the cutting edges, the diameter of the electron beam heating spot is increased by a factor of at least 2.5 compared to the diameter of the filler wire. To maintain the ability of the heating spots to melt the metal increase its power, which in turn increases the volume of the weld pool and its weight.

Дело в том, что для химически активных металлов типа циркония характерным является их высокая температура плавления, например, у циркония она равна 1840°С, и относительно этой температуры весьма низкая жаропрочность, например, при температуре 1200°С цирконий теряет более 97% своей исходной прочности.The fact is that for reactive metals such as zirconium, their high melting point is characteristic, for example, in zirconium it is 1840 ° C, and relatively low heat resistance relative to this temperature, for example, at a temperature of 1200 ° C zirconium loses more than 97% of its original durability.

Из-за этого при образовании относительно большой жидкой сварочной ванны прилегающие к ней слои твердого металла нагреваются до высокой температуры и под тяжестью веса жидкой сварочной ванны прогибаются, что приводит к провисанию сварного шва, а при небольшом перегреве может произойти нарушение сплошности сварного шва, т.е. прожог. Для избежания этого используют специальные подкладки, которые после сварки удаляют механическим путем, что значительно удорожает изготовление сварочного соединения из циркониевых и титановых сплавов.Because of this, when a relatively large liquid weld pool is formed, the adjacent layers of the solid metal are heated to a high temperature and under the weight of the liquid weld pool they bend, which leads to sagging of the weld, and with a slight overheating, a violation of the continuity of the weld, t. e. burn through. To avoid this, special linings are used, which are removed mechanically after welding, which significantly increases the cost of manufacturing a welding joint from zirconium and titanium alloys.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является «Способ электронно-лучевой сварки труб» по патенту РФ №2085347, кл. В 23 К 15/00, 1997 г., авт. Белов В.И. и др. По этому способу на свариваемых торцах толстостенных труб выполняют U-образную разделку кромок, сваривают корень шва и заполняют разделку присадочной проволокой, которую расплавляют теплом сварочной ванны, формируемой пятном нагрева электронного луча. Отличительной особенностью этого способа электронно-лучевой сварки труб с подачей присадочной проволоки в U-образную разделку шва является способ подачи и расплавления присадочной проволоки, которую подают не под электронный луч, а в жидкую сварочную ванну, которую непрерывно формируют с помощью пятна нагрева стационарного (неподвижного) электронного луча. При этом пятно нагрева формируют достаточно большим, чтобы можно было одновременно плавить боковые стенки разделки стыка и непрерывно подаваемую в сварочную ванну присадочную проволоку. Для этого диаметр пятна нагрева увеличивают почти до размера ширины разделки, а чтобы оно обладало способностью плавить увеличивают его мощность за счет повышения тока в электронном луче.The closest set of essential features to the claimed invention is the "Method of electron beam welding of pipes" according to the patent of the Russian Federation No. 2085347, class. B 23K 15/00, 1997, ed. Belov V.I. and others. In this method, on the welded ends of thick-walled pipes, U-shaped edges are welded, the weld root is welded and the grooves are filled with filler wire, which is melted with the heat of the weld pool formed by the heating spot of the electron beam. A distinctive feature of this method of electron beam welding of pipes with filler wire feeding into a U-shaped weld groove is the filler wire feeding and melting method, which is supplied not under an electron beam, but into a liquid weld pool, which is continuously formed using a stationary (fixed) heating spot ) electron beam. In this case, the heating spot is formed large enough so that it is possible to simultaneously melt the side walls of the joint butt and the filler wire continuously fed into the weld pool. For this, the diameter of the heating spot is increased almost to the size of the cutting width, and so that it has the ability to melt, its power is increased by increasing the current in the electron beam.

Недостатком этого способа электронно-лучевой сварки толстостенных труб является необходимость создания относительно большой сварочной ванны, что при небольшом нарушении режима в сторону перегрева ванны может приводить к провисанию сварного шва, а то и к его прожогу. Кроме того, для этого способа характерны достаточно широкие пришовные зоны, в которых происходят нежелательные термические превращения, понижающие прочностные и антикоррозионные свойства сварного соединения.The disadvantage of this method of electron beam welding of thick-walled pipes is the need to create a relatively large weld pool, which, with a small violation of the regime in the direction of overheating of the bath, can lead to sagging of the weld, and even to burn through. In addition, this method is characterized by a fairly wide near-zone, in which undesirable thermal transformations occur, lowering the strength and anticorrosion properties of the welded joint.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке способа электронно-лучевой сварки с подачей присадочной проволоки в U-образную разделку, при котором объем сварочной ванны должен быть меньше, чем у известного способа электронно-лучевой сварки с подачей присадочной проволоки.The problem to which the invention is directed, is to develop a method of electron beam welding with filler wire feeding in a U-shaped cutting, in which the volume of the weld pool should be less than that of the known method of electron beam welding with filler wire.

Технический результат, получаемый в результате осуществления заявляемого способа, состоит минимум в уменьшении тепловложения электронного луча на единицу длины сварного шва, в уменьшении ширины пришовной зоны, в уменьшении опасности провисания сварного шва и в улучшении прочностных и антикоррозионных свойств сварного соединения.The technical result obtained by the implementation of the proposed method consists in minimizing the heat input of the electron beam per unit length of the weld, in reducing the width of the welded zone, in reducing the risk of sagging of the weld, and in improving the strength and anticorrosion properties of the welded joint.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе, в котором на свариваемых торцах труб выполняют U-образную разделку кромок, сваривают корень шва и заполняют разделку металлом присадочной проволоки, которую расплавляют теплом сварочной ванны, формируемой пятном нагрева электронного луча, электронный луч фокусируют до диаметра пятна нагрева не более 1,2 мм и колеблют его с частотой не более 30 колебаний в секунду по траектории полуэллипса, продольную ось которого располагают вдоль разделки, а длину поперечной оси полуэллипса устанавливают не менее ширины донной части U-образной разделки, при этом точки изменения направления движения пятна нагрева по траектории полуэллипса располагают в хвостовой части сварочной ванны.The specified technical result is achieved by the fact that in the method in which U-shaped cutting of the edges is performed on the welded ends of the pipes, the root of the weld is welded and the groove is filled with metal of the filler wire, which is molten by the heat of the weld pool formed by the heating spot of the electron beam, the electron beam is focused to a diameter heating spots are not more than 1.2 mm and oscillate it with a frequency of not more than 30 vibrations per second along the trajectory of the semi-ellipse, the longitudinal axis of which is located along the groove, and the length of the transverse axis of the semi-ellipse set at least the width of the bottom of the U-shaped groove, while the points of change in the direction of movement of the heating spot along the path of the semi-ellipse are located in the tail of the weld pool.

Фокусирование электронного луча до размеров пятна нагрева менее 1,2 мм расширяет его технологические возможности в сочетании с колебаниями пятна нагрева поперек разделки по траектории полуэллипса симметрично оси разделки.Focusing the electron beam to a heating spot of less than 1.2 mm expands its technological capabilities in combination with vibrations of the heating spot across the groove along the path of the semi-ellipse symmetrically to the axis of the groove.

Оптимальный подбор размеров осей полуэллипса позволяет экономно использовать тепло электронного луча только в тех локальных местах разделки; где требуется предварительный подогрев боковых кромок U-образной разделки с начальной стадией оплавления и последующим смыканием оплавливаемых участков боковых граней U-образной разделки с металлом сварочной ванны, в которой обеспечивается формирование необходимого объема жидкого металла, расходуемого на заполнение металлом части (слоя) U-образной разделки за один проход.The optimal selection of the axial dimensions of the semi-ellipse allows the economical use of the heat of the electron beam only in those local places of cutting; where it is necessary to preheat the side edges of the U-shaped groove with the initial stage of melting and then close the melted sections of the side faces of the U-shaped groove with the metal of the weld pool, which ensures the formation of the required volume of liquid metal used to fill the U-shaped part (layer) with metal cutting in one pass.

Форма траектории колебания пятна нагрева в виде вытянутой петли, охватывающей сварочную ванну с трех сторон, обеспечивает постоянную сохранность сварочной ванны в жидком состоянии, несмотря на непрерывное ее перемещение за счет вращения свариваемых труб.The shape of the trajectory of the oscillation of the heating spot in the form of an elongated loop covering the weld pool on three sides ensures constant preservation of the weld pool in a liquid state, despite its continuous movement due to the rotation of the welded pipes.

В отличие от известного способа присадочная проволока подается в сварочную ванну не в холодном состоянии, а в подогретом за счет многократного пересечения подаваемой присадочной проволоки пятном нагрева радиусной частью полуэллипсной траектории колебания пятна нагрева.In contrast to the known method, the filler wire is supplied to the weld pool not in a cold state, but in a heated one due to multiple intersection of the filler wire supplied by the heating spot with the radius part of the semi-ellipse path of the heating spot.

В результате такого подогрева присадочной проволоки, который по вложенному в проволоку теплу составляет от 7 до 12% от полной тепловой мощности электронного луча, возникают условия для возможности снижения объема сварочной ванны, в которой расплавляется присадочная проволока.As a result of such heating of the filler wire, which from 7 to 12% of the total thermal power of the electron beam is embedded in the heat of the wire, conditions arise for the possibility of reducing the volume of the weld pool in which the filler wire is melted.

Простым подбором соотношения продольной и поперечной осей полуэллипса можно легко добиться оптимального размера зеркала сварочной ванны, ограничивая его траекторией колебания пятна нагрева по ширине и длине.By a simple selection of the ratio of the longitudinal and transverse axes of the semi-ellipse, it is possible to easily achieve the optimal mirror size of the weld pool, limiting it to the path of the heating spot in width and length.

Процесс формирования сварочной ванны происходит в основном за счет тепла, выделяемого на боковых гранях разделки, а это определяет небольшую глубину жидкой сварочной ванны, что в свою очередь практически исключает опасность провисания сварочного шва и тем более прожога от перегрева корня шва.The process of forming a weld pool occurs mainly due to the heat generated on the side faces of the grooves, and this determines the small depth of the liquid weld pool, which in turn virtually eliminates the danger of sagging of the weld and, moreover, burn-through from overheating of the weld root.

Выделение тепла на боковых гранях U-образной разделки и образование в этих местах боковых краев жидкой ванны практически исключает дефекты сварного шва в виде несплавлений и непроваров.The heat generation on the lateral faces of the U-shaped groove and the formation of the lateral edges of the liquid bath in these places practically eliminates defects in the weld in the form of fusion and lack of fusion.

Кроме этого, уменьшение объема сварочной ванны влечет за собой и уменьшение ширины пришовных зон, что также улучшает прочностные и антикоррозионные свойства сварных швов труб из циркониевых и титановых сплавов.In addition, a decrease in the volume of the weld pool entails a decrease in the width of the welded zones, which also improves the strength and anticorrosion properties of the welds of pipes made of zirconium and titanium alloys.

Пример осуществления способаAn example of the method

С помощью электронно-лучевой сварки проводили заполнение U-образной разделки труб из циркониевого сплава диаметром 100 мм и толщиной стенки 5 мм присадочной проволокой, диаметром 1,6 мм.Using electron beam welding, the U-shaped cutting of pipes made of zirconium alloy with a diameter of 100 mm and a wall thickness of 5 mm with a filler wire with a diameter of 1.6 mm was filled.

Предварительно корень шва U-образной разделки толщиной 2 мм был сварен электронно-лучевой сваркой с применением колебаний пятна нагрева электронного луча по траектории полуэллипса.Previously, the root of the weld of a U-shaped groove with a thickness of 2 mm was welded by electron beam welding using the oscillations of the heating spot of the electron beam along the path of the semi-ellipse.

Пятно нагрева было сфокусировано до диаметра 0,9±0,1 мм.The heating spot was focused to a diameter of 0.9 ± 0.1 mm.

Пятно нагрева электронного луча колебали по траектории полуэллипса с частотой 20 колебаний в секунду.The spot of heating of the electron beam was oscillated along the trajectory of the semi-ellipse with a frequency of 20 vibrations per second.

Размеры траектории колебания пятна нагрева составляли:The dimensions of the trajectory of the oscillation of the heating spot were:

длина продольной полуоси - 5,5 мм;length of the longitudinal axis - 5.5 mm;

длина поперечной оси - 3,8 мм.the length of the transverse axis is 3.8 mm.

Заполнение U-образной разделки сварного шва осуществляли за три прохода.Filling the U-shaped groove of the weld was carried out in three passes.

Из сваренного трубчатого образца были вырезаны шлифы для оценки качества сварного шва.Sections were cut from the welded tubular sample to assess the quality of the weld.

Исследования показали, что провисание шва полностью отсутствует, ширина литой зоны шва колебалась в пределах 5,5-7,5 мм, а технологические дефекты в виде прожогов и непроваров полностью отсутствовали.Studies have shown that sagging of the seam is completely absent, the width of the cast zone of the seam ranged between 5.5-7.5 mm, and technological defects in the form of burns and lack of penetration were completely absent.

Claims

The method of electron beam welding of thick-walled pipes, which consists in the fact that the welded ends of the pipes perform U-shaped edges, weld the root of the seam and fill the groove with metal filler wire, which is molten by the heat of the weld pool formed by a focused spot of heating of the electron beam, characterized in that the electron beam is focused to a diameter of the heating spot of not more than 1.2 mm and oscillate it with a frequency of not more than 30 vibrations per second along the path of the semi-ellipse, the longitudinal axis of which is located along and the length of the transverse axis of the semi-ellipse is set not less than the width of the bottom of the U-shaped groove, while the points of change in the direction of movement of the heating spot along the path of the semi-ellipse are located in the tail of the weld pool.