RU2627553C1

RU2627553C1 - Method of electron-beam welding of a plate with finned surface

Info

Publication number: RU2627553C1
Application number: RU2016121039A
Authority: RU
Inventors: Валерий Викторович Соснин; Сергей Владимирович Букреев; Александр Викторович Макаров
Priority date: 2016-05-27
Filing date: 2016-05-27
Publication date: 2017-08-08

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: welding is carried out from the side of plate. Preliminary places of welding are applied on the outer surface of plate, coinciding with the places of welding on the finned surface. In welding places single-stage through-holes are made with decreasing diameter in the depth of plate. Welded parts are combined. Pins are set in holes made in plate before contact with the fin. The height of pin exceeds the depth of inner hole in plate. After that, spot welding is carried out in the places where pins are installed. The height of pin protrusion into the outer hole is at least half of its depth. Plate and finned surface can be made of thin-sheeted titanium alloy.

EFFECT: minimum values of post-welding deformations, high accuracy of assembly of welded parts, excluding their mutual displacement, and possibility of obtaining quality welded joints in different spatial positions.

3 cl, 1 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке и может быть использовано в различных отраслях машиностроения при сварке тавровых соединений, а также при сварке полых каркасов с внутренними ребрами, работающих в условиях действия переменных нагрузок.The invention relates to electron beam welding and can be used in various engineering industries when welding T-joints, as well as when welding hollow frames with internal ribs operating under varying loads.

Известен способ изготовления теплообменника и устройство для его осуществления (Патент РФ №2065351, МПК В23Р 15/26, опубл. 20.08.1996), выбранный в качестве аналога. В данном способе изготавливают теплообменник, который состоит из оребренных теплообменных труб овалообразного сечения с плоскими параллельными стенками в направлении большей оси сечения трубы. Трубы изготавливают в виде отдельных половин. Ребра изготавливают Г-образного сечения с длиной, соответствующей размеру плоской трубы вдоль большей оси ее сечения. Г-образные ребра одной из стенок располагают на наружной плоской поверхности каждой из полутруб на заданном расстоянии друг от друга, затем ребра с полутрубой перемещают для сварки и соединяют друг с другом сварочным лучом с высокой плотностью энергии.A known method of manufacturing a heat exchanger and a device for its implementation (RF Patent No. 2065351, IPC V23P 15/26, publ. 08/20/1996), selected as an analogue. In this method, a heat exchanger is made, which consists of oval-shaped finned heat-exchange tubes with flat parallel walls in the direction of the greater axis of the pipe section. Pipes are made in the form of individual halves. The ribs are made of an L-shaped section with a length corresponding to the size of a flat pipe along the larger axis of its section. L-shaped ribs of one of the walls are placed on the outer flat surface of each of the half tubes at a predetermined distance from each other, then the ribs with the half-tube are moved for welding and connected to each other by a welding beam with a high energy density.

Известный способ изготовления является сложно применимым в случае изготовления оребренной поверхности, имеющей большое количество ребер со сложным геометрическим профилем. Кроме того, в известном способе сварка полутрубы с ребрами происходит непрерывным лучом как в месте соединения свариваемых деталей, так и в месте перехода от одного места сварки к другому, что вызывает дополнительные тепловложения в свариваемую конструкцию и, как следствие, увеличивает коробления полутрубы и снижает механические свойства конструкции в целом. В случае изготовления сварной конструкции из толстостенной плиты и тонкостенных ребер вероятность повышенного коробления свариваемых деталей и образования подрезов в месте соединения свариваемых деталей значительно возрастает.The known manufacturing method is difficult to apply in the case of manufacturing a finned surface having a large number of ribs with a complex geometric profile. In addition, in the known method, the welding of a half pipe with ribs occurs in a continuous beam both at the junction of the parts to be welded, and at the transition from one welding point to another, which causes additional heat input into the structure to be welded and, as a result, increases the distortion of the half pipe and reduces mechanical properties of the structure as a whole. In the case of manufacturing a welded structure from a thick-walled plate and thin-walled ribs, the likelihood of increased warping of the welded parts and the formation of undercuts at the junction of the welded parts increases significantly.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ электронно-лучевой сварки тавровых соединений (А.С. СССР 1454610, МПК В23К 15/00 опубл. 30.01.89. Бюл. №4). Сущность способа состоит в сквозном проплавлении плиты и формировании сварного шва по всей толщине ребра с галтелями между ребром и плитой. Для этого свариваемые детали плотно прижимают друг к другу по соединяемым поверхностям. По обе стороны оси ребра по всей его длине устанавливают формирующие подкладки, на рабочих кромках которых выполняют скругления радиусом, равным радиусу галтели в зоне соединения плиты с ребром. Электронным лучом заданной мощности проплавляют через плиту соединяемые поверхности, направляя луч нормально к свариваемой поверхности. Технологические режимы сварки выбирают из условия формирования устойчивой сварочной ванны, которая, растекаясь, заполняет полости, образованные скругленными рабочими кромками подкладки.Closest to the claimed technical solution is a method of electron beam welding of T-joints (AS USSR 1454610, IPC V23K 15/00 publ. 30.01.89. Bull. No. 4). The essence of the method consists in the through penetration of the plate and the formation of a weld along the entire thickness of the ribs with fillets between the rib and the plate. To do this, the parts to be welded are pressed tightly against each other along the joined surfaces. Forming pads are installed on both sides of the axis of the rib along its entire length, on the working edges of which they round off with a radius equal to the radius of the fillet in the zone of connection of the plate with the rib. An electron beam of a given power is melted through the plate by connecting surfaces, directing the beam normally to the surface being welded. The technological modes of welding are selected from the conditions for the formation of a stable weld pool, which, spreading out, fills the cavities formed by the rounded working edges of the lining.

Данный способ имеет ряд ограничений по свариваемым изделиям, в частности, из-за невозможности в ряде случаев применять технологические припуски ребер для ввода и вывода электронного луча, а также с большой вероятностью коробления изделия (особенно, в случае применения тонкостенных заготовок). Использование варианта со стыковкой плиты над привариваемым ребром вызывает также определенные трудности в связи с увеличением трудоемкости сварки «разрезного» варианта плиты, а также точностью совмещения свариваемых деталей из-за возможных отклонений в их фактических размерах в пределах допусков на механическую обработку.This method has several limitations on the welded products, in particular, due to the impossibility in some cases to use technological allowances for ribs for input and output of an electron beam, as well as with a high probability of warpage of the product (especially in the case of thin-walled blanks). Using the option with the plate joining over the welded rib also causes certain difficulties due to the increase in the complexity of welding the “split” version of the plate, as well as the accuracy of combining the parts to be welded due to possible deviations in their actual dimensions within the limits of machining tolerances.

Задачей заявляемого способа является повышение качества сварного соединения плиты с оребренной поверхностью.The objective of the proposed method is to improve the quality of the welded joint of the plate with a finned surface.

При использовании способа достигается следующий технический результат:Using the method, the following technical result is achieved:

- минимальные значения послесварочных деформаций;- minimum values of post-welding deformations;

- высокая точность сборки свариваемых деталей, исключающая их взаимное смещение;- high accuracy of assembly of welded parts, excluding their mutual displacement;

- возможность получения качественных сварных соединений в различных пространственных положениях.- the ability to obtain high-quality welded joints in various spatial positions.

Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется способ электронно-лучевой сварки плиты с оребренной поверхностью, заключающийся в осуществлении сварки со стороны плиты, в котором, согласно изобретению, предварительно на внешнюю поверхность плиты наносят будущие места сварки, совпадающие с местами сварки на ребристой поверхности, в местах сварки выполняют сквозные одноступенчатые отверстия с уменьшением диаметра по глубине плиты. Совмещают свариваемые детали и в каждое отверстие, выполненное в плите, устанавливают штифт до контакта с ребром, при этом штифты выполняют из того же материала, что и свариваемые детали, а высота штифта превышает глубину внутреннего отверстия в плите. После чего производят точечную сварку в местах установки штифтов. Высота выступания штифта в наружное отверстие может составлять не менее половины его глубины. Плита и оребренная поверхность могут быть выполнены из тонколистового титанового сплава.To solve this problem and achieve a technical result, a method for electron beam welding of a plate with a finned surface is claimed, which consists in performing welding from the side of the plate, in which, according to the invention, future welding spots are previously applied to the outer surface of the plate, coinciding with the welding spots on the ribbed surface , in the places of welding, through single-stage holes are made with a decrease in diameter along the depth of the plate. The parts to be welded are combined and a pin is installed in each hole made in the plate until it contacts the rib, while the pins are made of the same material as the parts to be welded, and the height of the pin exceeds the depth of the internal hole in the plate. After that, spot welding is performed in the places where the pins are installed. The height of the protrusion of the pin into the outer hole may be at least half its depth. The plate and the fin surface can be made of titanium alloy sheet.

Выполнение сквозных одноступенчатых отверстий в плите позволяет значительно повысить точность сборки свариваемых деталей, при этом облегчается процесс совмещения оптической оси электронной пушки с местами сварки в виду их визуализации. Точность совмещения свариваемых деталей обеспечивается предварительным нанесением на внешнюю поверхность плиты будущих мест сварки. Выполнение в местах сварки одноступенчатых сквозных отверстий с уменьшением диаметра по глубине плиты позволяет, с одной стороны, повысить точность сборки свариваемых деталей, а с другой стороны, в них устанавливают штифты, необходимые для компенсации удаленного в процессе сверления металла и используемые в качестве присадочного материала. Выбор высоты штифта и установка его в контакте с ребром обеспечивает надежность проплавления и повышение качества сварного шва. За счет того, что сварка изделия происходит точечными сварными швами, требуются минимальные вложения энергии на выполнение сварки, что, в свою очередь, значительно снижает вероятность возникновения послесварочных деформаций и положительно влияет на качество сварного шва. Применение точечной электронно-лучевой сварки изделия не требует наличия технологических припусков ребер для ввода и вывода электронного луча, что, в свою очередь, снижает затраты на последующую механическую обработку изделия. Кроме того, применение данного способа позволяет выполнять точечные сварные швы сложной геометрической формы и в различных пространственных положениях, ввиду отсутствия линейного сварного шва и упрощенного перехода от одного места сварки к другому.The implementation of through single-stage holes in the plate can significantly improve the accuracy of assembly of the welded parts, while facilitating the process of combining the optical axis of the electron gun with the weld points in view of their visualization. The accuracy of combining the parts to be welded is ensured by preliminary application of future weld points on the outer surface of the plate. The execution of single-step through holes in the welding sites with a decrease in diameter along the depth of the plate allows, on the one hand, to increase the accuracy of assembly of the parts to be welded, and on the other hand, pins are installed in them to compensate for the metal removed during drilling and used as filler material. The choice of the height of the pin and installing it in contact with the rib ensures reliable penetration and improves the quality of the weld. Due to the fact that the product is welded with spot welds, minimal energy input is required for welding, which, in turn, significantly reduces the likelihood of post-weld deformations and positively affects the quality of the weld. The use of spot electron beam welding of the product does not require technological allowances for ribs for input and output of the electron beam, which, in turn, reduces the cost of subsequent machining of the product. In addition, the application of this method allows you to perform spot welds of complex geometric shapes and in various spatial positions, due to the absence of a linear weld and a simplified transition from one place to another.

Способ электронно-лучевой сварки проводят следующим образом. Перед выполнением на плите технологических ступенчатых отверстий на ее наружной поверхности проводят разметку в соответствии с местами будущих сварок, совпадающими с местами сварок на оребренной поверхности. Это с большой точностью осуществляют на фрезерном станке, оснащенным числовым программным управлением. В размеченных местах сварки предварительно выполняют глухие отверстия, диаметр которых должен быть не менее диаметра электронного луча, при этом толщина металла после сверления должна быть не более толщины привариваемого ребра. В случае выполнения диаметра отверстия менее диаметра электронного луча произойдет потеря мощности электронного луча на расплавление наружных кромок отверстия, что в свою очередь может привести к недостаточной глубине сварного шва. В случае, если оставшаяся после сверления толщина металла будет более толщины ребра, то для его сквозного проплавления потребуется большее значение прикладываемой погонной энергии, что в свою очередь приведет к ухудшению качества сварного соединения и чрезмерному оплавлению привариваемого ребра в месте сварки. После выполнения глухого технологического отверстия в этом же месте выполняется сквозное отверстие меньшего диаметра для последующего визуального контроля совмещения плиты с привариваемым ребром. Диаметр сквозного отверстия выбирается не менее половины толщины привариваемого ребра и достаточным для проведения визуального контроля совмещения свариваемых деталей. После проведения визуального контроля совмещения свариваемых деталей в сквозные технологические отверстия в плите устанавливают штифты, необходимые для компенсации удаленного в процессе сверления металла и используемые в качестве присадочного металла. При этом диаметр штифта выбирается равным диаметру внутреннего отверстия и устанавливается в него по плотной посадке. Высота штифта превышает глубину внутреннего отверстия в плите и составляет около 2/3 от общей глубины отверстий разного диаметра. При сварке выступающая часть штифта расплавляется и образует своего рода присадочный металл, компенсирующий потери металла на испарения и усадку. Сварку выполняют в нижнем положении статичным лучом, обеспечивая выполнение точечной сварки электронным лучом. После выполнения сварки путем перемещения сварочного стола или электроннолучевой пушки совмещают оптическую ось электронно-лучевой пушки и следующего места сварки и вновь повторяют сварку. Выполнение точечной электронно-лучевой сварки обеспечивает получение качественного сварного соединения с минимальными послесварочными деформациями. Данный способ позволяет также выполнять точечные сварные швы сложной конфигурации, которые не всегда возможно получить путем шовной электронно-лучевой сварки.The method of electron beam welding is as follows. Before performing technological step holes on the plate on its outer surface, marking is carried out in accordance with the places of future welds that coincide with the places of welding on the fin surface. This is carried out with great accuracy on a milling machine equipped with numerical control. Blind holes are prefilled in the marked welding spots, the diameter of which must be at least the diameter of the electron beam, while the thickness of the metal after drilling must be no more than the thickness of the welded rib. If the hole diameter is less than the diameter of the electron beam, the power of the electron beam to melt the outer edges of the hole will be lost, which in turn can lead to insufficient weld depth. If the metal thickness remaining after drilling is greater than the thickness of the rib, then for its through penetration a greater value of the applied linear energy will be required, which in turn will lead to a deterioration in the quality of the welded joint and excessive melting of the welded rib at the welding site. After making a blind technological hole in the same place, a through hole of a smaller diameter is made for subsequent visual inspection of the alignment of the plate with the welded rib. The diameter of the through hole is selected at least half the thickness of the welded ribs and sufficient for visual inspection of the alignment of the welded parts. After conducting a visual inspection of the alignment of the welded parts, pins are installed in the through-hole technological holes in the plate, which are necessary to compensate for the metal removed during drilling and used as filler metal. In this case, the diameter of the pin is chosen equal to the diameter of the inner hole and is installed in it by tight fit. The height of the pin exceeds the depth of the inner hole in the plate and is about 2/3 of the total depth of the holes of different diameters. During welding, the protruding part of the pin melts and forms a kind of filler metal, compensating for the loss of metal due to evaporation and shrinkage. Welding is performed in the lower position by a static beam, providing spot welding by an electron beam. After welding is performed by moving the welding table or electron beam gun, the optical axis of the electron beam gun and the next welding site are combined and the welding is repeated. Performing spot electron beam welding provides a high-quality welded joint with minimal post-welding deformations. This method also allows you to perform spot welds of complex configuration, which is not always possible to obtain by seam electron beam welding.

На чертеже представлена схема сварки плиты с оребренной поверхностью (одно место сварки), гдеThe drawing shows a diagram of the welding of a plate with a finned surface (one welding spot), where

1 - плита; 2 - штифт; 3 - ребро; 4 - технологические отверстия в плите 1.1 - plate; 2 - pin; 3 - rib; 4 - technological holes in the plate 1.

Способ сварки состоит в разметке мест сварки на наружной поверхности плиты 1, совпадающих с местами сварки на оребренной поверхности (ребро 3). В намеченных местах сварки в плите 1 выполняют сквозные одноступенчатые технологические отверстия 4. После этого свариваемые детали предварительно совмещают между собой, контролируя точность совмещения через технологические отверстия 4, и затем плотно прижимают друг к другу по соединяемым поверхностям. Далее в технологические отверстия 4 устанавливают штифты 2, изготовленные из того же материала, что и свариваемые детали. Статичным электронным лучом заданной мощности проплавляют штифт 2 с расплавлением свариваемых поверхностей. Технологические режимы сварки выбирают из условия полного расплавления, установленного штифта и внедрения части сварного шва в привариваемое ребро 3, при этом линейное перемещение электронного луча отсутствует, обеспечивая точечную электронно-лучевую сварку.The welding method consists in marking the welding spots on the outer surface of the plate 1, coinciding with the welding spots on the fin surface (rib 3). Through the designated welding spots in the plate 1, one-step through-hole technological holes 4 are made. After that, the parts to be welded are pre-aligned with each other, controlling the alignment accuracy through the technological holes 4, and then tightly pressed against each other along the connected surfaces. Next, pins 2 made of the same material as the parts to be welded are installed in the technological holes 4. With a static electron beam of a given power, the pin 2 is melted with the melting of the surfaces to be welded. The technological modes of welding are selected from the conditions of complete melting, an installed pin and the introduction of a part of the weld into the welded rib 3, while the linear movement of the electron beam is absent, providing spot electron beam welding.

Выполняли электронно-лучевую сварку платформы из титанового сплава ВТ20, состоящей из сотового каркаса, к которому точечными швами способом электронно-лучевой сварки приваривали верхнюю и нижнюю плиты. Сварку выполняли на автоматизированном электронно-лучевом технологическом комплексе АЭЛТК 60-15-В-4-17 с энергоблоком ЭЛТА-60/15. Толщина плиты 4 мм, толщина привариваемых ребер сотового каркаса 2 мм. Через предварительно выполненные на фрезерном станке в плите сквозные одноступенчатые отверстия контролировали совмещение плиты с привариваемыми ребрами, после чего фиксировали собранную конструкцию в сварочной оснастке. Во внутренние сквозные отверстия по плотной посадке устанавливали штифты, выполненные также из титанового сплава ВТ20. Точечную электронно-лучевую сварку выполняли в нижнем положении остросфокусированным лучом. После выполнения всех точечных сварных швов полученную оребренную плиту переворачивали на 180° и приваривали таким же способом вторую плиту.Electron beam welding of the VT20 titanium alloy platform, consisting of a honeycomb frame, was carried out on which the upper and lower plates were welded using spot welds by electron beam welding. Welding was performed on an automated electron-beam technological complex AELTK 60-15-V-4-17 with power unit ELTA-60/15. The plate thickness is 4 mm, the thickness of the welded ribs of the honeycomb frame is 2 mm. Through pre-made through a single-stage through-hole in the plate, the alignment of the plate with the welded ribs was controlled, after which the assembled structure was fixed in a welding tool. Pins made of titanium alloy VT20 were also installed in the internal through holes in a tight fit. Spot electron beam welding was performed in the lower position by a sharply focused beam. After all the spot welds were completed, the finned plate obtained was turned 180 ° and the second plate was welded in the same way.

Режимы сварки: фокусное расстояние Н_ф=180 мм; ускоряющее напряжение U_уск - 60 кВ; скорость сварки V_св=0 м/ч; ток сварки I_св=15mA; ток фокусировки I_ф=735 mА; время сварки t_св=2c.Welding modes: focal length N _f = 180 mm; accelerating voltage U _accele - 60 kV; welding speed V _sv = 0 m / h; welding current I _St = 15mA; focusing current I _f = 735 mA; welding time t _St = 2c.

После выполнения сварки были проведены замеры короблений, возникших в процессе сварки, - максимальное значение 0,5 мм. Проведенные испытания механических свойств сварных соединений подтвердили их надежность. Сварные швы удовлетворяют требованиям конструкторской документации по качеству.After welding, measurements were made of warpage that occurred during the welding process - the maximum value is 0.5 mm. The tests of the mechanical properties of welded joints confirmed their reliability. Welds meet the requirements of design documentation for quality.

Совокупность признаков, составляющих заявляемый способ, не зависит от свойств материала свариваемых деталей, поэтому данный способ применим для получения сварных соединений, выполненных из различных цветных и черных металлов.The set of features that make up the inventive method does not depend on the material properties of the parts to be welded, therefore, this method is applicable to obtain welded joints made of various non-ferrous and ferrous metals.

Claims

1. The method of electron beam welding of a plate with a finned surface, including welding the above-mentioned parts from the side of the plate, characterized in that preliminary on the outer surface of the plate marking of the welding points that coincide with the places of welding on the finned surface, in the places of welding in the plate perform through single-stage holes with a decrease in diameter along the depth of the plate, combine the welded parts and a pin is installed in each hole made in the plate until it contacts the rib, while the pins are made of the same material In the case of both parts to be welded, and with a pin height exceeding the depth of the internal hole in the plate, then spot welding is performed at the places where the pins are installed.

2. The method according to p. 1, characterized in that the height of the protrusion of the pin into the outer hole is at least half its depth.

3. The method according to p. 1, characterized in that the plate and finned surface are made of titanium alloy sheet.