SU1496958A1

SU1496958A1 - Способ электронно-лучевой сварки трудносвариваемых сплавов

Info

Publication number: SU1496958A1
Application number: SU874228403A
Authority: SU
Inventors: Валерий Михайлович Язовских; Анатолий Николаевич Аржакин; Георгий Борисович Изгагин; Николай Витальевич Кабаев; Игорь Иванович Столяров
Original assignee: Предприятие П/Я А-3985; Пермский политехнический институт
Priority date: 1987-04-13
Filing date: 1987-04-13
Publication date: 1989-07-30

Abstract

Изобретение относитс к электронно-лучевой сварке и может быть использовано в различных област х машиностроени при сварке высокопрочных сталей и сплавов, склонных к закалке и образованию трещин. Цель изобретени - повышение качества сварных соединений путем расширени пределов регулировани тепловых процессов в зоне обработки. Осуществл ют локальную термообработку свариваемого металла электронным лучом до и после сварки пр моугольной зоной нагрева, колеблющейс поперек направлени скорости перемещени детали относительно электронной пушки. Амплитуду колебаний зоны нагрева H_Y измен ют от МиНН_Y до MAKCH_Y пропорционально мощности луча Q_Y по законам H_Y=H(1-SIN ΩT), Q_Y=Q(1-BSINΩT), где ω - углова частота колебаний

A и B -коэффициенты. С увеличением H_Y увеличиваетс Q_Y и тем самым предотвращаетс перегрев металла в зоне обработки и обеспечиваетс равномерный нагрев всех зон соединени . 2 ил.

Description

Изобретение относитс к электронно-лучевой сварке и может быть использовано в различных област х машиностроени при сварке высокопрочных сталей и сплавов, склонных к закалке и образованию трещин. .

Цель изобретени - повышение качества сварных соединений путем расширени пределов регулировани тепловых процессов в зоне обработки.

На фиг. 1 показана схема электрон- но.-лучевой термообработки соединени , на фиг. 2 - графики расширени температурных полей при термообработке электронным лучом по известному способу обработки расфокусированным лучом (сплошные линии) и предлагаемому, способу (штриховые и штрихпунктирные :линии).

Способ состоит в локальной термообработке свариваемого металла электронным лучом до и после сварки пр моугольной зоной нагрева, колеблющейс поперек направлени скорости перемещени детали относительно электронной пушки (фиг 4 1). Амплитуду колебаний зоны нагрева Нп измен ют от мин Ни до макс Ни пропорционально мощности луча Qu по законам

419

со

Од

;о ел

00

HI Н(1 - a sinwt).

Q(1 - b.sinot),

где H - исходное рассто ние зоны

нагрева от стыка, м, Q - исходна мощность электронного луча, Вт, а и b - коэффициенты, равные 1 а

0, 1 b ; О,

СО - углова частота колебаний зоны нагрева или мощности луча, Гц, t - врем , с.

Пр моугольную зону нагрева созда- ют, например, сканированием луча С высокой скоростью Vj (на несколько пор дков вьше скорости перемещени свариваемых деталей относительно электронной пушки) по пр моугольной траектс ии, Нц и Qu измен ют по приведенным выше законам.

Так как мощность луча измен ют пропорционально амплитуде, то с уве- пичением Ни увеличиваетс и QH, т.е. при удалении электронного луча от стыка увеличиваетс и мощность. Этим обеспечиваетс отсутствие перегрева металла в зоне обработки и более равномерный -нагрев всех зон сварного соединени .

После нагрева свариваемых кромок до заданной температуры производ т электронно-лучевую сварку и охлаждение сварного шва до требуемой темпе- ратуры.

На следующем этапе производ т термическую обработку сварного соединени также пр моугольной зоной нагрева , колеблющейс поперек направлени скорости, перемещени свариваемьк деталей относительно электронной пушки Исходное рассто ние Н, исходную мощг ность электронного луча Q, угловую частоту Q коэффициенты а и.Ь выби- рают в зависимости от химического состава свариваемых сталей и конст- руктивньЬс особенностей свариваемьк изделий. При а О расположение зоны воздействи луча относительно стыка не измен етс , при а 1 обе зоны, расположенные параллельно стыку, пе- ремещаютс от линии стыка до рассто ни , равного 2 Н. При b О эффектив на мощность электронного луча не измен етс § зависимости от расположени зон нагрева, при b 1 эффективна мощность электронного луча максимальна при наибольшем удалении

0

в

5

0 5 0 5

зон нагрева от стыка и уменьшаетс до нул при приближении зон нагрева к линии стыка. Исход из приведенных законов изменени Ни и Q видно, что при а больше единицы Ни может мен ть свой знак (т.е. фактически зона нагрева с одной стороны переходит на другую), что трудно осуществимо и нецелесообразно. При значении b больше 1 мощность луча Qu в некоторые моменты становитс отрицательной , что в данном случае осуществить невозможно.

Дл оценки эффективности предлагаемого способа сварки производили моделирование процессов распределе- ни температурных полей на ЭВМ ЕС1060. Сравнивали характеристики нагрева отдельных зон сварных соединений при обработке электронным лучом по известному (обработка расфокусированным электронным лучом), и предлагаемому способам. Предварительно на установке ЭЛУ-5 с энергетическим блоком У -250 сваривали образцы из стали 38Х2НМФ толщиной 15 мм по базовой технологии: пред- варительньй подогрей расфокусированным лучом диаметром 5 мм при относительной скорости перемещени пушки 5,6 мм/с, токе луча 95 мА, ускор ющем напр жении 28 кВ, сварка при токе луча 2АО мА, скорости 5,6 мм/с, ускор ющем напр жении 28 кВ, заглублении фокуса луча в свариваемый образец на 5-7 ,мм и термообработка после сварки в печи при 550 с в течение 4 чо Изменить структуру свариваемого металла нагревом . расфокусированным не удаетс , так как температура по центру п тна нагрева всегда превышает температуру периферийных участково,Поэтому при отпуске зоны термического вли ни (наход щейс на периферии п тна нагрева) сам шов нагретьс до температуры , закалки. Многократный проход расфокусированным электроннь1м лучом, когда тампература по центру п тна нагрева не превьш1ает температуры отпуска , а нагрев до требуемых температур зоны термического вли ни происходит за счет теплопроводности, вл етс неэффективным из-за низкой производительности.

Дп излучени распределени температуры по известному и предлагаемому Способам разработаны две тепловые

5U96958

модели, которые получены при решении

исходного уравнени теплопроводности с использованием функции Грина.

Теплова модель при нагреве свариваемых пластин по известному способу имеет следующий вид:

Т

Q

lecpHi a,

J (- Ч)

erf

Х + Уу + Vtb

А .

) - erf

2л1а(+ t,)

(

X + V + Vto - Н,

(Tt)

I еур

+ ехр (Y + Н)

Т

(Z + 2п1)

Теплова модель при нагреве по предлагаемому способу имеет вид:

i

16СрН| н а

tsin СО ( + tp)

dc Г

J ( - t)

о

и

пределенность источника ,

1 - толщина пластины, Н - длина источника

вдоль оси стыка,

Частоту, амплитуду колебаний луча и его мощность выбирают таким обра- :зом, чтобы обеспечить более равномер- JO ный нагрев до заданных температур всех зон сварного соединени . Выбор этих параметров производитс с помощью моделировани на ЭВМ и последующей проверки,, Температура нагрева 15 различных зон определ лась на фиг.2 по результатам моделировани на ЭВМ.

Крива 1 показывает температуру на поверхности линии стыка, крива 2 - на рассто нии 5 мм от стыка, кри- 20 ва 3-е обратной стороны пластины в интервале от О до 5 мм от линии стыка по обе стороны.

Данные моделировани свидетельст- взтот, что если производить нагрев по 25 предлагаемому способу при следующих параметрах: ток луча 95 мА, ускор ю- , щее напр жение 28 кВ, V 5, м/с E 5ЧСГ м, СО 0,15, Н 5 х X , 1 15 X , to 0,2 с. 30 0 0,8 X /с, а 0,5, 7850 кг/м , с 5900 Вт/(кг b 0,5, - то разность максимальных температур нагрева по центру шва и 1 - Ькпо зоне термического вли ни составfc

35

л ет около 70 С. При нагреве же по

.„..X-«-V -bVi,-bH, ,(С+Ц)

известному способу эта разность составл ет около 450°С (см. фиг. 2),

Пример. Выполн ли термообработку соединени из стали 15x2 Мф

erf(

X+Vf

2л|а,

+Vta-H. 1 (+ t,)J

f.

1

exp t

Y + H(1 - a. ( to)l

С, p , a

V t.

теплоемкость, удельный вес и температу- ропроводимость свариваемого металла, скорость сварки, посто нна времени, характеризующа расель рев ующ кор 1СГ 5 х 0,2 льн ва ост

л ет около 70 С. При нагреве же по

толщиной 15 мм электронным лучом до и после сварки на установке ЭЛУ-5 с энергетическим блоком У-250А. Теп- лофизические характеристики обрабатываемого металла представлены выше;

Подогрев зон ы соединени перед сваркой выполн ли с помощью специального устройства, обеспечивающего развертку луча по пр моугольной траектории размером 10x40 мм. Размер пр моугольной зоны по оси Y с частотой 1 Гц (углова частота Ы 0,15) измен ли от 5 до 15 мм. При этом ток луча при минимальном размере зоны нагрева составл л 50 мА, а при максимальном 150 мА.. После двух оборотов кольцевых соединений 0100 мА температура в зоне сварки составила , что соответствует расчетным данным. Контроль температуры осуществл ли хрЬмвльалюмелевыми термо - парами, прижимаемыми к изделию в -: , двух точках с координатами; X, в -5,5 мм, мм, Zj О, Xj -5 мм, Y 5 мм, Z 15 мм. Параметры режи ма термообработки: UUCK 27 кВ, 1д « 100 мЛ, диаметр луча 1,5 мм, Vjjg «5,6 с Параметры режима сварки U иск 27 кВ,

5

-250 мА, 1ф ,6.10 м/с.

140 мА, V

съ

После термообработки соединени предлагаемым способом ударна , в зкость металла зоны термического вли ни составили 5 кггм/см , что, превышает значени при термообработке известным способом расфокусирован- .УЧОМ, трещины в околошовной зоне соединени отсутствуют, что свидетельствует об отсутствии перегрева металла и закалочньк структур.

Claims

Использование предлагаемого способа обеспечивает повышение производительности подогрева.и получение качественных сварны с соединений за счет возможности эффективного управлени термическими циклами отдельных зон сварного соединени . Формула изо.бретени

Способ электронно-лучевой сварки трудносвариваемых сплавов,при котором перед сваркой вьлолн ют локальную , термообработку свариваемых кромок , а после сварки - локальную термообработку сварного соединени лучом , отличающийс тем,

ных соединений путем расширени пределов регулировани тепловых процес- сов в зоне обработки, термообработку до и после сварки вьтолн ют пр моугольной зоной нагрева, колеблющейс поперек направлени скорости обработки , амплитуду.колебаний Зоны нагрева Ни измен ют пропорционально мощности луча Qu по законам

Ни Н(1 - а sinut),

Qu Q(1 Ь sintot), о

где Н - исходное рассто ние зоны

нагрева от стыка, м, Q - исходна мощность электронного луча, Вт,

а и b - коэффициенты, равные 1 i; а

О, 1 ,Ь О, Q - углова частота колебаний

зоны нагрева или мощности .

луча, Гц, t - врем , с.

фa.f