Телефон:

+7 (8452) 46-01-04

Ваши запросы:  
Ни одна позиция не выбрана
Главная | Статьи | Запрос цены | Контакты |

Технологические приемы электронно-лучевой сварки

Высокое качество сварных соединений в изделиях достигается с помощью оптимальных конструктивных решений и технологических приемов сварки, выбор которых должны осуществлять совместно технолог-сварщик и проектант изделия. Критерием окончательного выбора при этом является наиболее низкая стоимость технологии сварки.

Качество шва при электронно-лучевой сварке, как и при любом способе сварки плавлением, определяется совокупностью заданных технологических и энергетических параметров процесса. Неправильный выбор способа сварки, режима или нарушение оптимального режима электронно-лучевой сварки приводят к появлению дефектов в швах даже на хорошо свариваемых материалах. Поэтому знание арсенала технологических приемов и их областей применения является необходимым квалификационным требованием к технологам-сварщикам.

Целью выбора технологических приемов сварки электронным пучком должна быть не только минимальная стоимость процесса, но и то, чтобы эта технологическая операция была финишной сборочной.

Классификация технологических приемов сварки и ремонта швов электронным пучком. По степени изученности и применяемости известные технологические приемы сварки можно разделить на три группы.

К первой относятся наиболее изученные и широко применяемые в промышленности приемы: развертка и наклон электронного пучка; модуляция тока электронного пучка; подача присадочного материала; применение подкладок; сварка смещенным и расщепленным электронным пучком; выполнение прихваток, предварительных и "косметических" проходов; сварка секциями.

Вторая группа включает приемы, хорошо изученные в лабораторных условиях, но не получившие пока практического применения: "тандемная" сварка; сварка в узкий зазор; сварка "пробковыми" швами.

В третью группу входят приемы, целесообразность или возможность реализации которых недостаточно обоснована: оплавление корневой части шва "проникающим" электронным пучком; осцилляция уровня фокусировки электронного пучка; применение флюсов; сварка с использованием широкой вставки; сварка с дополнительным теплоотводом; двухсторонняя сварка; вибрация свариваемого изделия; ввод ультразвуковых колебаний в сварочную ванну.

По типам физического воздействия технологические приемы делят на четыре группы: управление пространственно-энергетическими параметрами электронного пучка (периодическое и статическое отклонение, модуляция токов электронного пучка и фокусирующей линзы); применение дополнительных конструктивных элементов и материалов (подкладки, вставки, накладки, наплавки, теплоотводящие элементы, присадки, флюсы); специальные сварные швы (дополнительные проходы, прерывистые швы, дополняющие швы); механическое воздействие на сварочную ванну (вибрация изделия, ввод ультразвуковых колебаний).

Вспомогательные операции. Прихватки на стыке целесообразно выполнять с помощью электронного пучка (особенно для ферромагнитных материалов), так как дуговая сварка в этом случае приводит к намагничиванию изделия. Порядок наложения прихваток вдоль стыка - от середины к краям. Количество прихваток определяется конструкцией свариваемого изделия. Длина прихватки обычно не должна превышать 20-30 мм, чтобы обеспечивать надежную работу системы слежения за стыком.

С целью уменьшения газонасыщенности и концентрации неметаллических примесей в зоне сварки иногда выполняют вначале "неполную" сварку(предварительный проход) с глубиной проплавления, меньше требуемой глубины шва. Возможно применение и нескольких таких проходов с последовательным увеличением глубины проплавления.

Основные приемы. К числу наиболее изученных и распространенных приемов сварки относятся следующие: полное проплавление, развертка и наклон электронного пучка, сварка с присадкой, сварка с подкладкой, сварка смещенным и расщепленным электронным пучком, модуляция тока электронного пучка.

Полное проплавление позволяет исключить корневые дефекты, свести к минимуму угловые деформации и вероятность появления пор и раковин.

Для технологической развертки электронного пучка наиболее эффективны такие типы траекторий: окружность, эллипс, дуга (продольная и поперечная). Формирование при развертке усредненного распределения плотности мощности электронного пучка поперек направления сварки с "провалом" в приосевой области уменьшает амплитуду корневых пиков и расширяет корень сварного шва. При радиусе закругления корня сварного шва 1-1,5 мм (для глубины проплавления 10-80 мм) и 2-4 мм (для глубины проплавления 100-200 мм) вероятность появления корневых дефектов минимальная. Двойное преломление электронного пучка при развертке позволяет существенно увеличить угол его отклонения относительно оси по сравнению с однократным преломлением при сохранении той же ширины сварного шва в его верхней части. Частоту развертки электронного пучка рекомендуют выбирать в диапазоне 100-500 Гц для сталей и 500-1000 Гц для алюминиевых и титановых сплавов. Поперечные размеры траектории развертки оптимальны в диапазоне 1-1,5 мм. Скорость движения электронного пучка вдоль траектории развертки желательно поддерживать постоянной: 600-800 мм/с для сталей и 2000-2500 мм/с для алюминиевых и титановых сплавов.

Сварка двумя электронными пучками (тандемом) листовых металлов толщиной больше 10 мм позволяет резко (в 5-7 раз) повысить скорость сварки при увеличении общей мощности источников сварочного нагрева на 20-25%. При этом достигается лучшее качество сварного шва.

Постоянный наклон при сварке электронного пучка в направлении его перемещения по изделию на угол 5-7° (но иногда и до 20°) предотвращает S-образную форму фронта кристаллизации сварочной ванны и тем самым резко снижает пористость и вероятность возникновения раковин, а также исключает бугристость сварного шва.

Сварку с присадкой используют для предотвращения неполномерности шва (при больших зазорах в стыке) или поддержания в металле заданной концентрации легкоиспаряемых элементов. В качестве присадки применяют в основном проволоку диаметром 0,8-1,2 мм, подаваемую в сварочную ванну позади электронного пучка под углом 15-45° к его оси или укладываемую на стык перед зоной сварки.

При сварке на подкладке обеспечивается выведение корневых дефектов из несущей части соединения, причем подкладка может быть как удаляемой, так и неудаляемой. Для улучшения выхода газов и паров из сварочной ванны и снижения трудоемкости удаления можно использовать подкладку в виде гранул или рубленой сварочной проволоки. С помощью подкладки из керамики можно добиться исключения финишной обработки корня шва.

При сварке разнородных металлов электронный пучок смещают в сторону более тугоплавкого металла, а при сварке-пайке - в сторону менее тугоплавкого металла. Смещение электронного пучка применяют и для компенсации его отклонения от стыка продольной составляющей магнитного поля, возникающего при сварке разнородных материалов.

Используя импульсное знакопеременное отклонение электронного пучка, можно одновременно сваривать отдельными точками или непрерывными швами два или более близко расположенных стыка на тонколистовых (до 3 мм) материалах.

Для уменьшения тепловложения при сварке малогабаритных тонкостенных изделий и для выполнения точечной сварки используют импульсную модуляцию тока электронного пучка с частотой до 400 Гц.

Для расширения номенклатуры марок материалов, свариваемых с помощью электронного пучка, применяют электронно-лучевую наплавку и электронно-лучевое оплавление стыкуемых поверхностей. На поверхности деталей со стороны будущего сварного соединения наплавляют слои хорошо свариваемого материала толщиной до 10 мм, которые и сваривают после механической обработки. Оплавлением с помощью быстросканирующего электронного пучка стыкуемых поверхностей на глубину 4-8 мм достигается рафинирование исходного материала в зоне будущего сварного шва и, тем самым, значительно снижается или исключается дефектность (прежде всего пористость) шва.

Предотвращение корневых дефектов при сварке с двойным преломлением электронного пучка. Данный прием предназначен для получения сварных швов с параллельными боковыми границами и широким корнем.

Сварку проводят повторяющимися циклами, состоящими из трех этапов. Вначале сварку осуществляют неотклоненным электронным пучком, а затем - при поочередном его отклонении с помощью двойного преломления вперед и назад по отношению к направлению перемещения зоны сварки. Этап сварки с отклонением электронного пучка производится вначале с направлением электронного пучка на новое дно сварочной ванны и последующим плавным перемещением его на переднюю верхнюю кромку ванны, затем с выбросом электронного пучка на заднюю верхнюю кромку ванны и последующим плавным перемещением его на дно ванны. Одновременно осуществляют сканирование электронного пучка по траектории, являющейся дугой окружности или эллипса и обращенной выпуклостью в сторону отклонения электронного пучка, что и позволяет получить сварочную ванну цилиндрической формы. Время сварки неотклоненным электронным пучком определяют так, чтобы, перемещаясь со скоростью сварки Vсв, пучок проходил расстояние, равное радиусу Rе своего поперечного сечения на уровне свариваемых изделий: t1 = Re/Vсв.

Суммарное время отклонения t2 в переднюю и хвостовую части ванны выбирают равным или меньше времени затекания пародинамического канала в сварочной ванне.

Операции, выполняемые электронным пучком, направлены на то, чтобы создать сварочную ванну цилиндрической формы с круговым или эллиптическим сечением с помощью расплавления той части металла, которая составляет разницу между конической и цилиндрической формами ванны с равными сечениями на верхнем уровне. Такое дополнительное расплавление осуществляют увеличением угла встречи электронного пучка с передней или задней стенкой пародинамического канала в сварочной ванне по сравнению с предыдущим равновесным состоянием.

Вначале электронный пучок отклоняют на дно сварочной ванны и с увеличивающейся скоростью (так как уменьшается толщина слоя металла между конической и цилиндрической формами ванны) перемещают на переднюю верхнюю кромку ванны. Затем электронный пучок перебрасывают на заднюю верхнюю кромку сварочной ванны и с уменьшающейся скоростью опускают на ее дно. Такой порядок отклонения электронного пучка сохраняет существующее при обычной сварке направление переноса расплавленного металла.

Разработанный прием электроннолучевой сварки позволяет максимально снизить вероятность образования корневых и других дефектов и получить шов с высоким качеством при минимальных деформациях свариваемого изделия.

Стыковая сварка разнородных металлов. Обычно для стыковой сварки разнородных металлов характерно смещение электронного пучка в сторону более тугоплавкого металла (собственно сварка) или в сторону более легкоплавкого металла (сварка-пайка). При этом сложно выполнять слежение за стыком.

Для осуществления сварки с точным ведением электронного пучка по линии стыка разработан технологический прием сварки с импульсно-точечной разверткой, при котором ось электронно-оптической системы электронной пушки, ось развертки и плоскость стыка совмещены.

Движение электронного пучка начинается из точки N, например, влево от оси X по траектории 1. Переместившись с заданной скоростью сканирования Vск на расстояние 2Rе до точки А, электронный пучок мгновенно перебрасывается по траектории 2 в симметричное относительно оси X положение (точку В) на заданном контуре. Далее электронный пучок снова перемещается со скоростью Vск на расстояние 2Rе (до точки С), а затем перебрасывается в симметричное положение (точку D). Далее процесс движения электронного пучка повторяется до тех пор, пока электронный пучок не достигнет конечной точки К заданного контура, после чего электронный пучок мгновенно перебрасывается в начальную точку N. Таким образом, осуществляется одновременное формирование зон нагрева на обеих половинах заданной траектории сканирования электронного пучка, симметричных относительно плоскости симметрии сварочной ванны.

Зоны нагрева между точками А и D, N и В, С и F формируются практически непрерывно, так как поперечные сечения электронного пучка соприкасаются при выбранном периоде его переброса T = 4Re/Vск. При меньшем периоде "следы" поперечного сечения электронного пучка будут перекрываться, обеспечивая еще большую равномерность нагрева свариваемого металла. Следовательно, период всегда выбирают из условия Т < = 4Re/Vск. Для формирования симметричного нагрева металла на обеих половинах заданной траектории сканирования при сварке однородных металлов необходимо, чтобы время пребывания электронного пучка в каждом из отклоненных положений было одинаковым, т. е. равным Т/2.

При сварке разнородных материалов соотношение времен пребывания электронного пучка в каждом из отклоненных положений определяют соотношением количества теплоты, необходимой для расплавления каждого из металлов.

При этом для обеспечения непрерывности формирования зон нагрева необходимо, чтобы время паузы на более легкоплавком металле, которое равно времени пребывания электронного пучка в отклоненном положении на более тугоплавком металле, не превышало 2Re/Vск.

Одновременное формирование симметричных относительно направления сварки зон нагрева на заданной траектории сканирования обеспечивает симметричный отток расплавленного металла от мест непосредственного воздействия электронного пучка. Поскольку перенос расплава происходит в направлении, обратном направлению перемещения электронного пучка, то при движении пучка от точки N к точке К и создается поток расплава, имеющий то же направление, что и при сварке неотклоненным электронным пучком. Таким образом, при сварке разнородных металлов обеспечивается симметричное движение расплава в сварочной ванне, повышается ее устойчивость и тем самым уменьшается вероятность образования дефектов сварного шва гидродинамического характера, а также обеспечивается возможность работы системы слежения за стыком.

Сканирование фокуса электронного пучка. В этом хорошо известном технологическом приеме нужно лишь отметить эффект нелинейности колебаний фокуса, который часто не учитывают пользователи.

Колебания уровня фокусировки электронного пучка относительно некоторого среднего значения осуществляются модуляцией тока электромагнитной линзы.

Простая синусоидальная модуляция тока линзы приводит к намного более сложному закону колебания уровня фокусировки электронного пучка. Это обусловлено нелинейными свойствами электромагнитной линзы как преобразователя колебаний тока в колебания фокуса электронного пучка. В спектре колебаний расстояния b появляется бесконечное число гармоник с частотами, кратными основной частоте модуляции, и с амплитудами, убывающими с увеличением номера.

Лишь при малой амплитуде модуляции продольные колебания минимального сечения электронного пучка близки по форме и частоте к модулирующим ток линзы, но сдвинуты по фазе на 180°. Нелинейность линзы приводит и к появлению постоянной составляющей в колебаниях уровня фокусировки. Тем самым нарушается статическая фокусировка электронного пучка.

Начало и окончание шва. Плавное начало и окончание шва с постоянной скоростью сварки. При несквозном и сквозном проплавлении металлов толщиной до 60 мм предотвращение возникновения внешних дефектов достигается при плавном нарастании или спаде мощности электронного пучка на длине стыка, превышающей глубину шва не менее чем в два раза. Поскольку геометрия и качество шва сильно зависят от уровня фокусировки электронного пучка по отношению к глубине проплавления, то при изменении мощности электронного пучка в начале и конце сварки необходимо, по крайней мере, поддерживать постоянным расстояние между минимальным поперечным сечением электронного пучка и дном сварочной ванны. Если распределение плотности мощности электронного пучка не обеспечивает предотвращение корневых дефектов, то минимальное сечение электронного пучка в процессе изменения его мощности необходимо удалять от корня проплавления. При этих операциях нужно учитывать, что регулирование мощности изменяет положение минимального сечения электронного пучка из-за проявления магнитного пинч-эффекта. В случае применения развертки электронного пучка параметры ее необходимо изменять в зависимости от мощности пучка.

Плавное окончание шва с переменной скоростью сварки. Для сокращения длины участка окончания шва следует одновременно с плавным уменьшением мощности электронного пучка плавно уменьшать скорость сварки до нуля. Это позволяет снизить перегрев свариваемых деталей при перекрытии замкнутого шва небольшой длины и предотвратить возможное разупрочнение зоны термического влияния.

Такой способ реализован при сварке со сквозным проплавлением. С помощью системы автоматического регулирования поддерживается постоянным значение сквозного тока электронного пучка на участке окончания шва до тех пор, пока скорость сварки не станет равной нулю. Затем мощность электронного пучка быстро уменьшают до нуля.

Для сварки сталей толщиной >100 мм разработан прием окончания шва с линейным увеличением в 2,1 раза скорости сварки (мощность электронного пучка уменьшается линейно) и кусочно-линейным изменением положения фокуса электронного пучка. Такое изменение Vсв в данном случае связано с тем, что оптимальная скорость сварки увеличивается с уменьшением глубины проплавления.

Начало и окончание шва при нулевой скорости сварки. При сварке толстолистовых металлов электронный пучок можно включать и/или выключать при попадании его в отверстие на стыке. Отверстие выполняют предварительно либо электронным пучком повышенной мощности, либо механически. После сварки основного участка стыка отверстие заполняют в нижнем положении с помощью присадочного материала в виде сплошной или рубленой проволоки, расплавляемой сканирующим по окружности электронным пучком мощностью 5-7,5 кВт. Описанный прием можно применять и при сварке металлов средних толщин.

Возможно также плавное (во времени) окончание шва при нулевой скорости сварки без предварительно подготовленного отверстия и подачи присадочного материала. Такой прием эффективен при сварке титановых сплавов.

Приемы ремонта сварного шва. Широкое применение электронно-лучевой сварки для соединения толстолистовых металлов повлекло за собой и развитие способов ремонта шва, так как вероятность возникновения дефектов с ростом глубины проплавления увеличивается. Разработано несколько приемов устранения как внешних, так и внутренних дефектов сварного шва.

"Косметические" проходы электронным пучком пониженной мощности выполняют для устранения неровностей на поверхности шва (как с лицевой, так и с обратной сторон), небольших кратеров и подрезов. Иногда этот прием используют с целью термообработки сварного соединения. В ряде случаев проходы выполняют с подачей цельной присадочной проволоки (в любом пространственном положении) либо рубленой (в нижнем положении). Наименьшая вероятность образования корневых дефектов обеспечивается при использовании поперечной пилообразной развертки или сильно расфокусированного электронного пучка. При этом достигается и весьма гладкая поверхность оплавленного шва, особенно на титановых сплавах.

Повторный проход применяют для ремонта внутренних дефектов сварного шва, выявляемых неразрушающими методами контроля. При этом режим сварки либо повторяют, либо стремятся несколько расширить литую зону.

Вварку "пробок" применяют для устранения непротяженных дефектов сварного шва (например, типа "кратер"). На глубину залегания дефекта сверлят отверстие, в которое затем вставляют "пробку" из того же материала. Далее "пробку" вваривают путем проплавления электронным пучком на всю глубину сварного шва. Для толстолистовых металлов часть "пробки", выступающую над поверхностью сварного шва, предварительно оплавляют.


В список


онлайн-магазин сварочного оборудования

Яндекс цитирования Рейтинг@Mail.ru