Способ электронно-лучевой сварки

 

Использование: в технологии электронно-лучевой сварки алюминиевых сплавов толщиной 5 - 45 мм. Сущность изобретения: сварку осуществляют электронным лучом с поперечным сечением в виде овала с соотношением осей 1,5 - 2,3. В процессе сварки луч вращают с частотой, определяемой из соотношения f = (9,6 - 35,9) V_cb B, где V_cb - скорость сварки, мм/с; B - большая ось овала, мм. 4 ил.

Изобретение относится к технологии электронно-лучевой сварки алюминиевых сплавов и может быть использовано при изготовлении силовых элементов конструкций толщиной 5-45 мм.

Известен способ электронно-лучевой сварки, при котором луч смещают от оси пушки на 1,5-2 мм и вращают в процессе сварки с частотой 250-3000 Гц [1] Способ позволяет несколько уменьшить количество дефектов в корне шва. Однако при его использовании в случае сварки толстых заготовок с глубоким проплавлением материала наблюдается увеличение ширины шва и деформации конструкции.

Известен способ сварки электронным лучом, при котором формируют луч с несимметричным относительно его оси сечением [2] Недостатками данного способа являются невысокое качество сварных соединений и небольшая глубина проплавления при сварке деталей большой толщины.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ сварки электронным лучом с поперечным сечением, несимметричным относительно его оси [3] Сущность данного способа заключается в том, что в процессе сварки осуществляют вращение луча вокруг его оси.

Недостатком этого способа является невысокое качество сварных соединений при сварке алюминиевых сплавов, содержащих легкоиспаряющиеся компоненты. Невысокое качество соединений объясняется наличием в швах большого числа пор, которые значительно снижают механические свойства сварных соединений. Кроме того, наблюдается увеличение ширины шва по сравнению со сваркой стационарным лучом.

Целью изобретения является повышение качества соединений путем устранения внутренних дефектов шва и создания мелкозернистой структуры.

Цель достигается тем, что в способе сварки лучом с поперечным сечением, несимметричным относительно его оси, при котором осуществляют вращение луча вокруг этой оси, луч формируют в виде овала с соотношением осей 1,5-2,3, в частоту вращения луча выбирают из соотношения f (9,6-35,9) где V_св скорость сварки, мм/с; B большая ось овала, мм.

На фиг. 1 показано поперечное сечение луча в фокальной плоскости; на фиг. 2 и 3 стадии вращения луча в канале проплавления; на фиг. 4 распределение лития при сварке стационарным и вращающимся лучом.

Сущность способа состоит в том, что формируют луч с несимметричным относительно его оси сечением (фиг. 1). Формирование несимметричного сечения луча производят в магнитном поле квадрупольных линз. Экспериментально установлено, что в магнитном поле квадрупольных линз формируется луч с сечением в виде овала. Для снижения дефектов в сварном шве необходимо создавать несимметричное сечение луча в виде овала с соотношением осей 1,5-2,3. При соотношении осей овала меньшей 1,5 не наблюдается уменьшение количества внутренних дефектов в шве. При соотношении осей более 2,3 наблюдается увеличение ширины шва, которое сопровождается поступлением дополнительного количества металла в сварочную ванну и увеличением количества внутренних дефектов в виде пор в металле шва. Оптимальным является соотношение осей эллипса 1,5-2,3, при котором наряду с термическим воздействием луча на обрабатываемую деталь, сопровождающимся нагревом, плавлением и частичным испарением материала, наблюдается упорядоченное стабильное движение металла жидкой сварочной ванны вокруг канала проплавления (фиг. 2 и 3). На стык 1 деталей 2 воздействует электронный луч 3. За счет плавления и испарения материала деталей в зоне воздействия луча формируется канал 4 проплавления. По периферии канала 4 проплавления образуется жидкая прослойка 5 при кристаллизации которой формируется шов 6. При смещении большой оси эллипса (сечение луча) в сторону половины переднего фронта сварочной ванны EF на этом участке происходит более интенсивный нагрев металла и соответственное уменьшение поверхностного натяжения. Вследствие возникающей разности поверхностного натяжения между половинами EF и EK переднего фронта сварочной ванны в направлении ЕК происходит направленное интенсивное перемещение расплавленного металла. Такая гидродинамика процесса образования сварного шва позволяет исключить многие дефекты шва, связанные с пористостью и неупорядоченным течением жидкого металла сварочной ванны. При повороте луча на половину периода (фиг. 3) картина процесса меняется на противоположную и более интенсивное течение металла наблюдается уже по дуге EF.

Для реализации процесса важным параметром является частота вращения луча. Частоту вращения луча выбирают исходя из соотношения f=(9,6-35,9) где V_св скорость сварки, мм/с; B большая ось овала сечения луча, мм. При частоте враще- ния луча меньше чем 9,6 наблюдает- ся формирование столбчатой структуры шва и снижение механических свойств соединения. При использовании частот вращения больше 35,9 V_св/B происходит формирование крупнозернистой структуры шва и увеличивается количество дефектов в виде пор. Это связано с тем, что нарушается направленность течения металла по периферии канала проплавления из-за высокой частоты вращения.

Для вращения луча используют магнитное поле, создаваемое квадрупольными линзами, через которые пропускают ток переменной полярности.

Способ опробован при электронно-лучевой сварке высокопрочного алюминиево-литиевого сплава 1420 толщиной 15 мм. Сварку осуществляли на установке ЭЛУ-20А с энергетическим блоком БЭП-60/15 к. На электронной пушке были установлены две пары квадрупольных линз с амплитудой напряжения 1,3-2,0 кВ. Квадрупольные линзы были установлены непосредственно под отклоняющей системой электронно-лучевой пушки, которую при реализации данного способа отключали. Сварку образцов сплава 1420 осуществляли горизонтальным лучом на режиме: ускоряющее напряжение 60 кВ, ток луча 30 мА, скорость сварки 30 м/ч, расстояние от торца пушки поверхности детали 100 мм. Диаметр луча в фокальной плоскости 1,0 мм. Влияние параметров процесса на качество сварных соединений приведено в таблице.

Из представленных данных можно заключить, что предлагаемый способ позволяет повысить качество сварных соединений путем снижения количества дефектов в швах и измельчения их структуры. Исследование распределения лития по сечению шва (фиг. 4) показало, что оно носит диффузионный характер при устранении чрезмерного испарения данного компонента по центру шва. Механизм измельчения структуры шва заключается в периодическом срезании кристаллитов при определенном соотношении формы сечения луча и частоты его вращения.

Формула изобретения

СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ, при котором формируют луч с несимметричным поперечным сечением относительно его оси и сообщают ему вращение вокруг его оси, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварных соединений из алюминиевых сплавов путем устранения внутренних дефектов шва и создания мелкозернистой структуры, поперечное сечение луча формируют в виде овала с соотношением осей 1,5 2,3, а частоту вращения луча выбирают в соответствии с соотношением f (9,6 35,9) V_св / B, где V_св скорость сварки, мм/с; B величина большой оси овала, мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5