СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ И РЕЗКИ

Технология электронно-лучевой сварки

Основные параметры режима ЭЛС — это ускоряющее напря­жение U, кВ; ток луча /л, мА; рабочее расстояние (расстояние от центра фокусирующей системы до поверхности изделия) /, см; угол сходимости луча а, ...°; скорость перемещения луча (ско­рость сварки) vCB, м/ч; сила тока магнитной фокусирующей сис­темы /м (/ф), мА. Последняя определяет диаметр пятна воздей­ствия луча на свариваемую деталь. Изменением скорости сварки можно регулировать скорость кристаллизации металла сварного шва и термическое воздействие на основной металл в околошов - ной зоне. Кроме этого ЭЛС может характеризоваться дополнитель­ными параметрами: формой и частотой колебаний пучка, скоро­стью и направлением подачи присадочного металла и т. п. Типич­ные интервалы значений параметров ЭЛС следующие: мощность q = 1... 120 кВт при U = 25... 120 кВ; а = 1...5”; / = 2...20 см; vca = 3... 100 м/ч, диаметр пятна луча в зоне сварки d = 0,1 ...3 мм.

Технологические параметры ЭЛС включают в себя физико-хи­мические свойства свариваемого металла, давление и состав оста­точной среды в вакуумной камере, значение и распределение ос­таточной намагниченности изделия, пространственное положе­ние сварного шва и электронного луча, тип и геометрию сварного соединения. Из энергетических параметров процесса сварки наи­более существенно влияют на качество шва мощность пучка, по­ложение его минимального сечения и скорость сварки. Стабили­зация уровня фокусировки и мощности пучка электронов при сварке обеспечивает стабильность как коэффициента равномер­ности шва, так и средней глубины проплавления. По мере увели­чения толщины свариваемого металла резко снижается диапазон допустимых изменений уровня фокусировки луча. Оптимальное значение скорости сварки определяет условие минимальности гидродинамических возмущений в ванне и условие минимальной ширины шва для снижения деформаций, повышения трещиноус - тойчивости, сохранения концентрации легкоиспаряющихся ле­гирующих компонентов. При увеличений толщины свариваемого металла оптимальная скорость сварки снижается. Так, если ме­талл толщиной 1... 1,5 мм удается сваривать с качественным фор­мированием шва при скорости сварки vCR = 210...240 м/ч, то ме­талл толщиной 150...200 мм нужно сваривать при vCB = 3...5 м/ч.

Для однопроходной ЭЛС применяют как типы сварных соеди­нений, характерные для сварки плавлением — на подкладке и без нее (рис. 4.2, а), так и новые, присущие только этому способу. Отбортовку кромок (рис. 4.2, б) применяют обычно для деталей радиоэлектроники и приборостроения. Соединения внахлестку (рис.

4.2, - в) широко применяют при сварке разнородных металлов, различающихся по температуре плавления. Электронный луч в этом случае смещают на кромку более тугоплавкой детали. Отличитель­ные типы соединений под сварку проникающим лучом в узких разделках и труднодоступных местах приведены на рис. 4.2, г.

Соединения под сварки проникающим лучом (см. рис. 4.2, б) применяют для тонколистовых металлов в нижнем положении, а для металлов малых и средних толщин — в горизонтальном. Тавро­вые соединения могут выполнять на металлах толщиной 8 < 10 мм. Возможна сварка двух цилиндров через ребро жесткости (рис. 4.2, е).

Возможность сварки в узких разделках и труднодоступных мес­тах является одним из достоинств ЭЛС перед другими способами

)Рис. 4.2. Основные типы соединений деталей щш электронно-лучевой

сварке:

а — встык тонколистовых деталей на подкладке и без нее; 6-е отбортовкой кромок различной толщины кромок; в — внахлестку; ^ — в узких разделках и труднодоступных местах; д — однопроходная сварка одновременно нескольких Стыков проникающим лучом; е — сварка двух ЦИдИНдров электронным лучом І ■ через ребро жесткости

сварки плавлением. Эта возможность достигается благодаря ма - рым размерам сечения электронного луча и его автономности по ртношению к свариваемым деталям. Однопроходная сварка не - ркольких расположенных друг над другом стыков может быть вы­полнена проникающим лучом. Сварку электронным лучом можно успешно осуществлять в нижнем и горизонтальном положениях, на подъем. Сварка в нижнем положении (вертикальным электрон - дам лучом) может выполняться как без подкладки, так и на под­кладке. При сварке сталей в нижнем положении толщина деталей — [ЯК» 40 мм, титановых и алюминиевых сплавов — до 80 мм. Сварка I# горизонтальном положении и на подъем проводится горизон­тальным электронным лучом для металлов любой толщины без Подкладки.

.• Предварительную очистку деталей выполняют механически, а Окончательную — в зависимости от свариваемого металла и сте - рени шероховатости очищаемой поверхности, — различными рфизико-химическими способами. Непосредственно перед сваркой Поверхность свариваемых кромок в области стыка и стыкуемые Поверхности (насколько возможно через за:)0р в стыке) можно очи­щать с помощью маломощного сканирующего (сканирование — от англ. scan — поле зрения — управляемое пространственное пе­
ремещение) электронного луча. При этом луч должен незначи­тельно оплавлять очищаемую поверхность, не заплавляя зазор в стыке. Общие требования ко всем типам соединениям — это вы­сокая точность сборки перед сваркой. Допустимая ширина сва­рочного зазора при сварке без присадочного металла деталей толщиной не более 20...30 мм составляет 0,1 ...0,2 мм, а при тол­щине свыше 30 мм — 0,3 мм.

Для улучшения качества сварных швов и повышения произво­дительности процесса ЭЛС разработано и применяется большое количество технологических приемов. Наиболее изученные и обо­снованные приемы, получившие широкое применение, следую­щие:

• полное проплавление свариваемого стыка;

• развертка электронного пучка;

• сварка наклонным электронным пучком;

• модуляция тока пучка;

• подача присадочного металла;

• сварка с постоянным поперечным смещением электронного пучка;

• сварка «расщепленным» пучком;

• выполнение прихваток.

Рассмотрим некоторые приемы.

Полное проплавление свариваемого стыка — наиболее надежный и простой прием, позволяющий исключить дефекты в корневых швах, свести к минимуму угловые деформации, уменьшить веро­ятность образования пор и раковин благодаря улучшению усло­вий дегазации металла сварочной ванны. При сварке в нижнем положении данный прием применяют для соединения металлов толщиной 5 < 40 мм, а при сварке горизонтальным электронным лучом — с 8 < 400 мм. В последнем случае для предотвращения вытекания жидкого металла из сварочной ванны иногда устанав­ливают ограничительную планку вдоль нижней кромки стыка.

Развертка электронного пучка (колебания) может быть продоль­ная, поперечная, крестообразная. Благодаря развертке при сварке металлов больших толщин удается значительно расширить диа­метр канала и повысить устойчивость канала в сварочной ванне, что благоприятно сказывается на стабильности формирования швов: уменьшается разбрызгивание расплавленного металла, пред­отвращается вытекание расплава из ванны при сварке горизон­тальным лучом. Вследствие изменения формы шва уменьшается склонность к образованию трещин, корневых дефектов и протя­женных полостей.

Сварка наклонным электронным пучком позволяет уменьшить количество пор и несплошностей.

Модуляция тока электронного пучка позволяет уменьшить теп - ловложения при сварке тонколистовых (до 1 мм) металлов; для осуществления точечной сварки обычно используют импульсную модуляцию тока электронного пучка с частотой 1... 100 Гц. При шовной сварке частоту импульсов и скорость выбирают так, что­бы отдельные проплавленные участки перекрывали друг друга.

Подачу присадочного металла применяют для получения задан­ного состава металла шва или восстановления необходимой кон­центрации легкоиспаряющихся элементов в шве при больших за­зорах в стыке и исправлении дефектов.

Сварку с постоянным поперечным смещением электронного пучка применяют при сварке разнородных металлов. Электронный пу­чок смещают относительно плоскости симметрии стыка в сторо­ну более тугоплавкого металла или металла с большей теплопро­водностью. Значение смещения рассчитывают либо определяют экспериментально. Смещение пучка применяют также в ряде слу­чаев для компенсации его поперечного отклонения продольным (вдоль стыка) магнитным полем, возникающим иногда при свар­ке разнородных металлов и сплавов.

Особенности гидродинамических, тепловых и деформацион­ных процессов при формировании шва в процессе ЭЛС приводят к образованию специфических дефектов, снижающих эксплуата­ционные характеристики соединения. Вследствие периодического заливания дна пародинамического канала-кратера происходит неравномерное проплавление с образованием пилообразной формы нижней части границы сварочной ванны. Корень шва имеет ти­пичную пикообразную структуру. Каждому пику в корне шва со­ответствует чешуйка на поверхности шва. Поэтому для сварного шва при ЭЛС характерна, как правило, слоистая структура. Для предотвращения корневых дефектов необходимо формировать ка­нал-кратер с достаточно широкой и закругленной нижней частью. Изменение формы канала-кратера осуществляют изменением формы распределения плотности мощности электронного пучка в зоне сварки, например круговым сканированием пучком. Рас­ширение корня шва позволяет снижать опасность несплавлений свариваемых деталей из-за проявления остаточных или наведен­ных магнитных полей. В центре шва по всей его высоте вследствие нормального теплоотвода в месте стыковки встречно растущих кристаллитов и сосредоточения легкоплавких включений может возникать зона пониженной прочности с образованием продоль­ных горячих трещин. Иногда их называют срединными трещина­ми. При сварке металлов больших толщин следует учитывать вы­сокую жесткость сварного соединения.

При уменьшении скорости сварки глубина канала-кратера уве­личивается. На выходе канала-кратера возможно его закрытие Жидким металлом и образование полости. Один из характерных Дефектов для ЭЛС — газовая пористость металла шва. Основная причина образования пор — загрязненность свариваемого метал-

ла газами, которые при кристаллизации сварочной ванны могут выделяться вследствие разной их растворимости в жидком и твер­дом металле. Пористости способствует также химическое взаимо­действие компонентов и примесей в свариваемом металле при высокой температуре с образованием газовой фазы. Высокая ско­рость кристаллизации металла ванны при ЭЛС не позволяет газам выделиться из сварочной ванны. Лучший способ борьбы с газовой пористостью при ЭЛС — это использование чистых исходных ме­таллов, которые получают вакуумно-дуговым, элекгрошлаковым и электронно-лучевым переплавом.

К специфическим дефектам ЭЛС следует отнести отклонение канала проплавления от линии стыка вследствие отклонения пучка при сварке сталей с остаточной намагниченностью. Для ликвида­ции этого дефекта прибегают к предварительному размагничива­нию изделия. При сварке деталей толщиной 1...2 мм может на­блюдаться неравномерное формирование шва, которое можно уст­ранить регулированием фокусировки пучка. Наиболее часто встре­чающийся дефект при сварке небольшой толщины — неравно­мерность проплавления из-за провисания жидкого металла под действием давления испаряющегося металла и фиксации этого провисания за счет высокой скорости кристаллизации. Для сни­жения возможности появления дефекта при сварке ответственных конструкций следует применять остающиеся подкладки из свари­ваемого металла. Высокие скорости электронно-лучевой сварки могут привести к подрезам, размеры которых зависят от теплофи­зических свойств свариваемого металла. В середине шва при этом образуется выступ. Снижение скорости сварки уменьшает возмож­ность образования подрезов. Если они образовались, то их можно устранить повторным оплавлением поверхности шва при мень­шей мощности луча или расфокусированным лучом. Из этого сле­дует, что геометрия и качество швов при ЭЛС взаимосвязаны бо­лее сильно, чем при дуговых способах сварки.