CC BY
103
УДК 621.791
ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ
О. В. Булатникова1, С. А. Чебурашкин Научный руководитель - Н. В. Успенский
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: [email protected]
Рассматривается процесс образования глубоких швов и основные параметры электроннолучевой сварки. Анализируются причины, возникновения специфических дефектов при электроннолучевой сварке (корневых дефектов). Предлагается способ их предотвращения.
Ключевые слова: электронно-лучевая сварка, корневые дефекты шва, дефекты, пародинамиче-ский канал, ускоряющее напряжение, ток электронного пучка, ток фокусировки.
CHARACTERISTIC OF PROCESS OF ELECTRON BEAM WELDING
O. V. Bulatnikova1, S. A. Cheburashkin
Scientific Supervisor - N. V. Uspensky
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: [email protected]
Process offormation of deep seams and key parameters of electron beam welding are considered. The research analyses the causes of specific defects at electron beam welding (root defects). It proposes the way to protect parts from the flaws.
Keywords: electron beam welding, root defects of a seam, flaws, the vapor-dynamic channel, the accelerating tension, current of an electron beam, focusing current.
Качество шва при электронно-лучевой сварке (ЭЛС), как и при любом способе сварки плавлением, определяется совокупностью технологических и энергетических параметров процесса. Поддержание на требуемом уровне энергетических параметров процесса сварки обеспечивает при неизменных технологических условиях постоянство эксплуатационных параметров сварного соединения, геометрических размеров, структурных, прочностных и других показателей. Однако, возможность формирования проплавления уникальной «кинжальной» формы с минимальной металлоемкостью ванны вступает в противоречие с достижением стабильных эксплуатационных параметров сварного соединения, как для одного, так и для многих швов. Нарушение оптимального режима ЭЛС зачастую ведет к появлению в швах дефектов, причем даже на хорошо свариваемых материалах. Они встречаются при любых способах сварки плавлением и хорошо известны [1]: непровары, подрезы, провисание шва, а также повышенное разбрызгивание. Однако возникают и другие, специфические дефекты: корневые дефекты, протяженные полости в объеме шва, «срединные» трещины и отклонения шва от стыка из-за остаточных или наведенных магнитных полей.
Корневые дефекты шва - наиболее распространенный вид дефектов, они могут иметь место при сварке любых материалов обычно в режиме несквозного проплавления в любом пространственном положении. Протяженные полости встречаются при сварке сталей, титановых и алюминиевых сплавов. Срединные трещины имеют место лишь при сварке сталей. Корневые дефекты шва присущи всем способам сварки высококонцентрированными источниками энергии. Они заключаются в непостоянстве глубины проплавления (корневая часть шва имеет пичковую структуру) и в наличии полостей или несплавлений в корневых пиках (рис. 1). Корневые дефекты имеют гидродинамическую природу образования и обусловлены особенностями переноса металла в сварочной ванне (рис. 2). Для предотвращения корневых дефектов необходимо формировать пародинамический канал с доста-
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1
точно широкой нижней частью и закругленным дном. Изменение формы канала осуществляется изменением формы распределения плотности мощности электронного пучка в зоне сварки.
Рис. 1. Микрошлиф продольного сечения корневой части шва
Рис. 2. Образцы с корневыми дефектами
Выбором уровня фокусировки пучка не удается полностью подавить корневые дефекты: вероятность образования несплавлений остается довольно высокой. При использовании электронного пучка, имеющего распределение плотности мощности с «провалом» в приосевой области (рис. 3), удается существенно снизить вероятность образования корневых дефектов. Такую форму распределения можно получить с помощью кругового сканирования пучка [2].
Расширение корня шва позволяет также уменьшить опасность несплавлений свариваемых деталей из-за проявления остаточных или наведенных магнитных полей. Из рассмотрения специфических дефектов следует, что геометрия и качество швов при ЭЛС взаимосвязаны сильнее, чем при дуговых способах сварки.
К основным энергетическим параметрам, определяющим геометрию и качество шва, относятся ускоряющее напряжение электронной пушки, ток или мощность электронного пучка, угол сходимости пучка, радиус и положение минимального поперечного сечения пучка, скорость сварки, точность совмещения пучка со стыком. Кроме того, каждый технологический прием может характеризоваться дополнительными энергетическими параметрами процесса сварки: формой и частотой колебаний пучка, скоростью и направлением подачи присадочного материала и т. п.
Технологические параметры ЭЛС включают в себя физико-химические свойства основного металла, давление и состав остаточной среды, величину и распределение остаточной намагниченности изделия, степень гравитации, пространственное положение сварного шва и электронного пучка, тип и геометрию стыкового соединения. В зависимости от технологического приема имеются и дополнительные параметры: физико-химические свойства присадочного материала и способ его подачи, температура подогрева изделия и т. п.
Из энергетических параметров процесса сварки наиболее существенное влияние на качество шва оказывают мощность пучка, положение его минимального сечения и скорость сварки. Стабилизация уровня фокусировки и мощности пучка электронов в процессе сварки обеспечивает стабиль-
ность как коэффициента равномерности шва, так и средней глубины проплавления. По мере увеличения толщины свариваемого металла резко снижается диапазон допустимых изменений уровня фокусировки пучка [3].
О Г
Рис. 3. Форма распределения плотности мощности электронного пучка для подавления корневых дефектов: йпр - диаметр провала; цпр - спад плотности мощности пучка в провале
Один из приемов борьбы с корневыми дефектами - полное проплавление свариваемого стыка. Программирование распределения энергии электронного луча в сварочной ванне, за счет соответствующих разверток луча, позволяют управлять формированием сварного шва при электронно-лучевой сварке. С помощью выбора развертки электронного пучка достигается повышение качества сварных соединений за счет устранения корневых дефектов, снижения пористости, непроплавов и снижения напряжений деформаций в сварных соединениях.
Библиографические ссылки
1. Электронно-лучевая сварка / О. К. Назаренко, А. А. Кайдалов и др. / под ред. Б. Е. Патона. Киев : Наук. думка, 1987. 256 с.
2. Шилов Г. А., Акопьянц К. С., Касаткин О. Г. Влияние частоты и диаметра круговой развертки электронного луча на проплавление металла при ЭЛС // Автоматическая сварка. 1983. № 8. С.25-28.
3. Экспериментальные исследования по оптимизации технологии электронно-лучевой сварки алюминиевых сплавов / Ю. Н. Серегин, В. Д. Лаптенок, Н. В. Успенский и др. // Технологии и оборудование ЭЛС - 2011» : докл. С.-Петерб. междунар. науч.-техн. конф. (24-26 мая 2011 г.). СПб. : Изд-во Политех. ун-та, 2011. 314 с.
© Булатникова О. В., Чебурашкин С. А., 2016
