CC BY
11
УДК 621.791.72
ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ СПЕЦИФИЧЕСКИХ ДЕФЕКТОВ ЭЛС ПРИ СВАРКЕ ИЗДЕЛИЙ БОЛЬШИХ ТОЛЩИН
А. О. Путилова*, В. В. Голубев Научный руководитель - Н. В. Успенский
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Рассмотрен способ предотвращения корневого дефекта при сварке сварного соединения при электронно-лучевой сварке изделий больших толщин РКТ из алюминиевых сплавов.
Ключевые слова: электронно-лучевая сварка, корневые дефекты шва, качество сварного соединения, нагрев.
PREVENT SPECIFIC DEFECTS IN EBW WELDING OF ARTICLES
OF LARGE THICKNESS
A. O. Putilova*, V. V. Golubev Scientific supervisor - N. V. Uspensky
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
The method of preventing a root defect during welding of a welded joint during electron beam welding of large-thickness RCT products from aluminum alloys is considered.
Keywords: electron-beam welding, root weld defects, weld quality, heating.
Качество шва при 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 металлоёмкостью ванны вступает в противоречие с достижением стабильных эксплуатационных параметров сварного соединения как для одного, так и для многих швов. Нарушение оптимального режима ЭЛС зачастую ведёт к появлению в швах дефектов, причём даже на хорошо свариваемых материалах. Ряд дефектов швах на толстолистовых металлах классифицируется как дефекты формирования. Они встречаются при любых способах сварки плавлением и хорошо известны: непровары, подрезы, провисание шва, а также повышенное разбрызгивание. Однако возникают и другие, специфические дефекты: корневые дефекты, протяжённые полости в объеме шва, «срединные» трещины и отклонения шва от стыка из-за остаточных или наведенных магнитных полей. Корневые дефекты шва - наиболее распространённый вид дефектов, они могут иметь место при сварке любых материалов обычно с 5М > 5 мм в режиме несквозного проплавления в любом пространственном положении. Протяжённые полости встречаются при сварке стали, титановых и алюминевых сплавов 5М > 15 мм. Срединные трещины имеют место лишь при сварке сталей.
Корневые дефекты шва присущи всем способам сварки высококонцентрированными источниками энергии. Они заключаются в непостоянстве и глубины проплавления (корневая часть шва
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2019. Том 1
имеет пичковую структуру) и в наличии полостей или несплавлений в корневых пиках. Корневые дефекты имеют гидродинамическую природу образования и обусловлены особенностями переноса металла в сварочной ванне. Неламинарные перемещения жидкого металла вдоль стенок парадинамического канала приводят к тому, что уровень дна сварочные ванны меняется с частотой поступления туда порций металла. Перемещающиеся складки металла экранируют различные участки канала, в том числе и дно от воздействия электронного пучка. За время экранировки и вытеснение жидкого металла со дна канала пучок, перемещаясь со скоростью сварки, «просверливает» пик (нижнюю часть канала) уже в другом месте, отстоящей от предыдущего пика на некотором расстоянии. Когда поперечные размеры нижней части канала превышает амплитуду возмущении металла, то глубина шва претерпевает лишь малые колебания. В случае узкой нижней части канала его поперечный размеры сравнимы с амплитудой возмущений и в этом месте возникает перемычки. Вследствие резкого увеличения реакции отдачи паров, воздействующие на перемычку, металл «заталкивается» в узкий корень канала, но быстрая кристаллизация нижней части перемычки останавливает движения металла и образуют полный пик. В этом случае колебания глубины шва значительны (порядка высоты полости) И корень шва имеет типичную пучковую структуру.
Трудноуправляемым в настоящее время дефектом при ЭЛС толщин более 10 мм является корневой дефект, который формируется в корне шва как пустоты различной абстрактной формы. При рентгенконтроле данный дефект смотрится как цепь пор различной формы с наложением и соприкосновением. Это явление не имеет ничего общего с привычным нам порообразованием и зависит только от распределения энергии в пятне нагрева. Некачественное формирование луча с искаженным пятном нагрева, как правило, приводит к формированию корневого дефекта и чем хуже пятно нагрева, тем меньше свариваемая толщина, которая поражается данным дефектом. Сварка толщин свыше 12 мм не гарантируется от поражения этим дефектом различной интенсивности. Для устранения этого дефекта необходимо управлять законом распределения энергии в пятне нагрева луча и формировать форму шва таким образом, чтобы в корне шва было притупление с радиусом не менее 1...2 мм, правильное перемешивание жидкой фазы шва как по вертикали, так и по горизонтали.
Было выявлено, что периодически схлапывающийся парогазовый канал, характерный для традиционной технологии электронно-лучевой сварки, трансформируется при соответствующих траекториях сканирования в устойчивую парогазовую полость, распространяющуюся на значительную часть глубины проплавления. Это приводит к изменению условий формирования сварного шва, повышению КПД сварочного процесса, изменению формы сварного шва и повышению качества сварных соединений. Предварительные исследования по использованию этих технологических возможностей выявили перспективность новых траекторий сканирования в целях усовершенствования технологии электронно-лучевой сварки, повышения качества сварных соединений.
Экспериментальные исследования проводились на электронно-лучевой установке ЭЛУ-5 с электронно-лучевым оборудованием и пушкой КЭП-2 с таблеткой 0 4,7 мм. Сварка производилась на кольцевых образцах 0 300 мм толщиной 27 мм из материала АМг-6-НН. Скорость сварки - 30 м/час.
Целью экспериментальных исследований являлось изучение влияния различных форм распределения энергии по пятну нагрева на процесс формирования сварного шва и его характеристики.
Качество сварных соединений оценивалось по результатам рентгеновского контроля сварных соединений, микрошлифам поперечного и продольного разреза сварных соединений.
Для управления распределением энергии электронного пучка по пятну нагрева было запрограммировано 9 различных траекторий сканирования электронного пучка. Номера сканирований соответствуют следующим изображениям:
При этом можно было изменять и контролировать амплитуды сканирования по «х» и по «у», частоту сканирования, расфокусировку пучка по каналу точной фокусировки.
Сварку проводили при ускоряющем напряжении и =25 кВ, токах электронного пучка 1э = 100, 150, 200, 250 тА.
Рис. 1. Траектории сканирования электронного пучка
Для исключения влияния нагрева образца на формирование сварного соединения очередную сварку проводили на охлажденном образце. Было сварено более 200 образцов.
Анализ проведенных исследований показал, что наилучшие результаты были получены при сканировании № 5. Эта форма сканирования позволяет получать форму сварных швов близкую к прямоугольной с почти параллельными стенками, при этом снижаются напряжения и деформации в сварных соединениях. Радиус скругления при этом составляет 1^2 мм. В сварных швах полностью отсутствуют корневые дефекты, снижена пористость, что подтверждено результатами рентгеноконтроля сварных швов. Продольные разрезы сварных швов показали, что процессы формирования сварного шва протекают более стабильно. В 2^3 раза по сравнению с традиционной технологией уменьшилась нестабильность глубины проплавления, проявляющаяся в виде колебаний проплавления в корне шва.
Библиографический 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: Доклады Санкт-Петербургской Междунар. науч.-техн. конф. Технологии и оборудование ЭЛС-2011. СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2011. 314 с.
3. Энциклопедия. Машиностроение / ред. совет: К. В. Фролов (пред.) и др. М. : Машиностроение. Технология сварки, пайки и резки. Т. III - 4; под ред. Б. Е. Патона. 2006. 768 с.; ил.
© Путилова А. О., Голубев В. В., 2019
