CC BY
14
УДК 621.791.722
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ
АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
*
Д. Д. Иноземцев , Д. В. Литвинцев Научный руководитель - Н. В. Успенский
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
E-mail: dima-inozemtsev@mail.ru
Рассмотрены технологические особенности формирования сварного шва в зависимости от различных режимов сварки и выбор оптимальных параметров сварки.
Ключевые слова: сварной шов; режимы сварки; особенности формирования шва; качество сварного соединения.
MODERN ELECTRON BEAM TECHNOLOGIES WELDING
OF ALUMINUM ALLOYS
*
D. D. Inozemtsev , D. V. Litvintsev Scientific Supervisor - N. V. Uspenskiy
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: dima-inozemtsev@mail.ru
The technological features of the formation of the weld, depending on various welding modes and the selection of optimal welding parameters, are considered.
Keywords: weld; welding modes; features of the formation of the seam; weld quality.
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 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. Ряд дефектов в 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, 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 с 5М > 5 мм в режиме несквозного проплавления в любом пространственном
положения. Протяженные полости встречаются при сварке сталей, титановых и алюминиевых сплавов с 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 глубины проплавления (корневая часть шва 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.
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 рентген-контроле 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.
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.
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 Ц=25 кВ, токах электронного пучка 1Л = 100, 150, 200, 250 шА.
Для исключения влияния нагрева образца на формирование сварного соединения очередную сварку проводили на охлажденном образце. Было сварено более 200 образцов.
Качество сварных соединений оценивалось по результатам рентгеновского контроля сварных соединений, микрошлифам поперечного и продольного разреза сварных соединений.
Рис. 1
I
к
Рис. 2
Наиболее перспективными являются развертки электронного пучка по формам (5), (8) и (9). При определенных режимах технологического процесса при этом наблюдается более оптимальная форма сварного шва, отсутствие корневых дефектов, уменьшение пористости.
Для формирования оптимальных технологических процессов были продолжены эксперименты с обозначенными тремя развертками электронного пучка, при этом проводилось варьирование скорости сварки. Исследование форм сканирования луча проводились при скоростях сварки усв = 100...60...30 м/час.
На рис. 1 представлен микрошлиф сварных соединений, полученный при сканировании № 9 х = 0,8;у =0,8; усв = 100 м/час; 1луча = 0.. .300 мА. Форма шва аналогична полученным ранее (режим 11) по такому же сканированию. Форма шва приближается к треугольной с радиусом в корне шва 0,5 ^ 1 мм.
На рис. 2 представлен микрошлиф сварных соединений, полученный при сканировании № 8 х = 0.8; у = 0.8; усв = 100 м/час; 1луча = 200.250 мА. В микрошлифе отчетливо видна нестабильность формирования шва на указанной скорости.
На рис. 3 представлен микрошлиф сварных соединений, полученный при сканировании № 8 х = 0.8; у = 0.8; усв = 60 м/час; 1луча = 0.290 мА
На рис. 4 представлен микрошлиф сварных соединений, полученный при сканировании № 8 х = 0,8; у = 0.8; усв = 45 м/час; 1луча = 150.270 мА.
Рис. 5 Микрошлифы шва, полученного при следующих режимах:
а) х = 1.0; у = 1.0; усв = 30 м/час; 1луча = 178 мА
б) х = 0.7; у = 1.0; усв = 30 м/час; 1луча = 228 мА
в) х = 1.0; у = 0.7; усв = 30 м/час; 1луча = 245 мА
На рис. 5 представлены микрошлифы сварных соединений, полученные при сканировании № 5 при скорости сварки 30 м/час.
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.
Вывод электронного луча при завершении процесса сварки может быть осуществлен только за счет линейного уменьшения тока сварки без изменения параметров фокусировки луча и амплитуд сканирования. Корневые дефекты при этом не возникают.
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.
Библиографические ссылки
1. Электронно-лучевая сварка / O.K. Назаренко, A.A. Кайдалов и др. Под ред. Б.Е. Патона. - Киев: Наук, думка, 1987. - 256 с.
2. Шилов Г.А. Влияние частоты и диаметра круговой развертки электронного луча на проплавление металла при ЭЛС / Г.А. Шилов, К.С. Акопьянц, О.Г. Касаткин // Автоматическая сварка. - 1983. - №8. - С. 25 - 28.
3. Экспериментальные исследования по оптимизации технологии электронно-лучевой сварки алюминиевых сплавов / Ю. Н. Серегин, В. Д. Лаптёнок, Н. В. Успенский, В. П. Ниткин // Доклады Санкт-Петербургской научно-технической конференции. 24 - 26 мая 2011 г.
4. Технологии и оборудование ЭЛС - Санкт-Петербургский политехнический универсистет, 2011.
© Иноземцев Д. Д., Литвинцев Д. В., 2020
