CC BY
23
УДК 621.791.05
СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ДЕФЕКТЫ В СВАРОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ И МЕТОДЫ
ИХ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ
О. В. Булатникова*, А. В. Михальченков 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
E-mail: ov_bulatnikova@mail.ru
Рассмотрены причины возникновения специфических дефектов в сварных соединениях, выполненных электронно-лучевой сваркой - корневых дефектов. Предложены методы их предотвращения, применяемые на практике.
Ключевые слова: электронно-лучевая сварка, корневые дефекты шва, дефекты, магнитные поля, ускоряющее напряжение, ток электронного пучка, ток фокусировки.
SPECIFIC DEFECTS IN WELDED COMPOUNDS AND METHODS OF THEIR PREVENTION
O. V. Bulatnikova*, A. V. Mikhalchenkov Scientific Supervisor - N. V. Uspensky
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: ov_bulatnikova@mail.ru
The causes of the appearance of specific defects in welded joints, performed by electron beam welding - root defects, are considered. Methods for their prevention are proposed, applied in practice.
Keywords: electron beam welding, root defects of a seam, flaws, magnetic fields, 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. 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 [1-3]: 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 5 > 5 мм в режиме несквозного проплавления в любом пространственном положении. Протяженные полости встречаются при сварке сталей, титановых и алюминиевых сплавов 5 > 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.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1
Расширение корня шва позволяет также уменьшить опасность несплавлений свариваемых деталей из-за проявления остаточных или наведенных магнитных полей.
При круговой развертке усредненное распределение плотности мощности пучка имеет провал в приосевой части. Диаметр этого провала (фактически диаметр окружности, описываемой осью сканирующего пучка) определяют ширину корневой части шва. При радиусе корня 1-1,5 мм вероятность появления корневых дефектов минимальна. Заслуживает внимания гипотеза о появлении вращательного движения жидкого металла при круговом сканировании пучка с оптимальной частотой. Возникающие при этом центробежные силы препятствуют развитию волновых возмущений сварочной ванны.
Чрезвычайно широко на практике кроме круговой развертки используются следующие развертки пучка; продольная, поперечная, Х-образная, по окружности, эллипсу, дуге. Расчетные методики выбора формы развертки пучка до сих пор не разработаны. В то же время накоплено довольно большое количество экспериментальных данных. Однако практические рекомендации не всегда совпадают. Последнее во многом определяется применением аппаратуры для развертки пучка с ограниченными возможностями и несовершенством методик исследования: не учитывается взаимосвязь параметров развертки с уровнем фокусировки пучка, геометрией исходного стационарного пучка электронов, скоростью сварки, уровнем и частотой пульсаций параметров пучка.
Эффект от развертки проявляется в изменении мгновенного и усредненного по периоду распределения плотности мощности электронного пучка. Соответственно меняются характер гидродинамических процессов и конфигурация сварочной ванны.
Благодаря этому при сварке металлов больших толщин удается резко расширить диаметр 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 пучком. Вследствие изменения формы шва уменьшается склонность к образованию трещин, корневых дефектов и протяженных полостей.
При сравнительно больших частотах развертки (1000-2000 Гц) мощность пучка распределяется вдоль траектории развертки практически равномерно. Поэтому на практике обычно используются токи частоты разверток.
Один из приемов борьбы с корневыми дефектами - полное проплавление свариваемого стыка. Это наиболее надежный и простой способ, позволяющий исключить корневые дефекты, свести к минимуму угловые деформации, уменьшить вероятность образования пор и раковин благодаря улучшению условию дегазации металла сварочной ванны. При сварке в нижнем положении данный прием применяется для соединения металлов с 5М < 40 мм, а при сварке горизонтальным электронным пучком - с 5М < 400 мм. В последнем случае для предотвращения вытекания жидкого металла из сварочной ванны иногда устанавливается ограничительная планка вдоль нижней кромки стыка.
Недостатками существующей технологии ЭЛС является высокая вероятность появления корневых дефектов и пористости, в особенности при несквозном проплавлении и в процессе вывода электронного пучка при завершении сварки. Эти недостатки связаны с технологическими возможностями электронно-лучевого оборудования У-250 и преодолеть их на указанном оборудовании не представляется возможным.
В Сибирском государственном аэрокосмическом университете имени академика М. Ф. Решетнева (СибГАУ) был разработан и создан промышленный образец оборудования для ЭЛС взамен устаревшего оборудования У-250. В этом оборудовании были реализованы новые технологические возможности по управлению распределением энергии электронного пучка по пятну нагрева. В этом образце использован микропроцессорный блок функционального сканирования электронного пучка, реализующий сканирование пучка по различным программируемым траекториям. В блоке функционального сканирования реализованы быстродействующие каналы отклонения пучка по координатам Х, У с полосой пропускания частот до 100 кГц.
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 значи-
тельную 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 ЭЛС, повышения качества сварных соединений.
Анализ проведенных исследований показал, что наилучшие результаты были получены при сканировании формой развертки типа «растр». 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-КЗ раза по сравнению с традиционной технологией уменьшилась нестабильность глубины проплавления, проявляющаяся в виде колебаний проплавления в корне шва.
Разработанная технология и оборудование было успешно внедрено на АО «Красмаш» г. Красноярск. Промышленная эксплуатация данного оборудования подтвердила правильность выбранных технических и технологических решений - были полностью исключены корневые дефекты, снизилась пористость в сварных соединениях, повысилось качество выпускаемых изделий.
Библиографические ссылки
1. Электронно-лучевая сварка / О. К. Назаренко, А. А. Кайдалов и др. / под ред. Б. Е. Пато-на. Киев : Наук. думка, 1987. 256 с.
2. Сварка и пайка в авиастроении. Авиационные материалы - 75 лет // Избр. тр. М. : Изд-во Всерос. науч.-исслед. ин-т авиацион. материалов, 2007.
3. Технология сварки, пайки и резки // Машиностроение : энцикл. Т. 111-4 / под ред. Б. Е. Патона. М. : Машиностроение, 2006.
© Булатникова О. В., Михальченков А. В., 2017
