CC BY
12
УДК 621.791.72
ВОЗМОЖНЫЕ ДЕФЕКТЫ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ, ВЫПОЛНЕННЫХ ЭЛС
*
В. И. Трофимов , Н. В. Васильев Научный руководитель - В. Я. Браверман
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]
Рассмотрены возможные дефекты сварного соединения при электронно-лучевой сварке изделий из алюминиевых сплавов.
Ключевые слова: электронно-лучевая сварка, корневой дефект качество сварного соединения, нагрев.
POSSIBLE DEFECTS IN WELDED JOINTS MADE OF EBW
V. I. Trofimov*, N. V. Vasilyev Scientific Supervisor - V. Y Braverman
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
Possible defects of welded connection at electron beam welding of products from aluminum alloys are considered.
Keywords: electron beam welding, the root defect in the weld quality, heat.
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 положении. 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 пучковую 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. Неламинарные перемещения жидкого металла
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2019. Том 1
вдоль стенок пародинамического канала приводят к тому, что уровень дна сварочной 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 вытеснения жидкого металла со дна канала пучок, перемещаясь со скоростью сварки, «просверливает» пик (нижнюю часть канала) уже в другом месте, отстоящем от предыдущего пика на некотором расстоянии. Когда поперечные размеры нижней части канала превышают амплитуду возмущений металла, то глубина шва претерпевает лишь малые колебания. В случае узкой нижней части канала его поперечные размеры сравнимы с амплитудой возмущений и в этом месте возникают перемычки. Вследствие резкого увеличения реакции отдачи паров, воздействующей па перемычку, металл «заталкивается» в узкий корень капала, но быстрая кристаллизация нижней части перемычки останавливает движение металла и образует полный пик. В этом случае колебания глубины шва значительны (порядка высоты полости) и корень шва имеет типичную пичковую структуру. Последовательный перенос порций жидкого металла в сварочной ванне обусловливает общую слоистую структуру сварного шва, четко проявляющуюся при сварке высокотеплопроводных металлов с 8М < 20 мм. Каждому пичку в корне соответствует чешуйка на поверхности шва. Процесс образования корневых дефектов имеет почти периодический характер, но с увеличением объема сварочной ванны эта периодичность нарушается.
Рис. 1. Микрошлиф продольного сечения корневой части шва на сплаве АМг6
Для предотвращения корневых дефектов необходимо формировать пародинамический канал с достаточно широкой нижней частью и закругленным дном. Изменение формы канала осуществляется изменением формы распределения плотности мощности электронного пучка в зоне сварки. 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. 2), удается существенно снизить вероятность образования корневых дефектов. Такую форму распределения можно получить с помощью кругового сканирования пучка. Расширение корня шва позволяет также уменьшить опасность несплавлений свариваемых деталей из-за проявления остаточных или наведенных магнитных полей.
О г
Рис. 2. Форма распределения плотности мощности электронного пучка для подавления корневых дефектов (ёпр - диаметр провала; qпр - спад плотности мощности пучка в провале)
Механизм образования этих дефектов до сих пор остается спорным. Согласно одной гипотезе причиной образования полостей является повышенное газосодержание в металле. Другая гипотеза объясняет появление полостей продавливанием жидкого металла на задней стенке пародинамиче-ского канала местными струями пара с передней стенки. Протяженные полости иногда сопровождаются аномальным расширением шва в этом месте. Однако встречаются и аномальные расширения шва без полостей в них. Проявление протяженных полостей отмечается только при фокусировке электронного пучка на уровень, лежащий в диапазоне 0 < ДЬ < ДЬ*. Для снижения вероятности образования протяженных полостей рекомендуется сварка на небольших скоростях (до 3 мм/с). При этом возрастают объем сварочной ванны и соответственно время пребывания в жидком состоянии каждой порции металла шва. Следовательно, улучшаются условия дегазации расплава и затрудняется деформация поверхности задней стенки пародинамического канала потоком пара.
Характерной особенностью срединных трещин является их расположение по оси шва на линии стыковки кристаллитов, растущих навстречу друг другу от противоположных боковых границ литой зоны. Срединные трещины располагаются преимущественно в нижней и иногда в средней частях шва. Их высота обычно составляет 2^15 мм, а ширина 0,1-0,3 мм. Это широкие продольные кристаллизационные трещины. Причиной возникновения срединных трещин является скопление в центральной зоне шва легкоплавкой эвтектики типа Бе8-Ре. Эвтектика представляет собой малопрочную зону, легко разрушающуюся по жидким прослойкам при нарастании растягивающих напряжений по мере кристаллизации шва. Отмечено, что сульфиды марганца как более тугоплавкие (Гпл = 1883 К) распределяются равномерно в металле шва и замедляют процесс образования эвтектики Бе8-Бе по оси шва. По мере расширения шва, а также при появлении в нем утяжек образование срединных трещин наблюдается чаще.
Из рассмотрения специфических дефектов следует, что геометрия и качество швов при ЭЛС взаимосвязаны более сильно, чем при дуговых способах сварки. На рис. 3 даны поперечные сечения несквозного (а) и сквозного (б) проплавлений и принятые обозначения.
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.
1. Электронно-лучевая сварка / О. К. Назаренко, А. А. Кайдалов и др. ; под ред. Б. Е. Патона. Киев : Наук. думка, 1987. 256 с.
2. Машиностроение. Энциклопедия / 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.
3. Контроль качества соединений и конструкций / С. Б. Моцохин. М.: Стройиздат, 1985. 229 с.
о
5
Рис. 3. Геометрия поперечных сечений шва
Библиографические ссылки
© Трофимов В. И., Васильев Н. В., 2019
