OSCILATION OF ELECTRON BEAM DURING ELECTRON BEAM WELDING FOR IMPROVING WELD ROOT AND EASYMENTING MELT-THROUGH MODE CONTROL

Abstract


In electron beam welding, oscillation of the electron beam is popular used as technological tool for avoiding defects. The major forms of the electron beam deflection are straight line along the joint (longitude oscillation), straight line cross the joint (cross oscillation), circle, X -shape oscillation. The other good method for avoiding defects is a welding in penetration through mode. However, the necessary of dynamically stabilization in real time have been for this mode. It is due to stochastic character of the thermo physic processes in zone of electron beam and workpiece metal interaction. Oscillation of the electron beam can reduces of backside crown nonuniformity along the joint. The aim of this work is determination of the influence of electron beam oscillation on the weld root in electron beam welding. It must be noted that it was done in context of decreasing backside crown nonuniformity along the joint. In addition to aforementioned oscillation trajectory of the electron beam, the oscillation on two straight line along the joint is researched too. The cylindrical details of austenitic stainless steel are used as experimental workpieces for welding. Outside diameter of the details is 160 mm, and wall thickness is 10 mm. The penetration depth in welding process was stabilized by the condition that the level of X -ray signal from workpiece backside for each welding pass is constant. The longitudinal-section was executed after implementation of the experimental welding passes. In electron beam welding with longitudinal oscillation or without oscillation of the electron beam occurs significant formation of the penetration peaks in the root part. It should also be noted that X-shape or circle scanning by electron beam leads to some features of the root part formation, as described in the article.

Full Text

Характерными дефектами при электронно-лучевой сварке (ЭЛС) с глубоким проплавлением являются пикообразование в корне сварного шва и поперечное отклонение корня шва от плоскости стыка [1]. Снижение, а в ряде случаев и полное устранение таких дефектов достигается при использовании осцилляции электронного луча по различного вида траекториям [2-4]. В работе [5] применялась модуляция тока электронного луча и было отмечено ее положительное влияние на формирование корневой части шва. В ряде случаев для повышения уровня механических характеристик шва применяется ЭЛС с полным проплавлением свариваемого металла [6-9]. ЭЛС с полным проплавлением может осуществляться как с технологической подкладкой, так и с удержанием сварочной ванны на весу. Последний вариант применяется с целью снижения трудоемкости изготовления изделий и повышения энергоэффективности процесса сварки [1]. В канале проплавления, формируемом в металле электронным лучом при ЭЛС, протекают процессы, имеющие стохастический характер [10]. В связи с этим процесс ЭЛС с полным проплавлением и удержанием сварочной ванны на весу носит прерывистый характер: пики проплавления накладываются друг на друга, образуя обратный валик. Даже незначительное отклонение от такого режима проплавления приводит к провисанию сварочной ванны либо к формированию участков шва с неполным проплавлением, что, в свою очередь, снижает механические характеристики сварного шва, а также приводит к возникновению дополнительных концентраторов напряжений в металле [6, 11]. Стабилизация режима полного проплавления в большинстве случаев осуществляется с использованием в качестве контролируемого параметра среднего значения сквозного тока. Главным фактором для получения качественного обратного валика является правильный выбор постоянной времени цепи интегрирования и уровня значения проходящего тока относительно полного тока луча. Использование в качестве контролируемого параметра числа импульсов сквозного тока на 1 мм шва позволяет исключить проблемы, связанные с выбором уровня значений проходящего тока относительно полного тока луча и постоянной времени в цепи интегрирования. Однако точность регулирования в этом случае зависит от параметров входных фильтров измерительной системы и отношения величины сигнала к порогу его ограничения формирующим каскадом. Кроме того, в качестве контролируемого параметра может быть использовано усредненное значение продолжительности импульса сквозного тока, когда величина скважности делится на количество импульсов за единицу времени [12-15]. Уменьшение влияния на процесс ЭЛС с полным проплавлением отклонений от режима равномерного формирования обратного валика сварного шва можно обеспечить путем увеличения диаметра корневой части шва за счет снижения в ней плотности мощности электронного луча. Кроме того, осцилляция электронного луча в процессе ЭЛС позволяет стабилизировать колебательные процессы в канале проплавления [4], что оказывает положительное влияние на работу системы контроля сквозного проплавления. Целью экспериментальных исследований являлось изучение влияния осцилляции электронного луча при сварке на формирование корневой части сварного шва при неполном и сквозном проплавлении металла. Исследование проводилось на электронно-лучевой сварочной установке с энергетическим агрегатом ЭЛА-6ВЧ (Uуск = 60 кВ). В качестве образцов использовались цилиндрические образцы диаметром 160 мм и толщиной стенки 10 мм из стали 12Х18Н10Т. Сварка производилась с применением осцилляции электронного луча по различным траекториям. Для всех режимов скорость сварки составляла 5 мм/с, фокусировка электронного луча устанавливалась острой - обеспечивающей максимальную глубину проплавления для выбранного режима сварки. Значения тока электронного луча и вид осцилляции приведены в таблице. Значения тока электронного луча и вид осцилляции при проведении исследований № п/п Iсв, мА Вид осцилляции электронного луча* 1 40 Без осцилляции 2 45 Продольная осцилляция (амплитуда 1,6 мм, частота 810 Гц) 3 54 Кольцевая развертка (амплитуда 1,6 мм, частота 810 Гц) 4 55 Х-образная развертка (амплитуда 1,6 мм, частота 810 Гц) 5 56 Формирование двух параллельных линий по обе стороны стыка, длина линий 1,6 мм (частота 810 Гц), расстояние между линиями 1 мм (частота переключения 8 кГц) * Сигнал в катушках отклоняющей системы изменялся по линейному закону. Ток электронного луча выбирался исходя из условия равенства глубины проплавления для различных режимов. Для этой цели со стороны изделия, обратной воздействию электронного луча, был установлен датчик рентгеновского излучения, который представлял собой сцинтилляционный детектор на основе монокристалла йодистого цезия, активированного таллием, в паре с кремниевым фотоумножителем. В процессе сварки путем регулирования мощности электронного луча сигнал рентгеновского излучения поддерживался на одном уровне, независимо от режима сварки. Такой способ позволил получить приблизительно одинаковую глубину проплавления для всех режимов сварки. На рисунке приведены продольные макрошлифы сварных швов, полученных при ЭЛС с использованием статического электронного луча, а также при осцилляции луча по различного вида траекториям. Из рисунка видно, что при ЭЛС статическим электронным лучом имеет место значительное пикообразование в корне сварного шва, которое присутствует и на швах, выполненных с использованием продольно осциллирующего луча. При развертке электронного луча с образованием двух параллельных линий по обеим сторонам стыка наблюдается существенное снижение пикообразования в корне шва. При сварке с Х-образной и круговой осцилляцией электронного луча также наблюдается существенное снижение пикообразования в корне шва. Однако отдельные пики проплавления имеют отклонение от оси шва. Такой эффект снижает взаимное перекрытие пиков проплавления, что при ЭЛС со сквозным проплавлением будет оказывать негативное влияние на формирование корневого валика шва. Рис. Продольные шлифы сварных швов при ЭЛС с различными видами развертки электронного луча Из рисунка видно, что при осцилляции электронного луча пики проплавления по длине шва распределены более равномерно, чем при сварке статическим лучом. Такой характер формирования шва более предпочтителен для работы системы контроля сквозного проплавления по параметрам импульсов сквозного тока при ЭЛС. Отсутствие отклонений пиков проплавления при ЭЛС с применением развертки электронного луча, образующей две линии вдоль шва, кроме снижения корневых дефектов способно привести к более качественному формированию корневого валика при ЭЛС с полным проплавлением. Также в ходе эксперимента была отмечена нестабильность перехода от режима частичного проплавления к режиму полного проплавления, что связано с увеличением объема сварочной ванны. При этом для равномерного формирования обратного валика сварного шва при полном проплавлении металла требуется использование систем автоматического регулирования глубины проплавления.

About the authors

S. V Varushkin

Perm National Research Polytechnic University

Email: stepan.varushkin@mail.ru

V. Ya Belenkiy

Perm National Research Polytechnic University

Email: belenkiy@pstu.ru

N. A Zyryanov

Perm National Research Polytechnic University

Email: zyryanov-nikolai@mail.ru

A. A Kylosov

Perm National Research Polytechnic University

Email: sahka-85@mail.ru

References

  1. Рыкалин Н.Н., Зуев И.В., Углов А.А. Основы электронно-лучевой обработки материалов. - М.: Машиностроение, 1978. - 239 с.
  2. Особенности получения качественных сварных швов при электронно-лучевой сварке высокопрочных сталей большой толщины / В.Я. Беленький, Д.Н. Трушников, Г.М. Младенов, Т.В. Ольшанская // Автоматическая сварка. - 2012. - № 2(706). - С. 47-50.
  3. Effect of electron beam oscillations on the formation of the structure and properties of the welded joint / T.V. Ol’shanskaya, D.N. Trushnikov, V.Y. Belen’kii, G.M. Mladenov // Welding Inrenational. - 2013. - Vol. 27, iss. 11. - P. 881-885.
  4. Ольшанская Т.В., Саломатова Е.С. Обзор современных способов управления электронным лучом при электронно-лучевой сварке // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2016. - Т. 18, № 4. - С. 169-186.
  5. Язовских В.М., Трушников Д.Н., Беленький В.Я. Механизм вторично-эмиссионных процессов при электронно-лучевой сварке с модуляцией электронного пучка // Сварочное производство. - 2004. - № 4. - С. 21-27.
  6. Валяев И.Г., Жидков И.А., Квак В.Л. Двухпроходная ЭЛС стыковых соединений на весу // Сварочное производство. - 1990. - № 5. - С. 24-25.
  7. Исследование сварных соединений разнородных сталей деталей магнитопровода, выполненных ЭЛС / А.Л. Гончаров, А.П. Слива, М.А. Портнов, Е.В. Терентьев, М.С. Грибков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2013. - Т. 15, № 4. - С. 74-87.
  8. Болдарев Е.А., Пашкин А.Н., Богданов В.В. Изготовление буровых долот с применением ЭЛС // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. - 2014. - Т. 1, № 10. - С. 91-92.
  9. Процесс изготовления вакуумных камер для проекта FAIR с использованием электронно-лучевой сварки / А.М. Медведев, А.М. Семенов, Ю.И. Семенов, М.М. Сизов, А.А. Старостенко, А.С. Цыганов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2016. - Т. 18, № 3. - С. 135-145.
  10. Углов А.А., Селищев С.В. Автоколебательные процессы при воздействии концентрированных потоков энергии. - М.: Наука, 1987. - 149 с.
  11. Терентьев Е.В., Слива А.П. Выбор минимально допустимой скорости сварки при ЭЛС со сквозным проплавлением // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2013. - Т. 15, № 4. - С. 40-47.
  12. Устройство управления фокусировкой и глубиной проплавления по собственному рентгеновскому излучению при ЭЛС с модуляцией уровня фокусировки / В.Я. Браверман, Д.А. Скурихин, С.Г. Баякин, В.Ф. Шабанов, В.В. Башенко // Сварочное производство. - 1997. - № 1. - С. 16.
  13. Управление электронно-лучевой сваркой / В.Д. Лаптенок, А.В. Мурыгин, Ю.Н. Серегин, В.Я. Браверман. - Красноярск: САА, 2000. - 234 с.
  14. Development of back current controller for improvement of back bead formation in electron beam welding / T. Shida, H. Okamura, S. Kokura, H. Kita. - Tokio: Hitachi, 1984. - 26 р.
  15. Способ электронно-лучевой сварки: пат. 2532626 Рос. Федерация: МПК В23К15/02 / Трушников Д.Н., Беленький В.Я., Лялин А.Н., Пискунов А.Л., Щавлев В.Е.; заявитель и патентообладатель Перм. нац. исслед. политехн. ун-т. - № 2013113445/02; заявл. 26.03.13; опубл. 10.11.14, Бюл. № 31. - 10 с.

Statistics

Views

Abstract - 33

PDF (Russian) - 10

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies