Full Text

Электронный луч является практически безынерционным источником тепловой энергии, что не только дает возможность для тонкой регулировки мощности, фокусировки и положения луча на поверхности изделия, но и позволяет осуществлять быстрое управление этими параметрами. Изменения и быстрое управление положением луча на поверхности, его мощностью и фокусировкой могут способствовать тепловым возмущениям в сварочной ванне, изменению плотности тепловой энергии и характера распределения. Еще до 2000-х гг. были известны и применялись такие методы управления лучом, как импульсная модуляция мощности электронного луча, колебательные перемещения фокальной мощности луча по вертикали и осцилляция луча по траекториям различного вида. Применение данных методов было направлено в основном на устранение специфических дефектов в сварных швах, таких как корневые дефекты (пикообразная глубина проплавления, наличие полостей или несплавлений), протяженные полости в объеме шва, «серединные» трещины и отклонения шва от стыка из-за остаточных или наведенных магнитных полей. С развитием новых систем управления электронным лучом и программирования режимов сварки значительно расширились возможности совершенствования технологических приемов электронно-лучевой сварки, которые обеспечивают почти неограниченное разнообразие режимов воздействия луча на поверхность обрабатываемой детали (кроме осцилляции луча, многофокусная и многолучевая сварка, комбинированные способы сварки и др.) [1-5]. Импульсная модуляция тока электронного луча приводит к изменению тепловложения. В работах [6, 7] показано, что для каждого металла есть свой диапазон частот модуляции тока электронного луча, при котором повышается эффективность процесса электронно-лучевой сварки и, в частности, увеличивается глубина проплавления. Диапазон частот модуляции определяется расчетным методом из условия устранения нежелательного влияния экранировки луча на процесс проплавления. Реализация импульсной модуляции мощности электронного луча осуществляется путем подачи отрицательных импульсов на управляющий электрод триодной электронной пушки. Однако выбор временных параметров модуляции для конкретных режимов сварки и свариваемого материала в каждом отдельном случае затруднен ввиду отсутствия полных данных о колебательных перемещениях луча в канале проплавления. Наиболее широко импульсная модуляция тока луча применяется при сварке малогабаритных тонкостенных изделий с частотой до 400 Гц. Многочисленные попытки применения модуляции тока пучка при сварке металлов средних и больших толщин не нашли широкого применения из-за интенсивного разбрызгивания металла, значительных подрезов с обеих сторон шва. Влияние колебательного перемещения фокальной плоскости луча по вертикали (динамическая фокусировка) на формирование сварного соединения при электронно-лучевой сварке рассмотрено в работах [8, 9]. Теоретическая оценка оптимальной частоты динамической фокусировки луча определила диапазон частот 1-200 Гц. Поскольку для каждого конкретного случая сварки выбор частот сканирования фокуса затруднен, было предложено повысить частоту на один-два порядка с целью получения некоторого аналога параллельного электронного луча. Однако осцилляция уровня фокусировки луча равнозначна пульсациям ускоряющего напряжения, что ведет к разбрызгиванию металла, появлению подрезов [10]. Осцилляция луча с различного вида разверткой непосредственно по стыку сварного соединения приводит к увеличению площади зоны действия луча. В результате применения развертки луча, обладающего неизменной удельной поверхностной мощностью, изменяется мгновенное и усредненное по периоду распределение плотности мощности электронного луча [11]. При этом луч дополнительно воздействует на гидродинамические процессы, повышает устойчивость парогазового канала проплавления и изменяется конфигурация сварочной ванны (рис. 1). Если частота осцилляции луча достаточно мала, то паровой канал практически не изменяется в размере, при более высокой частоте происходит его расширение [12, 13]. За счет изменения формы шва уменьшается его склонность к образованию трещин, корневых дефектов и протяженных полостей [10]. Амплитуда осцилляции луча при сварке лежит в пределах 1-3 мм, частота колебаний - от 50 Гц до 1 кГц и зависит от вида свариваемого материала. Стоит обратить внимание на то, что при любом варианте осцилляции проплавляющая способность луча падает, и для сохранения требуемой глубины проплавления необходимо увеличивать ток пучка. Рис. 1. Влияние развертки электронного луча при осцилляции на форму сварного шва [3] Наиболее широко используются следующие виды развертки луча: продольная и поперечная, х-образная, а также перемещения луча по эллипсу, дуге и окружности [12-18]. Методика выбора формы развертки электронного луча до настоящего времени не разработана. В то же время накоплено довольно большое количество экспериментальных данных. Есть работы, где делаются попытки оптимизации режимов электронно-лучевой сварки колеблющимся лучом по регрессионным зависимостям, получаемым методом математического планирования эксперимента [14, 15]. Авторы отмечают, что характер формирования шва существенно зависит от типа траектории колебания луча и режимов ЭЛС. При проведении сварки с поперечными колебаниями электронного луча перемешивание жидкой ванны и измельчение структуры происходит более интенсивно, чем при сварке статическим лучом [16]. Изменяя одновременно частоту, амплитуду колебаний луча, можно получить швы с самой различной формой поперечного сечения от кинжальной (b/h < 0,1) до поверхностной (b/h > 10). Достаточно большое количество исследований посвящено электронно-лучевой сварке с вращением пучка по круговой траектории, так как при этом достигается максимальный эффект снижения пикообразования и сопутствующих ему дефектов [12, 13, 17, 18]. Во многих работах выбор параметров круговой осцилляции производится эмпирическим путем, при проплавлении большого количества образцов. В работе [18] рассматривается модель, позволяющая объяснить влияние круговой развертки луча на формирование шва, приводятся расчеты, выполненные с целью выбора оптимальных частоты и диаметра развертки. Предлагаемая модель учитывает противодействие центробежных сил, возникающих в сварочной ванне при определенном диапазоне развертки луча, капиллярным силам. Дальнейшее развитие модель, учитывающая соизмеримость центробежных и капиллярных сил, нашла в работах [12, 13]. Здесь на основе этой модели проводится анализ устойчивости корневой части канала проплавления и предложено проводить сварку при увеличенных углах развертки, что влияет на повышение гидродинамической устойчивости канала проплавления. Благодаря использованию увеличенных углов развертки авторами были получены швы с закругленным корнем, и амплитуда пульсации глубины не превышала 1 %. На несквозных швах из стали 12Х2Н4МА предотвращено образование горячих трещин. Электронно-лучевая сварка с вращением электронного пучка по круговой траектории позволяет добиться существенного уменьшения пикообразования, однако, ввиду того что плотность мощности в центральной части зоны нагрева мала, использование круговой развертки приводит к значительному уменьшению глубины проплавления по сравнению с электронно-лучевой сваркой неподвижным лучом. Недостатком круговой развертки электронного пучка является также различие направлений движения пучка на противоположных кромках сварного шва. При этом на одной из кромок направление движения пучка совпадает с направлением скорости сварки, а на другом - противоположно ему, что может приводить к неравномерности образования шва. При больших скоростях вращения электронный пучок может превращаться в полый пучок, использование которого, исходя из электронно-оптических свойств канала проплавления, является энергетически невыгодным [19]. Устранение асимметрии при круговом перемещении электронного пучка может быть достигнуто за счет ограничения колебаний электронного пучка в плоскости, совпадающей с направлением скорости сварки. В связи с этим значительный интерес представляет осцилляция электронного луча по х-образной траектории, которая является, в некотором роде, суперпозицией продольных и поперечных колебаний. Использование этой траектории развертки при электронно-лучевой сварке обеспечивает широкие технические возможности, связанные с гибкостью регулирования характеристик термического воздействия электронного пучка за счет изменения параметров траектории: угла между линиями, скорости движения пучка и амплитуды его отклонения [20]. Использование х-образной развертки позволяет достичь существенного уменьшения амплитуды пиков проплавления при незначительном уменьшении глубины канала. Следует отметить, что практически все работы, связанные с введением в сварочную ванну тепловых колебаний при электронно-лучевой сварке посредством осцилляции луча, исследуют влияние параметров режима сварки на устранение специфических дефектов, получение бездефектных швов и почти не рассматривают их влияние на кристаллизацию сварочной ванны и формирование первичной структуры металла шва. Хотя именно осцилляция электронного луча по траекториям различного вида может быть использована как метод управления кристаллизацией металла шва при электронно-лучевой сварке с глубоким проплавлением. В последние годы стала широко применяться многолучевая и многофокусная сварка с «расщеплением» электронного луча на несколько тепловых источников. Данные методы основаны на динамическом позиционировании луча, которое осуществляется за счет высокочастотного управления перемещением и отклонением луча относительно стыка и его фокусировкой, таким образом, что луч действует одновременно в нескольких местах [21-25]. При этом происходит формирование нескольких тепловых источников, обеспечивающих одновременный ввода тепла в свариваемые заготовки в нескольких участках, расположенных друг от друга на некотором расстоянии. Такое расщепление пучка позволяет проводить ЭЛС с различными вариациями: либо сварку сразу в нескольких обрабатываемых зонах, либо сварку с образованием нескольких сварочных ванн, следующих друг за другом, либо совмещение сварки и термообработки [3-5]. Основоположником развития технологии и техники является Германия, создавшая в 2000 г. высокочастотный метод 3D-отклонения луча [26]. При многолучевой (многованновой) сварке электронный луч сканирует по поверхности изделия с высокой частотой (~ 5 кГц и более) по нескольким точкам, расположенным друг от друга на расстоянии, от одной к другой и обратно (рис. 2). Мощность электронного пучка в каждой точке не меняется, меняется лишь время его воздействия. Во время действия луча в точке формируется свой парогазовый канал и сварочная ванна. Благодаря высокой частоте сканирования в период отсутствия луча канал проплавления сохраняется и не разрушается. Таким образом, создается эффект одновременной многолучевой сварки. б а Рис. 2. Трехлучевая сварка: а - схематическое изображение; б - процесс [5] Примером многованновой сварки сразу в нескольких обрабатываемых зонах является сварка кольцевых швов переходников сложно-профильной конструкции или сварка зубчатых деталей (рис. 3, а). При однопроходной сварке по круговой траектории возникает несимметричность деформаций в процессе сварки от начала ввода луча и до момента замыкания шва. Также в технологическом процессе могут быть предусмотрены прихваточные швы для двух заготовок перед их сваркой. В результате усадки начальной части сварного шва зазор в стыке постепенно увеличивается, за счет влияния автоподогрева к концу рабочего прохода размер сварочной ванны и, соответственно, шва изменяется. Всё это приводит к образованию таких дефектов, как несплавление кромок, неравномерность глубины проплавления, коробление детали [27]. При многолучевой сварке, например одновременно тремя лучами (рис. 3, б), смещенными на 120°, напряжения возникают симметрично, что не приводит к смещению. Количество одновременно перемещаемых сварочных ванн при такой технологии зависит от размера и геометрии детали и ширины отклонения электронного луча. По сравнению с однопроходной сваркой время сварки снижается до одной трети, также сводятся к минимуму деформации из-за более низкого нагрева деталей [21, 22, 25]. Особенностью многованновой сварки в нескольких обрабатываемых зонах является то, что сварной шов неперпендикулярен поверхности (см. рис. 3, б). Угол падения электронного луча и, следовательно, шов зависят от диаметра свариваемого круга и расстояния между источником луча и изделием (рис. 3, в) [22, 25]. Применение многованной технологии с образованием нескольких сварочных ванн, следующих друг за другом, при сварке чугуна приводит к снижению пористости и твердости сварного шва (рис. 4) [6, 7]. При сварке алюминиевых отливок также наблюдается дегазация металла шва. Сварка с расщеплением электронного луча на три позволила понизить пористость сварного шва до 0,76 %, в то время как пористость сварного шва, выполненного одним лучом, составляет 5,05 % [13]. а б в Рис. 3. Многованновая электронно-лучевая сварка: а - изделие; б - схема и процесс сварки; в - элемент детали со сварным швом [4] а б Рис. 4. Сравнение вариантов электронно-лучевой сварки и качества сварного шва: а - одна сварочная ванна; б - три сварочных ванны [28, 29] Положительное влияние сварки с тремя сварочными ваннами одновременно можно объяснить следующим образом. Близость парогазовых каналов приводит к непосредственному изменению температурно-временных режимов сварки, отличающихся от термического цикла при однолучевой сварке, также дополнительно происходит переплав металла шва последующим пучком. Этот факт расширяет возможности применения технологии расщепления электронного пучка и для других материалов, с которыми возникают сложности при ЭЛС. При многофокусной сварке происходит динамическое синхронное изменение фокуса и отклонение электронного луча в определенную точку. В результате в каждой точке ввода луча формируется сварочная ванна со своей индивидуальной фокусировкой. Таким образом, стало возможно применять технологию многолучевой сварки для изделий, где несколько сварных швов выполняются на различной высоте. С помощью однолучевой сварки эти швы должны быть сварены по отдельности. Применение многофокусной технологии позволяет выполнять такие швы одновременно, с оптимальным фокусным положением луча (рис. 5) [5]. Такой же принцип используется для выполнения одновременно сварочного и косметического швов. При быстром «прыжке» луча можно одновременно выполнить глубокий шов с острой фокусировкой и его разглаживание с фокусом выше поверхности детали (недофокусированный луч). Мощность луча должна синхронно соответствовать положению его фокуса. Определенное расстояние между ваннами и частота колебаний позволяют улучшить форму сварного шва, повысить дегазацию сварочной ванны, соответственно, уменьшить количество дефектов, улучшая характеристики сварного соединения [27]. Также с помощью многофокусной техники можно получать хорошо сформированный корневой валик. Технология расщепления луча на концентрированные тепловые источники с изменением фокусировки луча открывает широкий диапазон использования, в частности совмещение таких процессов, как сварка и термообработка [27]. Электронный луч может использоваться для предварительного или сопутствующего нагрева при сварке, выполнения косметического шва, а также для послесварочного нагрева закристаллизовавшегося металла. Например, первый дефокусированный луч высокой мощности, сканируя, создает подогревающее поле. Затем луч с уменьшенной мощностью, сфокусированный на поверхности детали, направляется в сварочную позицию и выполняет сварной шов. Наконец, третий луч, отличающийся положением фокуса и мощностью, сглаживает шов в течение одной операции (рис. 6). Подобная технология используется при сварке никелевых сплавов, склонных к горячим трещинам. Чтобы подавить образование горячих трещин, необходимо сопутствующее поле подогрева с обеих сторон (позади) шва построить так, чтобы уменьшить скорость охлаждения и выстроить напряжения сжатия в медленно остывающей зоне плавления. Этот способ применим для суперсплавов новейших газовых турбин, которые при малой массе должны быть устойчивы к действию высокой температуры [1]. При работе с чугуном применяют многопроцессорную сварку: одновременно производится предварительный подогрев стыка, трехванновая сварка и послесварочный нагрев (рис. 7). Данная технология позволяет производить сварку без присадочного материала, устранить образование трещин, уменьшить пористость сварных швов, обеспечить однородное формирование металла шва и значительно уменьшить твердость в зоне термического влияния [5, 28]. Рис. 7. Схема тепловых полей при сварке чугуна [6] Многолучевая техника может успешно применяться при соединении разнородных материалов, например бронзового венца червячного колеса со ступицей из чугуна или стали, чтобы уменьшить стоимость колеса, а также при сварке других композиций, например меди с вольфрамом или стали с алюминием через медную прокладку. Если оба материала расплавляются одновременно, то в зависимости от соотношения компонентов в расплаве образуется интерметаллическая фаза, которая является исключительно нежелательной из-за ее хрупкости. Благодаря несимметричному подводу энергии двумя или несколькими лучами мощность в композиции должна подбираться по возможности так, чтобы избежать образования интерметаллидов [1]. При ЭЛС стали с алюминием через медную прокладку первый луч расплавляет в правильной пропорции всю промежуточную прокладку и такую часть алюминия, чтобы в смеси получалась алюминиевая бронза. Далее на пригодном расстоянии от стыка второй луч сваривает эту бронзу со сталью [1]. Следует отметить, что применение технологии многолучевой и многофокусной сварки возможно для изделий малой и средней толщины.

About the authors

T. V Olshanskaya

Perm National Research Polytechnic University

Email: tvo66@rambler.ru

E. S Salomatova

Perm National Research Polytechnic University

Email: weld-katy@mail.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 122

PDF (Russian) - 50

Refbacks

• There are currently no refbacks.