Full Text

Введение В сварных конструкциях, изготавливаемых с применением электронно-лучевой сварки (ЭЛС), широко используются сварные швы с полным проплавлением металла [1-3]. Такие швы исключают появление специфических дефектов ЭЛС, имеющих место при неполном проплавлении металла [4], являются более надежными и во многих случаях обеспечивают более высокие прочностные характеристики сварных соединений [5, 6]. Существует необходимость оперативного контроля режима полного проплавления. Это вызвано тем, что в канале проплавления, формируемом в металле электронным лучом при ЭЛС, протекают процессы, имеющие стохастический характер [7, 8]. Применяя осцилляцию электронного луча в процессе сварки, можно добиться снижения влияния автоколебательных процессов на формирование сварного шва [9, 10]. Наиболее часто режим полного проплавления стабилизируют по среднему значению сквозного тока. Главными факторами для получения качественного обратного валика является правильный выбор постоянной времени цепи интегрирования и уровня значения проходящего тока относительно полного тока луча. Использование в качестве параметра сквозного тока 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 порогам ограничения ее формирующего каскада. Кроме того, в качестве параметра сквозного тока может быть использована усредненная продолжительность импульса, когда величина скважности делится на количество импульсов за единицу времени [11-13]. Однако сигнал проходящего тока возникает только в момент сквозного проплавления, что делает невозможным плавное регулирование или регулирование процесса ЭЛС с частичным проплавлением. В свою очередь, использование рентгеновского излучения для сигнала обратной связи системы регулирования позволяет производить плавное регулирование или регулирование процесса с частичным проплавлением. А структура сигнала рентгеновского излучения при электронно-лучевой сварке статичным лучом позволяет использовать датчик рентгена в системе автоматического проплавления без значительной модернизации такой системы. Также в настоящее время ведутся исследования возможности контроля режима полного проплавления с помощью датчиков, установленных над зоной сварки [14, 15]. Такой подход в значительной степени зависит от колебательных процессов в канале проплавления [16]. Кроме того, при ЭЛС с полным проплавлением металла для качественного формирования корневого валика наиболее подходят швы с эллиптической формой корневой части сварного шва [17]. При таком формировании шва информационный сигнал для системы регулирования может значительно отличаться от сигнала при формировании шва с малым радиусом корневой части шва. Косвенно оценить возможность качественного формирования корневого валика при ЭЛС с полным проплавлением можно посредством измерения радиуса корня шва при ЭЛС с частичным проплавлением. Целью данной работы являлся анализ геометрии зон проплавления в металле при различных видах динамического воздействия на электронный пучок и оценка параметров сигнала вторичного рентгеновского излучения, регистрируемого с обратной стороны свариваемого изделия при формировании сварного шва. Материалы и методы исследования Исследование проводилось на электронно-лучевой сварочной установке с энергетическим агрегатом ЭЛА-6ВЧ. В качестве образцов использовались цилиндрические образцы диаметром 160 мм и толщиной стенки 10 мм из стали 12Х18Н10Т. В процессе сварки производилась регистрация рентгеновского излучения с обратной стороны изделия. В качестве датчика рентгеновского излучения использовался сцинтилляционный детектор на основе монокристалла активированного йодистого цезия и кремниевый фотоэлектронный умножитель. Режимы ЭЛС представлены в табл. 1. Таблица 1 Параметры режимов сварки Номер режима Uуск, кВ Iсв, мА vсв, мм/с Положение фокального пятна Траектория осцилляции луча 1 60 40 5 на поверхности Без осцилляции 2 60 45 5 на поверхности Продольная* (амплитуда 1,6 мм, частота 810 Гц) 3 60 50 5 на поверхности Поперечная* (амплитуда 1,6 мм, частота 810 Гц) 4 60 54 5 на поверхности Кольцевая развертка (амплитуда 1,6 мм, частота 810 Гц) 5 60 44 5 на поверхности Кольцевая развертка (амплитуда 1,0 мм, частота 810 Гц) 6 60 48 5 на поверхности Х-образная развертка** (амплитуда 1,6 мм, частота 810 Гц) 7 60 44 5 на поверхности Х-образная развертка** (амплитуда 1,0 мм, частота 810 Гц) 8 60 55 5 на поверхности Х-образная развертка* (амплитуда 1,6 мм, частота 810 Гц) Окончание табл. 1 Номер режима Uуск, кВ Iсв, мА vсв, мм/с Положение фокального пятна Траектория осцилляции луча 9 60 49 5 на поверхности Х-образная развертка* (амплитуда 1,0 мм, частота 810 Гц) 10 60 56 5 на поверхности Развертка с формированием двух параллельных линий по обе стороны стыка*, длина линий 1,6 мм (частота 810 Гц), расстояние между линиями 1 мм (частота переключения 8 кГц) 11 60 50 5 на поверхности Прямоугольный растр*, длина вдоль стыка 1,6 мм (частота 810 Гц), ширина 1 мм (частота 8 кГц) *Линейное пилообразное изменение сигнала в отклоняющей системе. **Синусоидальное изменение сигнала в отклоняющей системе. После каждого сварочного прохода производилось охлаждение образца. По окончании опытов были выполнены поперечные макрошлифы для каждого режима. Результаты и обсуждение На рис. 1 приведена конфигурация поперечного сечения сварных швов, полученных при сварочных проходах с режимами, указанными в табл. 1. Эти швы можно условно разделить на три группы: 1. Швы с кинжальным проплавлением (№ 1-3, 5, 7). Кроме шва, выполненного стационарным пучком, сюда можно отнести швы, полученные со следующими видами разверток: линейной продольной осцилляцией, Х-образной и кольцевой развертками малой амплитудой. 2. Швы с конусной формой шва (№ 6, 8, 9). Швы, выполненные электронным пучком с разверткой по Х-образной траектории и амплитудой 1,6 мм, отличаются широкой средней частью и узким корнем шва. 3. Швы с эллиптическим корнем шва (№ 4, 10, 11). Такую форму шва позволяют получить: кольцевая развертка, развертка с формированием двух параллельных линий по обе стороны стыка, а также прямоугольный растр с длинной стороной вдоль стыка. Формирование кинжального проплавления обусловлено высокой концентрацией вводимой энергии. Швы конусной формы получаются вследствие того, что вводимая энергия частично распределена по области взаимодействия электронного пучка с металлом, но основная ее часть находится в центре этой области. Корень шва эллиптической формы при ЭЛС достигается путем распределения вводимой энергии равномерно по области взаимодействия электронного пучка с металлом либо по периферии этой области. Формирование шва с большим радиусом корня снижает вероятность появления корневых дефектов, приводит к повышению механических характеристик сварного шва [18]. Рис. 1. Поперечные сечения швов (цифрами обозначены номера режимов, указанных в табл. 1) Анализ геометрических размеров поперечных сечений сварных швов (табл. 2) и сопоставление их с параметрами режима сварки показали наличие обратной зависимости между радиусом корня шва и проплавляющей способностью электронного пучка (в качестве параметра использовался удельный ток сварки на 1 мм проплавленной глубины). Наиболее благоприятными для формирования шва с большим радиусом корневой части являются режимы ЭЛС с распределением мощности по периферии области взаимодействия луча с металлом. При снижении проплавляющей способности на 40 % такие режимы могут увеличить радиус корня более чем в восемь раз (режим 10). Таблица 2 Геометрические размеры поперечных сечений сварных швов Номер шва H, мм H2, мм B, мм B2, мм Iсв/H, мА/мм r, мм 1 9,32 0,55 3,71 1,13 4,29 0,07 2 9,10 0,35 3,74 1,36 4,95 0,07 3 10,46 0,54 5,37 1,55 4,78 0,20 4 9,60 0,54 5,03 1,76 5,63 0,44 5 10,16 0,62 4,34 1,29 4,33 0,12 6 8,71 0,44 5,02 1,70 5,51 0,30 7 8,59 0,41 4,84 1,37 5,12 0,18 8 10,65 0,62 5,35 1,86 5,16 0,30 9 8,73 0,52 4,97 1,42 5,61 0,19 10 9,16 0,58 5,45 1,77 6,11 0,62 11 8,24 0,59 4,85 1,51 6,07 0,37 Примечание: H - глубина шва; H2 - высота валика; B - ширина шва на поверхности; B2 - ширина шва на половине глубины шва; r - радиус корня шва. Для математической обработки сигнала рентгеновского излучения были выбраны продольная осцилляция, как наиболее близкая к статичному лучу и при этом позволяющая применять метод синхронного детектирования, и развертка с образованием двух линий как наиболее приемлемая для формирования корневого валика. Необходимо отметить, что разница глубин проплавления для этих двух режимов составляет менее 1 %, а разница вводимой мощности - 25 %. На рис. 2 приведены результаты обработки сигнала рентгеновского излучения, измеренного с обратной стороны изделия, методом синхронного накопления, являющегося частным случаем синхронного детектирования, для режимов 2 и 10. Как видно из графиков, при формировании шва с малым радиусом корневой части существует отчетливый пик сигнала в положении -0,4 мм относительно центра осцилляции пучка и это положение соответствует воздействию пучка в корневой части шва. При формировании шва с большим радиусом корневой части кроме повышения общего уровня сигнала на 50-70 % наблюдается увеличение сигнала практически на всей отрицательной области относительно центра осцилляции. а б Рис. 2. Результаты обработки сигнала рентгеновского излучения: а - режим № 2; б - режим № 10 Кроме того, наблюдаются несколько пиков сигнала, что может быть объяснено переключением луча между линиями и колебаниями расплавленного металла в корне шва вследствие его большого объема. Для качественного автоматического регулирования процесса сквозного проплавления при ЭЛС необходимо учитывать данный характер сигнала. Система регулирования проплавления по среднему значению сигнала должна быть дополнительно подвергнута тарировке при переходе на новую форму осцилляции электронного луча. В системе, использующей в качестве параметра регулирования количество импульсов на 1 мм шва, при переходе на новую форму осцилляции необходимо провести дополнительную тарировку для исключения участия субимпульсов в формировании сигнала управления. Ширина верхней части импульса при сварке осциллирующим лучом с образованием двух линий значительно отличается от ширины импульса при сварке продольно осциллирующим лучом. Но ширина импульса, измеренная вблизи минимального уровня сигнала, практически одинакова для этих двух видов развертки электронного луча. Это дает преимущество способу контроля проплавления по усредненной ширине импульсов, так как при использовании различных видов осцилляций может не потребоваться дополнительной подстройки системы регулирования. Заключение Корневая часть в значительной степени зависит от распределения мощности электронного луча в зоне его взаимодействия с металлом. Наиболее скругленную корневую часть электронно-лучевого шва обеспечивает развертка с образованием двух линий вдоль стыка. Методом синхронного детектирования в сигнале рентгеновского излучения, измеряемого с обратной стороны изделия, было выявлено наличие дополнительных пиков и общее увеличение уровня сигнала при такой форме осцилляции. В зависимости от параметра регулирования необходим учет таких особенностей при сварке с автоматическим регулированием проплавления при электронно-лучевой сварке.

About the authors

S. V Varushkin

Perm National Research Polytechnic University

Email: stepan.varushkin@mail.ru

D. N Trushnikov

Perm National Research Polytechnic University

Email: trdimitr@yandex.ru

V. Ya Belenkiy

Perm National Research Polytechnic University

Email: vladimirbelenkij@yandex.ru

G. L Permyakov

Perm National Research Polytechnic University

Email: gleb.permyakov@yandex.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 17

PDF (Russian) - 15

Refbacks

• There are currently no refbacks.