ОСЦИЛЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА КАК СРЕДСТВО УЛУЧШЕНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ КОРНЯ СВАРНОГО ШВА И ОБЛЕГЧЕНИЯ КОНТРОЛЯ СКвОЗНОГО ПРОПЛАВЛЕНИЯ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ

Аннотация


При электронно-лучевой сварке в качестве технологического приема, предотвращающего образование корневых дефектов в сварном шве (пикообразования, пустот и несплавлений в корневой части шва), широко применяется осцилляция электронного луча. Основными формами развертки электронного луча при этом являются: прямая линия вдоль стыка (продольная осцилляция), прямая линия поперек стыка (поперечная осцилляция), круговая и X -образная развертки. Другим действенным способом предотвращения корневых дефектов в сварном шве является сварка в режиме полного проплавления. Однако в этом случае требуется динамическая стабилизация режима проплавления в реальном времени, что обусловлено стохастическим характером процессов взаимодействия концентрированного электронного луча с материалом изделия. Осцилляция электронного луча способна снизить неравномерность обратного валика в продольном направлении. Целью данной работы являлось определение влияния осцилляции электронного луча на формирование корневой части шва при электронно-лучевой сварке. Кроме ранее упомянутых траекторий осцилляции электронного луча также исследовалась развертка по двум прямым линиям по обе стороны стыка. В качестве экспериментальных образцов при проведении исследований использовались цилиндрические образцы из нержавеющей стали аустенитного класса. Наружный диаметр образца был равен 160 мм, а толщина стенки составляла 10 мм. Глубина проплавления в процессе сварки стабилизировалась исходя из условия постоянства уровня сигнала рентгеновского излучения, измеряемого с обратной стороны изделия. После осуществления экспериментальных сварочных проходов были изготовлены продольные макрошлифы. Было установлено, что при электронно-лучевой сварке без осцилляции и с продольной осцилляцией электронного луча имеет место значительное образование пиков проплавления в корне шва, а использование Х -образной и кольцевой разверток электронного луча при сварке приводит к некоторым особенностям формирования корневой части шва, описанным в статье.

Полный текст

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.

Об авторах

С. В Варушкин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: stepan.varushkin@mail.ru

В. Я Беленький

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: belenkiy@pstu.ru

Н. А Зырянов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: zyryanov-nikolai@mail.ru

А. А Кылосов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: sahka-85@mail.ru

Список литературы

  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.

Статистика

Просмотры

Аннотация - 59

PDF (Russian) - 32

Ссылки

  • Ссылки не определены.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах