Электроннолучевая сварка
  • Категория:
  • Рейтинг:
    5.0/1
  • Просмотров
    1514
  • Дата добавления
    21.06.2013

В 50-х годах существующие способы сварки пополнились новым процессом - электроннолучевой сваркой (ЭЛС) [Stohr I.A. Fuel Elements Conf. Т. 10-7546, Book 1.- Paris, USA.-1957.-c.215-224. ]. К 1971 году значительно расширилось применение достаточно высоких ускоряющих напряжений, а также для увеличения глубины однопроходных швов стали применять ЭЛС горизонтальным пучком [Ольшанский H.A. Электроннолучевая сварка металлов больших толщин с использованием пучков низкой энергии // Автоматическая сварка.-1972.- №11.- С.8-10. ].

Электроннолучевая сварка

Для увеличения глубины проплавления однопроходных швов до 50...65 мм преимущественно повышали ускоряющее напряжение до 130 кВ при сварке в нижнем положении [Мамутов Е.Л. Эволюция и перспективы развития электроннолучевой сварки деталей большой толщины // Сварочное производство.- 1981.-№11.-С.34-35. ]. Дальнейшее углубление (до 130 мм) обеспечивали за счет повышения тока электродного пучка (до 1000 мА). Для толщин от 130 до 200 мм вновь стали увеличиваться ускоряющее напряжение (до 180 кВ) при сварке в нижнем положении. Однако, высокие ускоряющие напряжения создают опасность радиационного поражения обслуживающего персонала и связано с техническими трудностями их реализации. По этой причине представляется логичной задача разработки качественно новых технологических решений.

В ряде случаев, электроннолучевая сварка может оказаться конкурентоспособной с другими способами сварки толстостенных конструкций [Патон Б.Е., Вернадский В.Н., Назаренко O.K. и др. Тенденции развития электроннолучевой сварки // Автоматическая сварка 1976.-№10.- С.1-8. ], Ее преимущества позволяют повысить скорость сварки толстолистовых изделий в 10... 15 раз, снизить расход конструкционных материалов на 10... 15%, а сварочных материалов - на 60...100%, уменьшить потребление электроэнергии на 30...80%, механизировать и автоматизировать процесс сварки на 70...80%. Важным достоинством сварки электронным лучом является также высокая степень защиты зоны сварки от атмосферы (глубокий вакуум), малая протяженность ЗТВ, незначительная деформация свариваемых изделий.

Основная, причина, сдерживающая широкое промышленное освоение электроннолучевой сварки сталей большой толщины - серьезные затруднения при получении соединений без дефектов. Физические процессы, сопутствующие существенному перегреву жидкого металла в глубине сварочной ванны, обуславливает нестабильность проплавления по глубине, появление дефектов в корне шва. раковин. В условиях одновременной кристаллизации высокого столба жидкого металла ванны возникают большие сварочные напряжения, способствующие образованию трещин. По мере увеличения толщины свариваемого металла эти трудности усугубляются. Даже на хорошо свариваемых сталях удалось получить при однопроходной ЭЛС в нижнем положении швы стабильного качества глубиной 60...70 мм, только в 1975 г., хотя этому предшествовало длительное изучение свариваемости материалов и предупреждение дефек­тов.

В целях повышения качества соединения при электроннолучевой сварке материалов большой толщины использовались различные пути, как например, предварительный подогрев, легирование металла шва, наплавка свариваемых кромок посредством колебания пучка по различным траекториям [Russel J.D. a.o. EBW tbick-walled pressure vessels.- Metal Const; And Brit. Welding journal - 1972.- №11- p. 345-350. ], изменение пространственного положения пучка и изделия [Ольшанский H.A. Электроннолучевая сварка металлов больших толщин с использованием пучков низкой энергии // Автоматическая сварка.-1972.- №11.- С.8-10. ] и т.д. Но для полного устранения дефектов при однопроходной сварке толстолистового металла и обеспечения стабильного качества шва потребуются серьезные и длительные исследования на основе применения оригинальных методик и современного мате­матического аппарата.

Поэтому, для соединения металлов большой толщины, по мнению многих специалистов, перспективна многопроходная электроннолучевая сварка с присадкой.

Для этой цели, применяют глубокую и узкую (до 6 мм) разделку, в которую подается проволока, крошка или металлические шарики. Управляемый пучок электронов формирует сварочную ванну, расплавляет присадочный металл и подогревает кромки. Производительность процесса в 6...8 раз выше по сравнению с существующими способами многослойной сварки под флюсом. Металл шва в малом объеме переплавляемый в вакууме, рафинируется. Многопроходная электроннолучевая сварка с присадкой позволяет широко варьировать химический состав шва. Реальной становится возможность заливки жидкого металла в разделку с предшествующим нагревом кромок до необходимой температуры.

Многопроходная сварка требует оборудования меньшей мощности. Если для однопроходной сварки деталей большой толщины прогнозируется создание установок мощностью W = 100 кВт при ускоряюшем напряжении до 200 кВ. то многопооходная сварка уже возможна на оборудовании W=15 кВт и Uyск = 30 кВ. Трудности и особенности ЭЛС сдерживают ее использование в производстве сварных конструкций, где этим способом выполняется менее 1 % всех сварочных работ. Совершенствование оборудования продолжается в направлениях разработки автоматических систем слежения за стыком, программного управления процессом сварки, предотвращения пробоев и разрядов в пушках.

Создание таких систем позволяет снизить требования к механической обработке изделий под сварку и повысить экономическую эффективность процесса. Серьезную проблему представляет автоматическое регулирование глубины проплавления, так как отсутствуют надежные датчики для контроля этого параметра.

При электроннолучевой сварке с кинжальным проплавлением металла наиболее характерным и трудноустранимым является пикообразование, проявляющееся в периодическом изменение глубины шва по его длине [Рыкалин H.H., Зуев И.В., Углов A.A. Основы электроннолуевой обработки материалов М.: Машиностроение, 1978.-239 с.]. Пикообразование в корне сварного шва существенно уменьшается при Х-образной развертке электронного пучка в процессе ЭЛС. При этом уменьшение глубины проплавления незначительно по сравнению с широко применяемой на практике круговой разверткой пучка [Беленький В.Я. Развертка электронного пучка по х- образной траектории как средство уменьшения дефектов в корне шва при электроннолучевой сварке // Автоматическая сварка.- 1986.-№9.-С.35-37. ].

Сварка мартенситностареющих конструкционных сталей больших сечений (30...40 мм) является сложной технической задачей. Известные преимущества при решении этой задачи дает ЭЛС, так как обеспечивает малую зону термического влияния и снижает внутренние напряжения [Николаев Г.А., Ольшанский Н.А. Специальные методы сварки.- М.: Машиностроение, 1975.- 382 с. ]. Однако ЭЛС указанных сталей требует весьма тщательных и стабильных подготовительных операций, обеспечения качественного состояния свариваемых кромок, жесткого поддержания параметров процесса [Живага Л И., Ковбасенко С.И., Лесков Г.И. и др. Геометрия и основные дефекты швов, выполненных однопроходной электроннолучевой сваркой сталей толщиной 20...50 мм // Автоматическая сварка.-1973 - №3.- С.55-58.]. Результаты исследований ЭЛС низкоуглеродистой (СтЗ), нержавеющей (Х18Н9Т) и низколегированных (18Х4ВА и 15Х1М1Ф) сталей толщиной 20...50 мм приведены в работе [Живага Л И., Ковбасенко С.И., Лесков Г.И. и др. Геометрия и основные дефекты швов, выполненных однопроходной электроннолучевой сваркой сталей толщиной 20...50 мм // Автоматическая сварка.-1973 - №3.- С.55-58.].

Сварку производили со скоростью 10...48 м/ч. Было обнаружено, что при сварке некоторых сталей швами с кинжальной формой проплавления в их сечении образуются различные виды пустот. В то же время часть металла усиления могла бы заполнить эти пустоты. Возникает предположение, что для такого заполнения при сварке узкими и глубокими швами нет необходимых условий. Это, вероятно, объясняется малой погонной энергией (q/Vce в 4...6 раз меньше, чем при дуговой сварке). Поскольку скорость охлаждения металла обратно пропорциональна (q/vC6)7 то в исследуемых условиях ориентировочно она в 16...36 раз больше, чем при дуговой сварке. Повидимому, при высокой скорости охлаждения сварочной ванны кристаллизация металла протекает без заметных перемещений жидкой ванны, т.е. без подпитки области кристаллизации жидким металлом, вытесненным из зоны проплавления.

Таким образом, кристаллизация металла швов с кинжальной формой проплавления происходит без заметного его перемещения, т,е. в том пространственном положении, которое он занимал в жидком состоянии. Такие условия кристаллизации способствуют возникновению трещин и других дефектов. Для получения качественного сварного соединения ЭЛС низколегированных сталей 18ХНВА и 15Х1М1Ф толщиной 20...50 мм предлагается применять предварительный подогрев до 200...250°С. Для уменьшения усиления шва предлагается клиновидная разделка. Однако, предлагаемые меры существенно снижают эффективность процесса ЭЛС и не исключают появления дефектных швов. При электроннолучевой сварке металлов в швах возникают дефекты, как уже известные в практике дуговой сварки, так и специфические [Патон Б.Е., Лесков Г.И., Живага Л.И. Специфика образования шва при электроннолучевой сварке // Автоматическая сварка 1976.-№3-С. 1-5. ].

К последним относятся: холодные затворы (корневые дефекты), па­ровые мешки и широкие горячие трещины. Они обусловлены высокой концентрацией мощности источника нагрева (пучка), интенсивным испарением металла, узкой и глубокой сварочной ванной. Для борьбы с этими дефектами авторы предлагают применять рациональное конструирование соединений, подкладки, программирование процессов замыкания кольцевых швов, выбор определенной скорости сварки.

Степень изученности и применяемости известных технологических приемов электроннолучевой сварки рассмотрены в работе [Кайдалов А.А., Назаренко O.K. Основные технологические приемы сварки электронным пучком (Обзор) // Автоматическая сварка 1986.- №4.- С.51-58. ].

Эти приемы разделяют на три группы:

  • К первой группе относятся наиболее изученные и апробированные приемы: полное проплавление основного металла, развертка и наклон пучка, модуляция тока пучка, подача присадочного материала, применение подкладок, сварка смещенным и расщепленным пучком, выполнение прихваток, предварительных и косметических" проходов, сварка секциями.
  • Вторая группа включает в себя приемы достаточно изученные и обоснованные, но не получившие широкого практического применения: "тандемная" сварка, сварка в узкий зазор и "пробочными" швами.
  • К третьей группе относятся приемы, целесообразность и возможность реализации которых либо не обоснованы, в том числе экспериментально, либо обоснованы недостаточно: оплавление корневой части шва "проникающим" пучком электронов, осцилляция уровня фокусировки пучка, применение флюсов, сварка с использованием широкой вставки и с дополнительным теплоотводом, двухсторонняя сварка.
  • Авторы считают, что большое количество рассмотренных технологических приемов свидетельствует, в первую очередь, о наличии серьезных проблем получения качественных соединений и попытка их решений. К этому следует добавить, что способ требует применения специальной аппаратуры, точности и чистоты подготовки кромок под сварку, что также существенно ограничивает его применение.

     

Получить прайс

^ Наверх