Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

Енергія, що відводиться з бокових стінок шва,

E	3	= 2hd 2	λ		∂Т	,	(3.17)
			vзв		∂t

де ∂∂Tt – градієнт температур на границі плавлення.

У роботі [129] визначено наближене значення температурного градієнта за формулою роботи [154] і отримано значення Е3:

E	= 2hd 2	λ		1	+ cρ	v	зв		(T	−T ).	(3.18)
	3	vзв d				2λ			пл	0

Тепловий потік у напрямку, протилежному напрямку зварювання, не враховували, а тепловий потік у напрямку зварювання від передньої стінки каналу зварювальної ванни враховували в Е2 (підігрів нових ділянок шва).

З урахуванням (3.15), (3.16), (3.18) знайдемо потужність променя:

UI =dvзвρh[2c(Tпл −Т0 )+L]+2λh(Tпл −Т0 ). (3.19)

Розв'язуючи рівняння (3.13) з урахуванням (3.19), відносно середньої швидкості охолодження ω у заданому температурному інтервалі, знаходимо для осі шва [158]

ω=	T1 −T2	=		4πλcρ(T1 −T0 )2 (T2 −T0 )2						, (3.20)
	t				2λ	2	(T1		−2T0 )
								+T2
			dρ[2c(Tпл −Т0 )+ L]+		vзв	(Tпл −T0 )

де t – час, протягом якого температура шва зменшується від Т1 до Т2. Визначивши діаметр електронної плями при зварюванні розгорнутим променем з умов якісного формування шва при заданій товщині металу, забезпечення стійкості проти гарячих тріщин та інших факторів або за рівнянням (3.10), швидкість охолодження в заданому інтервалі температур залежно від швидкості зварювання vзв знаходять з рівняння (3.20). Для визначення оптимальної для даного матеріалу швидкості охолодження можна змінювати також інші параметри. На-

305

приклад, на рис.3.11 показано вплив на швидкість охолодження параметрів режиму ЕПЗ сталі 18Х11МНФБ (ЭП291) [129].

Рис.3.11. Залежність швидкості охолодження в температурному інтервалі 600…500 ºС сталі ЭП291 від швидкості зварювання vзв (1 – 4 – Т0 = 20; 120; 180; 350 ºС відповідно) та від діаметра електронної плями d (5 – vзв = 12; 6 – 36 м/год). Експериментальні значення при Т0 = 20 ºС позначено кружками,

при 180 ºС – трикутниками

ФізичніконстантисталіЭП291 длярозрахунку булиприйнятітакими:

с = 690 Дж/(кг·ºС); λ = 26,8 Вт/(м·ºС); L = 2,75·105 Дж/кг; ρ = 7470 кг/м3,

Тпл = 1390 ºС. У розрахунках впливу швидкості зварювання діаметр електронної плями прийнято постійним, який дорівнює 2,8 мм.

Розподіл максимальних температур навколо рухомого лінійного джерела теплоти на відстані у від границі проплавлення визначають за рівнянням [154]

1		=	2πe cρvзвh y +	T	1	.	(3.21)
T	−T		IU		−T
max	0			пл	0

Підставивши у (3.21) значення IU з (3.19), знаходять

L

(Tпл −Tmax )

2c +

+ 2λ

ρvзвd

Tпл −T0

y =

.

(3.22)

vзвcρ

2πe(Tmax −T0 )

Результати розрахунків за рівнянням (3.22) для сталі ЭП291 наве-

дено на рис.3.12 [129].

За графіками, зображеними на рис.3.11 і 3.12, можна вибрати режим зварювання, який забезпечить оптимальні структуру та властивості з'єднань.

306

Рис.3.12. Залежність ширини зони термічного впливу від швидкості зварювання сталі ЭП291 при Тmax = 800 ºС і різній температурі попереднього підігріву:

1 – 20 ºС; 2 – 180 ºС; 3 – 350 ºС

Слід відзначити, що при виборі параметрів режиму ЕПЗ необхідно враховувати їх вплив на формування шва, не допускаючи виплесків та витікання розплавленого металу, утворення несплавлень, пор та інших дефектів, на що також впливають як фокусна відстань (від фокусуючої лінзи до фокусу), так і робоча відстань до поверхні деталі, а також положення фокусу променя відносно цієї поверхні. У більшості випадків зміна робочої відстані Lр в інтервалі 200…350 мм суттєво не впливає на процес зварювання. Вплив положення фокальної площини відносно лицьової поверхні виробу було розглянуто вище. Це положення задають силою струму фокусуючої лінзи, але необхідно враховувати, що для кожної зварювальної гармати є своя залежність між струмом фокусуючої лінзи і фокусною відстанню. Вона зв'язана з різними емісійними властивостями катодів, максимальними струмами променя (сила струму при мінімальному потенціалі на керуючому електроді біля 220 В), конструктивними особливостями тощо. Тому важливе значення має діагностика електронного променя в установках для ЕПЗ (визначення положення фокуса відносно поверхні деталі, максимальної густини струму та її розподілу по перерізу променя, мінімального діаметра та кута сходження променя). Комп'ютеризовану систему діагностики електронного променя розглянуто в роботі [125].

ЕПЗ дозволяє отримувати з'єднання, для яких застосовують способи зварювання плавленням, однак його переваги найбільш повно реалізуються при виготовленні стикових з'єднань. Для деяких з'єднань

307

придатне лише ЕПЗ, наприклад, однопрохідне зварювання розташованих на різній висоті стикових швів проникаючим променем. За допомогою ЕПЗ можна отримувати з'єднання з прорізними швами, виконувати зварювання у вузьких щілинах та важкодоступних місцях. Деякі типи з'єднань при ЕПЗ показано на рис.3.13.

г

д

е

є

Рис.3.13. Деякі типи з'єднань при ЕПЗ:

а, б – стикові; в, г – з прорізними швами; д – таврове з прорізним швом; е – однопрохідне зварювання трьох стиків; є – стикове з'єднання деталей циліндричної форми; ж – з'єднання внапуск деталей жарової труби

ж

Загальною вимогою для з'єднань усіх типів є висока точність складання деталей під зварювання. Допустимі зазори в зварних стиках не повинні перевищувати 0,1 мм при товщині до 10 мм та 0,2 мм при більших товщинах. Кромки, що зварюються, повинні бути ретельно очищені і знежирені, тому що при контакті рідкого металу з органічними речовинами останні у вакуумі миттєво випаровуються, викликаючи мікровибухи і дефекти у шві.

На рис.3.13,є, наприклад, показано підготовку кромок при ЕПЗ деталей циліндричної форми з конкретними товщинами. Такі деталі складають із натягом і зазором між з'єднуваними кромками не більше 0,02 мм. Для точного наведення променя на стик із зовнішньої сторо-

308

ни виконано скіс кромок з кутом 45º і глибиною 0,5 мм. Зварювання ведеться з повним проплавленням деталі меншої товщини таким чином, щоб кінець проплавлення металу шва виводився під її внутрішню циліндричну поверхню. Режим зварювання: U = 28 кВ; І = 180 мА; vзв = 45 м/год; вакуум 10–2 Па.

На рис.3.13,ж показано з'єднання внапуск деталей турбінної жарової труби з жароміцного сплаву розфокусованим променем. З'єднання не дозволяють використати одну з важливих особливостей ЕПЗ (високу концентрацію енергії), тому для них звичайно застосовують ЕПЗ тоді, коли це необхідно для даного матеріалу або конструкції у зв'язку з іншими перевагами ЕПЗ.

Мікроструктуру металу з'єднання, яке показане на рис.3.13,є, наведено на рис.3.14.

а

б

Рис.3.14. Мікроструктура стикового з'єднання жароміцного нікелевого сплаву ЭП202 (ХН67ВМТЮ):

а – після зварювання, ×400; б – метал шва після термічної обробки, ×100; 1 – шов; 2 – основний метал

Із рис.3.14 видно, що після зварювання метал шва має стовпчасті кристаліти, які в стиковому з'єднанні зустрічаються в центрі шва. В

309

обох з'єднаннях кристаліти ростуть перпендикулярно поверхні тепловідводу. Після термічної обробки, що полягала в аустенізації при 1200 ºС та наступному старінні при 850 ºС, чітко видно границі стовпчастих кристалітів (див. рис.3.14,б). У центрі шва спостерігається значна різнозернистість металу. Зона термічного впливу дуже вузька. Основний метал зберігає свою структуру майже до поверхні проплавлення.

Відхилення осі потоку електронів від стика при зварюванні повинне бути не більше 0,2…0,3 мм. Воно викликає значні складнощі при зварюванні, якщо один або обидва зварювані метали є феромагнітними. Складнощі пов'язані з наявністю електромагнітних полів, які взаємодіють з електронним променем та відхиляють його від стика [43,86, 96]. Це призводить до утворення дефектів зварного з'єднання у вигляді непроварів. Магнітні поля найбільш часто обумовлені залишковою намагніченістю, яка формується в феромагнітних матеріалах при обробці та підготовці до зварювання. Рівень магнітного поля залежить від хімічного складу та структури зварювальних матеріалів. Найбільш небезпечна намагніченість уздовж напрямку зварювання, оскільки промінь у цьому випадку відхиляється перпендикулярно лінії стика.

При складанні виробу з окремих деталей, що мають різний напрям намагніченості, важко передбачити напрямки результуючого магнітного потоку та відхилення електронного променя. Крім того, магнітне поле при ЕПЗ розподілене нерівномірно, і відхилення променя змінюється залежно від значення індукції в каналі проплавлення та над ним [43]. Відхилення променя, в основному, проходить над поверхнею виробу, тобто за рахунок магнітних полів між виробом та електронною гарматою. Відхилення променя також зростає зі збільшенням товщини зварюваного металу та при зниженні прискорюючої напруги [86].

У загальному випадку на відхилення променя впливають усі три

310

складові магнітного поля, що спрямовані вздовж кожної з осей X, Y, Z. Однак основний вплив на відхилення перпендикулярно стику має подовжня відносно стика складова магнітної індукції [43]. Вважається, що при ЕПЗ металів малої та середньої товщини рівень залишкової магнітної індукції не повинен перевищувати 0,5 мТл [151]. Автори роботи [43] вважають це значення завищеним.

Методика визначення параметрів відхилення променя наведена в роботі [96]. У роботі [43] також запропоновані залежності відхилення електронного променя від режимів зварювання деталей та розрахун- ково-експериментальна методика визначення відхилення променя при ЕПЗ по значеннях залишкової магнітної індукції, виміряної прибором МХ-10.

Відхилення електронного променя суттєво впливає на формування шва при ЕПЗ різнорідних металів, що необхідно враховувати при розробці технології зварювання. Так, у роботі [42] рекомендується зменшувати глибину проплавлення, зварювання в декілька проходів тощо.

Для запобігання негативному впливу залишкової магнітної індукції конструкції перед ЕПЗ розмагнічують шляхом установки на нерухомі конструкції електричних контурів зі струмом, що змінюється за певною програмою, переміщення рухомих конструкцій відносно електричного контуру зі змінним струмом постійної амплітуди, пропускання через конструкцію електричного струму, що змінюється за заданою програмою, та інше.

На якість та властивості з'єднань при ЕПЗ істотно впливає вакуум, що обумовлено низьким парціальним тиском залишкових газів. Якщо в особливо чистому аргоні марки А міститься 0,005 % кисню та 0,01 % азоту, то навіть у низькому вакуумі 1,33 Па вміст кисню складає 0,0003 % та азоту 0,001 %. У звичайно використовуваному при ЕПЗ вакуумі 10–1…10-–2 Па вміст цих газів складає відповідно не більше 3·10–6 та 10–5 %. Нагрівання та плавлення у вакуумі сприяє дегаза-

311

ції і підвищенню механічних властивостей металу. Це особливо чітко виявляється при зварюванні активних і тугоплавких металів. Зменшення вмісту газів у шві призводить до значного підвищення його пластичності. Найбільш легко видаляється водень, тому що більшість з'єднань металів з воднем розпадаються при відносно низьких температурах нагрівання. До того ж водень має високу дифузійну рухливість у твердих металах.

Високі захисні властивості вакуумного середовища підтверджені експериментально при зварюванні активних та тугоплавких металів шляхом порівняння якості металу швів, виконаних електричною дугою в камері з аргоном та ЕПЗ у вакуумі. Так, при зварюванні цирконію – одного з найбільш активних геттерів, твердість металу шва, отриманого в аргоні, майже в 2 рази вища, ніж отриманого у вакуумі. В останньому випадку твердість металу шва близька до твердості відпаленого основного металу. Високу якість вакуумного захисту підтверджують експерименти з молібденом – надзвичайно чутливим до газів металом. Пластичність з'єднань, виконаних у вакуумі, майже в два рази вища, ніж отриманих у камері з контрольованою атмосферою.

При ЕПЗ металів великих товщин ступінь вакууму в робочій камері суттєво впливає на глибину проплавлення. Тому для стабільного проплавлення необхідно забезпечувати стабільний вакуум у процесі зварювання.

Енергію електронного променя можна використовувати також для різання та наплавлення металів [52,149], термічної обробки, дифузійного зварювання тощо.

3.1.3. Зварювальне устаткування. Електронно-променева тех-

нологічна установка складається з робочої вакуумної камери з люками завантаження і вивантаження виробів, оглядовими вікнами і механізмами переміщення виробів, вакуумної системи з вакуумними насосами, однієї або декількох електронних гармат з системами електроживлення,

312

контрольно-вимірювальної апаратури [98]. Залежно від напруги, яка прискорює електрони, розрізняють гармати низьковольтні (20…З0 кВ), високовольтні (100…200 кB) і з проміжною напругою (30…100 кВ). Залежно від призначення гармати забезпечують різну локальність нагрівання. Вони можуть бути стаціонарними або переміщуваними у вакуумній камері. Розміри вакуумних камер електронно-променевих установок визначаються габаритами виробів, для зварювання яких вони призначені. Створені робочі вакуумні камери різних об'ємів, у тому числі об'ємом у сотні кубічних метрів з використанням відповідного вакуумного обладнання, що було розглянуто в розд.2.

Електронні гармати. Технологічна електронна гармата – складний електронний прилад, у процесі створення якого було вирішено ряд принципових питань [95,98]. Для фокусування електронного променя до мінімальних розмірів при значній його потужності необхідно, щоб розштовхування електронів у промені, їх розсіювання в газах і парах, теплові швидкості, а також погрішності електронної оптики не перешкоджали збиранню електронів. У перших гарматах пучок електронів формувався тільки за допомогою прикатодного електрода без додаткових фокусуючих систем (рис.3.15,а). Анодом такої гармати була сама деталь. Електростатичне фокусування не дозволяє одержати високу густину енергії в промені. Недолік системи – мала відстань між гарматою і деталлю. На початку шістдесятих років минулого століття створені гармати з прискорюючим електродом, який знаходиться під потенціалом деталі (рис.3.15,б). Застосування такого електрода дозволяє збільшити відстань катода гармати від деталі, полегшує спостереження за процесом зварювання, запобігає електричним пробоям. Ще більш досконалою є гармата з електростатичним і електромагнітним фокусуванням, яке забезпечує електромагнітна фокусуюча система, показана на рис.3.15,в.

313

Підвищенню напруги електронно-променевих гармат та енергії електронів перешкоджає недостатня електроізоляційна стійкість вакуумного проміжку анод–катод. При напругах вище 50 кВ імовірність електричних пробоїв між анодом і катодом зростає. Тому для одержання електронного променя високої енергії застосовують електро- нно-оптичні системи, в основу яких покладено принцип прискорення електронів у прискорювальній трубці з однорідним електричним полем уздовж її осі. Пучок електронів малої енергії, що вийшов із катода, формується і поступово прискорюється в трубці, досягаючи на виході з неї максимальної енергії. Схему градієнтної електроннооптичної гармати показано на рис.3.15,г.

Рис.3.15. Електронно-оптичні системи зварювальних гармат:

а – однокаскадна без електрода, який прискорює електрони; б – однокаскадна з анодом для прискорення електронів; в – комбінована з електростатичним і електромагнітним фокусуванням; г – з прискорювальною трубкою; 1 – катод; 2 – прикатодний електрод; 3 – траекторія електронів; 4 – деталь; 5 – анод для прискорення електронів; 6 – кроссовер (мінімальний переріз променя); 7 –фокусуюча магнітна лінза; 8 – електромагнітна система, що відхиляє промінь; 9 – фокусна пляма; α0 – половинний кут розходження променя після кроссовера; α1 – половинний кут сходження променя на деталі; dкр – діаметр крос-

совера, dф.п – діаметр плями у фокусі

314