1.3 Электроннолучевая сварка с импульсным отклонением

Для сравнения с полученными результатами были проведены экспериментальные сварки по другой схеме, при которой импульсное тепловое действие электронного луча на сварочную ванну производится следующим образом.

В процессе сварки величина тока луча остается постоянной, но он импульсно отклоняется из сварочной ванны на специальную мишень (экран). При этом половину периода луч находится в ванне, а другую половину периода - на мишени. Таким образом обеспечивается импульсное тепловое действие луча на ванну, как и при импульсной модуляции тока луча.

Сварка с импульсным отклонением луча из ванны позволяет более достоверно выявить влияние импульсной модуляции луча на глубину проплавления по следующим причинам. В этом случае ток луча остается постоянным по величине; соответственно, нет изменений выходного высоковольтного напряжения источника питания электроннолучевой сварочной пушки. В результате не происходит каких-либо изменений фокусировки луча.

Как и при сварке с импульсной модуляцией тока, в данном случае были взяты те же частоты импульсного отклонения луча: 80; 130; 220; 360; 600; 1000 Гц. При этом половину периода луч находился в сварочной ванне, а в течение другой половины - импульсно отклонялся на мишень. В результате обеспечивалась импульсная модуляция воздействия луча, на ванну на уровне 100% (меандр). Величина тока луча 1ь = 600 мА, скорость сварки V_CB= 5 мм/с, U_уск= 60 кВ, сталь 15Х2НМФА.

Полученные результаты (средняя глубина проплавления в зависимости от частоты) представлены на рис.1.4.

Из сравнения с рис. 1.2 видно, что при импульсном отклонении луча из ванны получается большая глубина проплавления, чем при импульсной модуляции тока луча (примерно, на 15%). Это указывает на то, что при модуляции тока ухудшается фокусировка луча из-за изменения ускоряющего напряжения.

Как видно из рис. 1.4, в данном случае также наблюдается зависимость глубины от частоты импульсного воздействия луча на ванну: как и в предыдущей серии экспериментов, максимум глубины достигается при частоте, примерно,

200 Гц.

Как следует из проведенного выше аналитического рассмотрения, эта величина частоты соответствует колебаниям парогазового канала, существующего в сварочной ванне при ЭЛС с глубоким проплавлением.

Таким образом, можно заключить, что если частота импульсного воздействия электронного луча соответствует частоте собственных колебаний парогазового канала в сварочной ванне, то наблюдается увеличение глубины проплавления.

1.4 Электроннолучевая сварка стали толщиной до 60 мм с продольными пилообразными колебаниями электронного луча

Отличительной особенностью электроннолучевой сварки (ЭЛС) является получение узких швов “кинжальной” формы: глубина проплавления более чем в 10 раз превышает ширину шва (рис. 1.5). Чтобы еще увеличить проплавляющую способность луча, исследовалось применение различных технических приемов, в том числе основанных на импульсном динамическом воздействии на сварочную ванну: Проводили импульсную модуляцию тока луча и подбирали частоту этой модуляции. В этом направлении работают также и другие исследователи [5,6,7]. В работе [ 7 ] сообщается, что за счет импульсной модуляции тока на частоте 100 Гц и продольных колебаний луча получают швы более узкие и глубокие, чем обычно; хотя сварка производилась внижнем положении, но по форме швы похожи навыполненные горизонтальным лучом. Однако в [ 7 ] не сообщается, какая применялась продольная развертка луча, и не обсуждается, почему получаются более узкие швы.

h - экспериментальные точки, h(f) - аппроксимирующая линия;

I_b. = 600 мА, U_уск= 60 кВ, V_св= 5 мм/с, сталь 15Х2НМФА.

Рисунок 1.4 - Зависимость глубины проплавления от частоты импульсного отклонения луча из сварочной ванны; длительность пребывания луча в ванне равна длительности отклонения

Целью следующего этапа работ было исследование влияния импульсного воздействия на сварочную ванну при электроннолучевой сварке стали за счет продольных пилообразных колебаний электронного луча.

Экспериментальные сварки проводились с использованием аппаратуры для ЭЛС типа ЭЛА-60/60 (ускоряющее напряжение 60 кВ, ток пучка до 1А), в вакуумной камере УЛ-209 (2,5 х 2,5 х 3,8 м, рабочий вакуум не хуже 5-10"⁴ мм рт.ст.), с перемещаемой внутри камеры пушкой (оснащена дифференциальной откачкой, обеспечивающей вакуум в пушке не хуже 1*10^-5 мм рт.ст.). Для сварок была взята высокопрочная среднелегированная сталь толщиной δ=57мм. Сварки проводились на скорости V_св⁼ 5 мм/с (18 м/час), ток луча - до 250 мА.

Импульсное динамическое воздействие на ванну производилось за счет развертки луча.

Учитывая известные данные и проведенные оценки по частоте собственных колебаний металла в ванне (десятки - сотни герц), частота развертки луча была выбрана равной 130 Гц, что соответствует, примерно, середине частотного диапазона собственных колебаний; при этом также обеспечивалось отсутствие биений с частотой электросети.

Развертка была выбрана в виде продольных колебаний вдоль направления сварки: отклоняющая катушка запиты вал ась от специального генератора током пилообразной формы (рис. 1.6). Известно, что при развертке с продольными колебаниями получаются узкие швы [ 5 ], в отличие, например, от сварки с поперечными колебаниями или с круговой разверткой.

Размер развертки (двойная амплитуда) был выбран равным 3 мм. Такой размер развертки заметно превышает (примерно в 2 раза) диаметр парогазового канала, существующего при сварке статическим лучом, и, вследствие этого, влияние развертки луча должно быть заметным.

Рисунок 1.5 - Поперечный макрошлиф типичного проплавления при однопроходной электроннолучевой сварке стационарным электронным пучком (без импульсного воздействии на ванну); материал сталь Х18Н9Т, U_ycк= 60 кВ, I_b= 170 мА, Уев =10 м/час,h/B_cp= 16; полосками на изображении отмечены уровни, на которых замерялась ширина шва.

Рисунок 1.6- Пилообразная форма тока в отклоняющей катушке; Т - период развертки пучка, t₁- время перебрасывания пучка в направлении хвостовой части ванны, T₂- время движения пучка в направлении от хвостовой части ванны в переднюю часть.

Существенной особенностью сварки был выбор направления движения луча при развертке: по направлению сварки или против.

Оказалось, что в случае, когда пучок импульсно перебрасывается в направлении хвостовой части ванны, а потом в течение почти всего периода развертки движется в переднюю часть, то получаются наиболее узкие и глубокие швы. Схема движения пучка в этом случае поясняется рис. 1.6, а получающиеся проплавления представлены на рис. 1.7 и 1.8.

Наряду с получением узких сквозных швов (ширина расплавленной зоны порядка 1 мм ( рис. 1.7), следует также отметить получение закругления в корне шва на несквозных швах (рис. 1.8), что благоприятно для предотвращения корневых дефектов.

Можно численно оценить форму полученных швов следующим

образом. Делим изображение проплавления (например, на рис. 1.7) на десять участков по глубине и производим замеры ширины шва на разной глубине:B₁(0,1h), B₂(0,2h) ... B₉(0,9h).

Определяем среднее значение ширины шва:

Β_cp= Среднеквадратичное отклонение ширины шва:

разность между максимальным В_тах и минимальным B_min значениями ширины Δ Β_max= Β_max –Β_min, коэффициент формы шва: к = h/B_cp. Для сквозного проплавления, представленного на рис. 1.7 слева, получаем следующие значения: средняя ширина шва (проплавления) В_ср = 1,35 мм, среднеквадратичное отклонение ширины шва ΔВ_ср = 0,16 мм, разность между максимальным и минимальным значениями ширины AB_max =0,4 мм, коэффициент формы шва k=42.

Рисунок 1.7 - Сквозное проплавление стали 12Х2Н4МД 5 = 57 мм; U_уск - 60 кВ, I_b = 235 мА, V_CB = 5 мм/с (18 м/час); развертка: пилообразные колебания, от задней части ванны - в переднюю; f= 130 Гц, размер на поверхности: 3 мм; получено: h/B_cp≈42.

Для несквозного проплавления, представленного на рис. 1.8, аналогично получаем такие значения: B_ср= 1,42мм,ΔВ_ср = 0,13 мм, ΔВ_тах = 0,35 мм, h= 54 мм, k= 38.

В качестве сравнения, приведем значения этих лее показателей для проплавления, представленного на рис. 1.5: B_ср= 3,1 мм, ΔВ_ср = 0,8 мм, ΔΒ_max=2,2 мм, h= 49 мм, k= 16.

Как видно из оценок, проплавления, представленные на рис. 1.7 и 1.8, по сравнению с проплавлениями, полученными при ЭЛС статическим лучом (рис. 1.5), получаются более узкими, более равномерными по глубине и со сравнительно большим коэффициентом формы.

Объяснить получение таких узких швов можно следующим образом. Когда луч перебрасывается в хвостовую часть, то происходит импульсное динамическое воздействие на жидкий металл в этом месте, и он вытесняется отсюда; тем самым открывается доступ электронному лучу к дну сварочной ванны, и происходит ее проплавление на большую глубину. В результате увеличивается глубина прогазовогоканала, по которому проходит луч. Соответственно, увеличивается глубина сварочной ванныи уменьшается ее ширина, но объем металла ванны остается тот же. При выполнении несквозных швов такая схема движения луча благоприятна еще и по следующей причине. При движении луча от хвостовой части ванны в переднюю, луч по ходу движения вытесняет металл назад, и таким образом, заполняется корень шва. Если же применять другую развертку луча, при которой луч движется от передней части ванны в хвостовую, то получающиеся швы имеют острый корень (рис. 1.9), и вследствие этого, имеется опасность образования корневых дефектов. Поэтому нужно использовать пилообразную развертку по схеме рис.1.8.

Таким образом, за счет описанного технологического приема можно получать более узкие и глубокие швы. Проведенные исследования служат подтверждением того, что частота собственных колебаний жидкого металла в сварочной ванне соответствует диапазону десятки - сотни герц. Чтобы получать более узкие и глубокие швы, частота импульсного динамического воздействия на сварочную ванну должна быть в этом диапазоне.

Рисунок 1.8 - Несквозное проплавление стали 12Х2Н4МД 8, δ = 57 мм; U_уск- 60 кВ, I_b = 215 мА, V_CB= 5 мм/с (18 м/час); развертка: пилообразные колебания от задней части ванны - в переднюю; f= 130 Гц, размер на поверхности: 3 мм; получено: h/B_cp≈38.

Рисунок 1.9 - Несквозное проплавление стали 12Х2Н4МД 5 = 57 мм;

U_уск- 60 кВ, I_b = 215 мА, V_св⁼5 мм/с (18 м/час); развертка: пилообразные колебания, от передней части ванны - в заднюю;

f= 130 Гц , размер на поверхности: 3 мм; в отличие от рис. 1.8, корень шва получается более острым.

За счет применения продольных колебаний луча (с частотой 130 Гц при специальной пилообразной форме тока в отклоняющих катушках), когда луч импульсно перебрасывается в хвостовую часть ванны, а потом в течение почти всего периода развертки движется в переднюю часть, получены узкие швы (ширина расплавленной зоны около 1 мм, глубина сквозного проплавления до 60 мм, коэффициент формы шва 40), а на несквозных швах получено благоприятное для предотвращения корневых дефектов закругление корня шва (радиус 0,5 мм); по сравнению с проплавлением статическим лучом коэффициент формы шва увеличен более чем в 2 раза и уменьшена неравномерность проплавления по глубине, примерно, в 5 раз.