книги / Электронно-лучевая сварка и смежные технологии

Сварка сталей

Исследования свариваемости различных марок конструкци­ онных сталей показали, что для исходного металла под электрон­ но-лучевую сварку необходимо рафинирование с помощью электрошлакового переплава. При этом одновременно с общим сни­ жением загрязненности осуществляются диспергирование и рав­ ном ерное распределение неметаллических вклю чений. Установлено, что для высококачественной электронно-лучевой сварки содержание газов в сталях должно быть ограничено: для сварки в нижнем положении содержание кислорода не должно превышать 60 ррм и азота — 200 ррм, а для сварки на боку кисло­ рода — 80 ррм и азота — 370 ррм.

Лабораторные исследования и опыт практического использова­ ния технологий электронно-лучевой сварки показали, что хорошо свариваются стали: аустенитные, малолегированные с содержани­ ем углерода менее 0,35% и фосфора+серы — менее 0,11%, ледебуритные с содержанием углерода 1,5-2,3%, быстрорежущие с со­ держанием углерода 0,75-1,4%. Практически не свариваются ста­ ли автоматные с высоким содержанием серы и цементированные.

Для расширения номенклатуры марок сталей, хорошо свари­ ваемых электронным пучком, используют приемы электронно-лу­ чевой наплавки и электронно-лучевого оплавления стыкуемых по­ верхностей, а также сварку с присадкой.

Сварка разнородных сталей. Применение в различных отрас­ лях промышленности сварных комбинированных конструкций из разнородных металлов и сплавов наряду с достижением необхо­ димого технического эффекта обеспечивает значительный эконо­ мический эффект, так как из дорогостоящих материалов изготов­ ляют лишь небольшую часть изделия, работающую, например, в условиях высоких температур и нагрузок или в агрессивной сре­ де. При электронно-лучевой сварке, как и при других методах свар­ ки плавлением, из-за различия теплофизических и электромагнит­ ных свойств разнородных металлов возникают несимметричные относительно стыка температурные поля, что обусловливает раз­ личную степень проплавления кромок. Однако специфика процес­ са электронно-лучевой сварки позволяет существенно снизить воз­ действие данных факторов на формирование сварных соедине­ ний из разнородных металлов.

При электронно-лучевой сварке разнородных сплавов необхо­ димые проплавление, химический состав и структуру сварных со­ единений обеспечивают следующие технологические приемы:

■смещение электронного пучка относительно стыка;

■соединение через переходные элементы из биметаллов или сплавов, обладающих хорошей свариваемостью по отно­ шению к каждому из двух металлов;

■легирование металла шва с помощью тонких вставок, про­ волоки или покрытий;

■регулирование скорости охлаждения (предварительный по­

догрев, сканирование электронного пучка и др.). Применение этих приемов, основанных на экспериментальных

и расчетных методиках, позволяет оценить степень проплавления свариваемых кромок компактных (монолитных) материалов и долю участия присадочного материала в металле шва. В то ж е время, если в конструкции предусмотрено использование многослойных материалов с различной ориентацией пластин относительно плос­ кости стыка, то данное обстоятельство требует более детальной проработки технологии сборки и сварки.

Влияние конструктивных особенностей соединений на формиро­ вание швов при электронно-лучевой сварке разнородных сплавов рассмотрим на примере [27] сварки аустенитного хромо-никелевого сплава ХН36ТЮ (ЭИ-702) и сплава на основе кобальта 48КНФ ком ­ пактного или многослойного исполнения толщиной до 35 мм (рис. 83). Основными причинами изменения проплавления кромок таких об­ разцов может бьггь анизотропия теплофизических и электромагнит­ ных свойств свариваемых материалов. Для расчета площадей про­ плавления разнородных материалов приняты следующие допущения: источник теплоты — быстродвижущийся линейный в пластине со сквозным проплавлением; теплофизические свойства материалов не зависят оттемпературы; тепловой поток через сечение у=0 (стык сва­ риваемых деталей) и теплоотдача в окружающую среду отсутствуют.

Рис. 84. Форма проплавления при электронно-лучевой сварке (а) и сварке мощным быстродвижущимся источником теплоты при отсутствии (б) и наличии (в) электромагнитных полей: уА, ув — ширина проплавления разнородных сплавов, у/(0), у(5) — отклонение осевого электронного пучка (Э П ) от первоначальной траектории соответственно в вершине и корне ш ва; £ — предварительное смещение электронного пучка; Вх — индукция по оси О Х

Степень проплавления кромки сплава ХН36ТЮ (рис. 84) при сварке без присадочных материалов и отсутствии магнитных полей

где Fa, FB— площадь проплавления кромок соответственно спла­

вов ХН36ТЮ и 48КНФ.

Используя уравнение для максимальных температур при рас­ пространении теплоты от мощного быстродвижущегося линейного источника в пластине, выражение (181) можно привести к виду

где ав, аА — коэффициент температуропроводности соответствен­ но сплавов 48КНФ и ХН36ТЮ; ТппА, ТппВ— температура плавления соответственно сплавов ХН36ТЮ и 48КНФ; Т0— начальная тем­ пература образцов.

Это выражение получено для изотропного тела, в котором рас­ пространение теплоты не зависит от направления. Напротив, в ани­ зотропных телах коэффициент теплопроводности является физичес­ кой величиной, имеющей для каждого направления различные значения. Однако, если процесс сварка проходит со значительны­ ми скоростями и сквозным проплавлением деталей, то для приня­ той модели сварки мощным быстродвижущимся линейным источ­ ником теплоты основная часть теплового потока направлена пер­ пендикулярно к стыку. Поэтому при сварке многослойных деталей с различным положением пластин относительно стыка (см. рис. 83, б, в) распространение теплоты происходит параллельно слоям. Извест­ но, что если тело общей длиной L состоит из пластинок толщиной Л г Ар..., Апс коэффициентами теплопроводности Яv X,.... Хп, то коэффи­ циент теплопроводности для направления, параллельного слоям,

яL

При условии Х1=Х2=...Хп=Хв и Л у=Л2=...=Лп=Лв эффективный коэффициенттеплопроводности для направления, перпендикулярного к стыку,

где 5Э— эквивалентная толщина зазора между пластинами.

В реальных многослойных конструкциях обычно число слоев л>10, поэтому с достаточной степенью точности можно принять

Для определения эквивалентной толщины зазора в зависимос­ ти от чистоты обработки пластин можно использовать эмпиричес­

где ft — средняя высота выступов шероховатости поверхности. Таким образом, с учетом коэффициента заполнения и допуще-

ния ^пла^ плв степень проплавления кром ок аустенитного сплава

(188)

Ул 1+V4 4

Согласно работе [8], наличие в соединении с компактным спла­ вом ХН36ТЮ пакета пластин (А=0,98...0,95) сплава 48КНФ прак­ тически не влияет на форму шва при электронно-лучевой сварке, при этом для кромок аустенитного сплава УА=0,4, если источник теплоты не смещен относительно стыка.

С другой стороны, форма и степень проплавления кромок за­ висят от положения электронного пучка относительно стыка, кото­ рое может изменяться под действием различных факторов. Од­ ним из таких факторов является электромагнитное поле в объеме распространения электронного пучка. В данном случае отклоне­ ние пучка в направлении, перпендикулярном к стыку, происходит при воздействии продольной по отношению к стыку составляющей индукции магнитного поля как в пространстве дрейфа электронов, так и канале проплавления. При этом плотность магнитного потока определяют положение источников поля, их интенсивность и фи­ зические свойства среды. При наличии анизотропных сред важ­ ное значение имеет положение границ раздела.

Продольную по отношению к стыку составляющую индукции магнитного поля от различных источников можно определить эк­ спериментально на специальных образцах с отверстием, ими­ тирующ им канал проплавления, в которое помещают датчик Холла магнитометра (рис. 85). Для каждой конструкции образ­ цов (см. рис. 83) исследовано магнитное поле от трех источни­ ков: остаточной намагниченности, тока элек-тронного пучка и термоэлектрических токов.

Остаточная магнитная индукция рассматриваемого магнитомягко­ го сплава невелика. Причем ферромагнитные образцы в виде пакета пластин, расположенных вдоль электронного пучка и перпендикуляр­ но к стыку (см. рис. 83, в), менее склонны к намагничиванию в направ­ лении вектора скорости сварки по сравнению с компактными образ­ цами или образцами в виде пакета пластин, перпендикулярных к пучку (см. рис. 83,6). В результате измерений установлено, что независимо от магнитной предыстории материала после электромагнитной обра­ ботки (размагничивания в переменном магнитном поле с постепенно убывающей до нуля напряженностью) составляющая индукции оста­ точного магнитного поля на поверхности образцов из сплава 48КНФ разного конструктивного исполнения не превышает 0,07 мТл.

Ранее установлено, что при электронно-лучевой сварке разно­ родных компактных материалов продольная составляющая индук­ ции магнитного поля, обусловленная намагниченностью, индуци­ рованной в детали из магнитомягкого сплава собственным маг­ нитным полем электронного пучка, довольно мала и практически не влияет на геометрию пучка и, следовательно, форму шва.

Для сравнения значений данной составляющей индукции маг­ нитного поля, возникающей при прохождении электрического тока вблизи поверхности ферромагнетика компактного или многослой­ ного исполнения, используют образцы (рис. 85, а) с плотно состыко­ ванными компактными или многослойными (на рис. 85, а не пока­ заны) ферромагнитными и парамагнитными элементами. На образ­ цах выполняют отверстие и паз, имитирующие образующуюся при сварке немагнитную зону, нагретую выше точки Кюри, размеры Хн и ^которой рассчитывают с использованием соотношений (184)— (18/). Электронный пучок моделируют проводником с постоянным током, проходящим через отверстие, в котором также помещают

щуп с преобразователем Холла. Результаты измере­ ний и расчетов, выполненных с использованием метода зеркальных изображений, показали, что значения ин­ дукции м агнитного поля, обусловленного наличием тока у границы раздела фер­ р о - и парамагнитных сред, не превыш аю т 0,06 мТл при силе тока св а р ки до 1 А (рис. 86). В соединениях, где использованы ферромагнит­ ные пластины, расположен­ ные параллельно электрон­ ному пучку, значения про­ дольной составляющей ин­ дукции м агнитного поля практически в два раза мень­ ше, чем в соединениях толь­ ко компактных .материалов или компактных с многослой­ ными, у которых пластины

расположены перпендику­ лярно к пучку.

Эти результаты вполне со­ гласуются с теоретическими представлениями о намагни­ чивании тел с учетом размаг­ ничивающего фактора. Сле­ дует также отметить, что та­ кое поле, воздействуя на электронный пучок, отклоня­ ет его только в сторону фер­ ромагнитного материала не­ зависимо от предварительной обработки и ориентации пла­ стин, при этом плотность маг­ нитного потока имеет одина­ ковые значения по глубине канала проплавления.

Анализ результатов позволяет сделать вывод о том, что при электронно-лучевой сварке ферро- и парамагнитных материалов толщиной до 35 мм любого конструктивного исполнения данную составляющую индукции магнитного поля можно не учитывать.

Одним из наиболее интенсивных источников магнитного поля при электронно-лучевой сварке могут быть термоэлектрические токи, возникающие в свариваемых деталях из разнородных мате­ риалов при наличии градиента температур.

Влияние конструктивных особенностей изделий на плотность магнитного потока в стыке, обусловленную растеканием термоэлек­ трических токов постоянной плотности, исследовано на компактных и многослойных образцах размером 100x60x35 мм (см. рис. 85, б). Стыки сваривали на половину длины образцов, при этом шов за­ вершали отверстием, моделирующим канал проплавления, в кото­ ром размещали преобразователь Холла магнитометра. Отверстие смещалось в парамагнитный сплав на ширину немагнитной зоны ук. Для обеспечения надежного электрического контакта и равно­ мерного распределения электрического потенциала к противопо­ ложным граням образцов припаивали медные электроды толщи­ ной 2 мм, через которые пропускали постоянный электрический ток силой до 100 А, моделирующий ток, вызванный термоЭДС. Предварительно на специальных образцах для данных материа­ лов были получены средние значения плотности термотоков, рав­

ные для компактных образцов (6-8)*104 А/м2. Пропуская ток такой плотности через образцы поперек стыка, установлено, что для об­ разцов всех типов продольная составляющая индукции магнитного поля линейно изменяется по глубине канала проплавления и дости­ гает экстремальных значений на его противоположных концах. Наи­ большее значение плотности магнитного потока наблюдается на об­ разцах, в которых пластины расположены параллельно электрон­ ному пучку (рис. 87). Это объясняется тем, что, видимо, при таком положении пластин растекание термоэлектрических токов в ферро­ магнитном образце происходит всегда в направлении, перпендику­ лярном к плоскости стыка, а в других случаях, это условие может не выполняться.

Для принятой модели однопроходной сварки пластин быстродвижущимся источником теплоты растекание термотоков возмож ­ но только в плоскости образцов от высокотемпературных зон че­ рез участки шва, находящиеся в стадии выравнивания темпера­ тур. Поэтому максимальной плотности термотоки достига­ ют при использовании ком ­ пактных материалов и паке­ тов пластин, расположенных в плоскости растекания тер­ мотоков, так как они имеют минимальное сопротивле­ ние. При другом положении пластин контактные сопро­ тивления достигают больших значений, а электрическая проводимость образца и схе­ ма растекания термотоков определяются в основном наличием прихваток или свар­ ных швов, выполняемых при

сборке пакета.

Однако в реальных усло­ виях сварки комбинирован­ ных конструкций обычно вы­ полняют не один, а несколь­ ко швов, поэтому схема ра­ стекания термотоков может изменяться при выполнении

каждого последующего шва. Например, при изготовлении ком­ бинированных сварных конструкций из многослойных и компакт­ ных материалов часто используют двустороннюю сварку. При вы­ полнении первого шва (рис. 88, а), многослойные материалы не показаны) растекание термоэлектрических токов плотностью / 1 происходит через участки шва, находящиеся в стадии охлажде­ ния. Максимального значения плотность тока достигает в конст­ рукциях, где использованы только компактные материалы, а ми­ нимального (в значительной степени) — в конструкциях, где пла­ стины расположены параллельно электронному пучку, так как при одинаковой термоЭДС свариваемых материалов последние име­ ют наибольшее сопротивление. В данном случае наибольшее зна­ чение индукции магнитного поля, а следовательно, и отклонения электронного пучка наблюдают при сварке конструкций из ком­ пактных материалов.

Напротив, при сварке второго шва (рис. 88, б) схема растека­ ния термотоков изменяется. Основная их часть j2замыкается че­ рез изделие и первый шов, а не через второй шов, находящийся в стадии охлаждения. Наибольшее значение индукции магнитно­ го поля и отклонения электронного пучка во втором случае за­ фиксировано в конструкциях с пакетами пластин, расположенных параллельно пучку, а минимальное — в конструкциях с пакетами пластин, расположенных перпендикулярно к пучку.

Полученные результаты показывают, что с учетом анизотропии электрических и магнитных свойств, конструктивных особеннос­ тей и технологии изготовления изделия определение индукции маг­ нитного поля термотоков, а следовательно, и отклонения элек­

тронного пучка от стыка являются частным решением в каждом конкретном случае.

Таким образом, степень проплавления кромок при электрон­ но-лучевой сварке разнородных материалов при отсутствии маг­ нитных полей определяют из выражения (188). Напротив, если элек­ тронно-лучевой сварке проходит в условиях генерации термото­ ков, то возникающее знакопеременное по глубине канала проплав­ ления магнитное поле отклоняет электроны пучка в одну сторону вплоть до половины толщины изделия, а затем — в другую. При малых углах отклонения можно принять, что траектория д виж е ­ ния осевого электрона пучка прямолинейна по толщине изде­ лия (рис. 84, в). С учетом этого допущения для принятой ранее модели сварки нетрудно определить степень проплавления кромок аустенитного сплава ХН36ТЮ в общем случае:

При малых углах отклонения сумма УА+УВ равна ширине шва. Для снижения отклонения электронного пучка и получения тре­ буемой степени проплавления кромок целесообразно снижать глу­ бину проплавления, а в некоторых случаях применять технологи­ ческие приемы сварки в несколько проходов. Например, по срав­ нению с однопроходной сваркой ферромагнитных пакетов плас­ тин, расположенных перпендикулярно к электронному пучку, сварку с компактными парамагнитными сплавами толщиной 20 -30 мм предпочтительней выполнять в два прохода с противоположных

сторон или поэтапно с одной стороны.

Информационные и экспертные системы

При современном объеме информации и уровне наукоемких технологий наличие компьютерных информационных и экспертных систем является необходимым условием эффективной работы уче­ ных и инженеров. Правильное построение таких систем позволяет каждому специалисту создавать собственную систему или допол­ нять имеющуюся.

Информационная система представляет собой систематизиро­ ванные и узкоспециализированные банки данных, объединенных единым технологическим процессом. Структура полной информа­ ционной системы электронно-лучевой сварки показана на рис. 89. Экспертная система является программно-вычислительным ком ­