книги / Электронно-лучевая сварка и смежные технологии

цинк, бронза (кадмий >0,6%, свинец >0,5%), латунь. Это объясня­ ют тем, что под действием высококонцентрированного электрон­ ного пучка в вакууме происходит их взрывное вскипание, это при­ водит к выбросу основной массы расплава, т. е. сплошность литой зоны не достигается; реализуются скорее условия резки, чем свар­ ки. Не свариваются также автоматные, цементированные и низко­ углеродистые стали с высокой концентрацией углерода, серы, фос­ фора и других элементов из-за образования трещин и ряда других дефектов, а также из-за низких механических и прочностных ха­ рактеристик сварного соединения.

Электронно-лучевая сварка позволяет соединять довольно большое количество комбинаций разнородных и разноименных ма­ териалов, в том числе из растворимых и нерастворимых друг в друге материалов: нержавеющая сталь+инвар, нержавеющая сталь+алю м иний, 12Х18Н 10Т+ВН 2АЭ, 12Х18Н10Т+ЭЛН1, 12X 18H 10T+N b, нерж авею щ ая сталь+УУ-сплав (10% С,1% С о,1% С г), нержавею щ ая сталь+тантал, нержавеющая сталь SUS316+хастеллой X, нержавеющая сталь 8118304+никель, нержаве­ ющая сталь SUS304+Meflb, нержавеющая сталь 8118304+углеродистая сталь, нержавеющая сталь ЗиЭЗОФщиркаллой 2 (вставка из Ад), не­ ржавеющая сталь SUS304(nnn321 )+сталь 2,25 Cr-Мо, сталь слаболетрованная 2,25 Сг-Мо+хасгеллой X (иногда применяют вставку из AI), сталь 20+медь М1, быстрорежущая сталь (S6-5-2-5 или S6-5-2)+ynpy- гая сталь (48 CrMoV67; 50CrV4; 45CrV19), инструментальная сталь+- ни зко угл е р о д и ста я сталь, сталь 45+бронза ОЦН, чугун GRB20+6poH3a ОЦН, алюминий+титан, алюминий+медь, алюминий+никель, медь+инвар, медь+серебро, медь+вольфрам, медь+ +никель, медь+манганин, медь+ниобий, бериллиевая медь+фосфористая бронза, Бр.ХУ (или Бр. ХЦрТ)+ЭП666, сплав 73,5%Си- 22,7%Zn-3.4AI-0,4%Co+Ag, 48КНФ+36 НХТЮ, вольфрам+Сг-Си- сплав, вольфрам+серебро, вольфрам+молибден, вольфрам+тантал, молибден+ниобий, молибден+тантал, керамика, напыленная W +медь (сварка-пайка), керамики 22ХС.М7, ЦМ-332+нержаве- ющая сталь 12Х18Н10Т, титан, ниобий, цирконий, тантал, молиб­ ден, вольфрам (нагрев+сварка).

Количество соединяемых пар может быть увеличено, если в стык свариваемых деталей вводить вставку в виде фольги толщиной 0,1-0,8 мм из специально подобранного связующего металла. Для соединения разнородных материалов используется как режим сварки, так и режим сварки-пайки.

Типы стыковых соединений

Для однопроходной электронно-лучевой сварки прим еня ­ ют разнообразные типы соединений (рис. 57), многие из кото ­ рых используют и для других способов сварки плавлением. Х а ­ рактерны ми типами соединений для электронно-лучевой свар­ ки являются соединения под сварку проникающим электронным

пучком (рис. 57, ж), под сварку в углублении и труднодоступных местах (рис. 57, г), под сварку тавров через полку (рис. 57, л). От­ бортовку кромок (рис. 57, в) применяют, обычно, в изделиях ра­ диоэлектроники и приборостроения. Соединения под сварку про­ никающим электронным пучком допускаются для металлов ма­ лых и средних толщин. Тавровые соединения (рис. 57, л) можно выполнять на металлах толщиной не более 10-12 мм. Остальные соединения допускаются для металлов любой толщины.

Технологические схемы сварки

Сварку электронным пучком можно осуществлять с определен­ ными ограничениями в любых пространственных положениях. Напри­ мер, для листовых материалов сварку в нижнем положении (рис. 58, а, 6) выполняют как без подкладки, так и на подкладке. Ее применя­ ют для соединения сталей толщиной до 40 мм, титановых и алюмини­ евых сплавов толщиной до 80 мм. Наиболее предпочтительна свар­ ка на боку (рис. 58, в-д ) и на подъем (рис. 58, е), которую выполняют для металлов любой толщины, в основном без подкладки. Для пре­ дотвращения вытекания расплава из сварочной ванны при сварке с глубоким проплавлением иногда устанавливают ограничительную планку вдоль нижней кромки стыка (рис. 58, г). Сварку в по­ толочном положении (рис. 58, ж ) выполняют на металлах толщиной до 20 мм и приме­ няют чрезвычайно редко.

Аналогичныетехнологичес­ кие схемы сварки тел враще­ ния показаны на рис. 59 и 60.

Подготовка стыка

Р азделка кром ок. Для однопроходной электронно­ лучевой сварки не требует­ ся обязательной разделки кром ок. Разделку кром ок применяют лишь в необхо­ димых случаях для улучше­ ния качества формирования сварного шва и для обеспе­ чения надежной работоспо­ собности систем слежения

за стыком. Для предотвращения или уменьшения усиления или уширения верхней части сварного шва обычно используются V - и П-образные разделки кромок (рис. 61, а, б). V-образную раздел­ ку используют также для систем слежения за стыком. В нижней части стыка иногда выполняют П -образную разделку кром ок (рис. 61, в) для исключения обратного валика сварного шва или для установки фиксирующего буртика узкой подкладки либо L-образ- ную разделку (рис. 61, г) для подварки корневой части сварного шва дуговыми методами сварки. Для предотвращения занижения (неполномерности) шва при сварке тонкостенных конструкций приме­

няют о тб о р то вку к р о м о к

(рис. 61, д).

Допустимая ширина зазо­ ра в стыке для электронно­ лучевой сварки не должна превышать 0,1 -0,2 м м при толщ ине м еталла 3 - 3 0 и 0,3 мм — при толщине бо­ лее 30 мм.

Очистка. Для обеспече­ ния высокого качества свар­ ного шва очистке от средств консервации, загрязнений, ржавчины и оксидных пле­ нок подвергают в обязатель­ ном порядке стыкуемые по­ верхности, внешние и внут­ ренние (в случае сквозного проплавления) поверхности деталей на расстоянии до 100 мм от кром ки при свар ­ ке толстолистовых металлов и до 10 мм при сварке тонко­ листовых металлов. Предва­ рительную очистку выполня­ ют механически, а оконча­ тельную — в зависимости от свариваемого металла и сте­ пени шероховатости очищае­ мой поверхности различными

физико-химическими спосо­ бами (химическое травле­ ние, электрополировка, тле­ ющий разряд, шабрение). Н е по ср е д стве нно перед сваркой внешнюю поверх­ ность свариваемых деталей в области стыка и стыкуемые поверхности (насколько воз­ можно через зазор в стыке) очищают с помощью нагре­ ва маломощным сканирую­

ромагнитных материалов в процессе эксплуатации (особенно при использовании технологий

с магнитными полями) также приобретают дополнительную намаг­ ниченность.

Остаточная намагниченность изделий приводит к ряду негатив­ ных явлений:

■возникновению «магнитного дутья» при дуговой электро­ сварке и наплавке, что ведет к повышенному разбрызгива­ нию жидкого металла из сварочной ванны и образованию различных дефектов сварного соединения, а также к непо­ паданию в свариваемый стык или в место наплавки;

■искривлению траектории электронного пучка при электрон­ но-лучевой сварке и соответствующему непровару стыка по всей толщине;

■налипанию металлической стр уж ки при ш там п о вке или обработке деталей металлорежущим инструментом, что ухудшает качество обработки и ускоряет изнашивание штам­ пов и инструмента;

■электроэрозионны м разрушениям подш ипников, муфт, уплотнений и других узлов турбоагрегатов при возникнове ­ нии паразитны х электрических токов от вращающихся на-

магни ченных узлов.

Остаточные магнитные поля в изделиях из ферромагнитных ма­ териалов отклоняют электронный пучок и электрическую дугу при сварке от плоскости стыка. Компенсировать этот уход электронно­ го пучка от стыка возможно лишь при сварке тонколистовых мате­ риалов (при условии однородного распределения намагниченнос­ ти вдоль стыка) с помощью отклоняющей системы сварочной элек­ тронной пушки. В остальных случаях необходимо размагничива­ ние изделия.

Операцию размагничивания необходимо осуществлять после сборки стыкового соединения непосредственно перед загрузкой из­ делия в вакуумную камеру или подачей в зону сварки/наплавки.

Размагничивание — это процесс воздействия внешнего магнит­ ного поля, в результате которого уменьшается намагниченность ферромагнитного материала. Намагниченному ферромагнетику со­ ответствует преимущественная ориентация доменов, которая в процессе размагничивания дезориентируется так, что результиру­ ющая намагниченность равняется нулю.

Способы размагничивания классифицируют следующим образом:

■термическое размагничивание, выполняемое повышением температуры ф ерромагнитного материала выш е точки Кюри и последующим охлаждением до температуры окру­ ж а ю щ е й среды при отсутствии в неш него м а гни тно го поля;

свойства кристаллов и изменяются структура кристаллической ре­ шетки, теплоемкость, электропроводность и другие физические ха­ рактеристики.

Наиболее применяемым способом размагничивания является периодическое перемагничивание с убывающей амплитудой, на­ пример с помощью соленоидов или намагничивающих контуров. Недостаток размагничивания изделия переменным током промыш­ ленной частоты состоит в том, что электромагнитное периодичес­ кое поле в ферромагнитном металле быстро затухает и проникает в него на незначительную глубину. Таким образом, в плавно убы­ вающем периодическом поле промышленной частоты (50 Гц) из­ делие размагничивается только снаружи. После удаления размаг­ ничивающей катушки глубинные остаточные магнитные поля сно­ ва наводят магнитные полюса в поверхностном слое, т. е. полное размагничивание не происходит.

Для преодоления указанного недостатка предложен метод, зак­ лючающийся в намагничивании изделий реверсивным постоянным током в пределах гистерезисной петли с убывающей амплитудой тока намагничивания в катушке тороида 1н (рис. 63).

Намагничивание максимально при замкнутом магнитопроводе. Поэтому при размагничивании колец диаметром 500 мм с тол­ щиной стенки 100 мм использована схема тороида — непосред­ ственно на изделие наматывают 20 витков мягкого сварочного ка­ беля. Могут быть применены другие формы электромагнитных ка ­ тушек в зависимости от конфигурации изделий.

Регулирование и реверсирование силы тока при этом осущ е­ ствляют вручную с периодическим включением и отключением преобразователя ЗП -7,5/30 с выдержкой >3 с (рис. 64).

Размагничивание происходит по всему сечению до полного снятия магнитных полей, если начальное значение амплитуды Н заведомо больше коэрцитивной силы Нс. Для соленоида напря­ женность магнитного поля определяется по формуле

где N — число витков; 1н — намагничивающий ток; L — длина со­ леноида.

Намагниченность изделий измеряют гауссметром. Остаточные матитные поля можно обнаружить с достаточной точностью и при помощи иголки с ниткой. Иголка должна быть из магнитомягкого мате­ риала (например, из трансформаторного железа). Перед контрольной проверкой иголку размагничивают нагревом выше температуры Кюри.

+200

-2 0 0

Рис. 63. Изменение силы тока в намагничивающей катушке. Число циклов п=100

Рис. 64. Принципиальная схема размагничивания тороида (изделия с намотанной катушкой): Р — реверсивный переключатель тока 1н; Ш — шунт;П — микроамперметр М265; Г — преобразователь постоянного тока с независимым возбуждением и размагничивающей последовательной обмоткой (ПР); Н О — обмотка независимого возбуждения, питается от маломощного генератора-возбудителя ГВ типа С И П -30

Таким образом, полностью снять магнитные поля по всему се­ чению изделия можно только при намагничивании его реверсив­ ным постоянным током в пределах гистерезисной петли с постепенно убывающей амплитудой. Максимальную начальную амплитуду на­ пряженности размагничивающего поля устанавливают в 5-10 раз больше коэрцитивной силы материала изделия. Снижение ампли­ туды напряженности поля после каждого периода перемагничивания должно составлять примерно 1%. Частота перемагничива-

ния для изделий толщиной более 5 мм не должна превышать 0,5 Гц. При этом объект перемагничивается по безгистерезисной кривой намагничивания. Магнитодинамические процессы, связанные с за­ вершением всех необратимых процессов смещения и вращения междоменных границ, обеспечивают за счет энергии электромаг­ нитного поля специальной рабочей обмотки. При электромагнитной обработке больших конструкций используют временные обмотки:

■рабочую шпангоутную (РШ О) в виде секций соленоида из кабеля НРШ М сечением 200-300 мм2, которая генерирует энергию электромагнитного поля, необходимую для раз­ магничивания;

■компенсационные (КГО, КБО), из кабеля НРШ М сечением 50-70 м м 2,которые при размагничивании ком пенсирую т магнитное поле Земли в объеме конструкции.

Много времени (несколько суток) затрачивают на монтаж рабо­ чей обмотки РШ О (километры кабеля), весьма тяжелые (физичес­ кие) и трудоемкие монтажные работы обычно выполняют вручную.

Размагничивание конструкций протекающим током основы ва­ ется на способе электрофизической обработки (ООО «ДС», Нико­ лаев), использующем энергию электромагнитного поля от протека­ ющего электрического тока. Размагничивание осуществляют про­ пуская по толще конструкции импульсов электрического тока, из­ меняющихся по заданному закону. Способ не требует применения соленоидов и рабочих контуров.

Поток энергии, который вносится при электрофизической обра­ ботке непосредственно в объем материала, зависит от плотности электрического тока. Неравномерность распределения плотности тока возрастает по мере увеличения размеров конструкции и име­ ет максимум вблизи оси протекания тока между точками подклю ­ чения. Варьирование точек подключения зажимов позволяет на­ правленно изменять уровень воздействия электромагнитного поля от протекающего тока на заданный объем металла крупногаба­ ритной конструкции (локальное размагничивание).

Новая технология размагничивания позволяет быстро и высо­ кокачественно устранить остаточную намагниченность изделий без применения традиционных соленоидов и рабочей обмотки РШ О .

Рассмотрим физический механизм электрофизической обра­ ботки (пропускание по толще стали импульсов электрического тока, изменяющихся по определенному закону). Условие завер ­ шения всех необратимы х процессов см ещ ения и вращ ения