Выбор способа сварки диафрагменной лопатки паровой турбины

1,5 мм

F2 F1

15

0,5

Рис. 1. Кинжальное проплавление при ЭЛС; F2 и F1 - сечения швов при дуговой электроннолучевой сварке

Незначительная ширина зоны теплового воздействия дает возможность резко уменьшить деформацию заготовок. Кроме того, за счет вакуума обеспечиваются зеркальная поверхность соединения и дегазация расплавленного металла. При этом минимальная толщина свариваемых заготовок составляет 0,02 мм, максимальная - до 100 мм.

Электронный луч представляет собой сжатый поток электронов, перемещающийся с большой скоростью от катода к аноду в сильном электрическом поле. При соударении электронного потока с твердым телом более 99% кинетической энергии электронов переходит в тепловую, расходуемую на нагрев этого тела. Температура в месте соударения может достигать 5000-6000 оС. Электронный луч образуется за счет эмиссии электронов с нагретого в вакууме 133*(10-4-10-5) Па катода 1 и с помощью электростатических и электромагнитных линз 4 фокусируется на поверхности свариваемых материалов (рис. 2).

1

2

3

4

5

6

Рис. 2. Схема установки для ЭЛС

В установках для электронно-лучевой сварки электроны эмитируются на катоде 1 электронной пушки; формируются в пучок электродом 2, расположенным непосредственно за катодом; ускоряются под действием разницы потенциалов между катодом и анодом 3, составляющей 20-150 кВ и выше, затем фокусируются в виде луча и направляются специальной отклоняющей магнитной системы 5 на обрабатываемое изделие 6. На формирующий электрод 2 подается отрицательный или нулевой по отношению к катоду потенциал. Фокусировкой достигается высокая удельная мощность (до 5*105кВт/м2 и выше). Ток электронного луча невелик (от нескольких миллиампер до единиц ампер). При перемещении заготовки под неподвижным лучом образуется сварной шов. Иногда при сварке перемещают сам луч вдоль неподвижных кромок с помощью отклоняющих систем. Отклоняющие системы используют также и для колебаний электронного луча поперек и вдоль шва, что позволяет сваривать с присадочным металлом и регулировать тепловое воздействие на металл.

Достоинства электронно-лучевой сварки (ЭЛС)

Электронный луч успешно применяется в машиностроении для сварки изделий из высоколегированных сталей, в частности из высокохромистых коррозионно-стойких сталей (12Х13). Это объясняется рядом достоинств ЭЛС при сварке этих сталей:

1. Минимальная деформация свариваемого изделия, т. к. поток электронов внедряется в свариваемое изделие на всю глубину проплавления, что обеспечивает получение минимальной металлоемкости сварочной ванны. Это обеспечивается возможностью концентрации большой мощности в электронном луче и управления ею в широких пределах в сочетании с высоким вакуумом в рабочем объеме.

2. Высокие физико-химические характеристики сварного соединения непосредственно после сварки позволяют исключить последующую механическую обработку.

3. Относительно высокая погонная энергия при сильной степени ее концентрации, т.е. энергия, вводимая в участок сварного соединения за определенный промежуток времени. При этом достигается высокая скорость кристаллизации металла сварного шва и минимальное термическое воздействие сварочного нагрева на основной металл в ОШЗ (локальность сварочного нагрева).

Применительно к стали 12Х13 необходимо отметить то, что последний пункт имеет к ней особое значение. Количество -феррита в этой стали зависит от уровня температуры нагрева. В участках ОШЗ, нагреваемых до температур близких к Тсолидуса, количество -феррита может быть подавляющим. Такая структура характерна для участка ЗТВ примыкающего к линии сплавления. Ширина этого участка мало зависит от температуры подогрева, но возрастает с увеличением qп - погонной энергии, которая при ЭЛС велика, но в то же время одновременно уменьшается склонность стали к холодным трещинам.

Основные параметры электронного луча в непрерывном и импульсном режимах

Параметрами электронного луча, измеряемыми в процессе обработки, являются:

- ток луча I,

- ускоряющее напряжение U,

- ток фокусирующей системы Iф,

- рабочее расстояние (расстояние от центра фокусирующей системы до поверхности свариваемой детали) l,

- скорость перемещения электронного луча V,

- угол сходимости луча .

Кроме основных параметров, существуют другие количественные показатели ЭЛС:

1. Мощность электронного луча

(Вт) q= IU.

2. При заданном рабочем расстоянии l, токе фокусировки Iф и мощности сварки можно определить диаметр электронного луча d и, следовательно, удельную мощность q2 (Вт/см2), которая является одним из определяющих параметров процесса:

q2 = IU/d2/4.

3. Погонная энергия (кал/см)

Q = 0,24IU/V

не является определяющим параметром, так как при электронно-лучевой обработке в зависимости от величины удельной мощности q2, при одинаковой погонной энергии можно получить различную конфигурацию зоны обработки.

При воздействии в импульсном режиме средняя мощность (Вт)

qи = IUf,

где I - величина тока в импульсе, А; f - частота следования импульсов, Гц; - длительность импульса, с.

4. Скорость обработки в импульсном режиме (см/с)

V = B (1-k)/(-п) = B (1-k) f,

где п - время паузы между импульсами, с; k - коэффициент перекрытия точек (обычно k = 0,5 - 0,9); В-диаметр зоны обработки (точки).

5. Шаг точек (см) S = V (+п), скорость обработки

V = S/(+п),

6. Параметром, характеризующим соотношения длительности импульса и времени паузы в импульсном режиме, является скважность цикла

G = /(+п),

7. Наиболее существенным и одновременно наиболее трудноопределяемым параметром электронного луча является его диаметр. При заданных плотностях тока эмиссии с катода, температуре катода и сферической аберрации линзовой системы пучок электронов с максимальным током может быть сфокусирован в пятно минимального диаметра.

d = S0(I/U)3/8,

где S0 - постоянная электронно-оптической системы, вычисляемая эмпирически.

8. Разряжение (мм. рт. ст., Па).

9. Частота автоколебаний: f Vсв/d.

4. Исследование влияния основных параметров сварки на форму шва и качество сварного соединения

Влияние тока электронного луча на глубину проплавления металла

С целью определения зависимости величины сварочного тока от толщины соединяемых деталей была проведена серия экспериментов. Сварку выполняли с помощью электронно-лучевой установки «Луч-4» на образцах из нержавеющей стали. Полученные зависимости при разных скоростях сварки и при общих остальных параметрах (U = 30 кВ, l = 100 мм, Iф = 100мА).

Из представленных графиков можно сделать вывод, что при увеличении тока электронного луча, глубина проплавления тоже увеличивается.

Влияние удельной мощности электронного луча на геометрию зоны проплавления

В связи с тем, что энергетический баланс процесса электронно-лучевой сварки близок к аналогичному балансу при дуговой сварке, связь параметров электронного луча с характеристиками зоны проплавления можно дать в виде уравнения для секундного объема плавления металла:

0,24 IUит = VFпрSм, (1)

где Fпр - площадь проплавления, см2; Sм = (сТпл + Lпл) - теплосодержание жидкого металла при температуре плавления, кал/г.

Из этого уравнения следует, что чем выше погонная энергия Q = 0,24 IU/V, тем больше площадь проплавления. Это действительно справедливо для процесса дуговой сварки, который в большинстве случаев осуществляется при q2<q2*. Для электронно-лучевой сварки экспериментально установлено, что обобщенный параметр - погонная энергия Q не является определяющим при количественной оценке процесса. При постоянной погонной энергии можно получить глубину проплавления и 15 и 2 мм. Этот факт следует считать естественным, так как образование кинжального проплавления при электронно-лучевой сварке определяется не только количеством введенной энергии, но, и ее плотностью.

Эффективность процесса проплавления металла электронным лучом определяется величиной теплового КПД пр= ит, где и - эффективный; т - термический КПД. Величина эффективного КПД и при воздействии луча с образованием канала в веществе практически приближается к единице. При оценке эффективности процесса проплавления существенную роль играет величина термического КПД.

Для использования в инженерных расчетах в уравнениях (1) должна быть учтена удельная мощность электронного луча q2.С этой целью произведены эксперименты по электронно-лучевой сварке с постоянной погонной энергией, но разной степенью фокусировки (разной удельной мощностью). Сварку выполняли с помощью электронно-лучевой установки ЭЛУ-9Б с электронной пушкой ЭП-60/10М на образцах из нержавеющей стали размером 500 х 80 х 20 мм.

В первой серии опытов образцами служили две пластины толщиной 10 мм каждая, сварку выполняли встык с зазором. Во второй серии в качестве образцов использовали пластины толщиной 20 мм.

В процессе сварки через каждые 60 мм длины шва изменяли фокусировку электронного луча на 4 мА в диапазоне токов фокусировки от 76 до 100 мА. Таким образом, концентрация мощности при постоянной погонной энергии в процессе наложения сварного шва постепенно увеличивалась, а после достижения максимума уменьшалась. Рабочее расстояние сохранялось постоянным h = 90 мм (см. табл. 3).

Анализ макрошлифов и очертаний зон проплавления показал, что при постоянном значении погонной энергии можно в широком диапазоне изменять геометрию проплавления с помощью только одного параметра режима сварки - степени фокусировки электронного луча. При этом очертание зоны проплавления изменялось от полукруглого до кинжального, а при больших отрицательных значениях степени фокусировки переходило в «клыкообразное». Опыт показал также, что максимуму глубины проплавления соответствует минимальная ширина шва. Зависимость глубины проплавления Н от степени фокусировки электронного луча Iф приведена на рис. 5. Под степенью фокусировки Iф понимают алгебраическую разность токов магнитной линзы при сварке и фокусировке на малом токе луча (2-4 мА): Iф = ±(Iф - I0) - За нулевую точку отсчета принят ток фокусировки Iф = 88 мА.

Характер кривой Н= f (Iф) (рис. 4) Н, свидетельствует, что степень фоку - мм сиповки, соответствующая максимальному проплавлению на данном режиме, зависит от тока луча: с уменьшением тока луча до величины, обеспечивающей максимальное проплавление, Iф стремится к нулю.

Таблица 3. Характеристика экспериментальных очертаний зон проплавления

Параметр	Условный индекс шва
	1	2	3	4	5	6	7
Ток фокусировки Iф, мА.	76	80	84	88	92	96	100
Степень фокусировки Iф, мА.	-12	-8	-4	0	+4	+8	+12
Коэффициент формы шва, Кф = Н/В.	2,11	4	2,45	1,46	1,0	0,72	0,56
Экспер-ная ширина зоны проплавления, мм	24	22	21	20,6	32	47	59
Опыт	Ток фокусировки, мА
	72	76	80	84	88	92	96	100
№1

Влияние изменения рабочего расстояния пушка-деталь на геометрию зоны проплавления

Заглубление в материал фокуса электронного луча может существенно увеличить глубину отверстия. Аналогичный эффект наблюдается и при электронно-лучевой сварке с кинжальным проплавлением.

С целью определения влияния заглубления фокального пятна на геометрию зоны проплавления при экспериментах на электронно-лучевой установке ЭЛУ-9Б с электронной пушкой ЭП-60/10М на образцах из нержавеющей стали размером 500 х 80 х 20 мм сварку осуществляли с переменной рабочей дистанцией Н.

После сварки четырех швов, полученных при одинаковой погонной энергии на различных рабочих дистанциях пушки и при постоянной степени фокусировки во всех случаях Iф= 0, оказалось, что площади проплавления являются эквивалентными. Такой факт имеет большое практическое значение, так как позволяет сохранять неизменную форму проплавления на различных рабочих дистанциях электронной пушки, находящихся в расчетных (паспортных) пределах для данной электронно-оптической системы.

Влияние ускоряющего напряжения на геометрические характеристики проплавления

Экспериментальные данные (рис. 5.) показывают, что ускоряющее напряжение существенно влияет на глубину проплавления: с увеличением ускоряющего напряжения при прочих равных условиях глубина проплавления увеличивается.

Связано это с уменьшением рассеяния электронов пучка на атомах пара при повышении ускоряющего напряжения. Действительно, например, при U = 30 кВ коэффициент поглощения = 2,4*106/U2 = 2,67*103 см2/г, а при U = 100 кВ = 2,4*102 см2/г, т.е. уменьшается более чем на порядок. Таким образом, повышение ускоряющего напряжения обеспечивает большую кинетическую энергию электронов и увеличивает пробег электронов в парах металла.

Н, мм

2

3

24

16

1

8

0 30 60 90 110 I, мА

Рис. 5. Зависимость глубины проплавления от тока луча у нержавеющей стали при V = 0,3 см/с: 1 - U = 30кВ, 2 - U = 60кВ, 3 - U = 100кВ

Эксперименты проводились на ЭЛУ при давлении в рабочей камере 5*10-5 - 1*10-4 мм рт. ст.

Аналогичным образом подтвердилась зависимость глубины проплавления от мощности сварки, в которой происходит одновременное увеличение обоих параметров.

При постоянной общей и удельной мощности и радиусе электронного луча rе была получена экспериментальная зависимость глубины проплавления от скорости сварки и ускоряющего напряжения (см. рис. 6).

Н, мм

60

3

40

2

30

1

10

0 0,3 0,6 0,9 Vсв, см/с

Рис. 6. Зависимость глубины проплавления от скорости сварки и ускоряющего напряжения: 1 - U = 30 кВ, 2 - U = 63 кВ, 3 - U = 100 кВ.

Все вышеперечисленные экспериментальные зависимости сохраняют свою суть при их теоретическом исследовании. На основании этих закономерностей можно написать зависимость глубины проплавления и ускоряющего напряжения:

Н . (см. рис. 7).

h/h (30 кВ), отн. ед.

2,0

1,6

1,4

1,0

20 40 60 80 Uуск, кВ

Рис. 7. Теоретическая зависимость глубины проплавления от ускоряющего напряжения при постоянных общей мощности и удельной мощности.

Исследование второстепенных параметров ЭЛС

Влияние параметров электронного луча на его диаметр

Экспериментально доказано, что с увеличением расстояния до объекта обработки диаметр электронного луча возрастает линейно. Это можно проследить по осциллограмме, представленной на рис. 8.



180 0,4 140 0,2 100 0 -0,1 0,1		Iф=f(l)					4 3
							2 1

Рис. 8. Изменение диаметра луча d, тока фокусировки Iф электронно - лучевой установки типа Луч-4 в зависимости от расстояния l от объекта обработки для случая U = 30 кВ = const; 1-I = 35; 2-60; 3-80; 4-100 mA.

Пользуясь уравнением прямой, можно написать выражение для диаметра луча: d = d0+kl. Коэффициенты d0 и k в этом уравнении можно определить, построив соответствующие зависимости d0 = f(I), k = f(I).

Зависимость диаметра луча от тока см. на рис. 9.

мА

120

100

80

60

40

20

Рис. 9. Зависимость диаметра луча от тока при постоянном ускоряющем напряжении U = 30 кВ (для работы в режиме сварки)

Экспериментальная проверка по глубине проплавления некоторых металлов при воздействии электронного луча, формируемого электронно-оптической системой типа Луч-4 на разных расстояниях l при одних и тех же параметрах луча, показывает, что глубина проплавления аналогично диаметру уменьшается с увеличением расстояния до объекта сварки.

Установлено, что распределение плотности тока по радиусу луча является Гауссовым:

j = jm exp(-r2/re),

где r - текущее значение радиуса луча; re - радиус луча на уровне jm/e (нормальный радиус); jm - максимальное значение плотности тока.

Глубина пробега электронов в твердом теле

Максимальную глубину пробега электронов в твердом теле при ЭЛС чаще всего определяют по формуле Шонланда

= 2,35*10-12U2/.

Где U - ускоряющее напряжение, В; - плотность, г/см3; - глубина проникновения, см.

Экспериментально и теоретически установлено, что максимум энерговыделения по глубине пробега находится под поверхностью. На рис. 10 представлена экспериментальная зависимость изменения глубины проникновения электронов в железо от ускоряющего напряжения.

, м

10-4

8

6

4

3

2

10-5

8

6

4

3

10-6

8

Страницы: 1, 2, 3