Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

вальної ванни. У роботі [53] для попередження виплеску рекомендується застосовувати повне проплавлення, електронний промінь із найменшими можливими діаметром і кутом сходження, розгортку променя з подвійним заломленням, можливу меншу швидкість зварювання, розміщувати фокус променя в зоні проплавлення. Перелічені заходи сприяють формуванню стабільного капілярного канала в зварювальній ванні з оптимальним об'ємом розплавленого металу.

ЕПЗ дозволяє отримувати вузькі шви "ножової" форми, в яких глибина проплавлення перевищує ширину більше як у 10 разів. Імпульсна модуляція струму променя дозволяє це співвідношення значно збільшити.

У роботі [2] запропонована частота імпульсної дії променя, що дорівнює власній частоті коливань зварювальної ванни. Для цього попередньо розраховували частоту коливань зварювальної ванни. Розрахунки та експериментальні дослідження показали, що діапазон частот коливань розплавленого металу знаходиться в інтервалі від десятків до сотень герц. Тому частота розгортки променя була вибрана 130 Гц. Розгортка мáла форму подовжніх коливань. Розмір розгортки (подвійна амплітуду) складав 3 мм. Промінь імпульсно перекидався в напрямку хвостової частини ванни, а потім майже весь період рухався за напрямком зварювання. Форму зміни сили струму в котушці відхилення променя показано на рис.3.8.

Рис.3.8. Форма зміни сили струму в котушці відхилення променя:

Т – період розгортки; t1 – час переносу променя у хвостову частину ванни; t2 – час руху променя від хвостової частини в напрямку зварювання; t – поточний час

При розгортці променя з поздовжніми коливаннями на відміну,

297

наприклад, від зварювання з поперечними коливаннями або круговою розгорткою отримали вузькі шви, причому із заокругленням кореня шва при неповному проплавленні.

Макрошліфи сталі 12Х2Н4МД товщиною 57 мм при наскрізному та неповному проплавленні показано на рис.3.9 [2].

Рис.3.9. Наскрізне (а) і неповне (б) проплавлення сталі 12Х2Н4МД з поздовжніми коливаннями променя та макрошліф сталі 10Х18Н9Т при однопрохідному типовому ЕПЗ без імпульсної дії (в)

а б в

При наскрізному (рис.3.9,а) проплавленні (U = 60 кВ; I = 235 мА;

параметрів однакові з попереднім випадком). В обох випадках виконували поздовжні коливання променя з частотою f = 130 Гц та розміром розгортки 3 мм. Для порівняння на рис.3.9,в показано макрошліф з типовим ЕПЗ при U = 60 кВ, I = 170 мА, vзв = 10 м/год,

більш глибоким, вузьким та рівномірним по глибині внаслідок витіснення металу у хвостовій частині ванни і утворення парогазового каналу, по якому проникає промінь при його поверненні. Відповідно зростає

298

глибина зварювальної ванни та зменшується її ширина, але об'єм металу ванни залишається той же.

Уроботі [152] вивчали вплив модуляції струму на формування зварного шва при зварюванні сталі 12Х18Н10Т товщиною 10 мм з частотою модуляції 230…630 Гц. Виявлено, що при найбільшій глибині проплавлення частота модуляції струму променя залежить від положення фокальної площини променя відносно поверхні металу. Також установлено, що модуляція струму в оптимальному діапазоні частот дозволяє збільшити глибину проплавлення на 20…25 % при одній і тій же потужності променя.

Уряді випадків виникає необхідність легування металу шва, наприклад, для компенсації втрачених елементів за рахунок випаровування, забезпечення стійкості металу проти гарячих тріщин тощо. У таких випадках використовують присадні матеріали [111]. Технологічно найбільш простим варіантом є зварювання з нанесеними необхідними елементами на зварювані кромки у вигляді покриття. Для нанесення покриття можуть застосуватися будь-які газотермічні або термічні методи. Використовують також прокладки і вставки будь-якої форми і хімічного складу. Розроблено ЕПЗ із автоматичною подачею в зону зварювання присадного матеріалу у вигляді дроту (крупки), що значно ускладнює процес зварювання в зв'язку зі збільшенням параметрів режиму зварювання, але дозволяє виконувати як зварювання, так і наплавлення.

Для розрахунку параметрів режиму ЕПЗ розроблено декілька методик. Наприклад, у роботі [47] рекомендовано визначати режими за тепловою ефективністю.

Теплова ефективність проплавлення металу при зварюванні визначається повним тепловим коефіцієнтом корисної дії (к.к.д. проплавлення ηпр), тобто добутком ефективного к.к.д. ηв та термічного к.к.д. ηт [114]. Нагадаємо, що ефективний к.к.д. ηв – це відношення кількості теплової енергії, уведеної в метал, до кількості енергії, виділеної її

299

джерелом, або відношення потужності q теплового джерела, діючого в металі, до потужності Р електронного променя:

в P

Ефективність використання введеної в метал енергії характеризується термічним к.к.д. ηт, який визначається як відношення кількості теплоти, необхідної для проплавлення металу, до всієї теплоти, уведеної в метал виробу:

де FпрvзвHпл – умовний тепловміст проплавленого за одиницю часу основного металу; Fпр – площа проплавлення; vзв – швидкість зварювання; Hпл – питомий об'ємний тепловміст розплавленого металу, що містить приховану теплоту плавлення.

Повний к.к.д.

Для ЕПЗ з глибоким проплавленням ефективний к.к.д. практично дорівнює одиниці, тому теплова ефективність фактично залежить лише від термічного к.к.д. [47]. Термічний к.к.д. залежить від режиму зварювання, геометрії шва, теплофізичних властивостей матеріалу. У зв'язку зі складністю процесів передачі теплоти в каналі проплавлення розрахунок термічного к.к.д., залежно від виду апроксимації променя як джерела теплоти, дає значні розбіжності. Авторами роботи [47] експериментально встановлено, що при ЕПЗ максимальне значення термічного к.к.д. ηт для сталей складає близько 0,48 (при q/h = 4,0…4,5 кВт/см та q/(hvзв) = 5,5…6,5 кДж/см2, де q – ефективна потужність променя; h – глибина проплавлення; vзв – швидкість зва-

300

Залежність термічного к.к.д. ЕПЗ від параметра q/h для сталей наведено на рис.3.10 [47].

Рис.3.10. Залежність термічного к.к.д. ЕПЗ від параметра q/h для сталей аустенітного (темні точки) та перлітного (світлі точки)

класів

Аналогічний вигляд має залежність ηт = f(q/h) для сплавів алюмінію та титану. Значення ηт max для цих матеріалів при відповідних параметрах q/h та q/(hvзв) наведено в табл.3.1.

Таблиця 3.1. Максимальні значення термічних к.к.д. та відповідні

їм параметри q/h та q/(hvзв) для сплавів алюмінію, титану і корозійностійкої сталі

Виходячи з максимального термічного к.к.д. (див. табл.3.1), для необхідної глибини проплавлення h знаходять потужність променя qеф зі співвідношення

Оскільки ефективний к.к.д. близький до одиниці, то qеф = q. Прискорююче напруження визначається типом електронної гармати. У

301

нашій промисловості широко застосовують електронні гармати УЛ-141 (60 кВ, 60 кВт). Знаючи ефективну теплову потужність qеф та прискорююче напруження U, знаходять силу струму променя І.

Швидкість зварювання vзв ,см/с, знаходять із співвідношення

Діаметр променя d визначається за рівнянням [47]

де Hкип – тепловміст металу, що кипить.

Ширину шва В (ширину прямокутника висотою h, площа якого дорівнює площі поперечного перерізу шва Fпр) визначають за рівнян-

нями [47]:

при зварюванні в безперервному режимі

при зварюванні в імпульсному режимі

де Нпл – тепловміст розплавленого металу; t – тривалість імпульсу. Методику розрахунку рекомендовано для сплавів алюмінію тов-

щиною δ < 28 мм, титанових сплавів δ < 108 мм, корозійностійкої сталі δ < 25 мм.

Наприклад, розглянемо розрахунки параметрів режиму зварювання сплавів алюмінію, титану та корозійностійкої сталі з глибиною проплавлення відповідно 2, 5 та 3 см [47]. Користуючись даними табл.3.1 та рівняннями (3.5)…(3.9), знайдемо параметри режимів та шва. Результати наведено в табл.3.2.

302

Таблиця 3.2. Параметри режимів ЕПЗ та зварних швів

Якщо зварювання виконується променем з рівномірною круговою розгорткою, то при відомій оптимальній швидкості переміщення променя vзв для даного матеріалу і глибини проплавлення h частота f та діаметр D кругової розгортки (діаметр кола, яке описує центр електронного променя на поверхні зварюваних деталей) пов'язані співвідношенням

Слід відзначити, що максимальна глибина проплавлення не завжди оптимальна за тепловою ефективністю. Наприклад, при ЕПЗ сталі 12Х18Н10Т максимальному значенню термічного к.к.д. ηт = 0,41 відповідають глибина проплавлення h = 11 мм та найбільш сприятлива за механічними властивостями і мікроструктурою мінімальна глибина зони термічного впливу (ЗТВ) (hзтв = 0,2 мм), але при ηт = 0,37 маємо h = 16 мміhзтв = 0,3 мм, априηт = 0,26 маємоh = 25 мміhзтв = 1,6 мм[47].

Для зварювання гартованих сталей у роботі [129] запропоновано інженерну методику розрахунку параметрів режиму зварювання з глибоким проплавленням за необхідним термічним циклом. Для цього спочатку слід визначити за діаграмою термокінетичного розпаду аустеніту або розрахунком оптимальну для даного матеріалу швидкість охолодження. Потім знаходять параметри режиму ЕПЗ шляхом вирі-

303

шення рівняння термічного циклу зварювання відносно середньої швидкості охолодження з врахуванням рівняння теплового балансу за час переміщення електронного променя в напрямку зварювання на відстань, що дорівнює діаметру електронної плями на виробі. Автори роботи припускали, що шов має постійну ширину по глибині, яка не змінюється з часом, втрати енергії на випаровування та на розсіювання електронів відсутні, а розплав знаходиться при температурі плавлення.

Термічнийциклзварюваннявизначаютьзавідомимрівнянням[114]

де І – сила струму; U – напруга; vзв – швидкість зварювання; h – товщина металу; λ – коефіцієнт теплопровідності; с – питома теплоєм-

де Е1 – енергія, яка підводиться електронним променем за час переміщення на один діаметр електронної плями; Е2 – енергія, яка витрачається на нагрівання і плавлення металу шва; Е3 – енергія, яка витрачається на тепловідвід з бокових стінок шва, що пропорціональна градієнту температур.

де d – діаметр елементарної плями на виробі, що дорівнює d = dп + dр (dп – діаметр променя; dр – діаметр розгортки); U – прискорююча напруга; І – сила струму променя.

Енергія, що витрачається на нагрівання та плавлення металу шва,

де Тпл – температура плавлення; L – питома теплота плавлення.

304