Скачать

Содержание

	Введение	3
1	Анализ технологических характеристик метода.	4
1.1	Преимущественное назначение и область применения.
1.2	Основные технологические схемы
1.3	Состав технологической системы и характеристики ее компонентов
1.4	Основные технологические параметры
1.5	Выходные технологические показатели метода
1.6	Конкретный пример реализации процесса. Заключение	15
	Список использованных материалов.	16

Введение

Целью данной работы является исследование теоретических основ и практическое применение электронно-лучевой сварки тугоплавких материалов.

В энергетическом машиностроении широко применяются сложнолегированные сплавы, обладающие высокими эксплуатационными свойствами: жаропрочностью и жаростойкостью [2–11]. К ним относятся жаропрочные дисперсионно-твердеющие сплавы, основой которых является никель. Из-за сложного химического состава они чувствительны к термическим воздействиям, таким как сварка [12–15]. Правильный выбор температурного режима сварки и последующей термической обработки сварных соединений, их соблюдение обеспечивает получение заданных механических свойств конструкции.

Мощные тепловые воздействия, связанные с расплавлением металла при формировании сварного шва, вызывают изменения состава, структуры, напряженно-деформированного состояния в сварном шве и в зоне термического влияния, что влечет за собой существенное изменение прочности и пластичности сварного соединения по сравнению с основным материалом. Для обеспечения конструкционной прочности сварного соединения приходится искать режимы сварки и дальнейшей обработки сварных швов жаропрочных материалов. Данный подход открывает возможности использования рассматриваемых сплавов в ремонтных работах, когда целесообразно было бы заменить и термически упрочнить какой-либо узел, вышедший из строя, отдельно, не обрабатывая всю конструкцию. Данная работа направлена на исследование сварных соединений, сваренных по состаренной основе, что имеет большое применение в связи с тем, что появляется возможность состарить конструкцию не всю целиком, а небольшими частями, что существенно удешевляет стоимость всей конструкции в целом.

1 Анализ технологических характеристик метода.

1.1 Преимущественное назначение и область применения

Основной сферой применения является сварка тугоплавких металлов, которые применяются в авиационной и космической отраслях. Благодаря своей тонкости работы установки электроннолучевой сварки находят применение в приборостроении. Также ведется работа с активными металлами, сложно переносящими контакт с газами и прочими элементами. Если требуется сварить шов, в котором нужна большая глубина проплавления, то следует использовать именно такой способ.

Крупные металлоконструкции, в которых металл обладает высокими качествами износостойкости и трудно поддается температурной обработке, может быть легко сварен таким методом. Электронно-лучевая сварка справляется со многими сложными работами. Для нее практически нет проблемных металлов, так что все сложные варианты сварки проводятся с ее помощью.

Расширение использования ЭЛС в промышленности продолжается. Несмотря на некоторые недостатки, как необходимость работы в вакууме и образование в некоторых случаях полостей в теле шва, ЭЛС остается наиболее экономичным и точным способом сварки. Эффективность КПД при электронно лучевой сварке составляет 85-95 %. Это на порядок выше, чем у дуговой сварки.

Без электроннолучевой сварки не обойтись во время обработки:

-активных металлов;

-термоупрочненных материалов;

-деталей ответственного назначения;

-тугоплавких металлов, изделий из керамики, камня.

Метод лучевой сварки используется и для производства в металлургии. Титан выплавляется из титановой губки при помощи электронно лучевых пушек.

Японские строители атомных станций применяют лучевую сварку для соединения аустенитной нержавеющей стали, используемой в активной части реактора, используют электронно-лучевые установки. Исследования показали, что качество сварного шва, полученного лучевым способом, по многим показателям превосходит шов дуговой сварки.

ЭЛС широко применяются в электронной промышленности. С ее помощью герметизируют микросхемы и полупроводниковые приборы. Температура нагрева изделия не превышает 200 градусов. Сварочный аппарат ЭЛУМС-25/0,5, разработанный в НПО «Орион», может приваривать золотые проводники микросборок диаметром 5 мкм. Наиболее мощные и большие установки применяются в авиационной промышленности. Объем камер составляет около 1500 кубических метров. В последнее время, после некоторого спада интереса к электронно-лучевой сварке, из-за общего кризиса в экономике, активизировались работы по производству и разработке новых технологий ЭЛС.

1.2 Основные технологические схемы

Электронно-лучевая сварка осуществляется при помощи пучка электрона, который распространяется в вакуумной камере.

Минимальный размер составляет от 10 квадратных сантиметров, а максимальный может превышать несколько сотен кубических метров. Образование зоны проплавления, а также само расплавление металла в определенном месте осуществляется при помощи давления потока, которое получается в электронно-лучевой пушке. Когда данный поток под давлением воздействует на поверхность, то выделяется кинетическая энергия, поглощаемая металлом, что приводит к повышению его температуры. Со временем это расплавляет конкретный участок.

Данный процесс сопровождается реактивным давлением испаряющегося металла, излучением, а также выделением тепловых и вторичных электронов. Сварка производится при помощи импульсного или непрерывного луча. Если применяются импульсные лучи, у которых наблюдается более высокая плотность излучаемой энергии, а также повышенная частота, достигающая до 500 Гц, то их применяют для сваривания легко испаряющихся металлов. К ним можно отнести алюминий и магний. Данная технология позволяет максимально увеличить глубину проплавляемого металла, но при необходимости, таким методом можно сварить и тонкие листы. В камере, где производится сварка, давление понижается до 1-10 Па, так что газы воздуха практически ни как не влияют на качество соединения.

Рис 1.1Схема электронно-лучевой сварки

1.3 Состав технологической системы и характеристики ее компонентов

Одной из главных особенностей, которым обеспечивается электронно-лучевая сварка, является принцип действия ее оборудования. Для этого используются специально разработанные установки. Среди всех вариантов используемого оборудования можно выделить специализированные и универсальные установки, которые работают с давлением от 1 до 10 Па. Также встречаются установки промежуточного вакуума, давление в которых достигает до 10 Па. Также может проводиться сварка в защитном газе, но тогда в камере давление значительно выше и составляет чуть более 100 Па.

Помимо этого можно выделить различные типы по конструкции. Это могут быть камерные установки, которые устанавливаются внутри какой-либо камеры, где есть возможность выкачивать воздух. Также есть установки с локальным вакуумированием, которые создают герметичную зону с вакуумом в месте непосредственного сваривания, а не во всем пространстве вокруг.

Рис 1.2Пример оборудования для электронно-лучевой сварки

Практически все установки содержат в своем составе такие конструкционные элементы как:

-Блок питания;

-Электронная пушка.

1.4 Основные технологические параметры

Технологические параметры электронно-лучевой сварки - это ускоряющее напряжение U, кВ; ток луча I, мА; рабочее расстояние (расстояние от центра фокусирующей системы до поверхности свариваемого изделия) l, см; угол сходимости луча α , градус; скорость перемещения луча v, м/ч; ток фокусирую щейсистемы l_ф , мА. Последний определяет диаметр пятна воздействия электронов на изделие. Изменением скорости сварки можно регулировать скорость кристаллизации металла сварного шва и термическое воздействие на основной металл в околошовной зоне. Кроме того, электронно-лучевая сварка может характеризоваться дополнительными параметрами : формой и частотой колебаний пучка, скоростью и направлением подачи присадочного материала и т. п.

Типичные интервалы значений параметров электронного пучка для сварки следующие : мощность q = 1...120 кВт при U = 25 ... 120 кВ ; α = 1...5°; l = 2.. .20 см; v = 3 ... 100 м/ч, диаметр пятна луча в зоне сварки d = 0,1 .. .3 мм и т.д.

В технологические параметры электронно-лучевой сварки включаются :

• физико-химические свойства основного свариваемого металла,
• давление и состав остаточной среды в вакуумной камере,
• величина и распределение остаточной намагниченности изделия,
• пространственное положение сварного шва, электронного луча,
• геометрия и тип стыкового соединения.

Из энергетических параметров процесса электронно-лучевой сварки наиболее существенно влияют на качество шва мощность пучка, положение его минимального сечения, скорость сварки. Стабилизация уровня фокусировки и мощности пучка электронов при сварке обеспечивает стабильность как коэффициента равномерности шва, так и средней глубины проплавления. По мере увеличения толщины свариваемого металла резко снижается диапазон допустимых изменений уровня фокусировки пучка.

Оптимальное значение скорости сварки определяется, с одной стороны, условием минимальной интенсивности гидродинамических возмущений в ванне, а с другой - условием минимальной ширины шва для снижения деформаций, повышения трещиноустойчивости, сохранения концентрации легкоиспаряющихся легирующих элементов в металле шва. Первое условие требует уменьшения скорости сварки, а второе - ее повышения. C увеличением толщины свариваемого металла оптимальная скорость сварки снижается. Так , если металл толщиной 1,0.. . 1,5 мм удается сваривать с хорошим формированием шва при скорости сварки v ≈ 210 ... 240 м/ч , то, например, сталь толщиной 150 ... 200 мм нужно сваривать при v ≈ 3...5м/ч. Хотя современное оборудование позволяет проплавлять сталь этой толщины, по крайней мере, в 3 раза больших скоростях, но с совершенно неудовлетворительным формированием шва. Уточнение скорости для получения нужных свойств металла сварного соединения играет большую роль при разработке технологии сварки.

Сами режимы для каждого типа свариваемого металла представлены в таблице 1.1

Таблица 1.1

Режимы для каждого типа свариваемого металла

Вид металла	Толщина заготовки, мм	Режим сваривания			Ширина шва, мм
		Напряжение ускоряющее, кВ	Величина тока на луче, мА	Скорость сварки, м/ч
Вольфрам	0,5	19	45	60	1
	1	21	77	50	1,5
Тантал	1	2	50	50	1,5
Сталь марки 18-8	1,5	19	55	65	2
	20	21	270	50	7
	35	21	500	20	—
Сплав молибдена и вольфрам	0,5 + 0,5	19	47	44	1

1.5 Выходные технологические показатели метода

Сварка электронным лучом имеет ряд весомых преимуществ, среди которых:

-Малое количество вводимой теплоты. В большинстве случаев для получения одинаковой глубины проплавления при сварке данного типа потребуется теплоты в 5 раз меньше, чем при дуговом виде, что значительно снижает коробление изделий;

- Возможность сварки керамики и тугоплавких металлов (тантала, вольфрама), керамики и т. д. С четкой фокусировкой луча становится возможным нагреть поверхность диаметром менее миллиметра. Это в свою очередь позволяет единовременно приваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра;

-Высокое качество сварных соединений химически активных металлов и сплавов: молибдена, титана, ниобия, циркония. Как правило, во многих случаях происходит дегазация металла шва и одновременно повышение его пластических характеристик. ЭЛС также незаменима при соединении низкоуглеродистых, коррозионно-стойких, медных, никелевых сталей, алюминиевых сплавов.

Но несмотря на большее количество достоинств, ЭЛС имеет и минусы.

Недостатки электронно-лучевой сварки

-Время затрата при создании вакуума в рабочей камере после загрузки изделий;

-Возможность образования несплавлений, полых отверстий в корне шва при сваривании металлов с большой теплопроводностью, а также швах с большим отношением глубины к ширине.

2.Пример реализации процесса

Рис. 2.1 Примеры сварки

Исследования на свариваемость жаропрочных дисперсионно-твердеющих сплавов марок ХН45МВТЮБР и ХН50ВМТЮБ выполняли на технологических образцах (пластины 100×200×2,5 мм для сплава ХН45МВТЮБР и пластины 100×200×2,0 мм для сплава ХН50ВМТЮБ).

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) и последующая упрочняющая локальная термообработка (ЛТО) проведены электронным лучом в вакууме на установке ЭЛУРС-М, оснащенной агрегатом ЭЛА-50/5М и системой программного управления на базе устройства ЧПУ «Маяк-42». Химический состав образцов определен методами рентгеноэлектронной спектроскопии и вторично-ионной масс-спектрометрии на спектрометрах ЭС-2401 и МС-7201М.

Микротвердость измеряли прибором ПМТ-3. Исследования микроструктур выполняли с помощью микроскопа ММР-4.

Предварительную оценку режимов сварки и локальной термоциклической обработки расфокусированным электронным лучом сварного шва производили при помощи программы расчета температурных полей в пластине при двигающемся по поверхности локальном источнике тепла.

На рис. 2.2 представлена макроструктура сварного соединения жаропрочного сплава марки ХН45МВТЮБР после ЭЛС по закаленной основе и штатной ТО. Шов с зоной термического влияния (ЗТВ) имеет поперечные размеры 2,82 мм.

Микроструктура сварного соединения – литая (рис. 2.2), из зерен твердого раствора выделились упрочняющие фазы по границам зерен. Среднее значение микротвердости Н₂₀₀=351,6.

Рис. 2.2 . Внешний вид (×9) сварного соединения жаропрочного сплава марки ХН45МВТЮБР, выполненного электронно-лучевой сваркой по закаленной основе, после закалки и старения по штатной технологии

На рис. 2.3 представлена макроструктура сварного соединения жаропрочного сплава марки ХН50ВМТЮБ, выполненного ЭЛС также по закаленной основе, но с последующей закалкой и старением по штатной технологии. Зона термического влияния шва, сваренного электронным лучом, имеет поперечные размеры 3,5 мм. Микроструктура шва, сваренного электронным лучом, имеет плотное дендритное строение с твердостью Н₁₀₀=276. Граница сплавления имеет плавный переход к зоне термического влияния, ее микроструктура тонкая без утолщения границ зерен. Микротвердость границы сплавления имеет значение Н₁₀₀=268–276.

Рис. 2.3. Внешний вид (×9) сварного соединения жаропрочного сплава марки ХН50ВМТЮБ, выполненного электронно-лучевой сваркой по закаленной основе, после закалки и старения по штатной технологии

Микроструктура сварного соединения – литая (рис. 2.4, а), состоящая из дендритов твердого раствора на основе никеля и дисперсных зернистых выделений карбидных фаз, равномерно распределенных в объеме металла шва.

На рис. 2.4, б представлена граница сплавления с выделениями карбидных фаз по границам зерен, дендритов, со средним значением микротвердости Н₂₀₀=283. В зоне термического влияния наблюдаются области полной, частичной перекристаллизации и закалки. Структура околошовной зоны представляет собой зерна твердого раствора никеля и выделения карбидных фаз в теле и по границам зерен. Микротвердость имеет значение Н₂₀₀=278–288.

Рис.2.4. Микроструктура (×300) сварного соединения (а) и границы сплавления сварного шва (б) сплава марки ХН50ВМТЮБ, выполненного электронно-лучевой сваркой по закаленной основе, после закалки и старения по штатной технологии

Сплав марки ХН50ВМТЮБ. Из полученных результатов следует, что материал основы состоит из фазы системы Ni–Cr–Fe (твердый раствор), в которой содержится вторая мелкодисперсная фаза системы Fe–Cr–Mo(W) в количестве – до 4% (объемн.). Материал шва в состоянии после сварки – это фаза на основе системы Ni–Cr–Fe – более крупноблочная с большим параметром решетки. Термоциклирование шва привело к измельчению структуры до состояния, характерного для состаренного материала основы. Вторая фаза на дифрактограмме прослеживается слабо и тип фазы не идентифицируется. Шов, состаренный вместе с основой (стандартная ТО), по фазовому составу аналогичен материалу в состоянии поставки. Таким образом, структура сварного шва более крупнодисперсная и представляет собой твердый раствор на основе Cr–Ni. Проведенная циклическая ТО привела к измельчению структуры, но образования вторых фаз не обнаружено.

Сплав марки ХН45МВТЮБР. Материал поставки сплава марки ХН45МВТЮБР– двухфазный, относительно мелкоблочный, основа – фаза системы типа Fe–Cr–Ni. Вторая, упрочняющая фаза – типа Ni₄Mo. Материал в вершине шва до шлифовки также двухфазный, с меньшей долей второй фазы по сравнению с материалом поставки. Таким образом, в вершинных областях шва в процессе его остывания произошло упрочнение с выделением второй фазы, но структура стала крупноблочной. После шлифовки вершины шва – материал шва стал однофазным, более мелкодисперсным.

В целом структурно-фазовое состояние сварных швов отличается от состояния материала поставки. Размеры блоков когерентного рассеяния в основном материале более чем в 2 раза превышают размеры блоков в шве.

Заключение

На данный момент электронно-лучевая сварка является современным высокотехнологичным способом соединения металла. Несмотря на свою сложность и дороговизну, он обеспечивает высокое качество и достаточную глубину проварки, что недостижимо для других способов. Это и обуславливает узость его применения.

Химический состав, структура и напряженно-деформированное состояние сварных швов жаропрочной стали зависят от погонной энергии сварки. Сварка электронным лучом приводит к существенному улучшению структуры сварного соединения. Подобранный термоциклический режим обработки шва локальным источником тепла обеспечивает формирование высоких прочностных свойств сварного шва без дополнительной ТО.

Литература

1. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.

2. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.

3. Каблов Е.Н., Лукин В.И., Оспенникова О.Г. Сварка и пайка в авиакосмической промышленности // Сварка и безопасность: матер. Всерос. науч.-практич. конф., 11–12 окт. 2012 г. Якутск, 2012. Т. 1. С. 21–30.

4. Каблов Е.Н. Тенденции и ориентиры инновационного развития России: сб. науч.-информ. матер. М.: ВИАМ, 2013. 543 с.

5. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Вершков А.В. Редкие металлы и редкоземельные элементы – материалы современных и будущих высоких технологий // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №2. Ст. 01. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 31.08.2016).

6. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Демонис И.М. Никелевые литейные жаропрочные сплавы нового поколения // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 36–52.

7. Каблов Е.Н., Бондаренко Ю.А., Каблов Д.Е. Особенности структуры и жаропрочных свойств монокристаллов <001> высокорениевого никелевого жаропрочного сплава, полученного в условиях высокоградиентной направленной кристаллизации // Авиационные материалы и технологии. 2011. №4. С. 25–31.

8. Каблов Е.Н. России нужны материалы нового поколения // Редкие земли. 2014. №3. С. 8–13.

9. Каблов Е.Н. Авиационное материаловедение: итоги и перспективы // Вестник Российской академии наук. 2002. Т. 72. №1. С. 3–12.

10. Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 19–36.

11. Шалькевич А.Б., Вознесенская Н.М., Покровская Н.Г., Маркова Е.С. Высокопрочные конструкционные и коррозионностойкие стали для самолетов нового поколения // 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932–2007: юбил. науч.-технич. сб. М.: ВИАМ, 2007. С. 142–150.

12. Лукин В.И., Оспенникова О.Г., Иода Е.Н., Пантелеев М.Д. Сварка алюминиевых сплавов в авиакосмической промышленности // Сварка и диагностика. 2013. №2. С. 47–52.

13. Сорокин Л.И., Лукин В.И., Багдасаров Ю.С. Оптимизация сварочной ремонтной технологии деталей газотурбинных двигателей (ГТД) из жаропрочных сплавов // Сварочное производство. 1997. С. 19–23.

14. Лукин В.И., Сорокин Л.И., Багдасаров Ю.С. Свариваемость литейных жаропрочных никелевых сплавов типа ЖС6 // Сварочное производство. 1997. №6. С. 12–17.

15. Лукин В.И., Семенов В.Н., Старова Л.Л. и др. Образование горячих трещин при сварке жаропрочных сплавов // МиТОМ. 2007. №12. С. 7–14.

16. Лихачев В.А., Малинин В.Г. Структурно-аналитическая теория прочности. Л.: Наука, 1992. 400 с.