Вневакуумная электронно-лучевая сварка конструкционных сталей

Приведены результаты экспериментов по применению электронно-лучевой сварки в атмосфере для сварки конструкционных и высокопрочных сталей толщиной до 20 мм. Показано, что после плазменной или лазерной резки нет необходимости в механической обработке кромок перед сваркой. Комплекс испытаний показал вы...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Автоматическая сварка
Дата:2009
Автори: Бах, Ф.-В., Беньяш, А., Лау, К., Конья, Р.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2009
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100822
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Вневакуумная электронно-лучевая сварка конструкционных сталей / Ф.-В. Бах, А. Беньяш, К. Лау, Р. Конья // Автоматическая сварка. — 2009. — № 5 (673). — С. 29-34. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100822
record_format dspace
spelling Бах, Ф.-В.
Беньяш, А.
Лау, К.
Конья, Р.
2016-05-27T08:25:24Z
2016-05-27T08:25:24Z
2009
Вневакуумная электронно-лучевая сварка конструкционных сталей / Ф.-В. Бах, А. Беньяш, К. Лау, Р. Конья // Автоматическая сварка. — 2009. — № 5 (673). — С. 29-34. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
0005-111X
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100822
621.791.72
Приведены результаты экспериментов по применению электронно-лучевой сварки в атмосфере для сварки конструкционных и высокопрочных сталей толщиной до 20 мм. Показано, что после плазменной или лазерной резки нет необходимости в механической обработке кромок перед сваркой. Комплекс испытаний показал высокое качество сварных соединений.
Given are experimental results of application of nonvacuum electron beam welding for joining structural and high-strength steels up to 20 mm thick. It is shown that no machining of edges prior to welding is required after plasma and laser cutting. The high quality of welded joints was proved by comprehensive tests.
ru
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
Автоматическая сварка
Производственный раздел
Вневакуумная электронно-лучевая сварка конструкционных сталей
Nonvacuum electron beam welding of structural steels
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Вневакуумная электронно-лучевая сварка конструкционных сталей
spellingShingle Вневакуумная электронно-лучевая сварка конструкционных сталей
Бах, Ф.-В.
Беньяш, А.
Лау, К.
Конья, Р.
Производственный раздел
title_short Вневакуумная электронно-лучевая сварка конструкционных сталей
title_full Вневакуумная электронно-лучевая сварка конструкционных сталей
title_fullStr Вневакуумная электронно-лучевая сварка конструкционных сталей
title_full_unstemmed Вневакуумная электронно-лучевая сварка конструкционных сталей
title_sort вневакуумная электронно-лучевая сварка конструкционных сталей
author Бах, Ф.-В.
Беньяш, А.
Лау, К.
Конья, Р.
author_facet Бах, Ф.-В.
Беньяш, А.
Лау, К.
Конья, Р.
topic Производственный раздел
topic_facet Производственный раздел
publishDate 2009
language Russian
container_title Автоматическая сварка
publisher Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
format Article
title_alt Nonvacuum electron beam welding of structural steels
description Приведены результаты экспериментов по применению электронно-лучевой сварки в атмосфере для сварки конструкционных и высокопрочных сталей толщиной до 20 мм. Показано, что после плазменной или лазерной резки нет необходимости в механической обработке кромок перед сваркой. Комплекс испытаний показал высокое качество сварных соединений. Given are experimental results of application of nonvacuum electron beam welding for joining structural and high-strength steels up to 20 mm thick. It is shown that no machining of edges prior to welding is required after plasma and laser cutting. The high quality of welded joints was proved by comprehensive tests.
issn 0005-111X
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100822
citation_txt Вневакуумная электронно-лучевая сварка конструкционных сталей / Ф.-В. Бах, А. Беньяш, К. Лау, Р. Конья // Автоматическая сварка. — 2009. — № 5 (673). — С. 29-34. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT bahfv vnevakuumnaâélektronnolučevaâsvarkakonstrukcionnyhstalei
AT benʹâša vnevakuumnaâélektronnolučevaâsvarkakonstrukcionnyhstalei
AT lauk vnevakuumnaâélektronnolučevaâsvarkakonstrukcionnyhstalei
AT konʹâr vnevakuumnaâélektronnolučevaâsvarkakonstrukcionnyhstalei
AT bahfv nonvacuumelectronbeamweldingofstructuralsteels
AT benʹâša nonvacuumelectronbeamweldingofstructuralsteels
AT lauk nonvacuumelectronbeamweldingofstructuralsteels
AT konʹâr nonvacuumelectronbeamweldingofstructuralsteels
first_indexed 2025-11-25T20:39:34Z
last_indexed 2025-11-25T20:39:34Z
_version_ 1850530618266353664
fulltext УДК 621.791.72 ВНЕВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ Ф.-В. БАХ, А. БЕНЬЯШ, К. ЛАУ, Р. КОНЬЯ (Ин-т материаловедения Ганноверского ун-та им. Лейбница, Германия) Приведены результаты экспериментов по применению электронно-лучевой сварки в атмосфере для сварки конст- рукционных и высокопрочных сталей толщиной до 20 мм. Показано, что после плазменной или лазерной резки нет необходимости в механической обработке кромок перед сваркой. Комплекс испытаний показал высокое качество сварных соединений. К л ю ч е в ы е с л о в а : вневакуумная электронно-лучевая сварка, сварочная установка, нержавеющая сталь, высоко- прочные стали, глубина проплавления, присадочная про- волока, формирование корня шва, скорость сварки, ме- таллографические исследования, механические свойства Первые публикации по успешному практическо- му применению электронно-лучевой сварки (ЭЛС) в атмосфере относятся к 1960-м годам [1– 3]. Высокая производительность процесса и воз- можность его интеграции в существующие по- точные линии обусловила интерес к нему, в первую очередь, со стороны автомобилестрои- тельной промышленности. С начала 1990-х годов наблюдается новая волна интереса к электрон- но-лучевой технологии, что объясняется новыми тенденциями в современном автомобилестроении, связанными, в частности, с разработкой облег- ченных конструкций кузовов с применением алю- миниевых сплавов [4, 5]. Следует отметить, что ЭЛС в атмосфере применяется в настоящее время исключительно для соединения тонколистовых материалов в автомобилестроении и является практически единственной отраслью промышлен- ности, где она внедрена достаточно широко. Од- нако возможности данной технологии далеко не исчерпываются этой единственной отраслью. Внедрение новых материалов и требования к уве- личению производительности труда заставляют производителей искать новые перспективные тех- нологические процессы. В последнее время боль- шой интерес к ЭЛС в атмосфере проявляют кра- но-, судостроительная промышленность и другие области машиностроения. В рамках данной ра- боты оценены перспективы применения ЭЛС в атмосфере для сварки толстолистовых материа- лов. Экспериментальные исследования. ЭЛС в атмосфере проводили на сварочной установке марки NV-EBW 25-175 TU фирмы «PTR Praеzi- sionstechnik GmbH» (рис. 1). Она имеет много об- щего с широко распространенными установками для сварки в вакууме и состоит из высоковоль- тного источника с рабочим напряжением 175 кВ и электронной пушки с максимальным током луча 140 мА. Вывод луча в атмосферу осуществляется с помощью трехступенчатой системы откачки, при этом для уменьшения рассеяния луча в вы- ходную ступень пушки подается гелий. Для пе- ремещения свариваемых деталей имеется коор- динатный стол с числовым программным управ- лением фирмы «Simens». Для выполнения вспо- могательных операций в состав установки входит промышленный робот фирмы «Kuka». Техничес- кие характеристики установки следующие: Рабочее напряжение, кВ .......................................175 Максимальный ток луча, мА ...............................140 Размеры стола, мм .................................................800 1200 Ход стола вдоль координаты Х (Y), мм ...............3000 (800) Вертикальный ход пушки вдоль оси Z, мм ........1200 Угол наклона пушки, град ....................................0…90 Максимальная скорость сварки, м/мин ..............20 Предварительные опыты по определению за- висимости глубины проплавления от параметров сварки, проведенные на образцах из различных сплавов, показали широкие возможности приме- нения установки NV-EBW 25-175 TU для сварки толстолистовых материалов. На рис. 2 приведена © Ф.-В. Бах, А. Беньяш, К. Лау, Р. Конья, 2009 Рис. 1. Установка для ЭЛС в атмосфере в Институте материа- ловедения Ганноверского университета 5/2009 29 типичная зависимость глубины проплавления от тока луча, а на рис. 3 — макрошлиф поперечных сечений глубины проплавления для стали X2CrNi 18 9 при различных токах луча (рабочее расстояние 10 мм, скорость сварки 3 м/мин). На рис. 4 приведена зависимость глубины проплавления от скорости сварки. Важным отличием ЭЛС в атмосфере от тра- диционной вакуумной ЭЛС является существен- ная зависимость глубины проплавления от рабо- чего расстояния, что объясняется значительным рассеянием луча в атмосфере (рис. 5). Проведенные предварительные исследования показали, что установка NV EBW 25-175 TU поз- воляет сваривать толстолистовой материал с вы- сокой производительностью. Недостатком ЭЛС в атмосфере является резкое падение концентрации энергии в пятне луча с увеличением рабочего рас- стояния, что накладывает определенные ограни- чения на выбор геометрии свариваемых деталей. Наиболее просто реализовать преимущества ЭЛС в атмосфере при выполнении горизонтальных швов большой протяженности, например, сварке панелей в судостроении, сварке продольных швов при производстве труб и т. п. Сварка высокопрочных сталей в кранострое- нии. Одной из возможных областей применения ЭЛС в атмосфере является краностроение. Тре- бования к увеличению грузоподъемности с од- новременным снижением массы подъемных кра- нов потребовали применения высокопрочных ста- лей с пределом прочности до 1300 МПа. По заказу фирмы «GEC Ehingen» проведены эксперименты по ЭЛС в атмосфере высокопрочных сталей, при- меняемых при изготовлении телескопических стрел мощных (до 500 т) автокранов. Эти стали бей- нитно-мартенситного класса поставляются в термо- обработанном состоянии, во избежание резкого сни- жения их механических свойств при отпуске сварку таких материалов следует проводить на достаточно высоких скоростях. Эксперименты проводили на пластинах из сталей S960QL, S1100QL, S1300QL фирмы SSAB, механические свойства которых приведены в табл. 1. Образцы размером 500 200 6 мм сваривали встык без дополнительной подготовки кромок пос- ле лазерной резки. Часть образцов сваривали с при- менением присадочной проволоки Draht Union X90 (GMn4Ni2CrMo) (EN 12534) диаметром 1,2 мм. Скорость сварки составляла 2,5…3 м/мин, ток луча 100…130 мА, рабочее расстояние 15 мм, скорость Рис. 2. Зависимость глубины проплавления от тока луча для стали X2CrNi 18 9 Рис. 3. Макрошлиф поперечных сечений глубины проплавления для стали X2CrNi 18 9 при различных значени- ях тока луча Рис. 4. Зависимость глубины проплавления от скорости свар- ки на стали X2CrNi 18 9 (рабочее расстояние 10 мм): 1 — Iл = = 140 мА; 2 — 120 Рис. 5. Зависимость глубины проплавления от рабочего рас- стояния на стали X2CrNi 18 9 при скорости сварки 5 м/мин: 1 — Iл = 140 мА; 2 — 100; 3 — 60 Т а б л и ц а 1. Механические свойства сталей для кранос- троения Mатериал σв, МПа σ0,2, МПа ε, % S960QL 980...1150 960 12 S1100QL 1200...1500 1100 10 S1300QL 1400...1700 1300 8 30 5/2009 подачи проволоки 8 м/мин. Пробы, изготовлен- ные из сваренных образцов, подвергали испыта- ниям на растяжение. Результаты механических ис- пытаний приведены в табл. 2, где для сравнения приведены также механические свойства соеди- нений, выполненных гибридной сваркой плаз- ма+МИГ при скорости сварки 0,6…0,8 м/мин [4]. Для стали S960QL на оси шва наблюдается уве- личение микротвердости на HV0,2 — 50 в попе- речном сечении сварного шва по сравнению с ос- новным металлом. Для сталей S1100QL и S1300QL наблюдался провал микротвердости в металле ЗТВ на HV0,2 — 50. При гибридной свар- ке провал микротвердости металла в ЗТВ возрас- тал до HV0,2 — 100. Полученные данные хорошо согласуются с результатами механических испы- таний. Проведенные опыты показали, что замена гибридной сварки на ЭЛС в атмосфере, помимо значительного увеличения скорости сварки, поз- воляет также улучшить механические свойства соединений. Сварка судостроительной стали D36. Перс- пективной областью использования ЭЛС в атмос- фере является судостроение, где характерно при- менение толстолистовых материалов и протяжен- ных прямолинейных швов. В сотрудничестве с верфью HDW-Gaarden GmbH и с производителем оборудования для судостроительных заводов фир- мой «ISU-GmbH» были проведены исследования по оценке возможности замены традиционной для судостроения технологии сварки под флюсом на ЭЛС в атмосфере. При этом ставилась задача по- лучения односторонних швов с качественным об- ратным формированием без дополнительной под- готовки кромок после термической резки. В этом случае значительное рассеянии электронного лу- ча, обычно причисляемое к недостаткам ЭЛС в атмосфере, оказывается весьма полезным свойс- твом и позволяет надежно перекрывать сварива- емые кромки. Опыты проводили на образцах из судостроительной стали D36 ферритно-перлитно- го класса размером 500 150 мм толщиной от 4 до 20 мм. Подготовка кромок после плазменной резки заключалась в удалении тонкого слоя ока- лины с помощью металлической щетки. Материал толщиной 4 мм сваривали без при- садочной проволоки. Технологические испытания на загиб (рис. 6) и статическое растяжение в со- ответствии со стандартом DIN EN 10002 показали хорошее качество соединения. Материал толщиной 10, 15 и 20 мм сваривали с применением присадочной проволоки. Типич- ная конфигурация стыка перед сваркой приведена на рис. 7. Благодаря большому диаметру луча, зазор в верхней части стыка составляет 3,4 мм для ма- териала толщиной 20 мм и не является препятс- твием для сварки, в отличие от острофокусиро- ванных лазерных или вакуумных электронных пучков. Для компенсации зазоров в стыке при сварке материала толщиной 10, 15, и 20 мм при- Т а б л и ц а 2. Результаты механических испытаний сварных соединений толщиной 6 мм на растяжение Материал vсв, м/мин σв, МПа σ0,2, МПа Присадка Характер разрушения Способ сварки S960QL 3 1190 1037 Без присадки Основной металл ЭЛС S1100QL 3 1310 1250 » ЗТВ » S1100QL 2,5 1485 1420 Х 90 » » S1300QL 3 1315 1300 Без присадки » » S1300QL 2,5 1440 1385 Х 90 » » S1100QL 0,6 1265 1207 Х 90 » Плазма + МИГ S1300QL 0,8 1235 1160 Х 90 » Плазма + МИГ Рис. 6. Вид сварного образца из материала толщиной 4 мм после испытаний на загиб Рис. 7. Конфигурация стыка пластин толщиной 20 мм перед сваркой 5/2009 31 меняли присадочную проволоку. При этом сталь толщиной 10 мм сваривали за один проход с од- новременной подачей в зону сварки проволоки марки Autrod 12.58 (EN 440,G2Si) диаметром 1 мм. Материал толщиной 10 и 15 мм сваривали за два прохода. Сварка основного сечения стыка и формирование обратного валика происходили при первом проходе без подачи присадочной про- волоки. Во время второго прохода происходило заполнение недостающего сечения стыка и фор- мирование поверхности шва с помощью приса- дочной проволоки G3Si (EN 440) диаметром 1,6 мм. Режимы сварки приведены в табл. 3. Сварка материала толщиной 10 мм не пред- ставляла особых затруднений, в то время как при сварке материалов больших толщин (15 и 20 мм) основной проблемой являлось обеспечение на- дежного формирования корня шва. Как показали эксперименты, свободное формирование корня шва для материала толщиной 15 мм возможно при тщательном подборе и строгом соблюдении параметров сварки. Для материала толщиной 20 мм свободное формирование корня шва при- водит к появлению дефекта в виде периодических провисаний жидкого металла (рис. 8). Для устранения этого дефекта применяли свар- ку на подкладке. При этом первый проход вы- полняли ЭЛС на подкладке из флюса ОР 122 фир- мы «OERLIKON», а второй — ЭЛС с подачей присадочной проволоки или дуговой сваркой под флюсом. Внешний вид обратного валика при раз- личных вариантах сварки приведен на рис. 9. Металлографические исследования показали отсутствие дефектов в виде пор и трещин. На рис. 10 приведены макрошлифы образца толщи- ной 15 мм, сваренного ЭЛС в два прохода с при- менением присадочной проволоки G3Si. В попе- речном сечении шва наблюдались максимальные значения микротвердости HV0,2 — 374 на оси шва с плавным понижением по линии попереч- ного сечения шва до микротвердости основного металла HV0,2 — 232, провалов микротвердости в металле ЗТВ не наблюдалось. Т а б л и ц а 3. Режимы сварки образцов из стали D36 № образца Толщина образца, мм Ток луча, мА Скорость свар- ки, м/мин Рабочее рассто- яние, мм Скорость пода- чи, м/мин Номер прохода Вид присадки 66 4 110 4,5 10 — 1 — 59 10 140 2,2 10 — 1 — 59 10 50 1,4 15 10 2 Autrod 12.58 36 15 140 1,5 10 — 1 — 36 15 65 1 10 7 2 G3Si 25 20 135 1 10 2,2 1 G3Si Рис. 8. Дефекты корня шва при сварке материала толщиной 20 мм без подкладки Рис. 9. Внешний вид корневой части шва на подкладке из флюса OP 122 толщиной 20 мм (а) и при свободном формировании толщиной 15 мм (б) 32 5/2009 Приведены макрошлифы поперечного сечения шва на материале толщиной 20 мм после первого прохода, выполненного ЭЛС, и второго прохода, выполненного дуговой сваркой под флюсом (рис. 11). Оба прохода выполняли без какой-либо подготовки кромок. Испытания на статическое растяжение в соответствии со стандартом DIN EN 10002 показали хорошее качество соединения. Во время механических испытаний на статическое растяжение все образцы разрушались по основ- ному металлу (рис. 12). Механические свойства сварных соединений приведены в табл. 4. Помимо испытаний на статическое растяже- ние, проводили испытания на ударную вязкость в соответствии с требованиями Германского Ллойда и стандарта DIN EN 10045. Работа удара для стандартной пробы Шарпи при –20 °С сос- тавляла 83 Дж для металла шва и 64 Дж в металле ЗТВ, что значительно выше значения 47 Дж, тре- буемого стандартом. Проведенные исследования показали высокую эффективность применения ЭЛС в атмосфере для сварки толстолистовых материалов. Рис. 10. Макрошлифы (а, 1,5) и (б, 16) поперечного сече- ния образца толщиной 15 мм, выполненного ЭЛС в два про- хода с присадкой G3Si Рис. 11. Макрошлифы поперечного сечения шва образца тол- щиной 20 мм после первого прохода, выполненного на подк- ладке из флюса OP 122 (а), и второго прохода, выполненного сваркой под флюсом OP 122 (б) Рис. 12. Внешний вид сварного образца толщиной 15 мм после испытаний на растяжение Та б л и ц а 4. Механические свойства* сварных образцов из стали D36 Толщина сваривае- мого металла, мм σв, МПа σ0,2, МПа ε, % 4 513 357 14 10 552 379 11 15 581 386 11 * Механические свойства основного металла следующие: σв = = 490...630 МПа; σ0,2 = 355 МПа; ε = 21 %. Образцы разрушались по ОМ. 5/2009 33 Выводы 1. Сварочная установка марки NV-EBW 25-175 TU 2 позволяет проводить сварку сталей толщи- ной до 20 мм. 2. Большой диаметр луча при ЭЛС в атмосфере обеспечивает надежную сварку при наличии зна- чительных сборочных зазоров. 3. Термический цикл сварки не приводит к заметному ухудшению свойств высокопрочных сталей бейнитно-мартенситного класса. 4. Замена гибридной сварки на ЭЛС в атмос- фере, помимо значительного увеличения скорости сварки, позволяет улучшить также механические свойства швов высокопрочных сталей для кра- ностроения. 5. Сварка судостроительной стали толщиной 4…20 мм не требует дополнительной подготовки кромок после термической резки и обеспечива- ет механические свойства соединений, удовлет- воряющие нормам DIN EN 10045 и Германского Ллойда. 1. Bennet M. G. Out-off-vacuum electron-beam welding // Welding and Metal Fabr. — 1970. — № 3. — P. 105–113. 2. O’Neil F. P. High speed electron beam welding of tube // Can. Weld. and Fabr. — 1967. — № 11. — P. 26–28. 3. Duhamel R. F. Non-vacuum electron beam welding techni- que development and progress // Welding J. — 1965. — № 6. — P. 465–474. 4. Schubert G., Holdgruben H., Gomes-Buco J. Nonvacuum electron beam welding of aluminium structural beams: In- tern. Body Eng. conf. — Detroit, Michigan, 1996. — P. 58–61. 5. Nonvacuum electron beam welding a beam process for wel- ding zinc coated high strength steels and steel-aluminium hybrid structures / Fr.-W. Bach, A. Beniyash, K. Fladе, R. Versemann // Proc. of 4th conf. LANE, Erlangen, Germa- ny, Meisenbach-Verl., Bamberg, 2004. — Vol. 1. — P. 247– 258. Experimental results are given on application of atmospheric EBW for welding structural and high-strength steels up to 20 mm thick. It is shown that no machining of edges prior to welding is required after plasma and laser cutting. The high quality of welded joints was proved by comprehensive tests. Поступила в редакцию 18.11.2008 Вышла в свет новая книга! Троицкий В. А. Визуальный и измерительный контроль деталей машин, металлоконст- рукций, сварных соединений. — Киев: Феникс, 2009. — 275 с. Рассмотрены основные требования и правила выполнения визуально-измерительного контроля сварных соединений и металлоконструкций, описаны основные технические средства, применяемые для этих целей. Настоящее пособие будет полезно дефектоскопистам, выполняющим визуально-измерительный контроль, а также абитуриентам, готовящимся получить право на ведение этого вида неразруша- ющего контроля. Можно также приобрести следующие информационные мате- риалы по неразрушающему контролю: Краткое пособие по контролю качества сварных соединений, 316 с., 2006 г. (40,0 грн.) Магнитопорошковый контроль сварных соединений и деталей машин, 306 с., 2002 г. (80,0 грн.) Ультразвуковой контроль. Дефектоскопы. Нормативные доку- менты. Стандарты по УЗК, 221 с., 2006 г. (80,0 грн.) Пособие по радиографии сварных соединений, 312 с., 2008 г. (80,0 грн.) Визуальный и измерительный контроль деталей машин, ме- таллоконструкций, 275 с., 2009 г. (80,0 грн.) Учебно-методические плакаты по неразрушающему контролю. УО НКТД, ул. Боженко, 11, Киев-150, ГСП, 03680 или по факсу: (044) 289-21-66. 34 5/2009