Uprawniony z patentu: Moskovsky ordena Lenina Energetichesky Insti- tut, Moskwa (Zwiazek Socjalistycznych Republik Radzieckich) Sposób elektronowego zgrzewania grubych elementów oraz urzadzenie do stosowania tego sposobu i Przedmiotem wynalazku jest sposób elektronowe¬ go zgrzewania grubych elementów spoina pionowa i obwodowa, stosowany przy laczeniu elementów metalowych, szczególnie stalowych a takze elemen¬ tów z innych materialów. W dalszym opisie pod pojeciem niskie napiecia przyspieszajace rozumie sie napiecie mniejsze od 60 kV, pod wysokim — napiecie powyzej 100 kV, a pod pojeciem elemen¬ tów o duzej grubosci rozumie sie elementy o gru¬ bosci okolo 100 mm i wiecej.Jest znane, ze przy zgrzewaniu wiazka elektro¬ nów jej energia, konieczna do przetopu, jest pro¬ porcjonalna do grubosci zgrzewanych elementów.Powoduje to koniecznosc podwyzszania napiecia przyspieszajacego w miare zwiekszania grubosci zgrzewanych elementów. Jesli do zgrzewania elek¬ tronowego blach stalowych o grubosci 50 mm po¬ trzebne jest napiecie przyspieszajace, 50—60 kV, to dla blach o grubosci 100 mm nalezy podwyzszyc napiecie przyspieszajace do 150 kV.Zastosowanie wiazek elektronowych o wysokim napieciu przyspieszajacym (przeszlo 100 kV) ma szereg wad. Jedna z nich polega na ostrych wy¬ maganiach co do dokladnosci zestawu elementów do zgrzewania i gladkosci obróbki ich krawedzi, 25 poniewaz srednica wiazki elektronów jest bardzo mala i dlatego odstepy na zlaczu nie powinny prze¬ kraczac 0,1 mm. Inna wada tkwi w podwyzszeniu wymagan co do dokladnosci skupiania wiazki i do* ukladów sledzenia. Oprócz tego, jakosc polaczen 30 15 20 zgrzewanych jest bardzo niska, na skutek przykle¬ jenia i por. Przyklejenia powstaja przy odchyleniu wiazki od osi zlacza, a pory — na skutek utrudnio¬ nego wyjscia pecherzyków gazu na powierzchnie kapieli w waskim i dlugim kanale przetopu.I wreszcie niezawodnosc dzialania wysokonapiecio¬ wego dziala elektronowego jest znacznie mniejsza niz dziala niskonapieciowego, wskutek czestych przebic wysokonapieciowych.Na skutek tych wad maksymalna grubosc blach stalowych, które zwykle mozna zgrzewac, wynosi nie wiecej niz 100 mm. Zgrzewanie elektronowe wykorzystuje sie do laczenia elementów w dolnym polozeniu, stosujac pionowy uklad wiazki elektro¬ nów przy wzajemnym przemieszczaniu wiazki i wy¬ robu.Znane sa próby wykonania zgrzewania elektrono¬ wego spoina pionowa i obwodowa z wykorzysta¬ niem wiazki elektronów o ukladzie poziomym.Jednakze, dotychczas mozna bylo to zrealizowac tylko przy zgrzewaniu wyrobów o niewielkiej gru¬ bosci lub elementów z latwo topliwych metali. Po¬ dobne ograniczenia zwiazane sa z tym, ze z jeziorka metalu umieszczonego w plaszczyznie, pionowej, latwo wycieka roztopiony metal.Oprócz tego, we wszystkich stosowanych spo¬ sobach zgrzewania elektronowego ograniczenie zdol¬ nosci przetopowej promienia elektronowego zwia¬ zane jest z tym, ze w procesie zgrzewania w ka¬ nale przetopu nastepuje oslanianie wiazki elektro- 74 73874 72 3 nów cieklym metalem oraz tworzacymi sie parami i gazami. Aby trwale utworzyc rzeczywisty kanal przetopu, konieczne jest podwyzszenie napiecia przy¬ spieszajacego, które z kolei powoduje zmniejsze¬ nie srednicy wiazki oraz zwiekszanie w niej ener- 5 gii. Oprócz tego; we wszystkich stosowanych spo¬ sobach zgrzewania elektronowego ksztalt spoiny jest dowolny, nie kontrolowany. Spoine „kindzalo- wa" o stosunku wysokosci do szerokosci równym 40 :1 i wiecej, która otrzymuje sie przy zgrzewa- 10 niu elektronowym o wysokim napieciu przyspiesza¬ jacym trudno zlaczyc ze stykiem wskutek malych wymiarów spoiny, szczególnie w poczatkowej czesci, co moze obnizyc jakosc spoiny.Celem wynalazku jest opracowanie sposobu lacze- 15 nia elementów o duzej grubosci spoina pionowa i obwodowa przy poziomym ukladzie, wiazki elek¬ tronowej, niskim napieciu przyspieszajacym, wyso¬ kiej jakosci spoinie, a takze zbudowanie urzadzenia do stosowania tego sposobu. 20 Zadaniem wynalazku Jest stworzenie takich wa¬ runków zgrzewania wiazka elektronów, które wy¬ kluczalyby oslanianie wiazki ciejklym metalem i pa¬ rami w kanale przetopu. 26 Postawione zadanie rozwiazano w ten sposób, ze przy zgrzewaniu elementów spoina pionowa, przy poziomym ukladzie wiazki elektronowej i wzajem¬ nym i wzglednym przemieszczeniu tej wiazki i wy¬ robu, zgodnie z wynalazkiem, utrzymuje sie odstep miedzy poziomem stopionego metalu i osia wiazki elektronów od okolo 2 do okolo 2,5 srednicy wiazki elektronów i w sposób wymuszony zatrzymuje sie ciekly metal przed wyciekaniem ze strefy zgrzewa- nia- 35 Zalety przedlozonego sposobu polegaja na tym, ze kosztem odstepu miedzy górnym poziomem sto¬ pionego matalu i wiazka elektronów, stopiony me¬ tal pod dzialaniem sil ciezkosci splywa w dolna czesc kanalu i strefa wspóldzialania wiazki z cia¬ lem stalym jest wolna od cieklego metalu. Tym samym usuwa sie oslanianie wiazki elektronowej cieklym metalem i osiaga efekt glebokiego przetopu na 150—300 mm i wiecej. Z kanalu rozciagnietego w pionie lepiej wydzielaja sie pary i gazy. Sto¬ piony metal w postaci kropel przemieszczajacy sie 45 w strefe krystalizacji, ma mozliwosc zupelnego od- gazowania, co czyni ten sposób malo krytycznym co do zawartosci gazów w metalu. Wymuszone ksztaltowanie daje moznosc uzyskania koniecznego ksztaltu spoiny i nadlewu. 50 Wskazane jest, aby wstepnie w poczatkowym miejscu zgrzewania na styku elementów wykonac kanal, prostopadly do zgrzewanej spoiny, majacy wymiar poprzeczny równy Z—2,5 srednicy wiazki elektronów, a dlugosc 0,7—0,8 grubosci wyrobów. 55 Daje to mozliwosci otrzymania od razu na poczatku procesu zgrzewania koniecznego odstepu miedzy wiazka elektronów i poziomeni stopionego metalu i oprócz tego pomaga predko osiagnac obliczeniowe warunki zgrzewania. 60 Aby uzyskac lepsza jakosc spoiny srednica wiazki elektronów w kanale winna wynosic 0,02—0,04 gru¬ bosci elementów przy gestosci energii w wiazce okolo 105 W/cm2 i napieciu przyspieszajacym od okolo 30 do okolo 60 kV. Wiazka elektronów w 65 4 takich warunkach zgrzewania tworzy kanal prze¬ topu ze stosunkiem glebokosci do szerokosci równym 10 :1. Odpowiednio wspólczynnik ksztaltu zgrzewanej spoiny bedzie 10 :1. Oznacza to, ze sza- rokosc spoiny w poczatkowej czesci bedzie dosta¬ tecznie duza. Spoiny takie mozna latwo laczyc na styk i sa one malo wrazliwe na odstepy do 0,8 mm. Na przyklad, szerokosc spoiny w poczatkowej czesci blachy stalowej 120 mm równa jest 4—5 mm.W urzadzeniu do stosowania przedstawionego sposobu, majacym dzialo elektronowe, mechanizm wzglednego przemieszczenia wiazki eletkronów i zgrzewanych elementów, zgodnie z wynalazkiem urzadzenie zawiera dwa formowniki spoiny, z któ¬ rych kazdy jest ochladzana plytka do wymuszonego zatrzymywania metalu przed wyciekaniem, usta¬ wiane wzdluz spoiny po obu "stronach styku i ma¬ jace rowek umieszczony wzdluz spoiny, przy czym je,den z formowników ma przelotowy otwór dla przechodzenia wiazki elektronów.Glebokosc rowka formownika, ustawionego od strony dziala elektronowego, stanowi 0,05 grubosci zgrzewanych elementów, a szerokosc rowka troche wiecej niz srednica wiazki.Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przy¬ kladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat urzadzenia, w którym for¬ mowniki i niektóre inne elementy pokazane sa w przekroju, fig. 2 — urzadzenie do zgrzewania w widoku z góry, fig. 3 — urzadzenie formujace, w widoku perspektywicznym, fig. 4 a i b — zestaw elementów do zgrzewania spoina prostoliniowa, w widoku z boku, fig. 5 a i b — zestaw elementów do zgrzewania spoina obwodowa, w widoku z przo¬ du i z boku.Ponizej rozpatrzono schemat zgrzewania elektro¬ nowego blach stalowych o duzej grubosci w przy¬ padku, gdy przy zgrzewaniu przemieszczaja sie ele¬ menty, a wiazka elektronów jest nieruchoma.W komorze prózniowej 1 (fig. 1) umieszczone sa mechanizm Z zamocowania zgrzewanych eje- mentów, mechanizm 3 przesuniecia elementów w kierunku pionowym, jak to pokazano strzalka A i uchwyty 4 i 5 do wymuszonego ksztaltowania spoiny, w dalszym ciagu nazywane formownikami.Na zewnatrz komory zamocowane jest dzialo elek¬ tronowe 6 umieszczone poziomo. Uklad odpompo- wania prózniowego komory i dziala wykonano od¬ dzielnie. Jak widac z fig. 2, elementy zgrzewane 7 i 8 zamocowuje sie tak, aby formowniki 4 i 5 znaj¬ dowaly sie po obu stronach zlacza.Formownik 4 do wymuszonego formowania tej czesci spoiny, która znajduje sie od strony dziala elektronowego, jest pokazany oddzielnie, na fig. 3 i jest to plytka metalowa o duzej przewodnosci cieplnej, na przyklad z miedzi, w której wyko¬ nany jest kanal 9 do cyrkulacji ochladzajacej cie¬ czy. W formowniku tym wykonano przelotowy otwór 10 do przechodzenia promienia i pionowy rowek 11 na calej wysokosci do formowania grani spoiny. Szerokosc rowka wybiera sie nieco wieksza od srednicy wiazki, a glebokosc S = 0,05 grubosci wyrobów. Przy tym caly nadmiar metalu, wystepu¬ jacy zawsze przy zgrzewaniu elektronowym w po¬ staci sciegu wzmacniajacego, powinien dokladnie5 ukladac sie w tym rowku. Dla lepszego zgrzewa¬ nia blach stalowych o grubosci 120 mm, na przy¬ klad, szerokosc rowka równa jest srednicy wiazki plus 4 mm, a glebokosc 5—6 mm. Formownik 5, umieszczony z drugiej strony zlacza, jest podobny s do poprzedniego, z ta tylko róznica, ze nie ma on podobnego otworu, a szerokosc rowka dla wskaza¬ nych grubosci równa jest 5—6 mm; glebokosc 2—3 mm. 10 Zgrzewanie elektronowe wedlug przedstawionego sposobu wykonuje sie nastepujaco. Elementy zgrze¬ wane 7 i 8 (fig. 4a) sklada sie wstepnie bez luzu i sztywno laczy sie miedzy soba. Do dolnej po¬ wierzchni czolowej zgrzewanych elementów przy¬ mocowuje, sie sztywno plytke 12, na której zaczyna sie zgrzewanie. W tej plytce 12 w poczatkowym miejscu zgrzewania wykonuje sie otwór prostopadly do zlacza, na przyklad przez wiercenie, o glebokosci równej 0,7—0,8 grubosci elementów. Srednica otwo- ru winna stanowic 2—2,5 srednicy wiazki. Przy zgrzewaniu spoin obwodowych taki otwór wejscio¬ wy 13 o wymiarach wskazanych wykonuje sie bez¬ posrednio w elementach, jak to pokazano na fig. 5 a i b. Elementy zestawione do zgrzewania (fig. 1) spoiny prostoliniowej zamocowuje sie tak, aby u zlacze ukladalo sie pionowo. Do elementów 7 i 8 scisle zaciska sie formowniki 4 i 5, przy tym for¬ mownik 4 tak sie ustawia, aby otwór 10 zbiegal sie z osia wiazki elektronów 14. Formownik 5 ustawia sie po drugiej stronie zlacza. Elementy 7 i 8 zestawione do zgrzewania przesuwane sa me¬ chanizmem 3 w takie polozenie, aby otwór wejs¬ ciowy w plytce 12 byl dokladnie, polaczony z otwo¬ rem 10 w przednim formowniku 4. Rowek w for- mowniku 4 uszczelnia sie ponizej otworu 10 wklad¬ ka z azbestu lub innym odpornym na dzialania cie¬ pla materialem.Dzialo elektronowe z ukladem optycznym Fierce'a o mocy na przyklad 50 kV, przy napieciu przy- 40 spieszajacym do 60 kV generuje wiazke elektro¬ nów o srednicy 4 mm (dla grubosci 100—120 mm).Zapewnia to gestosc energii w wiazce okolo 5 • 105 W/cm2. Srednica katody wolframowej takiego dziala moze wynosic 6—8 mm. Przy malym pradzie uzy- MM 45 skuje sie optymalne ogniskowanie na elementy, a nastepnie za pomoca ukladu odchylajacego laczy sie dokladnie wiazke elektronów z otworem w elementach. Zgrzewanie, zaczyna sie od wlaczenia przesuniecia elementów w dól i zwiekszenia pradu wiazki do wartosci znamionowej. Jako przykladowe warunki zgrzewania dla stali o malej zawartosci wegla i grubosci 120 mm sa nastepujace: U = 40 kV, J = 1 A, predkosc zgrzewania 10 m/h.Przy stapianiu krawedzi elementów silna wiazka 55 w procesie przesuwania elementów, ciekly metal w postaci kropel scieka po sciankach kanalu 15 do jego dolnej czesci, gdzie, krystalizuje sie. Przy tym ciekly metal zatrzymywany jest przed wycie¬ kaniem za pomoca formowników 4 i 5. W warun- ©o kach wlasciwie dobranych wymiarów rowka w formowniku 4, w ciagu calego czasu zgrzewania promieniem, bedzie istnial kanal o ksztalcie owal¬ nym umieszczonym pionowo, przy czym odleglosc miedzy osia promienia i górnym poziomem cieklego 6« ' ' C metalu bidzie nie zmieniona i równa 2—2,5 sred¬ nicy wiazki elektronów.W procesie zgrzewania pary i gazy ze stopionego metalu maja mozliwosc bardziej swobodnego ulat¬ niania sie poprzez pionowy kanal 15, co w duzym stopniu polepsza jakosc spoiny.Przy zgrzewaniu z drutem spawalniczym wsuwa¬ nym do kanalu 15 na przyklad, dla wprowadzania skladników stopowych do spoiny wystepuje nad¬ miar metalu, który winien ukladac sie w rowku 11 (fig. 3). W tym przypadku glebokosc rowka wybiera sie Wieksza niz 0,05 grubosci elementów.Tworzenie spawu odbywa sie metoda kapieli z wymuszonym formowaniem powierzchni spoiny ochladzajacymi formownikami 4 i 5. Niezamkniety otwór znajdujacy sie w formowniku 4 pozwala ob¬ serwowac poziom kapieli i zachowanie sie w niej cieklego metalu. Przy zgrzewaniu spoin prostolinio¬ wych zgrzewanie konczy sie na krancowej plytce wylotowej (nie pokazana) wylaczeniem pradu. Przy zgrzewaniu spoin obwodowych nastepuje pokrycie miejsca poczatku zgrzewania, a nastepnie plynnie zmniejsza sie prad zgrzewania do zera, aby zapew¬ nic krater.Dzieki zastosowaniu przedstawionego sposobu mozna otrzymac przetop skrosny w blachach me¬ talowych o grubosci 150 mm i wiecej, stosowac niskonapieciowa aparature elektronowa, polepszyc jakosc zgrzewanych spoin i uformowac spoine o do¬ wolnej geometrii nadlewu, okreslonej ksztaltem rowków formowników. PL PL PL