Глубокое проплавление металла при малой погонной энергии, происходящее при электроннолучевой сварке, обусловливает значительно большую скорость отвода теплоты от зоны сварки, что обеспечивает увеличение скорости кристаллизации малой по объему сварочной ванны с получением мелкокристаллического строения металла шва, по своим свойствам мало отличающегося от основного металла. Ввод значительно меньшего количества теплоты при электроннолучевой сварке дает возможность во много раз уменьшить деформации изделий по сравнению с дуговым способом сварки.
Образование остаточных деформаций в сварных конструкциях связано с тепловыми процессами — распределением температуры по изделию в процессе сварки и охлаждением сварного соединения. В большинстве реальных конструкций увеличение погонной энергии приводит к уменьшению остаточных деформаций. Поэтому согласно результатам работ Г. А. Николаева один из эффективных способов борьбы с деформациями сварных конструкций — применение таких методов сварки, при которых используются более сосредоточенные источники теплоты, обеспечивающие минимальную площадь зоны расплавления.
Малое поперечное сечение луча, перенос энергии на значительные расстояния, получение узких швов с малой площадью расплавленного металла позволяют выполнять новые, более совершенные виды сварных соединений и повышать качество изделий.
Сварка электронным лучом расширяет область применения сварных соединений с прорезными швами и электрозаклепками. Эти виды швов впервые были применены при электродуговой сварке под флюсом. Прорезные швы и электрозаклепки позволяют соединять элементы конструкций, когда один из них недоступен для непосредственного воздействия дуги. В этом случае, используя глубокий провар, обеспечиваемый сваркой под флюсом, можно получить сварное соединение путем проплавления одного из элементов конструкции.
Рис.79. Конструкции,выполненные проплавными швами:а,б — сварка герметичных перегородок в трубы; в сварка двух труб; г— сварка листов; д — приварка гофрированной вставки к листам
Возможность более глубокого проплавления при электроннолучевой сварке позволяет сваривать изделия большой толщины практически из любых металлов и сплавов (рис. 79). Получение глубокого проплавления при электроннолучевой сварке дает возможность выполнять принципиально новые, более совершенные виды соединений, сварка которых обычными методами невозможна.
На рис. 80 представлены конструкции, сваренные путем одновременного проплавления четырех (рис. 80, а) и трех (рис. 80, б) стыков. Возможность осуществления таких типов соединений электронным лучом позволяет снизить массу конструкции, повысить их прочность, значительно упростить процесс изготовления изделий.
Большая концентрация энергии в малом поперечном сечении луча и возможность переноса энергии лучом на значительное расстояние от катода (500 мм и больше) позволяют использовать электронный луч при сварке в узких Щелях, когда методы Дуговой сварки неприменимы.
Рис.80. Конструкции, выполненные одновременной сваркой трех и четырех стыков
При сварке дугой относительно небольшое изменение длины дуги вызывает значительное изменение ее мощности и площади поперечного сечения столба дуги, в связи с чем расстояние между электродом и изделием при сварке должно выдерживаться строго постоянным. Поэтому, если необходимо сваривать швы, расположенные в различных плоскостях, то при автоматической дуговой сварке требуются специальная аппаратура и довольно сложная настройка автомата.
При электроннолучевой сварке пятно нагрева можно переносить в вертикальном направлении на значительные расстояния. Это используют в случае необходимости сварки изделий, имеющих швы в виде кривых линий на вертикальной плоскости, что может привести к значительному упрощению конструкции сварочных установок.
При электроннолучевой сварке глубина проплавления увеличивается с повышением ускоряющего напряжения. По данным некоторых зарубежных фирм, и Uуск = 150 ÷200 кВ электронными лучами проплавляют стальные листы толщиной до 100 мм. Однако сварка при высоком Uycк имеет недостатки: ужесточаются требования к точности сборки деталей; зазоры в стыке должны быть не более 0,125 мм; в связи с малыми поперечными размерами зоны проплавления необходимо соблюдать точность совмещения луча со стыком; повышаются требования к металлу с точки зрения содержания в нем газов. Качество соединений обычных сталей низкое из-за появления пор; увеличивается вероятность высоковольтных пробоев в электронной пушке; усложняется и удорожается оборудование (пушка, источник питания, кабель, изоляция); требуется дополнительная защита от жесткого рентгеновского излучения.
В Московском энергетическом институте разработана техника и технология электроннолучевой сварки обычных низколегированных сталей, широко применяемых в энергомашиностроении (16ГНМА, 22К, 34ХМ1А и др.) с использованием низкого ускоряющего напряжения (до 40 кВ).
Металлографические исследования сварных соединений стали 16ГНМА толщиной 115 мм, из которой изготовляют барабаны котлов высокого давления, показали, что в швах отсутствуют поры, микро- и макротрещины (рис. 81). Ширина шва в верхней части составляет 16— 18 мм, а в корне 5—6 мм.
Рис.81. Макрошлиф соединения, выполненного электроннолучевой сваркой на стали 16ГНМА толщиной 115 мм
По химическому составу шов почти не отличается от основного металла, наблюдается лишь незначительное уменьшение количества марганца.
Кратковременную прочность соединений и металла шва при комнатной и рабочей температуре иллюстрирует рис. 82. Прочность металла шва после отпуска несколько выше, чем у основного металла. Ударная вязкость шва на стали 16ГНМА толщиной 115 мм даже после сварки не ниже этого показателя основного термообработанного металла, а после нормализации и отпуска — в 1,5 раза больше, чем у основного металла. Ударная вязкость околошовной зоны такая же, как основного металла (табл. 13).
Рис. 82. Механические свойства соединения стали 16ГНМА (заштрихованы значения σт и б, без штриховки σв и ψ: 1—основной металл после нормализации 2— соединение без термообработки: 3 — шоп после сварки; 4 - после отпуска; 5 — шов после нормализации и отпуска
Получены хорошие результаты электроннолучевой сварки за один проход сталей 22К, 34ХМ1А толщиной соответственно 105 и 140 мм. Электроннолучевая сварка позволяет получать высококачественные соединения пароперегревательных труб мощных котлоагрегатов из сталей 12Х18Н12Т и 12Х1МФ. Швы, выполненные электроннолучевой сваркой, не имеют грата, а усиление менее 1 мм. Машинное время сварки одного стыка 20 с.