«Формування зварного з'єднання електронно-променевим зварюванням з наскрізним проплавленням»

Чебаков, Олег Максимович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9165

Title:	«Формування зварного з'єднання електронно-променевим зварюванням з наскрізним проплавленням»
Authors:	Хижняк, Євген Валерійович Чебаков, Олег Максимович
Keywords:	Електронно-променеве зварювання
Issue Date:	2024
Abstract:	Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Формування зварного з'єднання електронно-променевим зварюванням з наскрізним проплавленням» Виконавець: студент групи мНТ-32 Чебаков Олег Максимович. Керівник: к.т.н, ст. викладач Хижняк Євген Валерійович. Кваліфікаційна робота містить 104 сторінки формату А4, 60 рисунків, 9 таблиць, 106 літературних джерела. Актуальність роботи: Електронно-променеве зварювання є сучасним високотехнологічним методом, що забезпечує високу якість швів і мінімальну зону термічного впливу. Проблема кореневих дефектів та нерівномірності формування швів залишається актуальною, особливо при зварюванні матеріалів великої товщини. Вирішення цих проблем сприятиме підвищенню ефективності процесу та якості кінцевих виробів. Структура роботи: Розділ 1: Аналіз сучасного стану і теоретичних основ ЕПЗ, включаючи дослідження кореневих дефектів, моделювання теплових процесів і вплив параметрів зварювання на стабільність формування шва. Розділ 2: Обґрунтування параметрів режимів ЕПЗ для забезпечення високої якості шва, а також розрахунок необхідного струму променя. Розділ 3: Дослідження впливу швидкості зварювання на хімічний склад, механічні властивості та мікроструктуру зварних з’єднань. Розділ 4: Аналіз технології зварювання неповоротних стиків великої товщини з урахуванням особливостей їх конструкції. Розділ 5: Охорона праці під час виконання ЕПЗ, включаючи аналіз ризиків і рекомендації щодо забезпечення безпеки оператора.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9165
Appears in Collections:	131 Прикладна механіка (Обробка металів за спецтехнологіями)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Чебаков.pdf Restricted Access		4.8 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв

До захисту допущено:
Завідувач кафедри ТОМВ
____________Георгій КАНАШЕВИЧ
«_____»_____________2024р.

Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи магістра

на тему: «Формування зварного з'єднання електронно-променевим
зварюванням з наскрізним проплавленням»

Виконав: здобувач 2 курсу, групи мНТ-32
Спеціальності 131 – «Прикладна механіка»
Освітня програма – «Обробка металів за
спецтехнологіями»
Чебаков Олег Максимович
Керівник: к.т.н., ст.викладач Хижняк Євген
Валерійович
Рецензент: начальник виробництва ТОВ «МНВК»
«Станко-Груп» м.Черкаси
Васильківський Олександр Вікторович

Черкаси 2024 р.
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
Освітній рівень магістерський.
Спеціальність 131 «Прикладна механіка».
Освітня програма «Обробка металів за спецтехнологіями»

ЗАТВЕРДЖУЮ:
Завідувач кафедри ТОМВ
Георгій КАНАШЕВИЧ
« » ____________2024р.

ЗАВДАННЯ
на кваліфікаційну роботу магістра

_Чебакову Олегу Максимовичу_
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема роботи «Формування зварного з'єднання електронно-променевим
зварюванням з наскрізним проплавленням».
Керівник роботи Хижняк Євген Валерійович, к.т.н., ст. викладач
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
Затверджена наказом Черкаського державного технологічного університету від
«16» вересня 2024р. №272/04
2. Термін подання здобувачем роботи 26. 11. 2024 р.
3. Вихідні дані до роботи: Технологія електронно-променевої обробки, Завдання
до розділу охорона праці та безпека в НС
4. Зміст пояснювальної записки: Отримання зварних з’єднань великої товщини
при електронно-променевому зварюванні; Визначення параметрів режиму епз з
вільним формуванням шва; Вплив швидкості зварювання на властивості
зварних з'єднань; Дослідження механічних властивостей зварних з'єднань;
Відтворення технології електронно-променевого зварювання неповоротних
стиків; Охорона праці та безпека в НС
5. Перелік графічного матеріал(з точним зазначенням обов’язкових
креслеників, плакатів, презентацій тощо Тема, мета, задачі; Деталізована
схема технологічного процесу та процесу формування кореня зварного шва;
Схема формування зварного шва при проплавленні конічним пучком; Основні
властивості процесу пульсацій глибини проплавлення; Вплив зміни робочої
дистанції та частоти подовжніх коливань електронного пучка на пульсації
глибини проплавлення (х20); Вплив геометрії електронного пучка на відносні
розміри збурень розплаву; Розподіл густини ймовірності утворення збурень
поверхні парогазового каналу; Схема виявлення моментів настання подій
екранування та залежності кількості подій екранування від часу без
зовнішнього впливу; Порівняння методик зменшення трудомісткості пробних
зварювань; Охорона праці та безпека в НС; Загальні висновки
6. Керівники з роботи із зазначенням розділів роботи, що їх стосується
Прізвище, ініціали та посада Підпис, дата
Розділ
консультанта завдання видав завдання прийняв
Розділ 1-4 Хижняк Євген Валерійович
Розділ 5 Цікановський Володимир Леонідович

7. Дата видачі завдання 16.09.2024 р.
Календарний план
№ Назва етапів дипломного Строк
Примітка
з/п роботи виконання етапів роботи
1 Збір інформації для написання КРМ 16.04. - 01.10.2024
2 Написання І розділу КРМ 02.10.-15.10.2024
3 Написання ІІ розділу КРМ 16.10 – 24.10.2024
4 Написання ІІІ розділу КРМ 25.10 – 2.11.2024
5 Написання розділу з охорони праці 3.11 – 9.11.2024
6 Оформлення пояснювальної записки 10.11 – 25.11.2024
7 Оформлення графічної документації 26.11 – 04.12.2024
8 Захист роботи 17.12.-19.12.2024р.

Здобувач ___________ __Олег ЧЕБАКОВ__
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ

Керівник ___________ ___Євген ХИЖНЯК__
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ

1
АНОТАЦІЯ
Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Формування зварного з'єднання
електронно-променевим зварюванням з наскрізним проплавленням»
Виконавець: студент групи мНТ-32 Чебаков Олег Максимович.
Керівник: к.т.н, ст. викладач Хижняк Євген Валерійович.
Кваліфікаційна робота містить 104 сторінки формату А4, 60 рисунків, 9
таблиць, 106 літературних джерела.
Актуальність роботи: Електронно-променеве зварювання є сучасним
високотехнологічним методом, що забезпечує високу якість швів і мінімальну зону
термічного впливу. Проблема кореневих дефектів та нерівномірності формування
швів залишається актуальною, особливо при зварюванні матеріалів великої
товщини. Вирішення цих проблем сприятиме підвищенню ефективності процесу та
якості кінцевих виробів.
Структура роботи:
Розділ 1: Аналіз сучасного стану і теоретичних основ ЕПЗ, включаючи
дослідження кореневих дефектів, моделювання теплових процесів і вплив
параметрів зварювання на стабільність формування шва.
Розділ 2: Обґрунтування параметрів режимів ЕПЗ для забезпечення високої
якості шва, а також розрахунок необхідного струму променя.
Розділ 3: Дослідження впливу швидкості зварювання на хімічний склад,
механічні властивості та мікроструктуру зварних з’єднань.
Розділ 4: Аналіз технології зварювання неповоротних стиків великої товщини
з урахуванням особливостей їх конструкції.
Розділ 5: Охорона праці під час виконання ЕПЗ, включаючи аналіз ризиків і
рекомендації щодо забезпечення безпеки оператора.

2
ABSTRACT
Master's Qualification Work Topic: "Formation of a Welded Joint by Electron Beam
Welding with Full Penetration"
Performer: Student of Group mNT-32, Chebakov Oleh Maksymovych
Supervisor: Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer Yevhen Valeriiovych
Khyzhniaк
The qualification work contains 104 A4 pages, 60 figures, 9 tables, and 106
references.
Relevance of the Work: Electron beam welding (EBW) is a modern high-tech
method that ensures high weld quality and a minimal heat-affected zone. The issue of root
defects and uneven weld formation remains relevant, especially when welding thick
materials. Solving these problems contributes to improving process efficiency and the
quality of the final products.
Structure of the Work:
Chapter 1: Analysis of the current state and theoretical foundations of EBW,
including the study of root defects, modeling of thermal processes, and the influence of
welding parameters on the stability of weld formation.
Chapter 2: Justification of EBW mode parameters to ensure high weld quality and
calculation of the required beam current.
Chapter 3: Investigation of the effect of welding speed on the chemical composition,
mechanical properties, and microstructure of welded joints.
Chapter 4: Analysis of welding technology for fixed joints of large thickness, taking
into account their structural features.
Chapter 5: Occupational safety during EBW, including risk analysis and
recommendations for ensuring operator safety.
.
3
Зміст
Вступ ................................................................................................................................. 5
РОЗДІЛ 1 Отримання зварних з’єднань великої товщини при електронно-
променевому зварюванні ................................................................................................ 7
1.1 Особливості електронно-променевого зварювання з глибоким
проплавленням ................................................................................................................. 7
1.2 Способи боротьби з кореневими дефектами .................................................... 13
1.3 ЕПЗ з вільним формуванням кореня шва ......................................................... 18
1.4 Вплив фокусування електронного променя на якість зварних з’єднань ....... 24
1.5 Математичні моделі теплових процесів електронно-променевого зварювання
......................................................................................................................................... 25
Мета і завдання дослідження ................................................................................... 28
Розділ 2 Визначення параметрів режиму епз з вільним формуванням шва ....... 30
2.1. Вплив швидкості зварювання на вільне формування шва при ЕПЗ з
наскрізним проплавленням .......................................................................................... 30
2.2 Визначення ширини шва при ЕПЗ з вільним формуванням шва ............... 39
2.3 Розрахунок необхідного струму променя при ЕПЗ ..................................... 42
Висновок до розділу 2............................................................................................... 44
Розділ 3 Вплив швидкості зварювання на властивості зварних з'єднань ................ 46
3.1 Дослідження впливу швидкості зварювання на якість зварних з'єднань
титанового сплаву 5В .................................................................................................... 46
3.1.1 Дослідження впливу швидкості зварювання на хімічний склад зварних
з'єднань ........................................................................................................................... 46
3.1.2 Металографічні дослідження зварювальних з’єднань ................................. 51
3.1.3. Дослідження механічних властивостей зварних з'єднань ...................... 58
Висновок до розділу 3............................................................................................... 62
Розділ 4 Відтворення технології електронно-променевого зварювання
неповоротних стиків ..................................................................................................... 63
4.1 Особливості конструкції виробу і зварних стиків ........................................... 63

4
4.2 Технологія зварювання патрубків еліптичного днища ................................... 65
4.3 Механічні випробування зварних з’єднань ...................................................... 74
Висновок до розділу 4............................................................................................... 76
Розділ 5 Охорона праці та безпека в НС ................................................................. 77
5.1 Вимоги охорони праці під час електронно-променевого зварювання металів
......................................................................................................................................... 77
5.2 Вимоги безпеки під час виконання електрозварювальних робіт ................... 81
5.3 Вимоги безпеки до процесів різання металу .................................................... 83
5.4 Вимоги безпеки до процесів різання металу .................................................... 84
5.5 Вимоги електробезпеки ...................................................................................... 85
5.6 Вимоги до робочих місць ................................................................................... 88
5.7 Вимоги до забезпечення засобами індивідуального захисту працівників .... 91
Загальні висновки ...................................................................................................... 94
Список використаної літератури ................................................................................. 95

5
Вступ
За останні десятиліття електронно-променеве зварювання (ЕПЗ) отримало
широке поширення в багатьох галузях машинобудування при з'єднанні елементів
відповідальних конструкцій, що вимагають високу якість зварних з'єднань і
мінімальну зону термічного впливу. Незважаючи на необхідність використання
дорогого устаткування і високі вимоги до кваліфікації зварювальників, ЕПЗ має
значні переваги при зварюванні стиків великої товщини в порівнянні з іншими
способами, оскільки дозволяє отримати високоякісні з'єднання зварних стиків
складної форми за один прохід, при цьому забезпечується висока
енергоефективність і продуктивність.
В даний час технології ЕПЗ успішно застосовуються на практиці. Однак,
незважаючи на численні дослідження процесів формування зварних швів при ЕПЗ,
до сих пір немає способів, що дозволяють отримати зварне з'єднання гарантовано
без кореневих дефектів. Тому ЕПЗ з вільним формуванням швів є перспективним
методом отримання зварних з'єднань, оскільки при цьому ймовірність утворення
кореневих дефектів знижується, зменшується витрата матеріалів, підвищується
продуктивність, полегшується візуальний контроль процесу. Проте, при цьому
виникають деякі труднощі: увігнутість в вершині, нерівномірне формування
кореневої частини шва. Для отримання якісних зварних з'єднань з посиленням в
вершині шва, використовують високі швидкості зварювання, які забезпечують
високі швидкості охолодження, тим самим перешкоджаючи витіканню металу з
боку кореня. У той же час, з підвищенням швидкості зварювання зросте необхідна
потужність променя, до того ж термічний цикл металу шва і околошовної зони стає
більш жорстким, що не завжди сприятливо позначається на структурі та механічні
властивості зварного з'єднання. На практиці вибір швидкості електронно-
променевого зварювання, при якій шви формуються без дефектів, здійснюється
експериментально, що призводить до необхідності виконання додаткових проходів
і зайвим матеріальним і трудовим витратам. Незважаючи на те, що багато
дослідників відмічали вплив швидкості зварювання на вільне формування кореня
шва при ЕПЗ, на сьогоднішній день немає науково обґрунтованої методики

6
визначення мінімально допустимої швидкості зварювання, при якій шви
формуються без угнутості в вершині, в залежності від ширини шва, товщини
зварюваного металу , теплофізичних властивостей і поверхневого натягу. Тому
дана робота, присвячена огляду та визначенню необхідних параметрів ЕПЗ,
вивчення впливу швидкості зварювання на механічні властивості, структуру і
хімічний склад і розробці технології електронно-променевого зварювання
неповоротних стиків з вільним формуванням швів, є актуальною і потрібною.
Отримані результати дозволять знизити матеріальні і трудові витрати на підбір
оптимальних параметрів режиму зварювання і підвищити якість зварних з'єднань.

7
РОЗДІЛ 1 Отримання зварних з’єднань великої товщини при
електронно-променевому зварюванні
1.1 Особливості електронно-променевого зварювання з глибоким
проплавленням
В основі електронно-променевого зварювання лежить використання
кінетичної енергії прискорених і сфокусованих в вузький промінь електронів для
плавлення металу і формування зварювальної ванни. При взаємодії електронного
променя з високою концентрацією потужності q≥108 Вт/м2 в металі утворюється
глибокий канал, досить стійкий у часі. Неодмінною умовою формування глибоких
пародинамічних каналів і відповідних їм розмірам швів є перехід частини
розплавленого металу в газоподібний стан [1,2]. Реакція віддачі парів, витісняючи
розплавлений метал із зони дії променя, відкриває йому доступ всередину
оброблюваних зразків і створює умови для їх глибокого (кинжального)
проплавления, що має вигляд каналу з відношенням глибини H до середнього
діаметру d складовим H / d≥10 [3,4 , 5]. Канал, переміщаючись разом з променем і
утворюючи за собою зварювальну ванну, визначає форму і поперечні розміри швів
[6]. З'являючись на поверхні взаємодії електронного променя з металами, пари
створюють в каналі статичний тиск і динамічний напір на елементи каналу, а також
викликають зворотну реакцію на майданчиках їх виникнення, що обумовлює
перенесення металу із зони плавлення в зону кристалізації і оберігаючи канал від
схлопування [6]. В роботі [7] розрахунковим шляхом показано, що тиску парів
цілком достатньо для переміщення розплавленого металу з передньої стінки
пародинамічного каналу на задню в умовах в’язкісного течіння.
Згідно роботі [7], електронний промінь має в своєму перетині нормальний
розподіл щільності потужності. В таких умовах тангенс кута нахилу передньої
стінки каналу в кожній її точці характеризує концентрацію потужності
елементарного променя, падаючого в розглянуту точку. Тоді мінімальний кут
падіння променя повинен бути посередині передньої стінки, а біля основи і входу
максимальний (рис. 1.1).

8

Рисунок 1.1. Формування зварювальної ванни при взаємодії електронного
променя з металом.
Дослідження передньої стінки каналу за допомогою відеозйомки [8] і
методом акустичної емісії [9] показують, що рідкий метал рухається по стінці
нерівномірно, утворюючи виступи і впадини. Зміна кута зустрічі променя з
передньою стінкою призводить до підвищення концентрації потужності променя
на цій поверхні, інтенсифікації її плавлення і випаровування, до збільшення
реактивної віддачі парів і посиленому зносу рідкого металу виступу в хвостову
частину ванни. На рис. 1.2а зображений процес витіснення рідкої ванни в хвостову
частину під дією струменя пари, а на рис. 1.2б показано процес взаємодії
електронного променя з потоком рідкого металу, відбитого від хвостової частини
ванни.

9

а) б)
Рисунок 1.2. Формування зварювальної ванни в умовах коливання поверхні
рідкого металу на передній стінці.
Інтенсивні зміни фізичної обстановки в пародинамічному каналі являють
собою одну з форм автоколивального процесу, що виникає після втрати стійкості
частини ванни рідкого металу, попадання його безпосередньо під електронний
промінь, інтенсивного випаровування цієї частини, відтиснення всієї ванни від
променя, що приводить до тимчасового припинення її випаровування і зменшення
тиску в каналі [10]. За інших рівних умов більшій глибині каналу відповідає
менший кут нахилу передньої стінки до осі променя [7,11]. Це означає, що глибокі
канали менш стійкі проти збурень передньої стінки. Дослід добре підтверджує це
положення: чим товще шви, тим інтенсивніше коливання їх глибини [12].
Відомо [13], що при малих кутах зустрічі з металевими стінками значна
частина електронів пружно відбивається. Так, в роботі [7] розрахунковим шляхом
показано, що ефективний ККД процесу взаємодії променя з елементами передньої
стінки при проплавленні сталі Х18Н9Т на глибину 20 мм становить 69%.
Результати калориметричних дослідів показують, що ефективний ККД може
досягати 50% (рис. 1.3) при гранично малих кутах падіння електронного променя

10
на поверхню [14]. Оскільки відображення електронного променя відбувається
переважно в напрямку кута дзеркального відображення від поверхні взаємодії, то
відбиті електрони в основному потрапляють в нижню частину каналу, істотно
підігріваючи поверхню рідкого металу в цьому місці. Звідси можна припустити, що
нижня частина передньої стінки в значній мірі оплавляется за рахунок енергії
відбитих електронів.

Рисунок 1.3. Залежність ефективного ККД від кута падіння електронного
променя при U = 20кВ: 1 - 10 мА; 2 - 20 мА; 3 - 30 мА; 4 - 15 мА;
Так, в роботі [15] коливання глибини проплавлення обгрунтовано зміною
кута падіння електронного променя на передню стінку в результаті збурень
поверхні розплаву і, як наслідок, зміною кута відбиття електронів від передньої
стінки, в результаті чого відображені електрони періодично потрапляють то на
задню стінку, то в корінь шва (рис. 1.4а, 1.4б). В основу цих припущень лягли дані
роботи [16], в якій показано, що при ЕПЗ, яке здійснюється електронним променем,
який рівномірно рухається, тиск віддачі слабо змінюється в часі, а коливання
розплаву, що виникають на фоні загального руху рідкого металу по стінках
парогазового каналу, відбувається на власних частотах, що в загальному
суперечить даним робіт [7,10,17], в яких мова йде про періодичну зміну тиску в
парогазовому каналі.

11
В роботі [18] досліджено закономірності перенесення металу в зварювальній
ванні за допомогою маркуючих вставок і швидкісної відеозйомки. В результаті
встановлено, що кореневі дефекти можуть бути викликані відбиттям енергії від
передньої стінки каналу проплавлення і дією сил в’язкісного тертя парів на
розплавлений метал на задній стінці каналу.

а) б)
Рисунок 1.4. Формування зварювальної ванни в умовах пружного відбиття
електронів від передньої стінки.
Проте, всі дослідники схожі в одному: як коливання рідкої ванни в результаті
зміни тиску в парогазовому каналі, так і періодична зміна кута відбиття електронів
відбувається через збурення рідкої фази на передній стінці. По суті, обидві моделі,
які описують причини утворення кореневої «пили» не є взаємовиключними,
навпаки, доповнюючи один одного, дозволяють отримати цілісну картину
формування зварювальної ванни при глибокому проплавленні.
На жаль, більшість дослідників у своїх роботах не враховують
електрофізичні явища, що виникають в зоні взаємодії електронного променя з
металом. Так, в роботі [23] експериментально показано, що в локальній

12
приповерхневій області під дією електронного бомбардування утворюється
низькотемпературна, термічно нерівноважна, концентрована плазма, що володіє
надлишковим позитивним зарядом. В результаті експерименту доведено, що
періодичне відхилення променя при електронно-променевому зварюванні або
фрезеруванні викликано наявністю надлишкового позитивного заряду в локальній
області та залежністю величини заряду від температури плазми. При цьому,
розрахунковим шляхом показано [23, 24], що в умовах ЕПЗ промінь проникає на
велику глибину, створюючи плазмовий канал, через який первинні електрони
проникають з відносно малими втратами.
Теоретичні оцінки [25] показують, що в умовах ЕПЗ виникає радіальний
градієнт потенціалу в плазмі, який призводить до іонного фокусування і зменшення
площі поперечного перерізу променя на порядок. В роботі [26] експериментально
довели зменшення діаметра променя в 2-3 рази через іонне фокусування (рис. 1.5).
Для вимірювання діаметра пучка використовували метод обертового зонда, а для
зміни концентрації нейтральних атомів і плазми, яка генерується електронним
променем використовували пари цинку, тиск насичених парів якого легко
регулюється температурою.
В умовах, коли плазма термічно нерівноважна, потенціал плазми змінюється
в часі залежно від щільності іонізованих частинок і безпосередньо впливає на
ступінь іонного фокусування електронного променя. Що в свою чергу призводить
до коливання щільності потужність в перетині променя. Таким чином, ці фактори
можуть бути однією з причин утворення кореневої «пили» і змінної ширини
зварних швів, отриманих за допомогою ЕПЗ.

13

Рисунок 1.5. Зміна діаметру електронного променя в залежності від тиску
парів цинку (струм I = 20 мА): 1-U = 26кв; 2-U = 20кВ; 1-U = 12кВ.
Так, в роботі [27] експериментально показана можливість виникнення
кореневих дефектів у відсутності розплаву на передній стінці, а в роботі [28]
відзначено пульсування глибини різу в відсутності рідкої фази.

1.2 Способи боротьби з кореневими дефектами
Незначні коливання глибини проплавлення при ЕЛС не є істотним дефектом.
Однак при зварюванні з непрямим проплавлением металу можлива поява дефектів
у вигляді порожнин і несплавлення в корені шва. Дефекти такого роду в багатьох
випадках недопустимі, тому вимагають особливих технологічних заходів щодо їх
усунення. Як правило, застосовують три основних способи боротьби з кореневими
дефектами:
- виведення кореневої частини шва на підкладку або застосування з'єднання
«в замок»;
- розробка спеціальних технологічних заходів для заокруглення кореневої
частини шва, наприклад застосування розгорнення;
- застосування ЕПЗ з наскрізним формуванням.

14
Перший спосіб найпростіший, оскільки не вимагає застосування спеціальних
технологічних прийомів і знижує ймовірність порушення форми шва до мінімуму
(рис. 1.6). Але при такому способі зварювання виникає необхідність механічного
видалення підкладки, або, в разі замкового з'єднання або невидаляємої підкладки,
залишається технологічний непровар, який небезпечний з точки зору щілинної
корозії.

а) б)
Рисунок 1.6. Технологічні схеми зварювання: «в замок» (а) і на підкладці,
яка видаляється (б).
У випадку, коли потрібно отримати зварне з'єднання не на всю товщину
металу, або передбачається здійснити двостороннє зварювання (рис. 1.7) виникає
необхідність боротьби з кореневими дефектами. Вважаючи, що нестабільність
форми парогазового каналу, викликана гідродинамічними явищами в розплаві,
веде до утворення дефектів в зоні проплавлення, багато дослідників пропонують
якомога більше збільшувати радіус округлення в кореневій частині
[19,29,30,31,32]. Для забезпечення заокруглення в кореневій частині шва
застосовують кругову розгортку і підбирають необхідне фокусування променя.

15

Рисунок 1.7. Схема двостороннього зварювання.
Застосування розвертання зменшує швидкість охолодження і знижує
ймовірність утворення пустот і несплавлення в корені шва [33]. Однак застосування
розвертання не завжди дає позитивний результат, тому в якості додаткової міри в
роботі [34] запропонований вибір оптимальної частоти розвертання, при якій
відцентрові сили, що виникають в результаті руху розплаву по круговій траєкторії,
протидіятимуть капілярним силам.
Однак застосування розвертання призводить до збільшення ширини шва, що
не завжди раціонально. Тому стоїть питання про мінімальний радіусі заокруглення,
при якому не виникають порожнечі і несплавлення. Так в роботі [35] на підставі
великого числа виконаних експериментів зроблено висновок про існування деякого
критичного радіуса заокруглення, що визначає ймовірність виникнення кореневих
дефектів. [36,37].
Автор роботи [15], вважаючи основною причиною утворення кореневих
дефектів, періодичну зміну кута відображення первинних електронів від передньої
стінки в результаті локальних збурень, пропонує для боротьби з кореневою
«пилкою» поздовжнє розвертання променя. При цьому значно зменшується кут
зустрічі променя з передньою стінкою, в результаті чого локальні збурення
приведуть лише до незначної зміни кута відображення первинних електронів (рис.
1.8).
При досить великому куті зустрічі променя з передньою стінкою,
відображені електрони не досягають дна парогазового каналу і не змінюють
глибину проплавлення, при цьому відбита енергія, потрапляючи на задню стінку,

16
витрачається на підігрів зварювальної ванни. Потрібно відзначити, що зі
збільшенням кута зустрічі електронів з металом доля відбитих електронів
зменшується [14].

а) б)
Рисунок 1.8. Формування зварювальної ванни без розвертання (а) і з
поздовжнім розвертанням променя (б).
Як доказ своїх суджень, автор навів переконливі експериментальні дані у
вигляді поздовжніх шліфів (рис. 1.9). На рис. 1.9а в нижній частині макрошліфів
видно кореневі дефекти з амплітудою піків до 20 мм при максимальній глибині
проплавлення 120 мм. А при використанні розвертання амплітуда коливання
глибини проплавлення значно зменшується, при цьому кореневі дефекти у вигляді
порожнин і несплавлення відсутні (рис. 1.9б).
Таким чином, кожен автор, виходячи зі своїх уявлень про причини утворення
кореневих дефектів, пропонував технологічні прийоми по їх усуненню, причому в
багатьох випадках успішно для конкретних умов. Судячи з усього, причиною
утворення кореневих дефектів є цілий комплекс фізичних явищ, розглянутих вище,
а саме: гідродинамічні коливання в зварювальній ванні, зміна кута відображення

17
променя від передньої стінки, пульсації ступеня іонного фокусування. Так,
застосовуючи при зварюванні кругове розвертання для зменшення впливу
гідродинамічних ефектів на схильність виникнення дефектів в корені шва,
експериментатори мимоволі змінюють кут нахилу передньої стінки парогазового
каналу і, розширюючи пляму нагріву розвертанням, зменшують вплив іонного
фокусування на розподіл енергії в парогазовому каналі.

а) б)
Рисунок 1.9. Поздовжні макрошліфи зразків зі сталі 12ХМФ, виконані за
допомогою ЕПЗ без розвертання (а) і з поздовжнім розвертанням при частоті
f = 133 Гц, і амплітудою А = 3 мм (б);
режим зварювання: U = 60кВ, I = 700мА, v = 18 м/год.
Проте, на практиці навіть після проведення численних експериментальних
досліджень, не завжди вдається виключити ймовірність утворення дефектів в
корені шва. Однак існують конструктивні особливості стиків, при з'єднанні яких
застосування описаних технологічних прийомів ускладнено (рис. 1.10). До таких
особливостей відносяться:
- обмежений доступ із зворотного боку зварного з'єднання, що не дозволяє
проводити двостороннє зварювання;
- складна геометрія поверхні виробу (еліптичне днище, сфера, параболоїд);

18
- стик змінної товщини.

Рисунок 1.10. Приклади зварних з'єднань, що викликають труднощі при
розробці технології ЕПЗ.
Найкращі результати можуть бути отримані при зварюванні з наскрізним
проплавлением і вільним формуванням кореня шва. В результаті для розробки
технології ЕПЗ з вільним формуванням шва виникає необхідність проведення
додаткових досліджень.

1.3 ЕПЗ з вільним формуванням кореня шва
Електронно-променеве зварювання з вільним формуванням кореня шва має
ряд технологічних переваг перед двостороннім зварюванням і зварюванням на
підкладці, або «в замок»:
- виключається ймовірність утворення кореневої пилки;
- підвищується продуктивність і технологічність;
- знижуються зварювальні напруження за рахунок єдиного проходу в
порівнянні з двостороннім зварюванням;
- зменшується величина розширення в вершині шва, що знижує
зварювальні напруження [18];
- економиться матеріал.

19
Однак при зварюванні з вільним формуванням кореня шва виникає небезпека
витікання рідкого металу в корені під дією сили тяжіння.
В роботі [40] досліджена можливість стійкого формування зварного шва з
наскрізним проплавлением без витікань при ЕПЗ. Розглянуто умови утримання
рідкого металу на прикладі моделі циліндричної ванни (рис. 1.11), уздовж якої до
торцевої поверхні (до кореневої частини шва) рухається потік металу. При цьому
вважали, що крапля, що утворюється в корені циліндричної зварювальної ванни і
знаходиться під будь-яким кутом нахилу відносно горизонталі, буде утримуватися
силами поверхневого натягу. Аналіз виразу для критерію утримання рідкого
металу показав, що зниження допустимого радіусу каналу відбуватиметься з
ростом перепаду тисків потоку, кута нахилу ванни відносно горизонту, часу
існування зварювальної ванни, а також щільності металу.

а) б)
Рисунок 1.11. Схема стікання металу з каналу в загальному випадку (а) і яка
приймається в розрахунках (б).
Розширенню можливостей процесу ЕПЗ з вільним формуванням кореня
сприяють підвищення в'язкості і поверхневого натягу. З цих позицій, на думку
автора, бажано здійснювати процес на режимах, що забезпечують мінімальний
перегрів зварювальної ванни, здійснювати тепловідвід від ділянок зони термічного
впливу і зварного шва, проводити зварювання горизонтальним променем.

20
В роботі [41] детально проведено аналіз умов стабільного існування
зварювальної ванни при ЕПЗ з наскрізним проплавленням. Для цього автор
розглядав поведінку рідкого шару на поверхні кристалізації ванни (рис. 1.12).

Рисунок 1.12. Розрахункова схема каналу проплавлення в умовах ЕПЗ з
наскрізним проплавленням і вільним формуванням шва.
Сварка горизонтальним променем вирішує проблему витікання металу в
корені, але сприяє витіканню металу в вершині шва, оскільки радіус округлення
занадто великий і сил поверхневого натягу недостатньо для утримання
розплавленого металу.
В роботі [43, 44] запропонована зварювання горизонтальним променем на
підйом в магнітному полі, що дозволяє стабілізувати процес формування
зварювальної ванни і запобігти витіканню металу за рахунок зміни форми
електронного променя.
Для отримання якісних зварних з'єднань з наскрізним проплавленням,
необхідно забезпечити утримання рідкого металу в корені шва силами
поверхневого натягу. Цього можна досягти при зменшенні ширини шва в корені.
Дані робіт [45-47] описують зменшення ширини шва і збільшення глибини
проплавлення в результаті використання поздовжніх пилкоподібних коливань. Так

21
в роботі [47], представлені експериментальні дані по зварюванню з наскрізним
проплавленням і використанням поздовжнього пилкоподібного розвертання
пластин товщиною δ = 57 мм (рис. 1.13). Як видно на рисунку шви виходять
надзвичайно вузькими, відношення глибини проплавлення до ширини H/B = 42.
В роботі [48] розглянуті технологічні переваги способу ЕЛС з формуванням
кореневого валика. Також встановлено, що зменшення тепловкладення в
зварюваний метал при підвищенні швидкості зварювання, супроводжуване
зниженням погонної енергії, покращує як протікання металургійних процесів, так і
оптимізує напружено деформований стан зварного з'єднання.
Застосування високих швидкостей зварювання для отримання якісних
з'єднань з вільним формуванням жароміцних сплавів на нікелевій основі
ХН45МВТЮБР товщиною 8 і 12 мм описано в роботі [49]. Встановлено можливість
отримання стабільного формування зварних швів в діапазоні швидкостей 40-80
м/год для товщини 8 мм і 60-80 м/год для товщини 12 мм. При цьому було
відмічено, що зі збільшенням швидкості зварювання поліпшуються показники
ударної в'язкості і тріщиностійкість.

Рисунок 1.13. Макрошліфи зварних з'єднань сталі 12Х2Н4МД, виконані за
допомогою ЕПЗ в нижньому положенні з поздовжнім пилкоподібним
розвертанням при частоті f = 130 Гц, і амплітудою А = 3 мм (б); режим
зварювання: U = 60кВ, I = 235мА, v = 18 м/год.

22
Електронно-променеве зварювання сталі показала, що збільшення швидкості
зварювання сприяє зменшенню ступеня хімічної і механічної неоднорідності в
перерізі шва [51]. Це в свою чергу сприяє підвищенню тріщиностійкості зварних
з'єднань.
Однак підвищення швидкості не завжди позитивно впливає на якість швів.
Так в роботі [52] розрахунковим шляхом показано значне збільшення
зварювальних напружень при підвищенні швидкості зварювання. Зростання
напружень зі збільшенням швидкості зварювання підтверджується тим, що
з'єднання пластин з молібденового сплаву ЦМ6 товщиною 2 мм при швидкості
зварювання вище 30 м/год супроводжується утворенням холодних поперечних
тріщин. В роботі [46] так згадується про появу великої кількості поперечних
тріщин при збільшенні швидкості зварювання жароміцних нікелевих сплавів.
Таким чином, можна припустити, що надмірне збільшення швидкості
зварювання небажано для деяких матеріалів, тому потрібно розрахункова
методика, що дозволяє визначити мінімально допустиму швидкість зварювання,
при якій можливо вільне формування швів без ввігнутості в вершині.
В роботі [53] запропонована динамічна модель формування кореневого
валика, в якій хвилі розплаву на передній стінці переміщаючись в корінь шва
формують зворотний валик (рис. 1.14.). Умовою якісного формування шва
прийняли рівність амплітуди коливань на передній стінці і діаметра отвору
парогазового каналу в корені.

Рисунок 1.14. Схема формування об'ємних хвиль розплаву на передній
стінці каналу при наскрізному проплавленні.

23
Крім аналітичних моделей в сучасній науці широко застосовуються чисельні
моделі, які дозволяють досить точно прогнозувати процес зварювання. Так, в
роботі [54] розроблено кількісна тривимірна стаціонарна модель дугового
зварювання неплавким електродом з вільним формуванням кореня. Розв'язуючи
закон збереження енергії, збереження маси і збереження руху вільної поверхні
отримані результати, які добре сходяться з експериментом (рис. 1.15). Крім того, є
готові програмні продукти, такі як SysWeld, Comsol і ін., Які дозволяють
моделювати процес зварювання з високою точністю [55]. Однак використання
чисельних моделей супроводжується рядом недоліків:
- потрібні великі комп'ютерні ресурси, в результаті чого тривалість
розрахунків обчислюється годинами;
- для отримання точних результатів необхідне калібрування і верифікація
моделі;
- висока вартість програмного забезпечення.

Рисунок 1.15. Порівняння розрахункового (зліва) і натурного (праворуч)
поперечного перерізу шва.
При цьому зважаючи на складність процесу ЕПЗ навіть після калібрування і
верифікації не гарантовано повну відповідність розрахункових даних з
експериментальними, тому багато операторів ЕПУ віддають перевагу
використовувати результати експериментів. Використання ж аналітичної формули,
що дозволяє оцінити можливість вільного формування зварних швів на високих
швидкостях, дозволило б значно спростити вибір режимів зварювання і скоротити
матеріальні та трудові ресурси на розробку технології ЕПЗ.

24
1.4 Вплив фокусування електронного променя на якість зварних
з’єднань
Одним з основних параметрів режиму електронно-променевого зварювання,
що впливають на форму і якість зварного шва, є положення мінімального перетину
променя (площини фокусування) відносно поверхні виробу, що зварюється [6].
Максимальна глибина проплавлення при цьому досягається при деякому
заглибленні фокальної площини відносно поверхні виробу, що зварюється.
Для визначення оптимального положення фокуса, в роботі [56] проведено
ряд експериментів по проплавленню похилої пластини товщиною 45 мм при
постійному струмі фокусування і струмі променя. В результаті зроблено висновок,
що оптимальна форма шва утворюється при заглибленні фокальної площини на
60..85% від глибини проплавлення відносно поверхні виробу. На рис. 1.16 показані
макрошліфи отриманих з'єднань при різних ступенях заглиблення l0/H, де l0 -
положення фокальної площини відносно поверхні, H – глибина проплавлення.
Як видно з рисунка, при незначному заглибленні, формується шов з
перетяжкою в верхній частині. З точки зору стабільності форми парогазового
каналу, така форма небажана, оскільки може привести до утворення дефектів в
вигляді порожнин. При надмірному опусканні фокуса формується шов характерної
трикутної форми з широкою вершиною. Така форма теж небажана, так як значно
зменшується глибина проплавлення, широка вершина збільшує зварювальні
напруження, а вузький корінь сприяє утворенню кореневих дефектів. Теоретичні
розрахунки [57] показали, що максимальна глибина проплавлення досягається при
розташуванні фокальної площини променя посередині глибини проплавлення.
Деякі відмінності від експериментальних даних [56, 58] можна пояснити
складністю точного визначення положення фокуса в умовах електронно-
променевого зварювання, зокрема, технічно дуже складно оцінити ступінь іонного
фокусування променя в парогазовому каналі.

25

а) б) в)
Рисунок 1.16. Макрошліфи зварних з'єднань з різним ступенем заглиблення
фокуса: а) 0,08; б) 0,67; в) 1,1.
Режими зварювання: v = 36м / год; I = 250мА.

1.5 Математичні моделі теплових процесів електронно-променевого
зварювання
Для визначення параметрів режимів зварювання і обчислення геометричних
розмірів зварних швів зазвичай застосовують різні математичні моделі теплових
процесів при зварюванні.
Найбільш поширена і застосовується модель розсіювання енергії в каналі
проплавления при променевих видах зварювання з глибоким проплавленням
запропонована в роботі [92]. Вона являє собою рухоме лінійне джерело в
нескінченній пластині. При цьому енергія виділяється по всій глибині рівномірно.
Розподіл температурних полів в цьому випадку записується таким виразом:

де Т - температура в даній точці; Т0 - початкова температура; λ - теплопровідність;
δ-товщина пластини; x, y - координати розглянутої точки відносно осі джерела
теплоти; a - температуропровідність; b - коефіцієнт температуроотдачі для
пластини.

26
Однак ця формула незручна в застосуванні і вимагає використання ЕОМ,
тому цю формулу спрощують, вважаючи що джерело теплоти нескінченної
потужності рухається з нескінченно великою швидкістю, при цьому відношення
qеф / v зберігається постійним. У цьому випадку розподіл температурних полів
обчислюються за допомогою наступної формули:

де с - питома теплоємність; ρ - щільність металу.
Формула (7) широко використовується в різних джерелах [93, 94] для
складання методик визначення різних параметрів зварних з'єднань. Однак
проаналізувавши ці методики, стає зрозумілим, що багато параметрів, такі як
ширина шва, довжина зварювальної ванни, безпосередньо залежать від введеної
потужності, тоді як в реальній ситуації при ЕПЗ з наскрізним проплавленням
ширина шва в більшій мірі залежить від фокусування і швидкості зварювання. А
при введенні надлишкової потужності, частина енергії буде осідати на підкладці.
Таким чином, можна зробити висновок про те, що апроксимування рухомого
електронного променя лінійним джерелом є досить грубим і не дозволяє досить
точно оцінити параметри процесу зварювання. Про це свідчить той факт, що навіть
при нескінченно великій швидкості руху лінійного джерела теоретично
максимально можливе значення термічного ККД становить:

Тоді як часто зустрічаються значення експериментально визначеного
значення термічного ККД перевищує 50% [95, 96]. Аналіз моделей циліндричного
і плоского джерел тепла обґрунтовує можливість реалізації значень термічного
ККД до 90% і більше [97, 98].
Для рухомого циліндричного джерела з виділенням тепла на його поверхні
розподіл температурних полів можна розрахувати за такою формулою [97, 98] (рис.
1.17):

27

де Tв - температура поверхні циліндричного джерела; In і Kn - модифіковані функції
Бесселя n-ого порядку; D - діаметр циліндричного джерела тепла; ε0 = 1 при n = 0,
εn = 2, при n≥1.
Інтегруючи щільність теплового потоку на поверхні циліндра, отримали [97,
98]:

Щоб зробити можливим подальші розрахунки аналітичним шляхом, автори
розглядають два варіанти, при яких v→0 і v→∞. При цьому зроблені висновки про
те, що при v→0 циліндричне джерело аналогічне лінійному, а при v→∞ значно
відрізняється. Так термічний ККД для циліндричного швидкого руху джерела
можна визначити за формулою [98]

де Tпл - температура плавлення, L - питома теплота плавлення.

Рисунок 1.17. Модель рушійного циліндричного джерела.
Модель лінійного рухомого джерела широко застосовують при розрахунках
параметрів режимів зварювання і геометричних параметрів зварювальної ванни,
необхідно оцінити відповідність розрахункових даних для лінійного джерела з

28
експериментальними даними для ЕПЗ великої товщини з наскрізним
проплавленням в порівнянні з моделлю рухомого циліндричного джерела.

Мета і завдання дослідження
В результаті літературного огляду встановлено, що однією з найважливіших
проблем отримання бездефектних зварних з'єднань металів великої товщини з
використанням електронно-променевого зварювання є коливання глибини
проплавлення, що приводить до появи кореневих дефектів. Аналіз різних моделей
формування зварювальної ванни при ЕПЗ показує, що основними причинами
утворення кореневих дефектів є складні коливальні процеси в зварювальній ванні
і парогазовому каналі. Результати великої кількості робіт, присвячених боротьбі з
кореневими дефектами, зводяться до заходів щодо зменшення впливу коливальних
процесів на формування зварних швів і не дозволяють гарантувати відсутність
дефектів в корені шва в широких межах режимів зварювання.
Для виключення впливу кореневих дефектів на якість шва при ЕПЗ, часто
використовують видаляєму підкладку, тим самим дефекти фактично видаляються
механічно. Однак така технологія значно підвищує трудомісткість, до того ж не
кожна конструкція дозволяє використовувати підкладки.
ЕПЗ з вільним формуванням кореня дозволяє виключити утворення
кореневих дефектів, але в такому випадку виникає небезпека витікання рідкого
металу з боку кореня і утворення ввігнутості в вершині. Забезпечити якісне
формування швів без ввігнутості в вершині деякі автори пропонують за допомогою
ЕПЗ горизонтальним променем, однак при такій схемі виникають труднощі з
формуванням вершини шва. Для формування вершини шва використовують
водоохолоджувані формувачі або здійснюють зварювання в магнітному полі.
Проте, такі технологічні рішення не завжди здійсненні, наприклад, при
зварюванні неповоротних кругових стиків типу «труба - трубна дошка». В цьому
випадку ЕПЗ з вільним формуванням в нижньому положенні має явні переваги:
технологія виконання швів значно простіше і не вимагає спеціальних
пристосувань, знижується витрата матеріалів, легше здійснюється візуальний

29
контроль процесу, до того ж при зварюванні неповоротних кругових стиків умови
формування ванни не змінюються. Проблема витікання рідкого металу з боку
кореня вирішується за рахунок збільшення швидкості зварювання або шляхом
зменшення ширини шва, наприклад за рахунок поздовжніх пилкоподібних
коливань променя. Поздовжні пилковидні коливання променя не завжди можна
здійснити на типових електронно-променевих установках, особливо коли мова йде
про кругових стиках, тому підвищення стабільності формування кореня шва при
ЕПЗ в нижньому положенні за рахунок збільшення швидкості найбільш
технологічно. Однак надмірне збільшення швидкості не завжди прийнятно, тому
що при цьому підвищуються зварювальні напруження і потрібні більш потужні
джерела живлення електронно-променевої гармати.
Таким чином, метою даної роботи є підвищення якості формування зварних
з'єднань при ЕПЗ з вільним формуванням швів матеріалів великої товщини шляхом
обгрунтованого вибору параметрів режиму зварювання. Для досягнення
поставленої мети в роботі вирішувалися наступні завдання:
1. Аналіз моделі руху рідкого металу в зварювальній ванні та визначення
мінімально допустимої швидкості зварювання, що забезпечує якісне
формування швів «у висячому положенні» в нижньому положенні.
2. Визначення ширини шва як функції від швидкості зварювання, діаметра
парогазового каналу і фізичних властивостей матеріалів, що зварюються.
3. Визначення закономірності зміни термічного ККД процесу ЕПЗ з
глибоким проплавленням від швидкості зварювання і фізичних
властивостей матеріалів.
4. Розробка методики розрахунку струму променя, що враховує зміну
термічного ККД в залежності від швидкості зварювання.
5. Дослідження впливу швидкості зварювання на хімічний склад, структуру
і механічні властивості зварних з'єднань.
6. Розробка технології ЕПЗ неповоротних стиків конструкцій з титанових
сплавів і аустенітних сталей.

30
Розділ 2 Визначення параметрів режиму епз з вільним формуванням
шва
2.1. Вплив швидкості зварювання на вільне формування шва при ЕПЗ з
наскрізним проплавленням
У першому розділі в ході літературного огляду розглянуті проблеми вільного
формування кореня при електронно-променевому зварюванні з наскрізним
проплавленням і встановлено, що збільшення швидкості зварювання дозволяє
підвищити якість зварних з'єднань. В результаті аналізу наявних моделей, була
обгрунтована необхідність розробки моделі, що дозволяє визначати мінімальну
допустиму швидкість зварювання, при якій шов формується без ввігнутості.
При високих швидкостях зварювання зварювальна ванна має витягнуту
форму і швидко звужується в міру кристалізації рідкої фази, тому в даній роботі
запропонували динамічну модель витікання металу в кореневій частині шва. При
цьому допустили, що тепловідвід здійснюється тільки через бічні стінки
зварювальної ванни. На характер тепловідведення через бічні стінки зварювальної
ванни в першу чергу впливає швидкість зварювання і температуропровідність,
тому в даній роботі розглядали в якості високої таку швидкість зварювання, при
якій виконувалася умова vd/2a> 1. Оскільки неможливо аналітично врахувати всю
складність процесів формування ванни, то в розрахунках прийняли, що процес ЕПЗ
квазістаціонарний. При цьому розміри ванни по товщині постійні, а стінки
вертикальні (рис. 2.1). Крім того не враховували конвективний теплоперенос і рух
розплаву в зварювальній ванні в горизонтальному напрямку. Так само допустили,
що швидкість руху рідкого металу в вертикальному напрямку в перерізі з
максимальною шириною ванни дорівнює нулю.

31

Рисунок 2.1. Зовнішній вигляд моделі зварювальної ванни.
Тоді при ЕПЗ в нижньому положенні в кожному елементарному перетині
зварювальної ванни силі тяжіння протидіють сили поверхневого натягу в корені і
сили в'язкісного тертя. Згідно [99] в даних умовах сили в'язкісно тертя набагато
менші сил поверхневого натягу, тому в подальшому їх не враховували.
У випадку, якщо в перерізі з максимальною шириною ванни сили
поверхневого натягу більше сил важкості, то небезпеки витікання металу в корені
шва не виникає. В протилежному випадку рідкий метал починає рухатися
прискорено вертикально вниз. Однак з урахуванням того, що температура і ширина
ванни в кожному наступному перетині в міру віддалення джерела тепла
зменшується, то в певний момент сили поверхневого натягу, що діють на ванну
шириною 2R0, зрівняються з силою тяжіння і рідкий метал припинить витікати.
Припустимо, що радіус округлення кореня в поздовжньому напрямку нескінченно
великий, тоді умова рівноваги в зварювальній ванні можна записати:

32
де ρж - щільність рідкого металу при температурі плавлення; g - прискорення
вільного падіння; δ - товщина зварюваного металу; σ - коефіцієнт поверхневого
натягу.
Кількість металу, який витік буде залежати від ширини шва, швидкості
кристалізації, щільності рідкого металу, товщини металу і коефіцієнта
поверхневого натягу.
В елементарному перетині метал в розплавленому стані займає в ρж/ρ раз
більший об'єм, ніж в твердому стані при кімнатній температурі. При цьому зайвий
метал формує посилення в вершині і (або) випливає в корені. Тоді допустиме
провисання металу з боку кореня шва з урахуванням неприпустимості утворення
ввігнутості в вершині шва, визначили за наступним виразом:

Порівнюючи тривалість існування рідкої фази і тривалість заповнення рідким
металом циліндричного каналу в залежності від радіуса каналу, автори роботи [36]
визначили критичний радіус, більше якого ймовірність виникнення дефектів
мінімальна.
Розглянемо елементарний перетин зварювальної ванни товщиною Δx.
Кількість теплоти Qk, яку необхідно відвести від елемента ванни товщиною Δx, щоб
отримати його шириною 2 R0 в процесі кристалізації, визначили за формулою:

У даних умовах тепло буде відводитися в основному через бічну поверхню
ванни, тому перетворивши закон теплопровідності Фур'є, можна знайти значення
Qk зі співвідношення:

де tж - тривалість відводу тепла, ∂T/∂y -градіент температури в напрямку відводу
тепла.
Використовуючи дані роботи [100], для електронно-променевого зварювання
можна записати

33

Прирівнюючи праві частини рівнянь (2.3) і (2.4) з урахуванням (2.5) отримали

По суті, це час, протягом якого рідкий метал буде витікати під дією
гідростатичного тиску, поки сили поверхневого натягу не зрівняються з силою
тяжіння. Як видно з виразу, тривалість витікання рідкого металу залежить від
швидкості зварювання, причому збільшення швидкості зварювання зменшує
тривалість витікання рідкого металу.
Розглянемо рівняння рівноваги сил діючих на рідкий метал:

де прискорення рідкого металу у вертикальному напрямку, R(t) - залежить від
часу радіус округлення в корені зварювальної ванни.
Припустимо, кристалізація йде з постійною швидкістю, тоді радіус
округлення зменшується лінійно:

де tк - час, за який рідкий метал в даному перетині повністю закристалізується. Тоді
tk можна визначити аналогічно tж:

Підставляючи (2.8) і (2.9) в (2.7) і вважаючи, що m = ρжδBΔx отримали

Після інтегрування (2.10) отримали

де s - провисання рідкого металу з боку кореня шва. На рис. 2.2 представлені
залежності прискорення, швидкості в вертикальному напрямку і провисання

34
рідкого металу в залежності від відстані від джерела теплоти для наступних умов:
v = 30 м / год, B = 3 мм, δ = 50 мм, матеріал - сплав 5В.

Рисунок 2.2. Залежність прискорення (а), швидкості (б), провисання (в)
рідкого металу зварювальної ванни від відстані до джерела теплоти.
Прирівнюючи вираз (2.2) і (2.11) можна отримати вираз, для визначення
критичної швидкості зварювання, при якій вершина шва буде на рівні лицьової
поверхні шва, тобто без ввігнутості і посилення:

Мінімально допустима швидкість залежить від щільності металу,
теплофізичних властивостей, коефіцієнта поверхневого натягу, товщини
зварюваного металу і ширини шва. Розрахунки проводили для титанового сплаву
5В. При виборі матеріалів для досліджень виходили з необхідності перевірки

35
розрахункових даних для матеріалів з різними теплофізичними і фізичними
властивостями.
Широкий огляд довідкової літератури [101-113] не дозволяє з'ясувати всі
необхідні для розрахунку дані за властивостями досліджуваних сплавів, тому в
роботі допускали використання довідкових даних для чистих матеріалів. Так як
залежність щільності металів від температури в рідкому стані слабо вивчена, в
розрахунках використовували щільність рідкого металу при температурі
плавлення. Оскільки в даній аналітичній моделі практично неможливо врахувати
залежність теплофізичних властивостей від температури, при розрахунках
використовували дані для температури 300˚К. При розбіжності одних і тих же
властивостей в різних джерелах, в роботі віддавали перевагу значенням, які
найчастіше зустрічаюиться в літературі. У табл. 2.1 показані довідкові дані,
використані при розрахунках.
Температуру поверхні парогазового каналу Tв можна визначити з умови
рівноваги в парогазовому каналі, допускаючи, що канал має циліндричну форму:

де p - тиск в парогазовому каналі.
Таблиця 2.1 - Властивості досліджуваних сплавів
Фізичні властивості Значення
Плотність металу ρ, кг/м3 при 300˚К 4500
Плотність рідкого металу при температурі 4120
плавлення ρж, кг/м3 при Тпл
Гранична теплоємність с, Дж/кг˚К при 300˚К 530.8
Теплопровідність λ, Вт/м·К 18.85
Гранична теплота плавлення Lпл, Дж/кг 470000
Температура плавлення Тпл, ˚К 1944

Відомо [114], що тиск в парогазовому каналі залежить від глибини і при
незмінному діаметрі каналу плавно збільшується, тому при розрахунках
розглядали середні значення на глибині δ/2.
Тиск в парогазовому каналі визначали як суму парціальних тисків кожного
елемента сплаву pi:

36

де p 0
i - тиск насиченої пари i-того елемента над чистим металом, Xi - атомна
доля i-того елемента в сплаві, Yi - коефіцієнт активності i- того елемента в сплаві.
Коефіцієнт активності Yi в літературі [115] зустрічається тільки для сталей,
тому для алюмінієвих і титанових сплавів при розрахунках брали за одиницю. Тиск
насиченої пари p 0
i представлено у вигляді рівняння Клапейрона-Клаузіуса, який
для зручності розрахунків перетворено в рівняння виду [116, 117]:

де A, B, C, D- емпіричні коефіцієнти.
У табл. 2.2 показані коефіцієнти для елементів, що входять до складу
досліджуваних сплавів.
Таблиця 2.2 - Коефіцієнти для розрахунку тиску насичених парів над чистим
металом [117]
Елемент А В С D Інтервал
температур, К
Al 16450 12,36 -1,023 0 1200-2800
Cr 20680 14,56 -1,31 0 298-2130
Cu 17650 13,39 -1,273 0 1356-2870
Fe 19710 13,27 -1,27 0 1812-3000
Mg 7550 12,79 -1,41 0 922-1363
Mn 13900 17,27 -2,52 0 1517-2333
Mo 34700 11,66 -0,236 -0,145 298-2893
Ni 22400 16.95 -2,01 0 1726-3183
Si 20900 10,84 -0.565 0 1685-3543
Ti 23200 11,74 -0,66 0 1940-3558
V 26900 10,12 0,33 -0,265 298-2175
Коефіцієнт поверхневого натягу для сталі 40Х13 визначили за формулою,
запропонованої в роботі [118]:

де Fi - параметр, що характеризує капілярну активність легуючих елементів.

37
Параметр Fi для більшості легуючих елементів представлений в літературі
для температури 1873 К. Для визначення Fi при інших значеннях температури
використовували вираз:

Для алюмінієвих і титанових сплавів використовували загальну формулу
[115, 118]:

де σ0 - коефіцієнт поверхневого натягу при Tпл.
При розрахунках використовували для титанового сплаву дані джерела [110],
а для алюмінієвого сплаву дані джерел [112, 122] як найбільш детальны роботи у
відповідній області.
Таким чином, підставляючи в рівняння (2.14) залежності тиску і
поверхневого натягу від температури, розрахунковим шляхом отримали
температуру поверхні парогазового каналу Tв.
Потім за допомогою формули (2.13) отримали залежності мінімально
допустимої швидкості зварювання від ширини шва для різної товщини (рис. 2.3).
Отримані при розрахунку допустимі швидкості зварювання дещо занижені, так як
в розрахунковій моделі не враховується переміщення рідкого металу вниз по
передній стінці при вільному формуванні.
Для оцінки справедливості отриманих даних був проведений експеримент по
ЕПЗ з наскрізним проплавленням пластин з титанового сплаву 5В,. Експеримент
проводили на установці ЕЛА 40И з прискорюючою напругою 60 кВ. Для
гарантованого наскрізного проплавлення струм зварювання підбиралися з запасом
потужності, який становив 40% від струму зварювання, при якому з'являється
точкове проплавлення. Фокусування підбирали гостре, тобто забезпечуючу
максимальну глибину проплавлення при даному струмі променя і робочій відстані.
Режими зварювання представлені в табл. 2.3.

38

Рисунок 2.3. Залежність мінімально допустимої швидкості зварювання від
ширини шва і зварюваної товщини для титанового сплаву
Таблиця 2.3 - Режими ЕПЗ з наскрізним проплавленням
Матеріал Струм зварювання, мА Швидкість
зварювання, м/год
140 20
190 40
Сплав 5В δ=32 мм 240 60
300 90
350 120
Варто зазначити, що для отримання швів з різною шириною при зварюванні
титанового сплаву 5В на швидкості 60 м / год провели додаткові досліди по ЕПЗ з
круговим розвертанням, амплітуда якої становила 0,5 і 1 мм. В якості ширини шва
при розрахунку необхідно використовувати ширину кореня, оскільки сили
поверхневого натягу протидіють силам важкості саме в корені шва. Зіставивши
експериментальні та теоретичні дані, можна зробити висновок про адекватність
отриманої розрахункової моделі для титанового сплаву (рис. 2.4).

39

Рисунок 2.4. Порівняння теоретичних та експериментальних даних при
ЕПЗ сплаву 5В δ=32 мм.
Також слід зазначити, що ширина шва значно впливає на вільне формування
кореня шва. До того ж оскільки ширина шва змінюється в залежності від швидкості
зварювання, попередні розрахунки ускладнені, тому виникає необхідність
визначати ширину шва теоретично для кожної швидкості зварювання.

2.2 Визначення ширини шва при ЕПЗ з вільним формуванням шва
Відомо [41], що на ширину шва при ЕПЗ впливають теплофізичні властивості
матеріалу, швидкість зварювання і діаметр променя. Найбільш змінним
параметром в цьому випадку є швидкість зварювання, тоді як при зварюванні
одного і того ж матеріалу теплофізичні властивості не змінюються, а діаметр
променя залежить в основному від конструкції гармати і в фокальній площини
залишається практично незмінним. Надалі для спрощення розрахунків зроблені
наступні припущення:
- діаметр променя залишається незмінним при всіх струмах зварювання;
- електронний промінь має циліндричну форму по всій глибині
зварювальної ванни;
- в процесі зварювання утворюється парогазовий канал того ж діаметру, що
і електронний промінь.

40
Для підтвердження першого припущення провели дослід з виміру діаметрів
парогазових каналів, що утворюються при різних струмах променя. В ході
експерименту струм променя різко вимикали в процесі ЕПЗ, в результаті чого
залишалися порожнини в парогазовому каналі. Потім отримали поперечні шліфи,
на яких і проводили вимірювання ширини каналу. Результати вимірювань показані
на рис. 2.5.

Рисунок 2.5. Експериментальна оцінка середньої ширини парогазового
каналу при ЕПЗ.
Хоча методика визначення ширини парогазового каналу досить груба, все ж
за результатами вимірювань можна при першому наближенні допустити, що
парогазовий канал і, отже, діаметр променя має постійні розміри.
Враховуючи зроблені припущення, ширину шва визначили, використовуючи
модель рухомого циліндричного джерела теплоти, яка представлена в роботах [97]
та [98]. Для цього розглянули розподіл температурних полів в полярних
координатах від рухомого циліндричного джерела з постійною температурою
поверхні.
У ролі циліндричного джерела теплоти вступає електронний промінь, тоді
температурі поверхні циліндричного джерела відповідатиме температура поверхні
рідкого металу в парогазовому каналі, яку визначили з умови рівноваги (2.13).
Ізотерма T(r,θ)=Tпл, як показано на рис. 2.6, є фактично кордоном
зварювальної ванни. Максимальна ширина ванни і є шириною шва. Розв'язуючи
��(��,θ)=��пл чисельно відносно r, отримали залежність r (θ) в полярних координатах.
Тоді ширина шва визначається спільним рішенням наступних рівнянь:

41

Проаналізувавши розрахункову схему можна зробити висновок, що ширина
шва залежить від температуропровідності, різниці між температурою стінок каналу
і температурою плавлення, швидкості зварювання і діаметра циліндричного
джерела. На рис. 2.7 показані залежності ширини шва від швидкості зварювання
для сплаву 5В. При розрахунках для сплаву 5В діаметр променя брали за d=1,1 мм.
Діаметр променя оцінювали експериментальним шляхом по ширині парогазового
каналу, який залишався після різкого вимикання струму променя.

Рисунок 2.6. Схема визначення ширини шва при русі циліндричного
джерела тепла.
Враховуючи те, що в даній моделі не враховано рух розплаву, слід зазначити
завищення значення ширини шва при високій теплопровідності. Дане явище
пов'язане з конвективним теплопереносом, в результаті якого температура в
зварювальній ванні розподіляється більш рівномірно, ніж в твердому металі, що
підвищує градієнт температури на лінії сплавлення. Це призводить до більш
інтенсивного охолодження зварювальної ванни і зменшення її ширини. Таким
чином, дану методику можна використовувати для визначення ширини шва при
ЕПЗ матеріалів з низькою теплопровідністю, таких як титанові сплави і сталі.

42

Рисунок 2.7. Залежність ширини шва від швидкості
в порівнянні з експериментальними даними для
сплаву 5В
Слід зазначити, що ширина шва сильно залежить від діаметра циліндричного
джерела тепла (діаметра парогазового каналу). Оскільки діаметр каналу багато в
чому залежить від параметрів оптичної системи гармати, від режимів зварювання,
параметрів процесів взаємодії пучка з парою, електронів між собою, а так само
вплив власного магнітного поля на електронний промінь, теоретичне визначення
діаметра парогазового каналу не представляється можливим. До того ж діаметр
парогазового каналу зростає зі збільшенням глибини проплавлення. Тому цей
параметр в розрахунковій схемі можна оцінювати орієнтовно для кожної установки
в залежності від глибини проплавлення і властивостей матеріалу.
Порівнюючи розрахункові та експериментальні дані, можна відзначити
значення в діапазоні швидкостей зварювання 60-120 м/год. Збільшення ширини
шва в корені характерно для променевих способів зварювання з наскрізним
проплавленням, і пояснюється термокапіллярним ефектом.

2.3 Розрахунок необхідного струму променя при ЕПЗ
Для розрахунку струму променя при ЕЛС можна використовувати
співвідношення для визначення повної потужності циліндричного джерела
теплоти:

43
Запропонували замінити сумування на вираз типу
Емпіричні коефіцієнти отримали для діапазону значень
x=0,025..5,0: A5 = -0,35, A6 = 0,62, A7 = 0,71, A8 = 0,37.
На рис. 2.8 показано графічне порівняння підсумовування з
виразом типу
Оскільки в процесі зварювання енергія витрачається не тільки на нагрів
металу, але і на плавлення, необхідно враховувати ці витрати. Крім того на
передній стінці парогазового каналу частина металу інтенсивно випаровується,
причому через високі значення питомої теплоти кипіння ці втрати можуть
виявитися істотними. Для розрахунків прийняли, що випаровується близько 2% від
маси розплавленого металу. Таким чином, отримали формулу для розрахунку
потужності променя:

Рисунок 2.8. Графічне порівняння виразів

44
На рис. 2.9 представлені розрахункові залежності необхідного струму
променя від швидкості зварювання в порівнянні з експериментальними
результатами.

Рисунок 2.9. Залежність струму променя від швидкості зварювання.
Як видно з графіка, розрахункові та експериментальні значення добре
сходяться і відхилення не перевищують 15%.

Висновок до розділу 2
Враховуючи особливості формування зварювальної ванни при ЕЛС на
високих швидкостях з вільним формуванням, запропонована аналітична модель,
що дозволяє визначити мінімально допустиму швидкість зварювання, при якій шов
формується без ввігнутості в вершині. На підставі цієї моделі виведена формула
для визначення мінімально допустимої швидкості зварювання, залежить від
теплофізичних і фізичних властивостей матеріалу, товщини стику і ширини шва.
Порівняння з експериментальними результатами показало адекватність отриманої
формули для матеріалів з низькою теплопровідністю, таких як титанові сплави і
сталі.

45
Оскільки ширина шва є непостійною величиною, на підставі моделі рухомого
циліндричного джерела опрацьована методика визначення ширини шва в
залежності від теплофізичних і фізичних властивостей металу, діаметра променя і
швидкості зварювання. Зіставлення з експериментальними даними
продемонструвало задовільну відповідність для сплаву 5В і сталі 40Х13 на високих
швидкостях зварювання 60..120м/год.
Розрахунок термічного ККД в залежності від швидкості зварювання з
використанням рухомого лінійного і циліндричного джерел теплоти показав, що
електронний промінь не можна вважати таким, що рухається швидко і термічний
ККД досить сильно залежить від швидкості зварювання.
Використовуючи повну потужність циліндричного джерела теплоти,
отримали формулу для розрахунку необхідного струму променя з урахуванням
витрат енергії на плавлення і випаровування. Порівняння розрахунків з дослідними
даними показало хорошу відповідність результатів у всьому діапазоні швидкостей
зварювання для всіх матеріалів, що дозволяє рекомендувати отриману формулу для
попереднього розрахунку струму променя.

46
Розділ 3 Вплив швидкості зварювання на властивості зварних з'єднань
У попередньому розділі розглянуті проблеми формування зварних з'єднань
при електронно-променевому зварюванні з наскрізним проплавленням і
теоретично показано, що отримання якісних зварних з'єднань досягається за
рахунок збільшення швидкості зварювання. Для забезпечення необхідних
експлуатаційних характеристик протягом усіх етапів життєвого циклу виробу
необхідно комплексне дослідження мікроструктури, механічних властивостей і
хімічного складу зварних з'єднань в залежності від швидкості зварювання. Як було
показано в першому розділі, в літературі інформація про вплив швидкості ЕПЗ на
якість зварних з'єднань досить мізерна і представлена для окремих матеріалів, тому
даний розділ присв’ячений вивченню впливу швидкості зварювання на якість
зварних з'єднань сплавів, що володіють різним властивостями.
3.1 Дослідження впливу швидкості зварювання на якість зварних
з'єднань титанового сплаву 5В
Титан - поліморфний метал і може знаходитися у вигляді двох алотропічних
модифікаціях: низькотемпературній α, стійкій до 882,5 ° С і має гексагональну
щільноупаковану гратку (ГЩУ) і високотемпературні β - модифікація титану з
об'ємно-центрованою кубічною граткою (ОЦК), стабільна від температури 882,5°С
до точки плавлення.
Відповідно до ГОСТ 19807-91, хімічний склад сплаву 5В представлений в
табл. 3.1
Елемент Al V Mo Zr Si Fe O H N C
Вміст,
%

3.1.1 Дослідження впливу швидкості зварювання на хімічний склад

4,7-6,3
1,0-1,9
0,7-2,0
0,1
0,12
0,25
0,13
–
0,04
0,06- 0,14
47
зварних з'єднань
Експлуатаційні властивості сплавів багато в чому визначені хімічним складом.
У попередньому розділі було показано, що тиск насичених парів різних елементів
в парогазовому каналі може відрізнятися на кілька порядків. Зокрема, в титановому
сплаві 5В в умовах ЕПЗ найбільшим парціальним тиском володіє Al (рис. 3.1), що
може привести до зниження концентрації алюмінію і, як наслідок, зменшення
міцності зварного з'єднання, оскільки зміцнення сплаву алюмінієм відбувається за
принципом твердорозчинного зміцнення. Оскільки доля випаруваного металу
залежить від температури розплаву і тривалості перебування сплаву в рідкому
стані, необхідно досліджувати вплив швидкості зварювання на концентрацію
летких елементів в зварному з'єднанні.

Рисунок 3.1. Залежність парціального тиску компонентів сплаву 5В від
температури.
Для визначення хімічного складу використовували атомно-емісійний
спектрометр з лазерним збудженням LAES Matrix, зовнішній вигляд якого
представлений на рис. 3.2.
Спектрометр виконує вимірювання масової частки елемента методом атомної
емісії компонента при його збудженні лазерним пучком. Спектр, що отримується
при збудженні плазми, реєструється і обробляється за допомогою програмно-
апаратних засобів. Визначення елементного складу здійснюється за положенням
характерних спектральних ліній. Кількісний хімічний склад визначається за

48
інтенсивністю цих ліній, при цьому програмне забезпечення дозволяє
зареєструвати як положення, так і інтенсивність випромінювання. Метод
визначення хімічного складу заснований на порівняльному аналізі інтенсивності
досліджуваного зразка і еталонів. Тому для кожного з матеріалів необхідно
складання нової методики визначення хімічного складу.

Рисунок 3.2. Спектрометр LAES Matrix.
Програмне забезпечення зберігає в пам'яті методику, тому її досить скласти
один раз. З урахуванням того, що інтенсивність піків залежить від багатьох
факторів, таких як потужність лазерного випромінювання, якість поверхні, обжиг
еталонів і досліджуваних зразків проводили на однакових режимах, а для
збільшення точності, поверхні обробляли аналогічним чином. Крім того, для
збільшення точності дослідження вимірювання проводили в декількох точках.
Для опрацювання методики було використано по 5 еталонів для кожного типу
матеріалу. Їх склад наведено в табл. 3.3.
Таблиця 3.2 - Склад легуючих елементів в еталонних зразках для визначення
складу титанових сплавів,%
№ Al Mo V Zr Fe Si C
зразка
1 2,21 5,89 5,59 0,14 0,064 0,18

49
2 3,09 4,46 3,56 0,12 0,24 0,078 0,087
3 3,9 2,9 1,55 0,29 0,34 0,14 0,1
4 5,3 3,92 0,31 0,1 0,13
5 7,49 1,78 0,91 0,043 0,41 0,21 0,042
Спектр кожного еталона був збережений і оброблений на комп'ютері. Обжиг
еталонів проводився на наступному режимі: енергія лампи 18 Дж, число пострілів
обжиги - 2, число основних пострілів - 5. Постріли обжигу необхідні для зняття
оксидних плівок і видалення домішок з поверхні, вони не реєструються. Наступні
основні постріли реєструються і усереднюються. Спектр був знятий з 4 ділянок
еталона по 25 точок у кожному і усереднювався по 25 точкам. Отримані результати
були збережені на комп'ютері і оброблені. Для створення методики дослідним
шляхом були вибрані необхідні піки всіх легуючих елементів. При цьому піки мали
відповідати таким вимогам: відсутність впливу на них піків інших елементів,
достатня інтенсивність піків і стабільна пропорційна зміна інтенсивності піку при
зміні змісту елемента в зразках. У деяких випадках більш точний результат дають
не інтенсивності піків, а відношення інтенсивності легуючого елемента до
інтенсивності основи, або площі піків і, відповідно, їхні відношення.
Як приклад наведено окремий пік інтенсивності випромінювання алюмінію
двох еталонних зразків з різною концентрацією (рис. 3.3).

Рисунок 3.3. Пік інтенсивності випромінювання алюмінію двох еталонів з
різною концентрацією.

50
Визначили хімічний склад основного металу і зварних швів, отриманих на
різних швидкостях. Результати аналізу складу основного металу, отримані по 4
дільницях, в кожному з яких спектр знімали з 5 точок, наведені в табл. 3.3, і
дозволяють зробити висновок про гарну збіжність результатів дослідження з
сертифікатом виробника. Деякий розкид в значеннях, який представлений в
таблиці у вигляді середнього квадратичного відхилення (СКВ), можна пояснити
структурною неоднорідністю і похибкою приладу.
Таблиця 3.3 - Хімічний склад сплаву 5В, отриманий на спектрометрі LAES Matrix
Елемент Al V Mo Zr Si Fe
Середній
вміст, % 4,8 1,41 1,07 0,03 0,06 0,08
СКВ 0,17 0,09 0,14 0,02 0,03 0,06
Оскільки після верифікації методики спектрометр дозволяє отримувати дані
про хімічний склад в автоматичному режимі, для дослідження використовували
зразки, отримані на всіх швидкостях: 20, 40, 60 90 і 120 м/год. У кожному шві також
використовували спектр з 4 ділянок по 5 точок в кожному. Оскільки з усіх
легуючих елементів найбільший інтерес представляє алюміній, як самий летючий
елемент, результати вимірювань представлені у вигляді графіка залежності вмісту
алюмінію в шві в залежності від швидкості зварювання, рис. 3.4.

Рисунок 3.4. Графік залежності вмісту алюмінію в шві в залежності від
швидкості зварювання.
Як видно з графіка істотних змін вмісту алюмінію в зварних швах не
відбувається. Невідповідність розрахунковими даними (рис. 3.1) можна пояснити
тим, що при розрахунках брали коефіцієнт активності алюмінію за одиницю, тоді

51
як справжня його активність в сплаві невідома. До того ж, ці розрахунки
справедливі в тому випадку, якщо всі елементи дислоковані, в той час як в алюміній
в сплаві може знаходитися у вигляді хімічної сполуки з титаном.
3.1.2 Металографічні дослідження зварювальних з’єднань
Об'єктом дослідження є зразки зварних з'єднань, отриманих в результаті
проведених раніше експериментів. У табл. 3.4 представлені режими ЕПЗ і основні
параметри зварних швів. Варто зазначити, що всі шви маю характерне
«кинджальне» проплавлення і зовнішня відмінність зварних з'єднань полягає в
різній ширині шва і різному характері формування вершини і кореня шва.
Для підготовки мікрошліфів використовували обладнання для механічної
підготовки зразків фірми Buehler: відрізний верстат AbrasiMatic 300, верстат для
гарячого запресування Simplimet 1000, автоматичний шліфувально-полірувальний
верстат EcoMet 250. Методика підготовки загальноприйнята: покрокове
шліфування на абразивному карбідокремнієвому папері зернистістю від Р180 до
Р1000 або алмазних дисках тієї ж зернистості, потім полірування на різних
тканинах з використанням алмазної суспензії з розмірами частинок 9 і 3 мкм і
фінальне полірування за допомогою колоїдної суспензії з розміром оксидів
кремнію 0,06 мкм на синтетичному оксамиті до отримання дзеркальної поверхні
без рисок. Для виявлення мікроструктури травлення мікрошліфа проводилося на
протязі 5-10 с в реактиві складу: плавикова кислота - 5 мл, азотна кислота - 5 мл,
вода - 90 мл.

Номер шліфа
Зовнішній
вигляд
Прискорююча
напруга, кВ
Струм
зварювання,
мА
Швидкість
зварювання,
м/год
Робоча
відстань,
мм
Струм
фокусування,
мА
Товщина
стика, мм
Ширина в
центрі шва, мм
Ширина
ЗТВ, мм
52
1
1 4 20 772 3,15 1,15
0

2 60 240 60 200 773 32 1,64 0,82

3 350 120 774 1,49 0,68

Дослідження мікроструктури проводили на оптичному мікроскопі Observer
Z1m фірми Carl Zeiss. Зовнішній вигляд мікроскопа представлений на рис. 3.5.

Рис. 3.5 - Мікроскоп Observer Z1m.

53
На рис. 3.6 показані панорамні знімки центральної частини поперечних шліфів
(вертикальна лінія позначає вісь шва).

Рисунок 3.6. Панорамні знімки центральної частини швів, отриманих на
швидкості 20 м/год (а), 60 м/год (б), 120 м/год (в).
Структура основного металу зварюваних пластин титанового сплаву 5В
формується в процесі гарячої обробки тиском. У процесі прокатки пластини
деформація проводиться при температурах, відповідних β - області, тому в
основному металі спостерігаються великі витягнуті уздовж прикладеного
навантаження зерна (рис. 3.7а). Відомо, що в β - області титанові сплави схильні до
значного зростання зерна. Після деформації при температурах, відповідних β-
області, всередині зерен спостерігаються пластинчасті структури (рис. 3.7б).
Пластини α-фази, що утворилися при β → α перетворення орієнтовані по різному в
кожному фрагменті зерна і розташовані майже паралельно один одному, при
досить великій кількості β-стабілізаторів α-пластини розділені прожилками β-фази
(рис. 3.7в).

54

а) б) в)
Рисунок 3.7 - Мікроструктура основного металу, збільшення 50х (а), 200х (б)
і 1000x (в).
Мікроструктура зони термічного впливу визначається зварювальним
термічним циклом, а саме температурою нагріву і часом перебування металу вище
температури фазового перетворення α → β. При ЕПЗ час перебування металу вище
критичної температури незначний, тому в силу інерційності дифузійного розподілу
ізоморфних β-стабілізаторів за об'ємом, зона термічного впливу успадковує
структуру основного металу. Так, в зоні нагріву металу вище температури фазового
перетворення на місці прожилок β-фази з'являється м'яка мартенситна α"-фаза, що
може привести до локального зниження міцності. У міру підвищення температури
нагріву і наближенні до зварного шва, β-фаза збіднюється β- стабілізаторами і тому
α"-фаза за хімічним складом і кристалічній решітці наближається до α'-фази. Слід
зазначити, що структура ЗТВ на зварних з'єднаннях, отриманих при різних
швидкостях ідентична (рис. 3.8), і відрізняється тільки довжиною.

55

Рисунок 3.8 - Мікроструктура ЗТВ зварного з'єднання, отриманого на
швидкості 20м/год, збільшення 200х (а) і 1000x (б).
Мікроструктура на ділянці лінії сплавляння зварних швів, отриманих на різних
швидкостях, представлені на рис. 3.9, 3.10 і 3.11. Метал, прилеглий до шва в
процесі зварювання нагрівається до підсолідусних температур, причому зі
зменшенням швидкості зварювання збільшується час перебування металу при цих
температурах, що призводить до зменшення ступеня хімічної неоднорідності β-
фази в області її стійкості і початку збиральної рекристалізації. В таких умовах на
лінії сплавлення шва, отриманого при маленькій швидкості зварювання, не
виявляється чітка межа розділу між металом шва і ЗТВ. Так, в області сплаву
спостерігаються одночасно чіткі межі між зернами α'-фази, характерні для металу
шва і включення α "-фази, утворені через спадкову хімічну неоднорідності вихідної
структури (α + β), що вказує на перетворення в твердому стані. У той же час, в
зварних з'єднаннях, отриманих на високих швидкостях (рис. 3.10, 3.11), чітко
простежується межа між металом шва і ЗТВ, що свідчить про малий час
перебування прилеглого до шва металу в області стійкості β-фази, внаслідок чого
гомогенізація і рекристалізація не встигли відбутися.

56

Рисунок 3.9. Лінія сплаву зварного з'єднання, отриманого на швидкості
20м/год, збільшення 200х (а) і 1000x (б).

Рисунок 3.10. Лінія сплаву зварного з'єднання, отриманого на швидкості
60м/год, збільшення 200х (а) і 1000x (б).

Рисунок 3.11. Лінія сплаву зварного з'єднання, отриманого на швидкості
120м / год, збільшення 200х (а) і 1000x (б).

57
Мікроструктура центральної частини зварних швів, отриманих на швидкості
20 м/год (рис. 3.12), 60 м/год (рис. 3.13) і 120 м/год (рис. 3.14), має голчасту будову
мартенситу (α '- фаза), кордони зерен тонкі, чіткі. Метал шва має характерну
дендритну структуру з кристалітами, витягнутими від основного металу до центру
шва, в напрямку протилежному тепловідводу, причому на поперечному зрізі шва,
отриманого на малій швидкості (рисунок 3.12) зерна в центрі шва практично
рівноосні, так як тепловідвід здійснювався через задню стінку зварювальної ванни,
а при високих швидкостях зварювання тепловідвід здійснюється переважно по
бічним стінкам.

Рисунок 3.12. Мікроструктура металу шва, отриманого на швидкості 20м /
год, збільшення 200х (а) і 1000x (б).

Рисунок 3.13. Мікроструктура металу шва, отриманого на швидкості 60м /
год, збільшення 200х (а) і 1000x (б).

58

Рисунок 3.14. Мікроструктура металу шва, отриманого на швидкості
120м/год, збільшення 200х (а) і 1000x (б).
Таким чином, незважаючи на деякі відмінності в структурі металу шва і лінії
сплавляння, в цілому зварні з'єднання титанового сплаву 5В, отриманих на різних
швидкостях має ідентичну мікроструктуру і зазнають однакові фазові
перетворення під впливом зварювального термічного циклу.
3.1.3. Дослідження механічних властивостей зварних з'єднань
Вимірювання твердості в різних зонах зварних з'єднань проводили з
використанням твердоміра Tukon 2500 компанії Wilson Hardness (рис. 3.15).

Рисунок 3.15. Зовнішній вигляд твердомер Tukon 2500.
Твердомір може бути використаний для оцінки мікроструктури матеріалів,
дозволяє проводити випробування по визначенню твердості по Віккерсу. Також
твердомір дозволяє проводити серійні виміри твердості по заданих оператором
точкам або кривим із заданим кроком безпосередньо на живому зображенні, яке

59
транслюється на моніторі. Твердомір має високу точність позиціонування і здатний
давати збільшення поверхні досліджуваного зразка до 1000х. При виявленні
розподілу твердості по перерізу зварного з'єднання вихідними даними для
проведення випробування є навантаження вдавлення і відстань між відбитками.
Випробування проводяться в автоматизованому режимі, після чого проводиться
контроль результатів і, в разі необхідності, повторні вимірювання.
Для вимірювання твердості використовували мікрошліф, виготовлені для
металографічних досліджень і представлені в таблиці 3.2. Навантаження вдавлення
становила 5 кг. Відстань між центрами відбитків - 500 мкм. На кожному шліфі
вибиралися 3 контрольні перетини, в кожному з яких вироблялося близько 30
вдавлень. На рис. 3.16 представлена схема шлифа із зазначенням перетинів, в яких
проводили випробування.

Рисунок 3.16. Схема розташування контрольних перерізів і точок на шліфах
зварних з'єднань.
Результати вимірювання представлені у вигляді графіків на рис. 3.17. З
графіків видно, що найбільші значення твердості досягаються в металі шва.
Твердість металу шва на 10-20% перевищує твердість металу ЗТВ і основного
металу. Локальних провалів твердості не виявлено, досить істотний розкид
твердості в основному металі можна пояснити структурною неоднорідністю.
Спостерігається відмінність властивостей в різних перетинах в межах одного
шліфа, що можна пояснити складним напруженим станом швів і похибкою
вимірювань. У зоні термічного впливу твердість плавно підвищується від
основного металу до металу шва, оскільки вміст β-стабілізаторів в α'-фазі

60
підвищується в міру збільшення температури нагріву і часу перебування металу
вище температури АС3, однак при цьому в деяких перетинах спостерігаються
локальне зниження твердості в околошовной зоні, що свідчить про можливу
присутність α "-фази.

Рисунок 3.17. Розподіл твердості на поперечних шліфах зварних з'єднань,
отриманих на швидкості 20 м / год (а), 60м / год (б), 120 м / год (в).
На рис. 3.18 показано розподіл твердості в середині швів, отриманих на різних
швидкостях зварювання. Як видно з графіка швидкість зварювання практично не

61
впливає на твердість металу шва, причому деяке збільшення твердості з
підвищенням швидкості зварювання цілком закономірно з огляду на збільшення
швидкості охолодження при мартенситних перетворення.

Рисунок 3.18. Розподіл твердості в середній частині швів, отриманих на
різних швидкостях.
Таким чином, при електронно-променевому зварюванні титанового сплаву 5В
високі швидкості нагріву і охолодження металу зварювальної ванни призводять до
отримання вузького зварного шва по всій висоті деталей, що зварюються і
утворення структур незначно відрізняються за властивостями від основного
металу. Збільшення швидкості зварювання істотно не впливає на мікроструктуру і
хімічний склад зварних з'єднань, хоча дещо підвищується міцність і твердість
зварного шва при постійному відношенні межі текучості до межі міцності. Таким
чином, можна рекомендувати електронно-променеве зварювання для отримання
зварних з'єднань сплаву 5В у всьому діапазоні застосовуваних на практиці
швидкостей зварювання.

62
Висновок до розділу 3
Проведено комплексне дослідження впливу швидкості ЕЛС на структуру,
механічні властивості і хімічний склад зварних з'єднань для широкого кола
матеріалів.
Встановлено, що підвищення швидкості зварювання сприяє зменшенню
розміру зерен в металі шва, а так само збільшує міцність зварних з'єднань.
Завдяки меншій тривалості перебування металу в рідкому стані, зі
збільшенням швидкості зварювання знижуються втрати летких легуючих
елементів.
Для матеріалів, що гартуються які володіють низьким запасом пластичності
підвищення швидкості зварювання небажано, оскільки може привести до
збільшення зварювальних напружень і можливого утворення тріщин. Крім того,
при ЕПЗ високолегованих сталей зі збільшенням швидкості зварювання
зменшується частина первинного фериту в металі шва, що також негативно
позначається на пластичності.
Таким чином, збільшення швидкості зварювання сприятливо позначається на
властивостях зварних з'єднань матеріалів, що мають достатній запас пластичності,
так як дозволяє отримати більш дрібнозернисту структуру шва і знизити втрати
летких легуючих компонентів.

63
Розділ 4 Відтворення технології електронно-променевого зварювання
неповоротних стиків
4.1 Особливості конструкції виробу і зварних стиків
Результати досліджень були використані при розробці технології ЕПЗ
неповоротних стиків з вільним формуванням кореня шва і дозволили значно
знизити матеріальні і трудові витрати на вибір оптимальних режимів зварювання.
Оскільки виріб, що зварюється є відповідальним елементом реакторної установки,
зварні шви відносяться до 1 категорії та вимагають високої якості з'єднань з
високим рівнем механічних властивостей.
На рис. 4.1 зображено еліптичне днище реактора. У днищі розташовані два
отвори різних діаметрів під вивідні патрубки.

Рисунок 4.1 Ескіз зварюваного виробу
Основні складності зварювання патрубків обумовлені змінною товщиною
стінок днища від 32мм до 52мм, відсутністю доступу із зворотного боку для
електронного променя, змінна товщина стику, а так само змінна фокусна відстань.
Матеріал зварюваного днища - жароміцний титановий сплав 5В, зварюваність
якого детально вивчена вище. Як показала практика, багатопрохідне аргонно-
дугове зварювання (АрДЗ) з обробленням кромок для даної конструкції не
застосовується, оскільки через високі зварювальні напруження і обмежений запас
пластичності, виникає ймовірність утворення дефектів типу холодних тріщин.

64
Результати досліджень показали, що використання ЕПЗ забезпечує хорошу
зварюваність у всьому діапазоні швидкостей зварювання.
У цих умовах, найбільш прийнятним способом зварювання розглянутого
стику (рис. 4.2) є ЕПЗ в нижньому положенні з наскрізним проплавленням і вільним
формуванням кореня.

Рисунок 4.2. Конструкція зварного стику патрубка Ø228 мм
При зварюванні електронно-променева гармата розташовується вертикально
над виробом, який встановлено в спеціальну оснастку, що забезпечує точне
позиціонування вироби. Максимальний перепад по вертикалі з лицьового боку
стику становить 62,1 мм, що змушує змінювати струм фокусування в процесі
зварювання або застосовувати переміщення гармати по вертикалі для забезпечення
оптимального фокусування в процесі зварювання.
Велика товщина стику створює небезпеку витікання рідкого металу з боку
кореня в процесі зварювання. При цьому необхідно забезпечити гарантоване
проплавлення по всьому стику, що можливо тільки при значному запасі потужності

65
променя. Таким чином, необхідно забезпечити такі режими ЕПЗ, при яких буде
отримано зварні з'єднання без угнутості в вершині і несплавлення в корені шва.

4.2 Технологія зварювання патрубків еліптичного днища
Технологія ЕПЗ виробів включає в себе наступні етапи: вхідний контроль
геометричних розмірів деталей, підготовка виробів до зварювання, складання,
виконання «прихваточних» швів, зварювання.
Підготовка кромок, що зварюються під зварювання електронним променем
має ряд особливостей, обумовлених наявністю вакууму і специфікою джерела
теплоти.
Отвори перевіряються з внутрішньої сторони на відсутність слідів мастила,
мастильно-охолоджувальної рідини або стружки. Виявлені сліди ретельно
видаляються щіткою або чистим стисненим повітрям, або азотом, або їх
промивають відповідним розчинником і потім демінералізованою водою. Не
рекомендується використовувати для очищення поверхні абразивні методи.
Після попереднього очищення виріб промивається струменем гарячої води
високого тиску з використанням простого м'якого миючого засобу для знежирення
поверхні. Подача миючого засобу потім припиняється, і виріб ретельно
ополіскується гарячою водою до повного видалення видимих слідів миючого
засобу. Після виріб висушується чистим сухим повітрям.
Хімічне очищення полягає в зануренні або протиранні виробів розчинником,
наприклад, етиловим спиртом або ацетоном. Після хімічної очистки виріб
промивається струменем гарячої чистої демінералізованої води високого тиску.
Підготовка кромок перед ЕПЗ повинна забезпечити можливість ретельного
стикування деталей, що зварюються по всій довжині з мінімальним зазором і
зміщенням по висоті.
При ЕПЗ титану і його сплавів для отримання якісних швів потрібно досить
висока точність складання виробів під зварювання і суворе дотримань зазору між

66
кромками. Залежність допустимої величини зазору в стику від товщини деталі, що
зварюється при ЕПЗ представлена на рис. 4.3.

Рисунок 4.3. Залежність допустимої величини зазору в стику від товщини
деталі, що зварюється при ЕПЗ [123].
Так як зварні шви кругові і замкнуті, то вимоги щодо допустимого зазору в
стику повинні бути в два рази збільшені. В даному випадку величина зазору між
деталями, які зварюються не повинна перевищувати 0,05 мм (рис. 4.4).
Крім того, властивості швів титанових сплавав, виконаних ЕПЗ, багато в чому
визначаються якістю підготовки кромок під зварювання. Перед зварюванням
зварювані кромки і поверхні, що прилягають до кромок на відстані не менше ніж
30 мм піддають механічній зачистці за допомогою щіток виготовлених з
пружинного дроту діаметром від 0,15 до 0,3 мм. Після зачистки зварювані поверхні
і кромки, а також прилеглі до них поверхні необхідно знежирити ацетоном, потім
етиловим спиртом. Безпосередньо перед складанням кромки додатково
протирають етиловим спиртом.

67

Рисунок 4.4. Ескіз зварюваного стика деталей до і після зварювання
Після підготовки поверхонь, що зварюються, необхідно гарантовано
зафіксувати і точно позиціонувати деталі, що зварюються. Для цього
застосовується спеціальне оснащення, зображене на рис. 4.5. Оснащення
складається з двох планок (одна з яких виконана у вигляді профільної труби),
прикріплених один до одного за допомогою двох шпильок М10. До цих планок
пригвинчені приварювані деталі болтами М10 і М16 через дистанційні шайби.
Таким чином, виходить єдина розбірна конструкція, яка може бути встановлена на
виріб.

Рисунок 4.5. Технологічне оснащення для прихватки патрубків на виробі.

68
Для фіксації положення деталей, що зварюються робляться прихваточні шви
за допомогою АрДЗ з опуклого боку днища для полегшення прицілювання при
подальшому ЕПЗ. Потім оснащення демонтується і виріб встановлюють в
спеціальне оснащення для установки в вакуумну камеру (рис. 4.6). Вона являє
собою круглу пластину, прикріплену болтами до циліндра Ø202мм. Циліндр
вставляється у відповідну частину на торці виробу. Посадка цього циліндра в виріб
виконано з гарантованим зазором. Дві шайби Ø1540мм, з'єднані між собою
шпильками, утворюють роз'ємну конструкцію, у верхній частині якої є римболти
для переміщення виробу. Виріб переміщують на стіл і завантажують в вакуумну
камеру.
На рис. 4.7 представлений ескіз виробу і зварювальної гармати всередині
вакуумної камери. Процес установки виробу 4 в вакуумну камеру 1 здійснюється
наступним чином: відчиняються двері камери 2 і зсувається на горизонтальній
направляючій, потім перед камерою встановлюється викатний стіл 3 на рамі. Рама
сконструйована таким чином, щоб її верхня площина, на якій розташований стіл,
який викочується, була врівень з підлогою камери. Виріб опускається на стіл, далі,
стіл з виробом вкочується в камеру по направляючих. Кришка камери закривається
і притискується струбцинами. Далі проводять відкачку вакуумної камери і
здійснюють процес зварювання. Оскільки титан схильний до насичення газами,
вакуум в камері при цьому підтримували не гірше 10-3 мм рт. ст.

Рисунок 4.6. Технологічне оснащення для установки в вакуумну камеру

69
Переміщення гармати в площині X0Y здійснюється за допомогою
координатного столу 7. Координата z змінюється за рахунок переміщення гармати
6 по направляючих рами 8. Переміщення гармати по заданих траєкторіях
здійснюється передачею гвинт-гайка від крокових двигунів. Траєкторія
переміщення задається оператором в програмному забезпеченні ЕОМ.
Процес зварювання електронним променем складається з трьох етапів:
виконання прихваточних швів електронним променем, зварювання,. Як правило,
прихваточний шов при ЕПЗ виконується безпосередньо перед основним
зварюванням на тій же швидкості, але при меншому струмі променя. Для даного
патрубка прихваточний шов виконали по всій довжині стику на струмі променя Iп
= 50мА. Відразу після цього зробили зварювання на всю глибину стику з
гарантованим проплавленням і вільним формуванням кореня.

1 - вакуумна камера, 2 - двері вакуумної камери, 3 - викатний стіл, 4 - виріб, 5
- технологічна планшайба, 6 - електронно-променева гармата, 7 - координатний
стіл, 8 - рама електронно-променевої гармати
Рисунок 4.7. Установка виробу у вакуумній камері.

70
Оптимальні режими зварювання металу заданої товщини залежать від
конструкції зварювальної гармати і підбираються експериментально, можливо з
використанням попереднього наближеного розрахунку. У даній роботі
використовували розроблені вище розрахункові методики для визначення
швидкості зварювання і струму променя.
При ЕПЗ можливі різні комбінації параметрів режимів зварювання, що
забезпечують задане проплавлення кромок титанового сплаву. Однак для даної
конструкції стику з вільним формуванням є обмеження знизу по швидкості
зварювання, пов'язане з витіканням рідкого металу з боку кореня. Тому в першу
чергу необхідно вибрати оптимальну швидкість зварювання. Розрахунок режимів
зварювання для титанового сплаву 5В товщиною δ = 50 мм при діаметрі променя d
= 1,1 мм показав, що мінімально допустима швидкість ЕПЗ становить v = 54,6
м/год. Для менших товщин значення мінімально допустимої швидкості зварювання
нижче, тому при виборі швидкості зварювання орієнтувалися на максимальну
товщину. Збільшення швидкості зварювання вимагає підвищення потужності
променя, що підвищує ймовірність пробоїв. До того ж високі швидкості
зварювання вимагають потужних приводів системи переміщення. Тому прийняли
рішення використовувати на всій довжині стику швидкість зварювання v = 60
м/год. Слід зазначити, більш низькі швидкості краще з точки зору технологічності,
оскільки дозволяють розширити корінь шва.
Для програмування режимів зварювання стик поділили на сегменти і для
кожної базової точки визначили необхідний струм зварювання. Схема
розташування базових точок показана на рис. 4.8.
Оптимальне фокусування підбирали експериментально при проплавленні
пластини на постійному струмі променя, але з лінійною зміною струму
фокусування. Фокус вважався оптимальним при досягненні максимальної глибини
проплавлення. Експериментальне визначення струму фокусування проводили для
2 крайніх базових точок, а для інших визначали розрахунковим шляхом, вважаючи

71
залежність положення фокальної плями від струму фокусування і залежність
струму фокусування від струму променя на даній ділянці лінійною.

Рисунок 4.8. Схема розташування базових точок, для яких розраховувалися
режими зварювання.
У табл. 4.1 показані розрахункові режими зварювання для базових точок.
Експериментальну перевірку режимів проводили на похилих зразках зі
змінною товщиною (рис. 4.9). У процесі зварювання похилій пластини на режимі,
представленому в табл. 4.1, контролювали наскрізне проплавлення в корені,
наявність увігнутості в вершині шва. Наявність впевненого наскрізного
проплавлення по всій довжині шва на пластині дозволяло гарантувати наскрізне
проплавлення на реальному виробі, оскільки на похилій пластині зварювана
товщина завжди більше або дорівнює реальній (рис. 4.9).
Таблиця 4.1 - Режими зварювання для базових точок
№ δ, мм l, мм U, кВ v, м/год Iп, мА IФ, мА
1 32,6 200,0 231 772
2 32,5 205,0 230 770
3 32,3 210,9 229 768
4 32,1 218,7 227 765
5 31,9 227,6 60 60 226 762
6 34,0 235,8 241 759
7 38,1 243,0 270 755
8 42,2 249,6 299 752
9 46,1 254,9 327 750

72
10 49,4 258,9 350 748
11 52,3 262,1 370 746

Рисунок 4.9. Ескіз похилої пластини для перевірки режиму ЕПЗ.
Після того, як переконалися в адекватності режиму зварювання в умовах зміни
товщини виробу і фокусної відстані здійснювали зварювання повнорозмірного
макета (рис. 4.10).

Рисунок 4.10. Зовнішній вигляд макета

Рисунок 4.11. Зовнішній вигляд кореня шва
Поперечний шліф зварного з'єднання товщиною 50 мм (рис. 4.12) показав, що
шов має практично паралельні стінки, що відображає оптимальний характер
режимів зварювання.

73
Оскільки холодні тріщини є поширеним дефектом зварних з'єднань з титану і
сплавів на його основі і для них характерний уповільнений характер їх розвитку,
після зварювання проводили відповідну термообробку.

Рисунок 4.12. Макрошліфи поперечного перерізу зварного з'єднання.
Потім проводили рентгенографічний контроль, який показав високу якість
шва. Характерних дефектів для зварних з'єднань титанового сплаву, таких як пори,
холодні тріщини, не виявили.
Оскільки металографічні дослідження, спектральний аналіз зварних з'єднань,
отриманих ЕПЗ, для сплаву 5В були проведені раніше, макет використовували
тільки для механічних випробувань зварних з'єднань.
Після всіх видів контролю якості зварних з'єднань і підтвердження параметрів
режиму зварювання провели ЕПЗ еліптичного днища згідно з розробленою
технологією (рис. 4.13).

Рисунок 4.13. Зовнішній вигляд еліптичного днища після ЕПЗ.

74
4.3 Механічні випробування зварних з’єднань
Для оцінки механічних властивостей зварних з'єднань, отриманих ЕПЗ, були
досліджені макети, на яких виконувалися контрольні шви. Так як дослідження
механічних властивостей були проведені тільки неруйнівними методами, з огляду
на жорсткі вимог до надійності і експлуатаційним властивостям виробу, визнали за
необхідне провести дослідження механічних властивостей металу зварних з'єднань
руйнівними методами. З макетів, проводилася вирізка темплетів за схемою,
представленої на рисунку 4.14.

Рисунок 4.14. Схема вирізання темплетів з макета виробів.
З вирізаних темплетів виготовлялися стандартні зразки для випробувань на
розтяг. Для випробувань на розтяг з темплетів вирізали циліндричні п'ятикратні
зразки, які мають початковий діаметр d0 = 6 мм. Зразки вирізалися в поперечному
відносно зварного шва напрямку, для того, щоб оцінити міцність всього зварного
з'єднання. З кожного темплета, призначеного для випробувань на розтяг,
виготовлялося по два зразка. Зразкам на розтягнення, вирізаним з верхньої частини
темплета, присвоювався номер Х.1, вирізаним з нижньої частини - Х.2, де Х - номер
темплета. Схема вирізання зразків на розтягнення з контрольних плит представлена
на рисунку 4.15.

75
Рисунок 4.15. Схема виготовлення зразків на розтягнення з темплетів.
Для порівняння властивостей зварного з'єднання з основним металом, були
виготовлені зразки на розтяг з основного металу.
Випробування проводилися на універсальній випробувальній машині Instron
5982 згідно ГОСТ 1497-84 [128]. Зовнішній вигляд випробувальної машини
представлений на рисунку 4.16. Швидкість деформування при випробуванні
становила vдеф = 2 мм / хв.

Рисунок 4.16. Зовнішній вигляд випробувальної машини Instron 5982.
Результати випробувань основного металу на розтяг представлені в табл. 4.2.
Механічні характеристики основного металу близькі до значень, зазначених у
сертифікаті на сплав 5В №166 / 30-99ІН. Всі зразки, вирізані з зварних з'єднань,
руйнувалися по основному металу, тобто міцність металу шва була трохи вищою
міцності основного металу.
Для випробування металу на ударний вигин з різних зон зварних з'єднань були
вирізані стандартні зразки на ударний вигин з U- подібними надрізами. Схема
вирізання зразків на ударний вигин з контрольних плит представлена на рис. 4.17.
Таблиця 4.2 - Результати випробувань зразків, вирізаних з основного металу,
на розтягнення.

76
Маркування σВ σ0.2
зразка 2 δ5, % Ψ, % Примітка
МПа МПа МПа кГ/мм
Руйнування
1.1 839 85.6 788 80.4 12.0 33.3 по ОМ
Руйнування
1.2 838 85.5 801 81.7 11.0 34.7 по ОМ
Руйнування
2.1 827 84.4 791 80.7 12.0 36.3 по ОМ
Руйнування
2.2 830 84.7 792 80.8 11.3 37.3 по ОМ
Сертифікат
(основний 833- 760- 10,5- 32,0-
метал) 843 780 13,5 42,8
Таким чином, механічні випробування металу зварного з'єднання показали
рівень механічних властивостей принаймні не нижче основного металу, що дає
підставу зробити висновок про високу якість і надійність зварного з'єднання.

Висновок до розділу 4
Відтворена технологія ЕПЗ з вільним формуванням шва зварного стику
еліптичного днища з патрубком, що має перемінну товщину в умовах змінної
фокусної відстані, з урахуванням обмеженого доступу із зворотного боку стику.
Для розрахунку параметрів режимів зварювання були використані методики,
які дозволили з мінімальними трудовими і матеріальними витратами підібрати
оптимальні режими зварювання.
Результати рентгенографічного контролю і проведених механічних
випробувань на розтяг і ударну в'язкість показали високу якість зварних з'єднань з
рівнем властивостей не нижче основного металу.

77
Розділ 5 Охорона праці та безпека в НС
5.1 Вимоги охорони праці під час електронно-променевого зварювання
металів
НПАОП 28.52-1.31-13 «Правила охорони праці під час зварювання металів»
встановлюють вимоги охорони праці під час електрозварювання металів, а саме:
електродугового і плазмового зварювання, наплавлення, різання; атомно-
водневого зварювання; електронно-променевого зварювання; лазерного
зварювання і різання (зварювання і різання світловим променем);
електрошлакового зварювання, наплавлення; контактного зварювання.
Ці вимоги є обов’язковими для роботодавців та працівників, що виконують
роботи з електрозварювання металів.
Роботодавець забезпечує проведення попереднього (під час прийняття на
роботу) та періодичних (протягом трудової діяльності) медичних оглядів
працівників згідно з вимогами Порядку проведення медичних оглядів працівників
певних категорій, затвердженого наказом Міністерства охорони здоров`я України
від 21 травня 2007 року № 246, зареєстрованого у Міністерстві юстиції України 23
липня 2007 року за № 846/14113.
Працівники повинні проходити навчання і перевірку знань з питань охорони
праці відповідно до вимог Типового положення про порядок проведення навчання
і перевірки знань з питань охорони праці, затвердженого наказом Державного
комітету України з нагляду за охороною праці від 26 січня 2005 року № 15,
зареєстрованого в Міністерстві юстиції України 15 лютого 2005 року за №
231/10511 (НПАОП 0.00-4.12-05).
Працівники, що виконують електрозварювальні роботи на висоті, повинні
пройти навчання і перевірку знань відповідно до Правил охорони праці під час
виконання робіт на висоті, затверджених наказом Державного комітету України з
промислової безпеки, охорони праці та гірничого нагляду від 27 березня 2007 року
№ 62, зареєстрованих в Міністерстві юстиції України 4 червня 2007 року за №
573/13840 (далі - НПАОП 0.00-1.15-07).

78
Роботодавець опрацьовує і затверджує нормативні акти про охорону праці,
що діють на підприємстві, відповідно до Порядку опрацювання і затвердження
власником нормативних актів про охорону праці, що діють на підприємстві,
затвердженого наказом Державного комітету України по нагляду за охороною
праці від 21 грудня 1993 року № 132, зареєстрованого в Міністерстві юстиції
України 07 лютого 1994 року за № 20/229 (НПАОП 0.00-6.03-93).
Роботодавець повинен забезпечити стан пожежної безпеки відповідно до
вимог Правил пожежної безпеки в Україні, затверджених наказом Міністерства
України з питань надзвичайних ситуацій від 19 жовтня 2004 року № 126,
зареєстрованих у Міністерстві юстиції України 4 листопада 2004 року за №
1410/10009 (НАПБ А.01.001-04), ГОСТ 12.1.004-91 «ССБТ. Пожарная
безопасность. Общие требования» (далі - ГОСТ 12.1.004-91).
Для всіх приміщень, будинків та зовнішнього устаткування має бути
визначено категорію щодо вибухопожежної та пожежної небезпеки відповідно до
вимог Норм визначення категорій приміщень, будинків та зовнішніх установок за
вибухопожежною та пожежною небезпекою, затверджених наказом Міністерства
України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від
наслідків Чорнобильської катастрофи від 3 грудня 2007 року № 833 (НАПБ
Б.03.002-2007).
Експлуатацію вогнегасників необхідно здійснювати відповідно до
вимог Правил експлуатації вогнегасників, затверджених наказом Міністерства
України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від
наслідків Чорнобильської катастрофи від 2 квітня 2004 року № 152, зареєстрованих
у Міністерстві юстиції України 29 квітня 2004 року за № 555/9154 (НАПБ Б.01.008-
2004).
Роботодавець забезпечує проведення розслідування і ведення обліку
нещасних випадків, професійних захворювань і аварій згідно з Порядком
проведення розслідування та ведення обліку нещасних випадків, професійних

79
захворювань і аварій на виробництві, затвердженим постановою Кабінету
Міністрів України від 30 листопада 2011 року № 1232.
Роботодавець повинен забезпечити безпечну та надійну експлуатацію
виробничих будівель і споруд відповідно до Положення про безпечну та надійну
експлуатацію виробничих будівель і споруд, затвердженого наказом Державного
комітету будівництва, архітектури та житлової політики України і Державного
комітету України по нагляду за охороною праці від 27 листопада 1997 року №
32/288, зареєстрованого в Міністерстві юстиції України 6 липня 1998 року за №
424/2864 (НПАОП 45.23-4.01-98), та затвердженої у встановленому порядку
проектної документації.
Роботодавець повинен забезпечити працівників питною водою, якість якої
повинна відповідати Державним санітарним нормам та правилам «Гігієнічні
вимоги до води питної, призначеної для споживання людиною» (ДСанПіН 2.2.4-
171-10), затвердженим наказом Міністерства охорони здоров'я України від 12
травня 2010 року № 400, зареєстрованим у Міністерстві юстиції України 01 липня
2010 року за № 452/17747.
У виробничих приміщеннях зварювальних цехів, де проводяться роботи зі
шкідливими речовинами (кислотами, лугами), для промивання очей і шкіри
повинні бути передбачені душі і фонтанчики.
Оброблення поверхонь виробничих приміщень повинно унеможливлювати
накопичення пилу, поглинання парів та газів і дозволяти систематичне прибирання
поверхонь вологим способом.
Сигнальні кольори і знаки безпеки у виробничих і складських приміщеннях
повинні відповідати вимогам Технічного регламенту знаків безпеки і захисту
здоров’я працівників, затвердженого постановою Кабінету Міністрів України від
25 листопада 2009 року № 1262.
Освітлення робочих місць повинно відповідати проектній документації,
затвердженій в установленому порядку.

80
Аварійне освітлення, що вмикається автоматично в разі аварійного
вимкнення робочого освітлення, передбачається на робочих місцях, технологічних
ділянках, де неможливо негайно припинити роботи, і на ділянках, де раптове
припинення технологічного процесу пов’язане з небезпекою для життя людей або
великими економічними втратами.
Евакуаційне освітлення (для евакуації працівників із приміщення цеху) в разі
аварійного вимкнення робочого освітлення повинно забезпечувати освітленість
підлоги основних проходів і сходів.
Рециркуляція повітря в приміщеннях для зварювання металів не
дозволяється.
Аерація виробничих приміщень здійснюється шляхом відкривання вікон і
світлоаераційних ліхтарів, отворів вентиляційних шахт за інструкцією,
розробленою роботодавцем з урахуванням пори року і напрямків вітру, а також для
унеможливлення влучення шкідливих речовин з одного приміщення в суміжне
приміщення.
Виробниче устаткування і місця розкривання тари, які пов'язані з
застосуванням або утворенням шкідливих і вибухонебезпечних речовин, повинні
бути оснащені самостійними системами місцевої витяжної вентиляції.
Місцеві відсмоктувачі розташовуються таким чином, щоб повітря, що
відсмоктується, не проходило через зону дихання працівника.
Патрубки аварійної вентиляції не дозволяється розміщувати в місцях
постійного перебування працівників і розташування повітрозабірних пристроїв
систем вентиляції та кондиціонування повітря.
Увімкнення аварійної вентиляції повинно бути дистанційним.
Роботодавець забезпечує організацію контролю за роботою витяжних
вентиляційних пристроїв і систем сигналізації за затвердженим графіком, але не
рідше одного разу в квартал.

81
5.2 Вимоги безпеки під час виконання електрозварювальних робіт
Під час електрозварювання металів повинні дотримуватися вимоги ГОСТ
12.3.002-75 «ССБТ. Процессы производственные. Общие требования
безопасности» та ГОСТ 12.3.003-86 «ССБТ. Работы электросварочные. Требования
безопасности» (далі - ГОСТ 12.3.003-86).
Зварювання металів відкритою дугою виробів середніх і малих розмірів в
стаціонарних умовах повинно здійснюватися у вентильованих, спеціально
обладнаних кабінах.
При проведенні робіт зі зварювання металів на відкритому повітрі над
установками і зварювальними постами повинні бути споруджені укриття (навіси)
від непогоди. Зварювальне устаткування повинно бути розміщене в металевих
контейнерах. За відсутності навісів роботи зі зварювання під час дощу або
снігопаду повинні бути припинені.
При виконанні робіт зі зварювання металів на висоті понад 1,3 м повинні
встановлюватися майданчики і ліси з негорючих матеріалів.
Під час виконання робіт зі зварювання виробів з підігрівом повинні
застосовуватися додаткові заходи для попередження можливого перегрівання.
Екранування підігрітого для зварювання виробу повинно відповідати ДСТУ
2894-94 «Пристрої екранувальні для захисту від інфрачервоного випромінювання.
Параметри та загальні технічні вимоги» (далі - ДСТУ 2894-94).
Під час виконання робіт зі зварювання з попереднім нагріванням
дозволяється робота двох зварників в одній кабіні тільки для зварювання одного
виробу.
Температура укритих і відкритих нагрітих поверхонь виробів на робочих
місцях не повинна перевищувати 43 -0С відповідно до ДСТУ EN 563-2001
«Безпечність машин. Температури поверхонь, доступних для дотику. Ергономічні
дані для встановлення граничних значень температури гарячих поверхонь» (далі -
ДСТУ EN 563-2001), за винятком зварювання легованих і високовуглецевих сталей

82
ІІІ і IV груп зварюваності, технологія зварювання яких потребує попереднього і
супутнього підігріву в процесі зварювання від 100 -0С до 400 -0С.
Не дозволяється проводити електрозварювальні роботи всередині ємностей
при температурі повітря вище 43 -0С без застосування спеціальних засобів
індивідуального захисту для забезпечення ефективного теплозахисту і подавання
чистого повітря до працівника.
Забороняється працювати біля неогороджених або незакритих люків,
прорізів, колодязів.
Перед спусканням в закриті ємності через люк працівник повинен
переконатися, що кришка люка надійно закріплена у відкритому положенні.
Роботи зі зварювання металів в закритих ємностях повинні виконуватися за
умов:
− наявності контрольних постів для спостереження за роботою працівника;
− наявності люків для прокладання комунікацій та евакуації працівника;
− безперервної роботи місцевої витяжної вентиляції і засобів, які
унеможливлюють накопичення шкідливих речовин у повітрі робочої зони
вище граничнодопустимих концентрацій і кисню менше 19 % (за об’ємом);
− наявності у зварювальному устаткуванні автоматичного відключення
подавання захисного газу і напруги холостого ходу в разі розриву
зварювального кола;
− забезпечення працівника рятувальними засобами та засобами
індивідуального захисту.
Під час зварювання металів в закритих ємностях працівник повинен мати
рятувально-запобіжний пояс з канатом, кінець якого знаходиться у спостерігача, а
також рятувальні лямки. Спостерігач повинен підтримувати постійний зв'язок з
працівником.
Не дозволяється виконувати зварювання металів всередині закритих
ємностей (в цистернах, резервуарах, баках) без вентиляції.

83
Під час зварювання металів всередині закритих ємностей повинен
використовуватися місцевий відсмоктувач біля зварювальної дуги або установка
загального вентилювання з обов’язковим використанням вентиляторів високого
тиску і гнучких рукавів. Довжина і діаметр шлангів обираються так, щоб повний
опір всієї системи становив 2000-2500 кг/м-2.
Мінімальний повітрообмін на один електрозварювальний пост повинен
становити 2000 м-3/год.
Під час зварювання в закритих ємностях (газгольдерах, цистернах) та в разі
унеможливлення улаштування місцевої витяжки повинно забезпечуватися
подавання чистого повітря за допомогою гнучкого шланга безпосередньо до
працівника. В зимовий період повітря повинно підігріватися до температури 20-22 -
0С.
Об’єм поданого повітря визначається залежно від відстані між патрубком,
через який подається повітря, і працівником:
до 3000 м-3/год - при відстані не більше 1,5 м;
до 6000 м-3/год - при відстані - 1,5-3 м.
При улаштуванні витяжки із закритих ємностей, не наближеної до місця
зварювання, об’єм повітря, що видаляється, повинен бути не менше 2000 м-3 на 1
кг витратних електродів.
Працівники під час виконання робіт повинні дотримуватися вимог Інструкції
з охорони праці під час виконання монтажних робіт інструментами і пристроями,
затвердженої наказом Міністерства праці та соціальної політики України від 5
червня 2001 року № 254, зареєстрованої у Міністерстві юстиції України 20 липня
2001 року за № 616/5807 (НПАОП 0.00-5.24-01).
5.3 Вимоги безпеки до процесів різання металу
Метал, що надходить на різання, повинен бути очищений від фарби, масла,
окалини, бруду.
Під час різання пофарбованого, заґрунтованого металу його необхідно
очистити по лінії різання. Ширина смуги, що очищується від фарби, повинна бути
не менше 100 мм (по 50 мм на кожен бік).

84
Неплавкий електрод під час газоелектричного різання повинен знаходитися
усередині різака і не повинен виступати назовні.
У разі закріплення різака на переносному візку необхідно улаштувати
блокувальне пристосування для автоматичного відімкнення електроживлення в
разі припинення подавання охолоджувальної води.
Усі газові і водяні комунікації повинні бути герметичними.
Керування процесом механізованого газоелектричного різання повинно
здійснюватися дистанційним шляхом.
5.4 Вимоги безпеки до процесів різання металу
Спільне зберігання зварювального дроту, флюсів і електродів з кислотами,
лугами та іншими агресивними речовинами не дозволяється.
Зберігання заготовок, деталей, вузлів і агрегатів протягом зміни повинно
здійснюватися на спеціально відведених і обладнаних місцях.
Електроди, зварювальний дріт, флюси, що подаються для виконання робіт зі
зварювання, повинні бути прожарені або просушені за режимами, вказаними у
технологічному паспорті на цю марку матеріалу.
Матеріали, які контактують під час роботи з газами, повинні бути стійкими
до хімічного впливу цих газів за будь-яких умов експлуатації.
У разі використання в роботі горючих, вибухонебезпечних і шкідливих
речовин необхідно дотримуватись ГОСТ 12.1.004-91. Для знежирення поверхонь
під зварювання не дозволяється застосовувати розчини, які містять хлор.
Тара для розчинів знежирення оброблюваної поверхні повинна відповідати
ГОСТ 12.3.010-82 «ССБТ. Тара производственная. Требования безопасности при
эксплуатации» і бути спеціальною, небиткою, ємністю не більше 200 см3 із
примусовим подаванням розчину для змочування тампонів.
Використані тампони повинні збиратися в спеціальну посудину з небиткого
і негорючого матеріалу зі щільною кришкою.
Не дозволяється протирати розчинниками кромки виробів, нагрітих до
температури понад 43 0С (ДСТУ EN 563-2001).
Не дозволяється застосовувати під час виконання робіт зі зварювання
матеріали, які не відповідають технічним умовам на них та не пройшли санітарно-

85
гігієнічну експертизу відповідно до вимог Порядку проведення державної
санітарно-епідеміологічної експертизи (зі змінами), затвердженого наказом
Міністерства охорони здоров’я України від 9 жовтня 2000 року № 247,
зареєстрованого в Міністерстві юстиції України 10 січня 2001 року за № 4/5195.
Поверхні зварювальних деталей (виробів), які покриті антикорозійними
ґрунтами, підлягають обов'язковому попередньому зачищенню від ґрунту по
ширині не менше 100 мм від місця зварювання.
Не дозволяється повертати залишки зварювальних матеріалів, які були
видані для виконання робіт зі зварювання, до місця їх попереднього зберігання.
Завантаження, розвантаження, транспортування вихідних матеріалів, готової
продукції повинно здійснюватися відповідно до ГОСТ 12.3.020-80 «ССБТ.
Процессы перемещения грузов на предприятиях. Общие требования
безопасности», ГОСТ 12.3.009-76 «ССБТ. Работы погрузочно-разгрузочные.
Общие требования безопасности» та Правил будови і безпечної експлуатації
вантажопідіймальних кранів, затверджених наказом Державного комітету України
з промислової безпеки, охорони праці та гірничого нагляду від 18 червня 2007 року
№ 132, зареєстрованих в Міністерстві юстиції України 9 липня 2007 року за №
784/14051 (НПАОП 0.00-1.01-07).
5.5 Вимоги електробезпеки
Електричні проводи і кабелі для живлення електроустаткування машин та
установок повинні мати зовнішню ізоляцію і захист від механічних ушкоджень
(кожухи, підвіски, пристрій для укладання кабелів, троси).
Електроустаткування машин термічного різання повинно мати заземлення
відповідно до ГОСТ 12.1.030-81 «ССБТ. Электробезопасность. Защитное
заземление, зануление» (далі - ГОСТ 12.1.030-81).
Органи керування машин термічного різання повинні бути оснащені
блокувальним захистом для унеможливлення (незалежно від положення органів
керування) самовільного ввімкнення машин термічного різання в разі відновлення
раптово зниклої напруги.

86
Не дозволяється ремонтувати машини термічного різання під напругою.
Переносні машини термічного різання в разі їх пересування необхідно від’єднувати
від електроживлення.
Органи керування машинами термічного різання повинні мати позначки, що
вказують на керований об'єкт, до якого вони належать, його призначення і стан:
«включено», «відключено», «гальмо», «хід».
Металеві вали ручних приводів, рукоятки, маховики повинні бути ізольовані
від частин машин термічного різання, що знаходяться під напругою, і мати
електричний контакт із незнімними частинами виробу, на яких розташований
елемент заземлення.
Під час дугового зварювання повинні застосовуватися ізольовані гнучкі
кабелі, розраховані на надійну роботу при максимальних електричних
навантаженнях з урахуванням тривалості циклу зварювання.
Під час прокладання або переміщення зварювальних проводів необхідно
вживати заходів щодо запобігання ушкодженню їх ізоляції і зіткненню з водою,
маслом, сталевими канатами і гарячими трубопроводами.
Відстань від зварювальних проводів до гарячих трубопроводів і балонів з
киснем повинна бути не менше 0,5 м, а з горючими газами - не менше 1 м.
Металеві частини електрозварювального устаткування, що не перебувають
під напругою, а також зварювані вироби і конструкції на весь час виконання робіт
зі зварювання повинні бути заземлені відповідно до ГОСТ 12.1.030-81.
Для підведення струму від джерела живлення до електродотримача
установки ручного дугового зварювання повинен використовуватися гнучкий
провід у гумовій оболонці.
В якості зворотного провідника, який з’єднує зварювані вироби із джерелом
зварювального струму, дозволяється використовувати гнучкі проводи, а також
металеві шини достатнього перетину, зварювальні плити і саму зварювану
конструкцію.

87
Пульти керування повинні мати блокування для унеможливлення керування
від різних пультів, сигналізацію, а також аварійні кнопки для увімкнення установки
(лінії).
Електрозварювальні установки з джерелом змінного і постійного струму під
час зварювання в особливо небезпечних умовах (усередині металевих ємностей,
колодязів, відсіків, на понтонах тощо), а також установки для ручного зварювання
змінного струму під час зварювання в особливо небезпечних приміщеннях або поза
приміщеннями повинні бути оснащені пристроями для відключення холостого
ходу або обмеження його напруги до 12 В не пізніше ніж через 1,0 с після
розмикання зварювального кола. Обмежувач, виконаний у вигляді поодинокої
приставки, повинен бути заземлений окремим провідником.
Внутрішні поверхні закритих металевих ємностей під час зварювання,
наплавлення і різання повинні освітлюватися за допомогою світильників,
установлених зовні, або ручних переносних ламп напругою не більше 12 В.
Не дозволяється залишати на робочому місці електрозварювальний
інструмент, що перебуває під напругою.
Не дозволяється ремонтувати електрозварювальні установки під напругою.
Пересувні електрозварювальні установки на час їх пересування повинні бути
знеструмлені.
Працівники, які пройшли спеціальне навчання відповідно до Правил
атестації зварників, затверджених наказом Державного комітету України по
нагляду за охороною праці від 19 квітня 1996 року № 61, зареєстрованих у
Міністерстві юстиції України 31 травня 1996 року за № 262/1287 (НПАОП 0.00-
1.16-96), мають право приєднувати та від’єднувати електрозварювальні установки
у разі, якщо у посвідченні зварника вказана відповідна область поширення допуску.
При виконанні зварювальних робіт усередині ємностей роботодавець
зобов'язаний забезпечити працівників гумовими діелектричними калошами,
діелектричними рукавичками, захисним шоломом, засобами індивідуального
захисту дихання (респіраторами, протигазами спеціального призначення).

88
5.6 Вимоги до робочих місць
Розміщення виробничого устаткування і організація робочих місць у
складально-зварювальних цехах і на ділянках повинні відповідати ГОСТ 12.2.061-
81 «ССБТ. Оборудование производственное. Общие требования безопасности к
рабочим местам».
Постійне робоче місце зварника повинно бути обладнане раціонально
улаштованим столом та пристосуваннями для утримання і переміщення
оброблюваного виробу відповідно до ГОСТ 12.2.049-80 «ССБТ. Оборудование
производственное. Общие эргономические требования» та ГОСТ 12.2.003-91,
забезпечувати зручне положення працівника, а при зварюванні або ручному різанні
дрібних деталей - уможливлювати роботу працівника сидячи відповідно до ГОСТ
12.2.032-78.
На стаціонарних робочих місцях електрозварників, різальників
встановлюється стійка з гачком або вилкою для підвішування погашених пальників
або різаків під час перерви у роботі. На тимчасових робочих місцях погашені
пальники або різаки дозволяється підвішувати на частини оброблюваної
конструкції (кронштейни, мірні пристрої тощо).
На кожне стаціонарне робоче місце працівника з електрозварювальних робіт,
крім площі, займаної устаткуванням і проходами, повинно бути відведено не
менше 4,5 м-2.
На стаціонарних робочих місцях відповідно до ГОСТ 12.2.033-78 у
положенні «стоячи» повинні використовуватися спеціальні підставки (підвіски)
для зменшення статичного навантаження на руки працівника.
Не дозволяється полегшувати навантаження на руку працівника
перекиданням шланга (кабелю) через плече або навиванням його на руку
працівника.
Для захисту працівників, що працюють поруч або нижче ярусом, повинні
бути передбачені захисні огородження від випромінювань, іскор і бризок
розплавленого металу, випадкового падіння недогарків електродів відповідно до

89
ГОСТ 12.2.062-81 «ССБТ. Оборудование производственное. Ограждения
защитные».
Під час зварювання металів відкритою дугою робочі місця у приміщенні
повинні бути відділені від суміжних робочих місць і проходів негорючими
екранами (ширмами, щитами) заввишки не менше 1,8 м. При зварюванні на
відкритому повітрі захисні огородження повинні бути встановлені на відстані не
менше 2 м в разі одночасної роботи декількох працівників поблизу один одного і
на ділянках інтенсивного руху людей.
Вимоги до режимів роботи, порядку обслуговування устаткування в
звичайних умовах експлуатації і в аварійній ситуації встановлюються
роботодавцем відповідно до Інструкції з організації безпечного ведення вогневих
робіт на вибухопожеженебезпечних та вибухонебезпечних об’єктах, затвердженої
наказом Міністерства праці та соціальної політики України від 5 червня 2001 року
№ 255, зареєстрованої в Міністерстві юстиції України 23 червня 2001 року за №
541/5732 (НПАОП 0.00-5.12-01).
За наявності в стаціонарних зварювальних машинах більше одного органа
керування одним параметром повинно унеможливлюватися одночасне керування
цим параметром з різних постів.
Органи керування, які здійснюють увімкнення і зупинення процесу
теплового різання, повинні відповідати вимогам безпеки згідно з ГОСТ 22613-77
«Система «человек-машина». Выключатели и переключатели поворотные. Общие
эргономические требования» та ГОСТ 22615-77 «Система «человек-машина».
Выключатели и переключатели типа «Тумблер». Общие эргономические
требования».
Керування і контролювання роботи напівавтоматичних і автоматичних
плазмових стаціонарних і переносних машин повинні здійснюватися дистанційно.
У разі монтажу і ремонту посудин дозволяється проводити зварювання при
температурі навколишнього повітря нижче 0 0С за умов дотримання вимог,
передбачених в технічних умовах або інструкціях з монтажу і ремонту посудин.

90
Усувати несправності в зварювальній машині, плазмотроні, заміняти деталі
плазмотрона, що вийшли з ладу, дозволяється тільки при відімкненому живленні
установки і тільки працівникам, які обслуговують цю установку і мають групу з
електробезпеки відповідно до Правил безпечної експлуатації електроустановок
споживачів, затверджених наказом Комітету по нагляду за охороною праці
Міністерства праці та соціальної політики України від 9 січня 1998 року № 4,
зареєстрованих у Міністерстві юстиції України 10 лютого 1998 року за № 93/2533
(НПАОП 40.1-1.21-98).
Під час запалювання «чергової дуги» отвір сопла повинен бути направлений
убік від працівників, які знаходяться поруч.
Запалювання «чергової дуги» замиканням повинно виконуватися за
допомогою спеціального пристрою з ізольованою ручкою завдовжки не менше 150
мм.
На робочому місці під ногами працівника повинен бути розташований килим
гумовий діелектричний відповідно до ГОСТ 12.4.124-83 «ССБТ. Средства защиты
от статического электричества. Общие технические требования».
На ділянці лазерного зварювання і різання металів повинен знаходитися план
розміщення установок з позначенням лазерної небезпечної зони.
Контроль за лазерним випромінюванням на робочих місцях здійснюється
відповідно до ГОСТ 12.1.031-81 «ССБТ. Лазеры. Методы дозиметрического
контроля лазерного излучения».
Вибухонебезпечні електронно-променеві установки повинні бути розміщені
в ізольованих та обладнаних припливно-витяжною вентиляцією виробничих
приміщеннях.
Приготування клеїв, паст, герметиків і нанесення їх на зварювані деталі
повинні здійснюватися у виділених для цього приміщеннях.
Дозволяється виконувати нанесення клеїв, паст, герметиків у приміщенні
складально-зварювального цеху на спеціальній ділянці, на якій передбачені заходи
щодо запобігання вибуху і поширенню пожежі.

91
Об'ємно-планувальні рішення приміщень для зварювання металів в
середовищі захисних газів повинні унеможливлювати проникнення цих газів у
суміжні і нижче розташовані приміщення, а також скупчення газів у застійних
зонах.
Для видалення зварювального пилу і газів влаштовується місцева вентиляція
безпосередньо біля місця їх утворення.
Пости електрошлакового зварювання повинні бути обладнані місцевою
витяжною вентиляцією.
Над зварюваними виробами в зоні максимального виділення зварювального
аерозолю і газів швидкість видалення забрудненого повітря повинна бути не менше
1,5 м/с.
Видалення пилу і газів, що утворюються під час автоматичного і
напівавтоматичного зварювання під флюсом, здійснюється місцевими
відсмоктувачами, розташованими безпосередньо біля місця зварювання над
зварним швом.
Для зниження температури поверхонь обладнання і зменшення ступеня
нагріву повітря на робочих місцях повинні бути передбачені теплоізоляційні
пристрої відповідно до ДСТУ 2894-94.
5.7 Вимоги до забезпечення засобами індивідуального захисту
працівників
Роботодавець повинен забезпечувати працівників засобами індивідуального
захисту (далі - ЗІЗ) відповідно до вимог Положення про порядок забезпечення
працівників спеціальним одягом, спеціальним взуттям та іншими засобами
індивідуального захисту, затвердженого наказом Державного комітету України з
промислової безпеки, охорони праці та гірничого нагляду від 24 березня 2008 року
№ 53, зареєстрованого в Міністерстві юстиції України 21 травня 2008 року за №
446/15137.

92
ЗІЗ мають відповідати вимогам Технічного регламенту засобів
індивідуального захисту, затвердженого постановою Кабінету Міністрів України
від 27 серпня 2008 року № 761.
Працівники, які виконують роботи під час зварювання металів, повинні бути
забезпечені ЗІЗ згідно з Нормами безплатної видачі спеціального одягу,
спеціального взуття та інших засобів індивідуального захисту працівникам
загальних професій різних галузей промисловості, затвердженими наказом
Державного комітету України з промислової безпеки, охорони праці та гірничого
нагляду від 16 квітня 2009 року № 62, зареєстрованими в Міністерстві юстиції
України 12 травня 2009 року за № 424/16440 (НПАОП 0.00-3.07-09).
Вибір ЗІЗ органів дихання здійснюється відповідно до Правил вибору та
застосування засобів індивідуального захисту органів дихання, затверджених
наказом Державного комітету України з нагляду за охороною праці від 28 грудня
2007 року № 331, зареєстрованих у Міністерстві юстиції України 4 квітня 2008 року
за № 285/14976 (НПАОП 0.00-1.04-07).
Вибір ЗІЗ обличчя і органів зору здійснюється залежно від методів, режимів
і видів робіт, інтенсивності випромінювання, індивідуальної особливості зору
працівників.
Для захисту очей працівників від випромінювання, іскор і бризок
розплавленого металу і його пилу повинні застосовуватися захисні окуляри
відповідно до ГОСТ 12.4.013-85 «ССБТ. Очки защитные. Общие технические
условия».
Для захисту обличчя під час електрозварювання металів працівники повинні
забезпечуватися щитками відповідно до ГОСТ 12.4.023-84 «ССБТ. Щитки
защитные лицевые. Общие технические требования и методы контроля».
Для захисту від шуму працівники повинні забезпечуватися ЗІЗ органів слуху
відповідно до ГОСТ 12.4.051-87 «ССБТ. Средства индивидуальной защиты органа
слуха. Общие технические требования и методы испытаний».

93
Для захисту від вібрації працівники повинні застосовувати ЗІЗ за ГОСТ
12.4.002-97 «ССБТ. Средства защиты рук от вибрации. Технические требования и
методы испытаний».
Вибір спеціального одягу залежно від методів зварювання та умов праці
повинен здійснюватися відповідно до ДСТУ ГОСТ 12.4.221:2004 «Система
стандартів безпеки праці. Одяг спеціальний для захисту від підвищених
температур, теплового випромінювання, конвективної теплоти. Загальні технічні
вимоги».
Для захисту рук працівники повинні забезпечуватися рукавицями,
виготовленими з іскростійкого матеріалу з низькою електропровідністю.
Не дозволяється використовувати рукавиці і спеціальний одяг із синтетичних
матеріалів типу лавсан, капрон, які не мають захисної властивості, руйнуються від
випромінювань зварювальної дуги і можуть займатися від іскор і бризок
розплавленого металу, спікатися при зіткненні з нагрітими поверхнями.
Для захисту ніг від опіків бризками розплавленого металу, механічних травм,
переохолодження під час роботи на відкритому повітрі узимку, перегрівання під
час зварювання виробів з підігрівом, а також від ураження електричним струмом
особливо під час роботи в закритих ємностях, відсіках працівники повинні
забезпечуватися спеціальним взуттям відповідно до ГОСТ 13385-78 «Обувь
специальная диэлектрическая из полимерных материалов. Технические условия».
Забороняється застосовувати взуття з відкритою шнурівкою і металевими
цвяхами.

94
Загальні висновки
1. Встановлено, що при ЕПЗ на високих швидкостях матеріалів з низькою
теплопровідністю, коли vd/2a>1, використання моделі рухомого циліндричного
джерела теплоти в нескінченній пластині дозволяє з точністю до 10% визначати
параметри зварювання.
2. Встановлено, що при виборі параметрів режимів ЕПЗ для отримання
постійної глибини проплавлення повинна зберігатися лінійна залежність
потужності променя від швидкості зварювання.
3. Встановлено, що зі збільшенням швидкості зварювання при ЕПЗ
зменшуються втрати легуючих елементів в металі шва за рахунок випаровування.
4. Показано, що зі збільшенням швидкості зварювання сталей і сплавів,
що гартуються, зменшується розмір зерна в металі шва, збільшується твердість і
міцність зварних з'єднань.
5. Відтворено технологію ЕПЗ неповоротних стиків змінної товщини
елементів енергетичних установок з титанового сплаву 5В.

95
Список використаної літератури
1. Paton B. E. Electron Beam Welding. Kyiv : Naukova Dumka, 1987.
2. Лобанов Л. М., Нестеренков В. М., Кривцун І. В. Високоенергетичні
променеві технології зварювання. Київ : Наукова думка, 2016.
3. Лобанов Л. М., Півторак В. А., Міходуй О. Л. Електронно-променеве
зварювання конструкційних матеріалів. Київ : Академперіодика, 2014.
4. Нестеренков В. М. Електронно-променеве зварювання товстостінних
конструкцій. Київ : ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАН України, 2012.
5. Міходуй О. Л., Пащин М. О., Сидоренко Ю. М. Технологічні основи
електронно-променевого зварювання алюмінієвих сплавів. Київ : ІЕЗ ім. Є.
О. Патона НАН України, 2020.
6. Півторак В. А. Зварювання високоміцних сталей концентрованими
джерелами енергії. Київ : Наукова думка, 2011.
7. Дружинін А. О. Фізичні основи променевого оброблення матеріалів : навч.
посіб. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2019.
8. Назаренко О. К. Джерела концентрованої енергії у зварюванні : навч. посіб.
Київ : НТУУ «КПІ», 2010.
9. Жданов С. Л. Вакуумні системи електронно-променевих установок. Київ :
Техніка, 2008.
10. Кривцун І. В., Маркашова Л. І. Теплофізичні процеси при зварюванні
плавленням. Київ : Академперіодика, 2015.
11. Лобанов Л. М., Кривцун І. В., Пащин М. О. Моделювання процесів
зварювання та споріднених технологій. Київ : Наукова думка, 2018.
12. Міходуй О. Л. Формування шва при електронно-променевому зварюванні з
повним проплавленням : дис. ... канд. техн. наук. Київ, 2011.
13. Нестеренков В. М. Технологічні особливості формування з’єднань при
електронно-променевому зварюванні товстих металів : дис. ... д-ра техн.
наук. Київ, 2003.
14. Пащин М. О. Вплив параметрів електронного променя на формування

96
зварного з’єднання алюмінієвих сплавів : дис. ... канд. техн. наук. Київ, 2018.
15. Русиник М. О. Електронно-променеве зварювання високоміцних
алюмінієвих сплавів з локальною термообробкою : дис. ... канд. техн. наук.
Київ, 2021.
16. Скрябінський В. В. Формування структури та властивостей з’єднань при
електронно-променевому зварюванні алюмінієвих сплавів : дис. ... канд.
техн. наук. Київ, 2024.
17. Петренко В. Р., Башкатов А. В., Медведєв А. В., Чумарний В. П., Федоров В.
М. Про можливість вільного формування зварного шва при наскрізному
проплавленні в умовах електронно-променевого зварювання. Зварювання і
споріднені технології в машинобудуванні. 2000. № 3. С. 159–162.
18. Нестеренков В. М. Особливості формування швів при електронно-
променевому зварюванні сталей великої товщини. Автоматичне зварювання.
2002. № 7. С. 12–18.
19. Нестеренков В. М. Капілярні хвилі в каналі проплавлення при електронно-
променевому зварюванні. Автоматичне зварювання. 2002. № 10. С. 7–13.
20. Нестеренков В. М. Застосування розгортки електронного променя для
усунення дефектів кореня шва. Автоматичне зварювання. 2003. № 4. С. 21–
26.
21. Лесков Г. І., Живага Л. І. Формування швів при електронно-променевому
зварюванні сталей великої товщини в різних просторових положеннях.
Автоматичне зварювання. 1980. № 10. С. 1–5.
22. Акоп’янц К. С. Запобігання утворенню кореневих дефектів при електронно-
променевому зварюванні. Автоматичне зварювання. 1984. № 6. С. 59–61.
23. Шилов Г. А., Акоп’янц К. С. Вплив частоти і діаметра кругової розгортки
електронного променя на проплавлення при електронно-променевому
зварюванні. Автоматичне зварювання. 1983. № 8. С. 25–28.
24. Сукач К. А., Бондарев А. А., Третяк Н. Г. Критичний радіус закруглення в
донній частині каналу проплавлення і утворення кореневих дефектів при

97
електронно-променевому зварюванні. Автоматичне зварювання. 1987. № 1.
С. 60–63.
25. Ланкін Ю. М. Течія рідкого металу на передній стінці каналу проплавлення
при електронно-променевому зварюванні. Автоматичне зварювання. 1984. №
3. С. 8–10.
26. Кайдалов А. А., Міклюхін О. Г. Вплив збіжного конічного електронного
променя на глибину проплавлення при зварюванні. Автоматичне
зварювання. 1982. № 9. С. 18–22.
27. Маєр К. О. Зв’язок між частотою пульсації струму вторинної емісії та
геометрією шва при електронно-променевому зварюванні. Автоматичне
зварювання. 1982. № 11. С. 30–34.
28. Нестеренков В. М. Вплив геометрії шва на параметри іонного струму при
електронно-променевому зварюванні. Автоматичне зварювання. 1982. № 12.
С. 22–26.
29. Акоп’янц К. С., Ємченко-Рибко А. В. Керування глибиною проплавлення та
фокусуванням променя за частотою пульсацій іонного струму. Автоматичне
зварювання. 1981. № 6. С. 14–19.
30. Лесков Г. І., Нестеренков В. М. Плазмові потоки і гідродинамічні процеси в
каналі проплавлення при електронно-променевому зварюванні. Автоматичне
зварювання. 1978. № 9. С. 3–9.
31. Башенко В. В., Міткевич Є. А., Лопота В. А. Динаміка поведінки рідкого
металу у зварювальній ванні під дією високоенергетичного пучка.
Автоматичне зварювання. 1983. № 5. С. 17–23.
32. Петренко В. Р., Чумарний В. П. Особливості вільного формування кореня
шва при наскрізному проплавленні. Автоматичне зварювання. 2001. № 9. С.
25–29.
33. Міходуй О. Л., Пащин М. О. Вплив параметрів локальної термообробки на
властивості з’єднань, виконаних електронно-променевим зварюванням.
Автоматичне зварювання. 2019. № 7. С. 21–28.

98
34. Пащин М. О., Міходуй О. Л. Особливості електронно-променевого
зварювання алюмінієвих сплавів з керованим тепловкладенням.
Автоматичне зварювання. 2020. № 11. С. 16–24.
35. Русиник М. О., Нестеренков В. М., Скрябінський В. В. Вплив технології
електронно-променевого зварювання на механічні властивості з’єднань
сплаву 2219. Автоматичне зварювання. 2024. № 1. С. 11–19.
36. Скрябінський В. В., Нестеренков В. М., Русиник М. О. Вплив технології
електронно-променевого зварювання на ширину зони знеміцнення
алюмінієвого сплаву 2219. The Paton Welding Journal. 2024. No. 1. P. 3–10.
37. The Paton Welding Journal. Electron Beam Welding of Aluminum 1570 Alloy and
Mechanical Properties of Its Joints at Cryogenic Temperatures. 2022. No. 1. P. 22–
25.
38. The Paton Welding Journal. Electron Beam Welding with Programming of Beam
Power Density Distribution. 2020. No. 1. P. 51–56.
39. The Paton Welding Journal. Welding of Light Alloys by High-Energy Density
Sources: Defects, Structure and Properties. 2022. No. 12. P. 18–27.
40. The Paton Welding Journal. EBW of Titanium-Based Intermetallic Alloys with
Local Preheating and Heat Treatment. 2024. No. 2. P. 4–12.
41. The Paton Welding Journal. Computational Evaluation of the Influence of the
Thickness of Welded Joints of AMg6 Alloy on Their Stress-Strain State after
Electrodynamic Treatment in the Process of Welding. 2024. No. 4. P. 11–17.
42. The Paton Welding Journal. Monitoring of High-Energy Beam Welding Processes:
Current State and Prospects. 2023. No. 6. P. 28–36.
43. The Paton Welding Journal. Peculiarities of Weld Formation in Electron Beam
Welding of Thick-Section Steels. 2021. No. 9. P. 14–22.
44. The Paton Welding Journal. Influence of Beam Oscillation on Weld Formation in
Electron Beam Welding. 2023. No. 10. P. 9–17.
45. The Paton Welding Journal. Formation of Defects in Root Zone during Full-
Penetration Electron Beam Welding. 2024. No. 3. P. 20–29.

99
46. The Paton Welding Journal. Diagnostic Features of Secondary Emission Signals in
Electron Beam Welding. 2021. No. 5. P. 31–38.
47. Лобанов Л. М., Пащин М. О., Міходуй О. Л., Тодорович Н. Л., Устименко Р.
Р. Обчислювальне оцінювання впливу товщини зварних з’єднань сплаву
АМг6 на напружено-деформований стан після електродинамічної обробки в
процесі зварювання. Автоматичне зварювання. 2024. № 4. С. 11–17.
48. Міходуй О. Л., Пащин М. О., Сидоренко Ю. М. Особливості формування
з’єднань при електронно-променевому зварюванні сплавів системи Al–Cu.
Автоматичне зварювання. 2023. № 8. С. 15–23.
49. Русиник М. О., Скрябінський В. В., Нестеренков В. М. Вплив
постзварювальної обробки на властивості електронно-променевих з’єднань
алюмінієвих сплавів. Автоматичне зварювання. 2024. № 2. С. 18–26.
50. Нестеренков В. М., Міходуй О. Л. Електронно-променеве зварювання легких
сплавів: дефекти, структура, властивості. Автоматичне зварювання. 2022. №
12. С. 4–14.
51. Пащин М. О., Міходуй О. Л., Сидоренко Ю. М. Контроль ширини зони
термічного впливу при електронно-променевому зварюванні. Автоматичне
зварювання. 2021. № 10. С. 21–29.
52. Нестеренков В. М., Назаренко О. К. Розподіл енергії в електронному промені
та його вплив на формування проплавлення. Автоматичне зварювання. 2020.
№ 1. С. 33–40.
53. Слива А. П. Electron Beam Welding Method in Magnetic Field. Elektrotehnica &
Elektronica E+E. 2012. Vol. 47, no. 5–6. P. 128–133.
54. Слива А. П. Електронно-променеве зварювання аустенітних сталей великої
товщини в магнітному полі : дис. ... канд. техн. наук. Москва, 2012.
55. Зуев І. В., Раров Н. Н., Рикалін Н. Н., Углов А. А. Про час існування вузького
каналу в рідкій фазі. Журнал прикладної механіки і теоретичної фізики. 1974.
№ 1. С. 121–129.
56. Туричин Г. А. Гідродинамічні аспекти стійкості парогазового каналу при

100
променевих видах зварювання. Фізика і хімія обробки матеріалів. 1996. № 4.
С. 74–81.
57. Туричин Г. А. Теоретичні основи та моделювання процесу променевого
зварювання металів з глибоким проплавленням : дис. ... д-ра техн. наук.
Санкт-Петербург, 2000.
58. Беленький В. Я., Журавльов А. П., Язовських В. М. Динамічна модель
електронно-променевого зварювання з повним проплавленням. Вісник
ПНІПУ. Машинобудування, матеріалознавство. 2011. № 13. С. 45–54.
59. Трушников Д. Н., Беленький В. Я., Щавльов В. Є., Піскунов А. Л., Лялін А.
Н. Використання параметрів сигналу вторинної емісії для контролю
проплавлення при електронно-променевому зварюванні. Интеллектуальные
системы в производстве. 2012. № 2. С. 133–139.
60. Трушников Д. Н., Беленький В. Я., Зиков В. В. Сигнал вторинної емісії із зони
електронно-променевого зварювання та його зв’язок з геометричними
параметрами шва. Интеллектуальные системы в производстве. 2011. № 1. С.
58–64.
61. Salminen A., Sokolov M. Real-Time Monitoring of Keyhole Welding Processes:
A Review. Journal of Manufacturing Processes. 2020. Vol. 50. P. 24–39.
62. Avilov V., Gumenyuk A., Rethmeier M. PA-Signal Based Monitoring of Full
Penetration in Beam Welding. Physics Procedia. 2013. Vol. 41. P. 901–908.
63. Müller M., Brandenburg A., Michailov V. Process Monitoring and Control in
Electron Beam Welding. Welding in the World. 2019. Vol. 63. P. 1221–1234.
64. Pitsenko I., Gumenyuk A., Rethmeier M. High-Speed Imaging of Keyhole
Dynamics in Beam Welding. Welding in the World. 2016. Vol. 60. P. 811–820.
65. Bachmann M., Avilov V., Gumenyuk A., Rethmeier M. Experimental and
Numerical Investigation of an Electromagnetic Weld Pool Support System for
High Power Beam Welding. Journal of Materials Processing Technology. 2014.
Vol. 214. P. 578–591.
66. Farson D., Kim K., Park J. Modeling and Sensing of High-Energy Beam Welding

101
Processes. Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2009. Vol. 131.
041010.
67. Huang B., Liu J., Zhang H., Du D. A Three-Dimensional Model of Coupling
Dynamics of Keyhole and Weld Pool during Electron Beam Welding. International
Journal of Heat and Mass Transfer. 2018. Vol. 118. P. 1176–1187.
68. Wang J., Liu J., Huang B. Modeling Fluid Dynamics of Vapor Plume in Transient
Keyhole during Electron Beam Welding. Vacuum. 2018. Vol. 157. P. 254–264.
69. Zhou W., Huang B., Liu J. Dynamic Evolution of Keyhole and Weld Pool
throughout Full Penetration Welding. Journal of Materials Processing Technology.
2023. Vol. 321. 118180.
70. Wan Y., Zhang H., Huang B. Insight into Keyhole Behaviour and Its Role on
Residual Defects in Electron Beam Welding. Vacuum. 2024. Vol. 228. 113476.
71. Yin Y., Zhang H., Huang B. Penetration Depth Prediction in Electron Beam
Welding Using Machine Learning. International Journal of Advanced
Manufacturing Technology. 2023. Vol. 128. P. 1681–1694.
72. Karhu M., Kujanpää V., Salminen A. Controlling Root Penetration in Electron
Beam Welding by a Closed-Loop Adaptive System. Welding in the World. 2023.
Vol. 67. P. 911–923.
73. Arata Y., Matsuda F., Murakami T. Some Dynamic Aspects of Weld Molten Metal
in Electron Beam Welding. Transactions of JWRI. 1973. Vol. 2, no. 2. P. 19–28.
74. Schultz H. Electron Beam Welding. Cambridge : Abington Publishing, 1993. 276
p.
75. Arata Y. Plasma, Electron and Laser Beam Technology. Materials Processing
Series. Ohio : ASM International, 1986. 412 p.
76. Ho C. Y., Tsai H. L. Heat Transfer and Fluid Flow in Electron Beam Welding.
Metallurgical Transactions B. 1987. Vol. 18. P. 275–284.
77. Elmer J. W., Palmer T. A., Specht E. D. In-Situ Observations of Weld Pool and
Keyhole Dynamics during High Energy Density Beam Welding. Science and
Technology of Welding and Joining. 2006. Vol. 11. P. 163–173.

102
78. Kaplan A. F. H. A Model of Deep Penetration Laser Welding Based on Calculation
of Keyhole Profile and Random Multiple Reflections. Journal of Physics D:
Applied Physics. 1994. Vol. 27. P. 1805–1814.
79. Matsunawa A., Kim J.-D., Seto N., Mizutani M., Katayama S. Dynamics of
Keyhole and Molten Pool in High-Power Laser Welding. Journal of Laser
Applications. 1998. Vol. 10, no. 6. P. 247–254.
80. Katayama S. Handbook of Laser Welding Technologies. Cambridge : Woodhead
Publishing, 2013. 632 p.
81. DebRoy T., David S. A. Physical Processes in Fusion Welding. Reviews of Modern
Physics. 1995. Vol. 67, no. 1. P. 85–112.
82. Goldak J., Chakravarti A., Bibby M. A New Finite Element Model for Welding
Heat Sources. Metallurgical Transactions B. 1984. Vol. 15. P. 299–305.
83. Rykalin N. N. Energy Sources for Welding and Thermal Cutting. Boca Raton :
CRC Press, 1990. 464 p.
84. Kou S. Welding Metallurgy. 2nd ed. Hoboken : Wiley-Interscience, 2003. 480 p.
85. Messler R. W. Principles of Welding: Processes, Physics, Chemistry, and
Metallurgy. Weinheim : Wiley-VCH, 1999. 662 p.
86. Lancaster J. F. The Physics of Welding. 2nd ed. Oxford : Pergamon Press, 1986.
340 p.
87. Steen W. M., Mazumder J. Laser Material Processing. 4th ed. London : Springer,
2010. 558 p.
88. Fabbro R., Slimani S., Doudet I., Coste F., Briand F. Experimental Study of the
Dynamical Coupling between the Induced Vapour Plume and the Melt Pool in
Laser Welding. Journal of Physics D: Applied Physics. 2006. Vol. 39. P. 394–400.
89. Kägeler C., Schmidt M., Otto A. Frequency-Based Analysis of Weld Pool
Dynamics and Keyhole Oscillation in Deep Penetration Welding. Physics
Procedia. 2010. Vol. 5. P. 389–397.
90. Blug A., Heisig G., Abt F., et al. Controlling Penetration Depth in Keyhole Laser
Welding by an Optical Feedback Loop. Applied Physics B. 2012. Vol. 108. P. 511–

103
521.
91. Jiang M., Chen Y., Wang H. Comparison of Processing Window in Full
Penetration Laser Welding and Laser Welding with Beam Oscillation. Optics &
Laser Technology. 2019. Vol. 111. P. 623–632.
92. Gumenyuk A., Rethmeier M. Beam Oscillation Effects in Deep Penetration Beam
Welding. Physics Procedia. 2011. Vol. 12. P. 76–83.
93. Tóth T., Varga T., Sipos S. Electron Beam Welding of Rectangular Copper Wires
Applied in Electric Drives. Welding in the World. 2021. Vol. 65. P. 2267–2278.
94. Markov O., Aliiev I., Aliieva L., Hrudkina N. Computerized and Physical
Modeling of Upsetting by Combined Dies. Journal of Chemical Technology and
Metallurgy. 2020. Vol. 55, no. 3. P. 640–648.
95. ДСТУ 8302:2015. Інформація та документація. Бібліографічне посилання.
Загальні положення та правила складання. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2016.
96. ДСТУ 3008:2015. Інформація та документація. Звіти у сфері науки і техніки.
Структура та правила оформлювання. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2016.
97. ДСТУ EN ISO 4063:2014. Зварювання та споріднені процеси. Перелік і
номери процесів. Київ : Мінекономрозвитку України, 2015.
98. ДСТУ EN ISO 13919-1:2015. Зварювання. Електронно-променеві та лазерні
зварні з’єднання. Настанова щодо рівнів якості для дефектів. Частина 1.
Сталь. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2016.
99. ДСТУ EN ISO 13919-2:2015. Зварювання. Електронно-променеві та лазерні
зварні з’єднання. Настанова щодо рівнів якості для дефектів. Частина 2.
Алюміній та його сплави. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2016.
100. ДСТУ EN ISO 17639:2019. Руйнівний контроль зварних швів у
металевих матеріалах. Макро- та мікроскопічне дослідження зварних швів.
Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2021.
101. ДСТУ ISO 6507-1:2007. Металеві матеріали. Випробування на
твердість за Віккерсом. Частина 1. Метод випробування. Київ :
Держспоживстандарт України, 2009.

104
102. ДСТУ ISO 6508-1:2008. Металеві матеріали. Випробування на
твердість за Роквеллом. Частина 1. Метод випробування. Київ :
Держспоживстандарт України, 2010.
103. ДСТУ ISO 6892-1:2019. Металеві матеріали. Випробування на розтяг.
Частина 1. Метод випробування за кімнатної температури. Київ : ДП
«УкрНДНЦ», 2020.
104. ДСТУ ISO 9015-1:2009. Випробування зварних з’єднань металевих
матеріалів на твердість. Частина 1. Випробування твердості дугових зварних
з’єднань. Київ : Держспоживстандарт України, 2011.
105. ДСТУ EN ISO 17637:2017. Неруйнівний контроль зварних з’єднань.
Візуальний контроль зварних з’єднань плавленням. Київ : ДП «УкрНДНЦ»,
2018.
106. Методичні рекомендації до підготовки, написання та захисту
кваліфікаційної роботи для здобувачів освітнього рівня «магістр» за
спеціальністю 131 «Прикладна механіка», освітні програми «Технології
машинобудування» та «Обробка металів за спецтехнологіями» / уклад. Г. В.
Канашевич, О. О. Коваленко, Є. В. Хижняк. Черкаси : ЧДТУ, 2023.

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets