![](/user_photo/_userpic.png)
книги / Электронно-лучевая сварка
..pdf![](/html/65386/197/html_IhjT2bdDOV.wIZm/htmlconvd-kihmPU241x1.jpg)
2.3.3.7. Измерение тока несамостоятельного разряда в плазме с целью получения информации о процессах взаимодействия электронного пучка с металлом при ЭЛС
На рис. 2.55 показана схема регистрации вторичного тока в плазме над сварочной ванной. Для регистрации используется коллектор электронов 4, на который подается положительный потенциал 40–50 В от источника напряжения смещения 7. В этой цепи через резистор нагрузки 6 (величиной порядка 50 Ом) протекает ток Iе, который является током несамостоятельного дугового разряда и возникает благодаря термоэлектронной эмиссии из зоны взаимодействия электронного пучка с металлом в канале проплавления [9, 10, 45, 46].
Рис. 2.55. Измерениетока несамостоятельногодугового разряда взонеЭЛС: 1 – электронная пушка; 2 – фокусирующая система; 3 – отклоняющая система; 4 – измерительная система для обработки данных; 5 – коллектор плазменного тока;
6 – сопротивление; 7 – источник постоянногонапряжения; 8 – образец; 9 – плазма
241
![](/html/65386/197/html_IhjT2bdDOV.wIZm/htmlconvd-kihmPU242x1.jpg)
Термоэлектроны, эмитируемые стационарной перегретой поверхностью металла или зонами микровзрывов при взаимодействии сфокусированного (в том числе и в результате ионной фокусировки) электронного пучка с металлом, считались шумовой помехой при измерении вторично-эмиссионных сигналов над сварочной ванной. Но в этом методе термоэлектронный ток,
проводником которого служит плазма в зоне |
ЭЛС, выбран |
в качестве носителя информации о процессах, |
протекающих |
в канале проплавления при ЭЛС мощным концентрированным пучком электронов.
Как было показано в предыдущем подразделе, в области, окружающей электронный пучок, создается плотный плазменный цилиндрический столб с потенциалом U0, концентрацией заряженных частиц ne, температурой электронов Те и энергией ионов Мv2/2. Если рассматривать плазму как источник тока во внешней цепи, то протекаемый через нее ток
I0 = U0 r0 ,
где r0 – внутреннее сопротивление плазменного источника. Если между коллектором и свариваемым изделием приложить дополнительное электрическое поле, то плотность тока в плазме
j = σE, |
(2.9) |
где σ – электропроводимость, а Е – напряженность электрического поля. Формула (2.9) показывает, что ток в плазме пропорционален напряженности электрического поля. Если во внешней цепи включены источник напряжения смещения 7 и резистор нагрузки 6, то вторичный ток в плазме
Ie |
= |
Uсм −U0 |
, |
|
|||
|
|
r0 + Rн |
где Uсм – напряжение источника смещения; Rн – сопротивление резистора нагрузки.
242
![](/html/65386/197/html_IhjT2bdDOV.wIZm/htmlconvd-kihmPU243x1.jpg)
Этот ток будет протекать только при достаточной величине эмиссии из области взаимодействия электронного пучка с металлом в канале проплавления. Поскольку в канале имеет место интенсивная термоэлектронная эмиссия, а с коллектора электронов эмиссии заряженных частиц нет, ток несамостоятельного разряда течет только при подаче положительного потенциала на коллектор, а при отрицательном потенциале коллектора он отсутствует.
На рис. 2.56 приведена осциллограмма тока, регистрируемого коллектором электронов при ЭЛС хромомолибденовой стали (ускоряющее напряжение 60 кВ, ток электронного пучка 50 мA, скорость сварки 5 мм/с). Наблюдаемые колебания сигнала связаны с нестабильностью перегрева отдельных участков стенок канала проплавления и его дна, а также с испарением
ивзрывным вскипанием материала в этих перегретых участках
игидродинамическими процессами турбулентно движущегося жидкого металла сварочной ванны. Амплитуда сигнала при этом достигает величины порядка 0,5–1,0 А. Анализ этого сигнала показал, что в его спектре имеется низкочастотная составляющая
Рис. 2.56. Осциллограмма вторичного тока в плазме при потенциале коллектора +50 В (ускоряющее напряжение 60 кэВ, ток пучка 50 мА, скорость сварки 5 мм/с; материал – хромистая сталь)
243
![](/html/65386/197/html_IhjT2bdDOV.wIZm/htmlconvd-kihmPU244x1.jpg)
Рис. 2.57. Частотный спектртока несамостоятельного разряда, регистрируемого коллектором из плазмы над сварочной ванной
в диапазоне частот 200–1000 Гц и высокочастотная составляющая в частотной области 10–50 кГц.
Показанный на рис. 2.56 сигнал был записан в файл при аналого-цифровой обработке сигнала с коллектора с частотой дискретизации 83 и 250 кГц и подвергался дальнейшей обработке. На рис. 2.57 показан частотный спектр тока несамостоятельного разряда при ЭЛС хромомолибденовой стали. Можно отметить, что в спектре заметны как значительные амплитуды низкочастотной составляющей сигнала, так и высокочастотные максимумы, первый из которых имеет частоту порядка 16–17 кГц с заметными гармониками на частотах около 33 и 50 кГц. Этот высокочастотный компонент (см. рис. 2.55) связан с острыми регулярными импульсами тока с переменными амплитудами в сигнале тока несамостоятельного разряда (см. рис. 2.54). Показанный сигнал, регистрируемый из плазмы, и его частотный спектр (с характерным максимумом в диапазоне 15–25 кГц) наблюдались практически при всех режимах ЭЛС с глубоким проплавлением других свариваемых материалов. Частоты в спектре зависят от режима сварки и типа материала и в меньшей степени от позиции фокуса и мощности электронного пучка. Амплитуды и спектральные характеристики
244
высокочастотной составляющей спектра тока несамостоятельного разряда в плазме несут информацию о природе взаимодействия электронного пучка с материалом и могут быть использованы для управления процессом ЭЛС.
2.4.ТЕПЛОВАЯ МОДЕЛЬ ЭЛС
2.4.1.Общие сведения
Анализ процессов распределения энергии, вводимой электронным пучком в металл при сварке, является основой большинства попыток связать параметры ЭЛС с геометрическими характеристиками сварных швов. Расчетные оценки распределения тепла на основе теплового баланса при допущении квазистационарности распределения температур позволяют получить приближенные значения параметров шва и объяснить некоторые особенности процесса. В случае ЭЛС полубесконечного образца электронным пучком, который имеет среднюю плотность мощности на поверхности металла, меньшую критического значения (порядка 106 Вт/см2), тепловые процессы рассматриваются как результат действия теплового источника, близкого к точечному, и сварочная ванна имеет полусферическую форму. Отсутствие в сварочной ванне канала проплавления при этих значениях плотности мощности пучка позволяет использовать в расчетах стационарный тепловой источник. При решении задачи определения геометрических характеристик сварного шва по температурному полю в металле пренебрегают наличием нестационарных потоков жидкого металла в сварочной ванне и не учитывают наличие фазового перехода на границе жидкого и твердого металла. Но, так как размеры сварочной ванны при ЭЛС малы, тепловое поле в остальной части свариваемого изделия может быть рассчитано в приближении распространения тепла в твердом металле, нагреваемого точечным или линейным источником тепла, что дает достаточно точные для практического применения результаты.
245
На основании общей теории Розенталя − Рыкалина при нагреве бесконечного тела подвижным точечным или линейным источником тепла с учетом характеристик электронного пучка получены формулы и номограммы для вычисления геометрических параметров сварных швов при ЭЛС тонких пластин [35], а также для глубины слоя жидкого металла при электроннолучевой термической модификации поверхности [47]. При этом получено хорошее совпадение расчетных данных с экспериментальными результатами.
Вслучае пренебрежения существованием канала проплавления в сварочной ванне тепловая модель нагрева металла движущимся источником тепла может быть принята для электроннолучевой и лазерной сварки с глубоким проплавлением [4, 16, 48, 49]. Для приближенных оценок геометрических характеристик шва
вслучае глубокого проплавления металла могут использоваться также модели, где в качестве источника тепла используется суперпозиция линейного и точечного источников [50, 51].
Вто же время нужно отметить, что при ЭЛС с глубоким проплавлением, при котором среднее значение удельной мощности пучка превышает критическое значение и проплавление металла сопровождается образованием канала проплавления, энергия электронного пучка поглощается стенками канала и является сложной функцией координат и времени, как это было описано ранее.
Квазистационарная тепловая модель, основанная на представлении нагрева образца линейным равномерно распределенным движущимся тепловым источником, иногда модифицируется до комбинации линейного и точечного источников, находящихся на поверхности свариваемого изделия и смещенных в сторону, противоположную скорости движения пучка (это позволяет учесть теплосодержание жидкого металла у поверхности сварочной ванны) [50, 54]. Такая модель позволяет получить только приближенные оценки геометрических параметров сварочной ванны и окружающего теплового поля, так как в этом случае не
246
учитываются многие важные параметры процесса, такие как величина угла сходимости или расходимости пучка и положение фокуса пучка [52]. Использование этой модели в комбинации с экспериментальными данными в ряде случаев позволяет относительно точно предсказать значения геометрических характеристик швов, полученных ЭЛС [49, 53]. Однако результаты компьютерного моделирования и анализ экспериментальных данных [55–60] показывают, что воспроизведение результатов и перенос конкретной технологии ЭЛС для определенной детали от одной сварочной установки на другую возможны только при знании используемых в теории элетронных пучков параметров (например, эмиттанса пучка) и при использовании соответствующих измерительных систем для определения характеристик электронного пучка.
Необходимость усложнения физических моделей и определения характеристик электронного пучка, так же как и контроль реального теплопереноса в свариваемом изделии, требует создания адекватных статистических моделей ЭЛС. Статистический подход может обеспечить надежный выбор параметров процесса ЭЛС и достаточно точную оценку ожидаемых геометрических характеристик сварных швов для конкретного режима сварки и материала свариваемого изделия. В работе [61] исследован процесс ЭЛС с применением многооткликового статистического анализа. Исследованы зависимости геометрических характеристик шва – глубины и ширины – от параметров процесса: мощности электронного пучка, скорости сварки, положения фокуса пучка по отношению к поверхности свариваемого изделия. Уточнение полученных статистических моделей для конкретных условий сварки производится путем последовательного планирования дополнительных экспериментов. Данные для параметров тепловой эффективности процесса и дальнейшее исследование зависимостей между геометрическими характеристиками сварного шва и сварочными режимами представлены в работах [62–64]. Модельный подход с целью повышения точ-
247
ности расчетов применительно к условиям серийного производства приведен в работе [65].
Главная проблема ЭЛС – получение воспроизводимого поперечного сечения сварного шва. В настоящее время в большинстве случаев это достигается путем эмпирического подбора режимов сварки на контрольных образцах с разрезкой, приготовлением шлифов и анализом поперечного сечения сварного шва. После выбора необходимых режимов при этой же настройке электронно-лучевой сварочной установки и на том же материале выполняют нужные сварные швы. При этом воспроизводимость обеспечивается только на конкретной сварочной установке и до момента проведения регламентных работ (например, смены катода).
Недостатки существующих тепловых моделей требуют совершенствования расчетных подходов и компьютерного моделирования, а также развития экспериментальных методик контроля и управления процессом ЭЛС.
2.4.2. Приблизительная оценка геометрических характеристик ЭЛС на базе тепловых моделей.
Термическая эффективность процесса
2.4.2.1. Применение оценки распределения температур для расчета параметров ЭЛС тонких пластин
Ранее отмечалось, что в случае ЭЛС полубесконечных образцов электронным пучком со средней плотностью мощности, меньшей критической (порядка 105–10 6 Вт/см2), в результате действия капиллярных сил жидкого металла формируется полусферическая сварочная ванна (рис. 2.58). Полусферическая форма сечения шва имеет место и при сварке образца значительной толщины при плотности мощности ниже критической в результате действия точечного поверхностного источника тепла (см. рис. 2.4, а).
248
![](/html/65386/197/html_IhjT2bdDOV.wIZm/htmlconvd-kihmPU249x1.jpg)
На рис. 2.59 показано соединение тонких листов встык, выполненное ЭЛС без присадочного металла. Несмотря на то, что тепловой источник является точечным и находится на поверхности пластин, вследствие отражения тепла с нижней поверхности пластин на расстояниях, сравнимых с толщиной пластины h, граница сварочной ванны становится нормальной к поверхности пластин, и при расчетах обычно используют модель линейного источника тепла вместо точечного.
Рис. 2.58. ЭЛС тонколистовых |
Рис. 2.59. ЭЛС тонких |
образцов (сварка встык с отбор- |
листов встык |
товкой кромок свариваемых |
|
пластин) |
|
В случае ЭЛС пластин толщиной h и зазора между ними ξ для получения полусферической формы проплавления, показанной на рис. 2.58, глубина расплавленного металла должна удовлетворять геометрическому соотношению
d = |
π h |
+ |
ξ |
||
|
1 |
|
. |
||
4 |
|
||||
|
|
|
2h |
При ЭЛС тонких пластин со скоростью порядка 5–30 мм/с, как было сказано выше, глубина сварочной ванны мала по сравнению с протяженностью теплового поля, а перегрев жидкого металла невелик в сравнении с температурой плавления. В результате, пренебрегая наличием фазового перехода и используя
249
![](/html/65386/197/html_IhjT2bdDOV.wIZm/htmlconvd-kihmPU250x1.jpg)
постоянные значения теплофизических параметров, можно произвести оценку теплового баланса на базе решения уравнения теплопроводности для случая нагрева тела линейным подвижным источником тепла. В случае сварки непрерывным постоянно действующим электронным пучком подвижный линейный тепловой источник имеет интенсивность
|
P |
= |
Ua Ia η e |
, |
(2.10) |
|
h |
|
|||
|
|
h |
|
||
где Ua – ускоряющее напряжение, кВ; Ia – |
ток пучка, мА; ηe – |
эффективный КПД процесса. Принимая температуру образца T = T0 (T0 – температура окружающего воздуха) при r→∞ и интенсивность теплового источника при r→0 в соответствии с выражением (2.10), получим выражение для расчета квазистационарного теплового поля, движущегося вместе с подвижным тепловым источником:
T = |
P |
|
−x |
v |
|
v |
+ T0 , |
|
||
|
exp |
|
K0 |
r |
|
|
(2.11) |
|||
2πλ h |
|
|
||||||||
|
|
|
2a |
|
2a |
|
|
где K0 – модифицированная функция Бесселя 2-го рода нулевого порядка (или функция Макдональда).
ЗдесьцелесообразноиспользоватьбезразмерныечислаПекле:
|
X * = xv 2a ; Y * = yv 2a ; R* = rv 2a , |
где a – |
коэффициент температуропроводности, a = λ/(Cγ), λ, |
С и γ – |
коэффициент теплопроводности, теплоемкость и плот- |
ность свариваемого металла соответственно. Тогда относительное возрастание безразмерной температуры
θ = 2πλ h (T− T0 ) ,
P
иуравнение (2.11) можно записать следующим образом:
θ= exp (− X * ) K0 (R* )= exp (− R* cosφ ) K0 (R* ),
250