Решение инженерных задач на высокопроизводительном вычислительном к

Второй член в правой части уравнения (15.14) описывает появление электронов за счет вторичных эффектов излучения, Гр является коэффициентом вторичной эмиссии. Второе слагаемое в уравнении (15.15) представляет поток энергии вторичного излучения; ε p – средняя энергия вторичных электронов. Ионы теряются на стенках вследствие поверхностных реакций и того, что электрическое поле направлено к стене:

ческая температура; С – постоянная.

Граничные условия для потока электронов с поверхности (из канала проплавления) в результате термоэлектронной эмиссии описывается в этом случае как −n Гe = j / e.

Плазмохимические реакции

При сварке сплавов в парах может содержаться большое количество различных химических элементов, что при детальном рассмотрении приводит к большому числу плазмохимических реакций и требует больших вычислительных ресурсов. В первом приближении будем считать, что пары состоят из нейтральных атомов и ионов железа.

В табл. 15.1 приведены учитываемые при расчетах плазмохимические реакции и принятые величины соответствующих энергий.

161

Таблица 1 5 . 1

Плазмохимические реакции и принятые величины энергий

в табл. 15.2. Когда возбужденный атом железа вступает в контакт со стенкой, он вернется в основное состояние с некоторой вероятностью (коэффициент прилипания).

Ионизация паров металла электронами пучка описывалась введением источника ионизации, действующего вдоль оси пучка. Мощность источника подбиралась таким образом, чтобы обеспечить совпадение получаемых в отсутствие потенциала на коллекторе в результате расчета данных с экспериментальными данными. На рис. 15.4 приведена зависимость распределения концентрации электронов от расстоя-

162

ния до оси пучка. На рис. 15.5 приведена зависимость отношения потенциала в плазме к энергии электронов (в электронвольтах). На рис. 15.6 приведена зависимость потенциала от высоты над свариваемым изделием вдоль прямой, находящейся на расстоянии 2 см от оси пучка. Характер полученных зависимостей хорошо согласуется с экспериментальными данными [12].

Анализ полученных зависимостей показывает, что величина тока несамостоятельного разряда практически линейно возрастает с ростом концентрации паров и увеличением интенсивности термоэмиссии.

Приведенные результаты позволяют интерпретировать экспериментальные данные исследования формирования вторичного тока в плазме при ЭЛС. Согласно работам [20, 21] сигнал вторичного тока представляет собой серию резких импульсов вторичного тока. Моделирование показывает, что указанный характер может быть вызван пульсациями давления паров вследствие импульсного характера их истечения из канала

Рис. 15.4. Логарифмическая зависимость концентрации электронов от расстояния до оси пучка

163

проплавления, колебаниями интенсивности термоэлектронной эмиссии или обоими факторами одновременно. Как в том, так и в другом случае интенсивности испускания (интенсивность испарения или интенсивность термоэлектронной эмиссии) могут быть в первом приближении аппроксимированы экспоненциальными зависимостями. Таким образом, наблюдаемые экспериментально колебания величины тока несамостоятельного разряда, так или иначе, связаны с пульсациями температурного поля в канале проплавления.

На основе моделирования исследованы особенности возникновения вторично-эмиссионного сигнала в плазме и характер изменения параметров вторичного тока в зависимости от тока фокусировки при электронно-лучевой сварке с осцилляцией пучка и модуляцией его мощности. В результате моделирования установлено, что величина вторичного сигнала экспоненциально убывает при увеличении глубины зоны взаимодействия электронного пучка с металлом в канале проплавления (рис. 15.7). В спектре тока несамостоятельного разряда в плазме при элек- тронно-лучевой сварке с осцилляцией электронного пучка и модуляцией его тока появляются значительные по величине составляющие на частотах, кратных частотам осцилляции и модуляции пучка. Величины амплитуд этих составляющих несут информацию об интенсивности термического воздействия электронного пучка на свариваемый металл и могут быть использованы для контроля фокусировки луча. Зависимости указанных амплитуд от тока фокусировки имеют экстремумы, которые соответствуют току острой фокусировки, обеспечивающему максимальную глубину проплавления. Амплитуда составляющей на частоте модуляции имеет минимум при острой фокусировке

(рис. 15.8).

Зависимость параметров вторичного тока в плазме от глубины зоны взаимодействия пучка со стенками канала проплавления (см. рис. 15.7) позволила разработать методику

165

экспериментального определения формы канала проплавления (рис. 15.9, 15.10) при электронно-лучевой сварке с осцилляцией пучка по параметрам тока несамостоятельного разряда в плазме [22].

Кроме формы канала проплавления, указанная методика дает дополнительную информацию о процессах в канале проплавления. Так, методика позволяет определить распределение энергии пучка по стенкам канала проплавления. Было установлено, что в зависимости от технологических параметров сварки (скорость, мощность, фокусировка) и параметров осцилляции пучок в процессе осцилляции на некоторых режимах может взаимодействовать только с дном и передними (и боковыми) стенками канала проплавления (см. рис. 15.10). На других режимах пучок взаимодействует как с передней, так и с задней стенками практически одинаково.

167

Таким образом, в работе описаны результаты моделирования формирования тока несамостоятельного разряда в плазме, образующейся над зоной ЭЛС. Результаты показывают удовлетворительное совпадение полученных данных с известными экспериментальными и расчетными значениями параметров плазмы. В результате моделирования установлено, что на величину тока несамостоятельного разряда в плазме оказывают наибольшее влияние интенсивность испарения металла и интенсивность термоэлектронной эмиссии. Построенная модель способствует более глубокому пониманию процессов, сопутствующих формированию вторичного тока в плазме, что необходимо для построения научно обоснованных методов контроля ЭЛС. Модель также может быть использована в дальнейшем для моделирования эффектов, связанных с формированием и протеканием несамостоятельного разряда при лазерной сварке.

Методика реконструкции формы канала проплавления открывает возможность нового подхода в моделировании процессов электронно-лучевой сварки с осцилляцией электронного пучка. Такой подход избавляет от необходимости учитывать все сложные факторы, оказывающие воздействие на формирование канала проплавления (влияния паров и ионов в канале на положение фокуса пучка, переотражения электронов пучка от стенок канала, движение пучка по стенкам канала и т.д.). Определяемая экспериментально форма канала проплавления и распределение вводимой пучком энергии на стенках канала будут использоваться при решении связанной тепловой и гидродинамической задачи в качестве входных параметров. Разработка такой модели, основанной на экспериментально определенной форме канала проплавления и на распределении энергии в нем, будет важным шагом на пути полного описания процесса. Описанный подход позволяет проанализировать влияние отдельных факторов на формирование проплавления: геометрии канала проплавления, распределения энергии в канале, эффекта Марангони, турбулентности и т.д. Понимание механизмов воздействия па-

168

раметров осцилляции на формирование сварного шва позволит научно обосновать методы управления качеством сварных соединений при электронно-лучевой сварке. Полученная модель может быть распространена на случай сварки разнородных металлов. В первом приближении это будет модель в однофазной постановке, когда в модели по обе стороны от шва будут задаваться различные параметры среды. Во втором приближении моделирование будет вестись в двухфазной постановке, что позволит проанализировать эффекты перемешивания металлов. Модель может быть дополнена динамическим воздействием на поверхность канала проплавления.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ-Урал № 11-08-96016 и № 13-08-00397, а также при финансовой поддержке Министерства образования Пермского края.

Список литературы

1.Экспериментальные исследования по оптимизации технологии электронно-лучевой сварки алюминиевых сплавов / Ю.Н. Серегин, В.Д. Лаптенок, Н.В. Успенски, В.П. Ниткин // Технологии и оборудование ЭЛС-2011: материалы междунар. науч.-

техн. конф. (23–26 мая 2011). – Санкт-Петербург, 2001. – С. 71–80.

2.Исследование формирования сварных швов при элек- тронно-лучевой сварке высокопрочных сталей больших толщин / В.Я. Беленький, Д.Н. Трушников, Г.М. Младенов Т.В. Ольшан-

ская // Автоматическая сварка. – 2012. – № 2. – С. 47–50.

3. Кайдалов А.А. Электронно-лучевая сварка и смежные технологии – 2- е изд., перераб. и доп. – Киев: Экотехнология,

2004. – 260 с.

4. Kaplan A.F.H., Norman P., Eriksson I. Analysis of the keyhole and weld pool dynamics by imaging evaluation and photodiode monitoring // Proceedings of LAMP2009 – the 5th International Congress on Laser Advanced Materials Processing. – 2009. – P. 1–6.

169

5. Modelling of pulse-periodic energy flow action on metallic materials / I.Y. Smurov, A.A. Uglov, A.M. Lashyn, P. Matteazzi, L. Covelli, V. Tagliaferri // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 1991. – Vol. 34. – Р. 961–971.

6.Mladenov G., Sabchevski S. Potential distribution and space-charge neutralization in technological intense electron beams – an overview // Vacuum. – 2001. – Vol. 62. – P. 113–122.

7.Yazovskikh V.M., Trushnikov D.N., Belen'kii V.Y. The mechanism of secondary emission processes in electron beam welding with the modulation of the electron beam // Welding International. –

2004. – Vol. 8. – No. 9. – P. 724–729.

8. Беленький В.Я., Язовских В.М. Контроль электроннолучевой сварки с использованием плазменных явлений в области сварочной ванны // Сварочное производство. – 1997. – № 1. –

C.7–9.

9.Trushnikov D.N., Belenkiy V.Ya.,.M., Portnov N.S. Secondary – Emission signal for weld formation monitoring and control in electron beam welding (EBW) // Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. – 2012. – Vol. 43. – Iss. 10. – P. 892–897.

10.Plasma charge current for control and monitoring at electron beam welding with the beam oscillation / D. Trushnikov, V. Belenkiy, V. Schavlev, A. Piskunov, A. Abdulin, G. Mladenov // Sensors. – 2012. – 12 (12). – 17433–17445. doi: 10.3390/s121217433.

11.Trushnikov D.N., Ya V. Belen’kii. Investigation of the formation of the secondary current signal in plasma in electron beam welding with oscillations of the electron beam // Welding International. – 2013. – Vol. 27. – Iss. 11. – P. 877–880. doi:

10.1080/09507116.2013.796645.

12.Krinberg I.A., Mladenov G.M. Formation and expansion of the plasma column under electron beam metal interaction // Vacuum. – 2005. – Vol. 77. – P. 407–411.

13.Teng W.A.N.G., G.A.O. Xiangdong, Katayama Seiji, J.I.N. Xiaoli. Study of dynamic features of surface plasma in high-

170