Сварка и свариваемые материалы. Том 2. Технология и оборудование

Таким образом, (5.6) определяет условия, когда в течение характерного времени т* в слой рб вводится удельная мощ­ ность, приводящая к испарению (вскипанию) этого слоя.

=30 кВ TI„ = 0,9, т*=14-10-« с. SKUB=1,3- 10< Д ж/г и q2* = 2 -\V Вт/см2. Для нержавеющей стали при {/=30 кВ q2* = 1,3 • 10s Вт/см2.

Ограничение удельной мощности электронного луча сверху

Ограничением сверху удельной мощности луча является начало

процесса взаимодействия электронного луча с медленными электронами в канале. Расчеты [51 показывают, что это соот­ ветствует удельным мощностям луча порядка 10®—1010 Вт/см2.

5.5. Формирование канала проплавления при ЭЛ С

Теоретически и экспериментально установлено, что процесс формирования глубокого проплавления при ЭЛС имеет автоко­ лебательный характер. В литературе имеется много работ, по­ казывающих, что воздействие непрерывных во времени концен­

номерность: передача энергии от источника нагреваемому телу идет в автоколебательном режиме [6 ].

Из (5.6) следует, что при Я2>Я2* за время т слой металла

Таким образом, спустя 25,7 мкс после включения на пути луча оказывается слой пара, концентрация частиц в котором быстро падает — от 1 • 1020 до 1018—IО1®см-3. Для луча такая концентрация пара не является «прозрачной», неизбежно на­ чинается рассеяние электронного луча за пределы зоны воздей­ ствия (расфокусировка).

Из формулы (5.5) можно получить критическую плотность пара р*, при которой ослабление падающего "потока электронов происходит до величины q2*:

в канале р<р* электронный луч достигает дна канала и обеспе­

чивает нагрев очередного слоя б до вскипания; при р>р* поток электронов рассеивается на стенки канала.

В начальный момент разлета пара (в момент вскипания слоя б) от зоны нагрева в металл распространяется волна сжатия,

максимальное давление в которой

После рассеяния начинается нагрев и разлет пара, который можно описать уравнением (5.7). Таким образом, процесс фор­ мирования канала за счет испарения является периодическим.

Время t достижения электронным лучом глубины Н склады­

Расчеты по формуле (5.11) показывают, что в общем ба­ лансе времени (t) достижения электронным лучом глубины Н до 1—1 0 % времени уходит на «чистое» испарение, тогда как рассеяние (когда электронный луч расфокусирован и имеет удельную мощность на 1— 2 порядка меньше первоначального) занимает все остальное время (99—90 %).

Так как при ЭЛС луч движется относительно изделия, то

где 1>св — скорость сварки, см/с.

В процессе ЭЛС луч надви­ гается на зону металла перед передней стенкой канала и проплавляет ее на глубину Н за время /, т. е. периодиче­ ски с частотой f= v CBld углуб­ ляется в металл (периодиче­ ское «строгание» передней стенки).

Таким образом, при фор­ мировании сварного шва на­ блюдаются два основных типа периодических процессов: пе­ риодическое испарение по мере углубления электронного луча в металл (с частотами поряд­

ка единиц и десятков килогерц) и колебания жидкого металла в сварочной ванне за счет периодического «строгания» перед­ ней стенки (с частотой порядка 1—100 Гц). В литературе так­ же отмечены плазменные колебания (с частотами порядка 106 Гц). Зависимость амплитуды колебаний от частоты для всех трех типов колебаний при ЭЛС показана на рис- 5.3.

ванне составит 1/5• 10_2=20 Гц.

5.6. Автоколебания параметров ЭЛС

Для ЭЛС характерно, что при постоянном во времени потоке энергии возникают колебания физических параметров, характе­ ризующих систему луч — вещество, а именно: потока пара, ин­ тенсивности светового излучения, эмиссии электронов и т. п. из зоны воздействия луча. Существует критическое значение по­ тока энергии для возбуждения колебаний: если q2>q**, то ко­ лебания возникают, если <72<<72*, не возникают.

Такое поведение системы луч — вещество присуще автоко­ лебательным системам [6 —9].

При нагреве вещества постоянным во времени потоком энер­ гии, который больше некоторого критического значения, отме­ чаются существенные особенности в характере изменения тем­ пературы поверхности: она не стремится к постоянному зна­ чению, но колеблется относительно некоторого среднего значе­ ния. Эта закономерность обусловлена возникновением автоколе­ баний температуры и плотности пара в процессе нагрева.

стью. Для ликвидации этого дефекта прибегают к предвари­ тельному размагничиванию свариваемого изделия.

5.8. Техника ЭЛС

Сварку электронным лучом можно успешно применять в ниж­ нем положении вертикальным лучом, вертикальным и горизон­ тальным швом на вертикальной стене (горизонтальным лучом) с неполным и сквозным проплавлением. Сварка в нижнем поло­ жении рекомендуется для толщин до 40 (стали) и до 80 мм (титановые и алюминиевые сплавы). Горизонтальным лучом со сквозным проплавлением сваривают металлы толщиной до 400 мм. Типичная взаимосвязь глубины проплавления с пара­ метрами сварки представлена на рис. 5.6. Конструкция соеди­ нения для однопроходной ЭЛС выполняется с учетом глубокого

не

— сварку наклонным лучом (отклонение в направлении пе­ ремещения на 5—7°) для уменьшения пор и несплошностей и создания более равномерных условий кристаллизации;

— сварку с присадкой для легирования металла шва или восстановления концентрации легкоиспаряющихся в вакууме элементов;

— сварку на дисперсной подкладке для улучшения выхода паров и газов из канала (подкладка толщиной ~ 4 0 мм из гра­

нул или рубленой сварочной проволоки);

— сварку в узкую разделку (0 ,8 — 8 мм) в нижнем положе­ нии за счет наплавки присадки в прямоугольную разделку кромок;

— тандемную сварку двумя электронными пушками, из ко­ торых одна осуществляет проплавление, а вторая (меньшей мощности) формирует либо корень канала, либо хвостовую часть ванны. При квазитандемной сварке используют один луч, но периодически отклоняя его, например в хвост ванны, полу­ чают практически два луча;

— предварительные проходы для проверки позиционирова­ ния луча и очистки и обезгаживания кромок свариваемых ме­

таллов;

— двустороннюю сварку одновременно или последова­ тельно двух противоположных сторон стыка примерно на по­ ловину толщины стыка. Одновременную двустороннюю сварку осуществляют как с общей ванной, так и с раздельными;

— развертку электронного луча: продольную, поперечную, Х-образную, круговую, по эллипсу, дуге и т. п. с амплитудой порядка диаметра луча и частотами до 1—2 кГц для создания более благоприятных газо- и гидродинамических условий фор­ мирования канала (резонансные режимы нагрева). Двойное преломление луча в процессе развертки позволяет, например, расширить корневую часть канала, что необходимо для подав­ ления корневых дефектов;

—расщепление луча (за счет отклоняющей системы) для одновременной сварки двух и более стыков (точек);

—модуляцию тока луча (обычно с частотой 1—100 Гц) для

управления теплоподачей в сварной шов;

— «косметическое» заглаживание — повторный проход для ремонта видимых дефектов шва как с внешней, так и с внутрен­ ней сторон. В некоторых случаях «косметические» проходы осу­ ществляют с присадкой.

Особенности технологии сварки цветных, тугоплавких ме­ таллов и сплавов, а также конструкционных сталей подробно изложены в монографии [3].

5.9. Методика расчета некоторых параметров режимов ЭЛ С

Определим связь мощности электронного луча q при скорости сварки I»CD с глубиной Я и шириной В сварного шва [И].

Скорость сварки, необходимая для проникновения луча на

глубину Я при одновременном перемещении со скоростью Уев, определяется из условия

Для титанового сплава по экспериментальным данным работы [12]: </= =54 кВт, //= 10 см, исв = 0,5 см/с, d = 2 ,7 мм, S„Hn = 5- Ю4 Дж/см3.

Получаем усв^ 4*5,4‘ 104/ (3,14-0,27* 1 0 104) ^0, 5 см/с. На рис. 5.8 представлена экспериментальная зависимость термического к. п. д. т^т про­ плавления от параметра q / ( H v cв) для сталей. Наличие экстремума на кривой существенно облегчает расчеты, так как максимум г|т соответствует значению 4—5 кДж/см2 для сталей и, как показывает обработка результатов данных работы [12], для титановых сплавов.

Связь параметров луча с геометрическими характеристиками

Вн/е = (4-1-0,45• 0,27• 1,08• 10^/3,14-6,07• 103)1/2 = 0,52 см = = 5 ,2 мм.

Результат хорошо согласуется с экспериментальными данными.

б.Ю. Оборудование для ЭЛС

5.W.I. Классификация и состав электронно-лучевых установок

"•V.

По степени специализации электронно-лучевые установки де­ лится на универсальные и специализированные, а по давлению

в рабочей камере — на высоковакуумные (давление в камере

<10-1 Па), промежуточного вакуума (давление в камере 10— 10“' Па), для ЭЛС в атмосфере или в защитном газе (103—

Ю5 Па). По принципу создания вакуума в зоне сварки элект­ ронно-лучевые установки делятся на камерные (изделие внутри рабочей камеры) и с локальным вакуумированием (герметиза­ ция изделия осуществляется только в зоне сварки).

В состав любой электронно-лучевой установки (рис. 5.9) входит: электронно-лучевая пушка (ЭЛП); источник питания ЭЛП; вакуумная система; система управления [13—16].

5.10.2. Электронно-лучевые пушки (ЭЛП)

ЭЛП служат для генерации и формирования электронного луча. Основные узлы ЭЛП: генератор электронов и система проведения луча (рис. 5.10). Гене­ ратор электронов состоит из катода, управляющего электрода, или электрода Венельта, анодаСистема проведения луча включает юстирующие, фокуси­ рующие и отклоняющие катушки.

Катоды выполняются накальными (термокатоды прямого или косвенного накала) или плазменными. Материал термокатодов — вольфрам, тантал, сплавы этих металлов с рением, гексаборид лантана (LaBe).

В случае термокатодов прямого нагрева нагрев осуществляется за счет пропускания через катод тока накала, а в термокатодах косвенного нагрева — за счет бомбардировки катода электронами от вспомогательного катода.

Материал высоковольтного изолятора — керамика, стекло, специальные пластмассы. Типичные материалы для анода и управляющего электрода — не­ ржавеющая сталь, медь.

Ускоряющее напряжение приложено между анодом и катодом. Управле­ ние током луча осуществляется, как правило, путем изменения потенциала управляющего электрода по отношению к катоду.