1499
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Г.М. Младенов, Д.Н. Трушников, В.Я. Беленький, Е.Г. Колева
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА
Монография
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2014
УДК 621.791.72 М72
Рецензент:
канд. техн. наук, доцент О.А. Косолапов (Пермский военный институт внутренних войск МВД России)
Младенов, Г.М.
М72 Электронно-лучевая сварка : монография / Г.М. Младенов, Д.Н. Трушников, В.Я. Беленький, Е.Г. Колева. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. – 374 с.
ISBN 978-5-398-01360-3
Изложены современные представления о физических основах формирования технологических электронных пучков, конструировании электронно-лучевых пушек и физических процессах, протекающих при электронно-лучевой сварке. Рассмотрены вопросы моделирования электронно-оптических систем электронно-лучевых пушек, прогнозирования и моделирования процессов электронно-лучевой сварки, а также технологические особенности формирования вторичных процессов в зоне взаимодействия мощного концентрированного электронного пучка на металл для контроля и управления процессом электронно-лучевой сварки.
Предназначена для научных и инженерно-технических работников, занятых в области электронно-лучевых сварочных технологий, преподавателей, аспирантов и студентов вузов.
Книга подготовлена и издана при финансовой поддержке грантов РАФФИ № 13-08-00397А и 14-08-96008_р_урал_а. Министерства образования Пермского края и Министерства образования и науки России в рамках базовой части госзадания № 01201460538.
УДК 621.791.72
ISBN 978-5-398-01360-3 |
© ПНИПУ, 2014 |
СОДЕРЖАНИЕ |
|
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ |
|
ТЕХНОЛОГИЙ...................................................................................................... |
7 |
1.1. Характеристики интенсивных электронных пучков........................ |
7 |
1.1.1. Описание электронного пучка................................................... |
8 |
1.1.2. Интегральные параметры интенсивных электронных |
|
пучков: ток, энергия и диаметр ......................................................... |
10 |
1.1.3. Микрохарактеристики электронного пучка. Функции |
|
распределения частиц и дифференциальные характеристики....... |
15 |
1.1.4. Эмиттанс и яркость................................................................... |
20 |
1.1.5. Эффектыобъемногозарядаэлектронногопучка........................ |
25 |
1.1.6. Компенсация пространственного заряда электронного |
|
пучка ионами. Магнитная и ионная самофокусировка |
|
интенсивного электронного пучка........................................................ |
32 |
1.1.7. Общее влияние эмиттанса, пространственного заряда |
|
электронови его ионнойнейтрализации |
|
наконфигурациюпучка.............................................................................. |
35 |
1.1.8. Электронно-оптические аберрации......................................... |
37 |
1.1.9. Фазовый объем, траекторное пространство пучка |
|
и эмиттанс в сварочных электронных пушках.................................. |
45 |
1.1.10. Датчики измерения радиального распределения |
|
интенсивности пучка.......................................................................... |
50 |
1.1.11. Измерение углового распределения электронов |
|
пучка и расчет эмиттанса................................................................... |
60 |
1.2. Конструированиесварочныхэлектронных пушекстермокатодом..... |
66 |
1.2.1. Термоэмиссия в электронной пушке с термокатодом ......... |
67 |
1.2.2. Геометрия электродов сварочной электронной пушки........ |
75 |
1.2.3. Конструирование вспомогательных узлов |
|
электронной пушки............................................................................. |
81 |
1.2.4. Конструктивные особенности фокусирующих |
|
и отклоняющих электромагнитных систем...................................... |
85 |
1.2.5. Компьютерное моделирование технологических |
|
электронно-оптических систем......................................................... |
88 |
1.2.5.1. Траекторный анализ формирования пучков |
|
в электронных пушках............................................................... |
88 |
1.2.5.2. Фазовый анализ формирования |
|
электронных пучков................................................................... |
97 |
3
1.2.5.3. Примеры численного анализа сварочных |
|
электронных пушек.................................................................. |
104 |
1.3. Проникновение ускоренных электронов в материал................... |
117 |
1.3.1. Общие сведения и теория проникновения........................... |
117 |
1.3.2. Экспериментальные данные о пробегах электронов, |
|
проникающих в твердые образцы................................................... |
130 |
1.3.3. Распределение поглощенной энергии при облучении |
|
с электронами твердых образцов .................................................... |
137 |
1.3.4. Компьютерное моделирование проникновения |
|
электронов в твердые образцы........................................................ |
143 |
1.3.5. Результаты численных экспериментов проникновения |
|
быстрых электронов в твердые образцы....................................... |
149 |
Список литературы.................................................................................. |
153 |
2. ВВЕДЕНИЕ ВЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВУЮ СВАРКУ.......................... |
159 |
2.1. Общие характеристики и принцип электронно-лучевой сварки.... |
159 |
2.2. Области применения ЭЛС. Преимущества и недостатки............ |
166 |
2.3. Физические процессы, протекающие при ЭЛС............................. |
181 |
2.3.1. Канал проплавления............................................................... |
181 |
2.3.2. Экспериментальные исследования канала |
|
проплавления при ЭЛС .................................................................... |
185 |
2.3.3. Роль положения фокуса по отношению |
|
к поверхности металла ..................................................................... |
196 |
2.3.3.1. Активная зона электронного пучка........................... |
196 |
2.3.3.2. Положение фокуса электронного пучка при |
|
взаимодействии со свариваемым металлом в вакууме....... |
202 |
2.3.3.3. Вторично-эмиссионный сигнал как источник |
|
информации для слежения за положением стыка |
|
свариваемых деталей и для контроля и управления |
|
процессом взаимодействия электронного пучка |
|
с материалом свариваемого изделия...................................... |
207 |
2.3.3.4. Параметры плазмы в зоне ЭЛС и регистрация |
|
тока электронов из плазмы...................................................... |
223 |
2.3.3.5. Модель ЭЛС с учетом генерации ионов |
|
в электронном пучке и наличия плазмы в канале |
|
проплавления............................................................................ |
230 |
2.3.3.6. Расширение плазмы в пространстве над |
|
сварочной ванной..................................................................... |
235 |
2.3.3.7. Измерение тока несамостоятельного разряда |
|
в плазме с целью получения информации о процессах |
|
4
взаимодействия электронного пучка с металлом |
|
при ЭЛС .................................................................................... |
241 |
2.4. Тепловая модель ЭЛС....................................................................... |
245 |
2.4.1. Общие сведения...................................................................... |
245 |
2.4.2. Приблизительная оценка геометрических характеристик |
|
ЭЛС на базе тепловых моделей. Термическая эффективность |
|
процесса............................................................................................. |
248 |
2.4.2.1. Применение оценки распределения температур |
|
для расчета параметров ЭЛС тонких пластин ...................... |
248 |
2.4.2.2. Приблизительные оценки геометрических |
|
характеристик поперечного сечения шва при ЭЛС |
|
с глубоким проплавлением..................................................... |
254 |
2.5. Статистический подход при анализе данных |
|
и моделировании ЭЛС............................................................................. |
266 |
2.5.1. Экспериментальные исследования ....................................... |
266 |
2.5.2. Регрессионные модели и статистический анализ |
|
данных для сварных швов на сталях 12Х18Н10Т и 45 ................ |
270 |
2.5.3. Обеспечение воспроизводимости параметров сварных |
|
швов при ЭЛСв производственных условиях.................................. |
277 |
2.5.4. Прогнозирование режимов, обеспечивающих |
|
формирование бездефектных швов................................................. |
278 |
2.5.5. Нахождение одновременного оптимума для ширины |
|
и глубины сварного шва. Парето-оптимизация и функция |
|
желательности................................................................................... |
281 |
2.5.6. Использование при прогнозировании и моделировании |
|
процесса ЭЛС искусственных нейронных сетей.......................... |
284 |
2.5.7. Экспертная система................................................................ |
289 |
2.6. Оборудование для ЭЛС.................................................................... |
293 |
2.6.1. ЭЛС в промежуточном вакууме............................................ |
302 |
2.6.2. Распространение установок ЭЛС и общие тенденции |
|
развития процесса............................................................................. |
305 |
Список литературы.................................................................................. |
309 |
3. ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ......................... |
317 |
3.1. Технологические особенности ЭЛС................................................ |
317 |
3.1.1. Параметры и показатели ЭЛС............................................... |
318 |
3.1.2. Камеры и вакуум для ЭЛС..................................................... |
318 |
3.1.3. Конструкции сварных соединений и технологические |
|
приемы при ЭЛС............................................................................... |
319 |
3.2. Технология сварки конструкционных материалов....................... |
321 |
5
3.2.1. Сварка углеродистых и низкоуглеродистых |
|
низколегированных сталей.............................................................. |
321 |
3.2.2. Сварка высокопрочных сталей.............................................. |
323 |
3.2.3. Сварка аустенитных коррозионно-стойких сталей............ |
335 |
3.2.4. Сварка высокопрочных сталей с бронзами............................ |
336 |
Список литературы.................................................................................. |
341 |
4. ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИЭЛС.................... |
343 |
4.1. Исследование вторичноготока в плазме, собираемого |
|
положительнымэлектродом впространстве над сварочной ванной...... |
343 |
4.1.1. Методика.................................................................................. |
344 |
4.1.2. Результаты исследования....................................................... |
346 |
4.1.3. Механизм формирования высокочастотных колебаний |
|
вторичного сигнала в плазме........................................................... |
351 |
4.2. Применение метода когерентного накопления |
|
для исследования процесса ЭЛС с осциллирующим пучком............. |
362 |
Список литературы.................................................................................. |
370 |
6
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
1.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНТЕНСИВНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ
Для успешного использования всех преимуществ, которые могут давать мощные электронные пучки, необходимо знать в деталях их свойства. Характеристики пучков определяют экспериментально. Имеются стандартизованные процедуры измерения тока пучка и ускоряющего напряжения как параметров пучка, применяемые при приемке электронно-лучевых установок [1] или при проведении исследований. Эти параметры не могут характеризовать качество создаваемого электронного пучка по возможности его транспортировки на достаточно большое расстояние или его фокусировки в небольшом пятне с маленьким углом сходимости. Направленность потока энергии – это главная особенность таких нетрадиционных сварочных источников тепла, как электронный и лазерный пучки. В случае лазерного пучка введение распределения интенсивности света и величины М2 [2] как параметров, характеризующих качество лазерного пучка, явилось важным шагом к стандартизации лазерного технологического оборудования. Несмотря на достаточно длинную историю применения электрон- но-лучевого оборудования, до сих пор существует необходимость в углублении знаний в этой области и разработке стандартизованных подходов к оценке качества технологических пучков.
В этом подразделе будут рассмотрены способы описания интегральных и микрохарактеристик интенсивных пучков электронов. Параметры пучка можно определить на основе функции распределения и других характеристик совокупности электронов пучка в плоскостях их координат и импульсов.
Описание мощного пучка, применяемого для сварки, может быть законченным, если мы измеряем или рассчитываем как
7
радиальное, так и угловое распределение тока пучка. Будет показано, что величина, интегрирующая эти характеристики технологичных электронных пучков, названная эмиттансом, может быть выбрана как показатель качества интенсивного электронного пучка, применяемого для сварки металлов плавлением. С этой точки зрения определение профиля пучка (т.е. распределения плотности тока пучка в одном поперечном сечении) и оценка эмиттанса пучка окажутся решающими шагами для стандартизации элек- тронно-лучевого сварочного оборудования, что позволит обеспечитьвоспроизводимость условий и результатов сварки.
В работе проведен сравнительный анализ различных способов измерения параметров и оценки качества электронных пучков. Приведены особенности формирования сигнала в устройствах измерения профиля интенсивного непрерывного электронного пучка. Рассмотрено применение компьютерно-томо- графского метода при определении профиля пучка и упрощения при оценке эмиттанса.
1.1.1. Описание электронного пучка
Электронный пучок – это поток движущихся приблизительно в одном направлении электронов. Электроны пучка ускорены в электрическом поле до близких друг к другу значений кинетических энергий. Часто вместе с этими быстрыми (высокоэнергичными) электронами в пространстве пучка находится и известное количество низкоэнергетичных электронов и ионов. Распределение по скоростям частиц пучка не является изотропным и неравномерно в пространстве. Таким образом, с термодинамической точки зрения пучок является неравновесной системой. Кинетическая энергия электронов пучка гораздо больше, чем энергии сил взаимодействия между ними.
Силы взаимодействия между электронами пучка имеют обычно электростатический характер. Магнитные взаимодействия играют роль только в случае релятивистских электронов или
8
вслучае полной компенсации электростатических сил, действующих между электронами пучка и низкоэнергетичными ионами, находящимися в пространстве пучка [3, 4].
Поведение электронов пучка определяется в значительной степени их пространственной плотностью. В случае низкой плотности тока пучка (и более высокой энергии) и, следовательно, низкой интенсивности взаимодействия между электронами пучок является системой из невзаимодействующих электронов.
Поведение каждой частицы в таком пучке управляется законами геометрической оптики. Их траектория напоминает луч света
вгеометрической оптике.
При увеличении плотности электронов пучка возрастает
иэнергия взаимодействия между близко расположенными частицами и их поведение имеет групповой характер. Форма пучка
итраектории отдельных электронов становятся функциями общего электрического поля, т.е. положения всех близких частиц пучка в данный момент времени. Это поле является результатом действия множества электронов. Такие пучки называют интенсивными, а граница между потоком из невзаимодействующих электронов и интенсивным пучком дается критической величи-
ной первеанса, равной 10–7 –10 –8 A В–3/2 (см. ниже определение первеанса – уравнение (1.9)).
В случае еще большей плотности электронов в пучке начинает проявляться прямое электростатическое взаимодействие между ближайшими электронами. В литературе это явление получило название «эффект Берша» (Boersch) [5], и в результате него в сильно сфокусированном узком интенсивном пучке с Максвелловским распределением по скоростям кривая распределения электронов по скоростям расширяется пропорционально j(z)1/3, где j(z) – плотность тока пучка на оси пучка z.
Эти коллективные эффекты (общее влияние электростатических сил и взаимодействие между электронами пучка) ведут к ограничениям минимального сечения пучка, как и максимальной плотностипотокакинетическойэнергииэлектроновпучка.
9
Вбольшинстве технологических применений пучок проходит через неидеальный вакуум или в парах обрабатываемого материала. Взаимодействие электронов пучка с низкоэнергетичными положительными ионами среды может привести к полной компенсации (полной нейтрализации) пространственного заряда пучка или даже к сверхкомпенсации пространственного заряда технологического электронного пучка. Отметим, что существует вероятность частично-нейтрализованного пучка [6] (см. ниже).
Вслучае взаимодействия с низкоэнергетичными заряженными частицами большой плотности (т.е. с плазмой) возможно групповое взаимодействие между электронами пучка и частицами плазмы. Это приводит к интенсивной передаче энергии электронов пучка компонентам плазмы и к развитию различной нестабильности пучка. Интенсивный обмен энергией в конечном счете ведет к достижению более стабильного (равновесного) состояния системы.
1.1.2. Интегральные параметры интенсивных электронных пучков: ток, энергия и диаметр
Основные величины, характеризующие пучок электронов, рассматриваемый как совокупность множества микрочастиц, – это число частиц, их распределение в пространстве координат и распределение по энергиям (т.е. распределение в пространстве импульсов). Для интенсивного электронного пучка основные параметры, главные интегральные характеристики – это ток пучка Iп(A), ускоряющее напряжение Uуск(В) и размер поперечного сечения пучка. Они характеризуют среднее число частиц, проходящих через изучаемое поперечное сечение в данный момент времени. Кинетическая энергия этих электронов E0 ≈ eUa (эВ), мощность пучка P0 = Uуск Iп (Вт) и значения плотности тока и потока энергии пучка определяются площадью поперечного сечения, перпендикулярного оси пучка z.
10