![](/user_photo/_userpic.png)
книги / Электронно-лучевая сварка
..pdf![](/html/65386/197/html_IhjT2bdDOV.wIZm/htmlconvd-kihmPU271x1.jpg)
|
|
|
|
|
Таблица |
2 . 5 |
|
|
Регрессионные модели для стали 12Х18Н10Т |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
№ |
|
Параметр |
Уравнение регрессии |
|
||
п/п |
|
|||||
1 |
|
H |
22,026 + 5,982 x1 − 7,108x2 + 3,820x3 −10,231x4 − 2,041x12 + 3,731x22 − |
|||
|
− 2,197 x32 −15,798x42 − 2,871x1 x2 +12,977 x3 x4 −1,919 x1 x4 |
|
||||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,971 + 0, 019x1 − 0,644x2 − 0975x3 + 2, 229x4 + 0, 416x22 + |
|
|
2 |
|
B |
+0,307x32 + 2,320x42 + 0, 214x1x3 − 0, 200x2 x3 − 2, 220x3 x4 − |
|||
|
−0, 255x2 x4 − 0,915x12 x4 + 0,300x12 x3 + 0, 299x1x22 + 1,170x1x3 x4 − |
|||||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
−1, 285x1x42 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0, 4139 + 0, 0114x1 + 0,0267x2 − 0, 0244x3 + 0, 0921x4 − |
|
|
3 |
|
ηТ |
−0, 0161x32 − 0,0136x1x2 + 0, 0269x2 x3 − 0,0580x12 x4 + |
|
||
|
|
|
|
+0, 0370x22 x1 − 0,1026x1x2 x4 + 0, 0350x2 x3 x4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Примечание: х1 – P (кВт), х2 – |
v (см/мин), х3 – ∆Z (мм), х4 – Zs (мм). |
|||
|
|
|
|
|
Таблица |
2 . 6 |
|
|
|
Регрессионные модели для ЭЛС стали 45 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
№ |
Параметр |
|
Уравнение регрессии |
|
||
п/п |
|
|
||||
1 |
|
Н |
|
12,7290 + 6,3641x1 + 3,1611x1x2 − 4,4447x32 + 3,2190x12 x2 − |
|
|
|
|
− 2,1136x2 x32 −1,7884x1x2 x3 |
|
|||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
B |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
η T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
BЗТВ |
|
5, 7224 +1,5350x1 −1, 2153x2 +1, 6868x1x2 +1, 0011x1x3 + |
|
|
|
|
2 |
2 |
|
||
|
|
|
|
+1,1931x3 |
+1, 2211x1 x2 −1,3502x1x2 x3 |
|
5 |
|
SЗТВ |
|
38, 466 + 28,501x1 −13,371x2 + 25,885x1x2 + 38,3 |
|
271
![](/html/65386/197/html_IhjT2bdDOV.wIZm/htmlconvd-kihmPU272x1.jpg)
зывается меньше, чем при расположении фокуса пучка под поверхностью образца. Наблюдается также уменьшение чувствительности глубины Н к мощности Р при более высоких значениях мощности и низких значениях скорости сварки v, а также уменьшение зависимости глубины Н от скорости сварки v при более низких значениях мощности (Р < 6 кВт) и высоких значениях скоростей сварки (v > 60 см/мин). При v = 0,5 м/мин самые глубокие швы Н > 25 мм оказываются при расположении фокуса электронного пучка над поверхностью образца (они оказываются и самыми узкими швами, у которых B = 1,5 мм).
Ширина швов В (P,v) уменьшается с уменьшением мощности пучка Р и с увеличением скорости сварки v (см. рис. 2.70), причем существует оптимальная область значений P и v, при которых образуются сварные швы малой ширины.
Из функции Н (v,dZ), представленной на рис. 2.79, можно увидеть, что при малых скоростях сварки v положение фокуса электронного пучка является важным фактором, влияющим на глубину сварного шва Н, в то время как при больших скоростях сварки и расположении фокуса пучка над поверхностью металла формируются швы малой глубины.
Рис. 2.76. Контурная диаграмма глубины сварного шва Н (P, v) для Zs = 226 мм; ∆Z = 0 мм
Рис. 2.77. Контурная диаграмма ширины сварного шва В (P, v) для Zs = 226 мм; ∆Z = 0 мм
272
![](/html/65386/197/html_IhjT2bdDOV.wIZm/htmlconvd-kihmPU273x1.jpg)
Рис. 2.78. Контурная диаграмма |
Рис. 2.79. Контурная диаграмма |
глубины (непрерывные кривые) |
глубины сварного шва Н (v, ∆Z) |
и ширины шва (пунктирная линия) |
для P = 6,3 кВт; Zs = 126 мм |
от Р и∆Z при v = 50 см/мин |
|
На рис. 2.80 представлены зависимости глубины Н от мощности пучка Р для различных значений ∆Z и постоянной скорости сварки v = 0,5 м/мин. (Величина ∆Z со знаком «–» соответствует положению фокуса пучка ниже поверхности металла и соответственно со знаком «+» – положению фокуса над поверхностью металла).
При положении фокуса над поверхностью металла (∆ Z= 62 мм) наблюдается плавное увеличение глубины Н с рос-
том мощности пучка Р, в то время как при положении фокуса ниже поверхности металла ( ∆ Z= − 8 мм, ∆ Z= − 70 мм) увеличение глубины Н происходит интенсивно лишь до определенного значенияP, после чего наблюдается обратное. При ∆ Z= − 8 мм глубинаН оказывается сравнительно стабильной и слабо зависит от Р. Нарис. 2.80, 2.81 показаны и экспериментальные результаты (обозначенные « »). Прямыми линиями Р/Н = 1,333 кВт/см и Р/Н = 10 кВт/см показаны границы области, определенные на базе комбинации тепловой модели и полученных экспериментальных данных (см. рис. 2.67). При высоких значениях мощности могут получаться глубокие швы даже при расположении фокуса электронного пучка над поверхностью свариваемого металла.
273
![](/html/65386/197/html_IhjT2bdDOV.wIZm/htmlconvd-kihmPU274x1.jpg)
Рис. 2.80. Зависимость глубины |
Рис. 2.81. Зависимость ширины |
шва Н от мощности пучка P |
шва В от скорости сварки v |
для разных значений параметра |
для разных значений параметра |
фокусировки∆Z и скорости |
фокусировки∆Z и мощности |
сварки v = 0,5 м/мин |
пучка P = 6,3 кВт |
На рис. 2.81 показаны зависимости между шириной В и скоростью сварки v для различных значений параметра фокусировки ∆Z при неизменной мощности пучка Р = 6,3 кВт. Для сравнения здесь также показана область, ограниченная прямыми
линиями vВ = 0,0533 см2/с и vB = −0, 75 |
см2/с (см. рис. 2.72) |
и базирующаяся на экспериментальных |
данных и тепловой |
модели, а « » обозначены экспериментальные данные. Из рисунка видно, что при расположении фокуса электронного пучка над поверхностью металла ширина шва B и значение произведения vВ увеличиваются. Более узкие швы получаются при расположении фокуса пучка ниже поверхности металла с минимумом в диапазоне скоростей сварки ниже 10 мм/с. Было установлено, что оптимальной мощностью пучка для более узких швов в нержавеющей стали являлась мощность 4,2 кВт при значении параметра фокусировки ∆ Z= − 8 мм.
На рис. 2.82 показана контурная диаграмма для ηТ (P, ∆Z) при скорости сварки v = 50 см/мин. На рис. 2.83 показана зави-
274
![](/html/65386/197/html_IhjT2bdDOV.wIZm/htmlconvd-kihmPU275x1.jpg)
симость термического КПД ηТ от мощности пучка Р. Величина термического КПД ηТ определяется выражением (2.16). При низких значениях мощности электронного пучка (до 5–6 кВт) для получения максимальных значений термического КПД η Т фокус электронного пучка должен находиться ниже поверхности свариваемого металла (от ∆ Z= − 8 мм до ∆ Z= − 70 мм). При мощности пучка 6–9 кВт для эффективного нагрева зоны проплавления положение фокуса пучка уже не так критично.
Рис. 2.82. Контурная диаграмма термической эффективности ηT (Р, ∆Z) для нержавеющей стали и скорости сварки v = 50 см/мин
Рис. 2.83. Зависимость термической эффективности η T от мощностти пучка P для разных значении фокусного параметра ∆Z и скорости сварки
v = 50 см/мин
Видно, что максимум η Т достигается при расположении фокуса электронного пучка на 8 мм ниже поверхности металла при малых значениях мощности и над поверхностью металла при высоких значениях мощности пучка, причем в обоих случаях скорость сварки должна быть высокой. Для сравнения: достижение максимума зависимости Н(P) реализуется при малых скоростях сварки и невысоких значениях мощности пучка,
275
![](/html/65386/197/html_IhjT2bdDOV.wIZm/htmlconvd-kihmPU276x1.jpg)
т.е. существуют отличия в характере изменения η Т и Н в зависимости от мощности электронного пучка. При мощности пучка Р = 6 кВт и P = 9,3 кВт η Т слабо зависит от положения фокуса пучка.
Контурные диаграммы, представляющие собой зависимость глубины сварного шва, зоны термического влияния H и ширины в верхней части BЗТВ от параметров процесса (Р, ∆Z, v) при ЭЛС стали 45, представлены на рис. 2.84 и рис. 2.85. Зона термического влияния становится более узкой и более глубокой при расположении фокуса пучка на несколько миллиметров ниже поверхности металла при v = 1,5 см/с и Р = 4,5…7,0 кВт. Самые глубокие и узкие зоны проплавления получаются при меньших скоростях сварки, при этом для выбранной мощности пучка положение фокуса находится значительно ниже поверхности образца (∆ Z= − 70 мм).
Рис. 2.84. Контурная диаграмма глубины шва H (P,∆Z) (сплошные линии) и ширины ЗТВ в верхней части BЗТВ (P,∆Z) (пунктирные линии) для стали 45, v = 1,5 см/с
Рис. 2.85. Контурная диаграмма глубины сварного шва H (v,∆Z) (сплошные линии) и ширины шва в верхней части B (P,∆Z) (пунктирные линии) для стали
45, P = 5 кВт
276
2.5.3. Обеспечение воспроизводимости параметров сварных швовприЭЛСвпроизводственных условиях
В производственных условиях часто имееют место отклонения условий процесса ЭЛС от заданных, что является результатом неточной установки параметров режима при многократном его повторении и изменениях в геометрических параметрах электронно-оптической системы электронной пушки. Это приводит к отклонениям характеристик полученных сварных швов.
С целью уменьшения отклонения параметров сварных швов от заданных и улучшения их качества можно использовать регрессионные модели для выбора параметров процесса. В работе [65] предложено использовать расчетные уравнения регрессии для оценки получения заданных параметров сварных швов в производственных условиях. При этом используются две модели: модель среднего значения и модель вариации параметра. Эти две модели можно использовать для выбора параметров режима ЭЛС, при которых обеспечивается поддержание параметров сварного шва на уровне, близком к заданному значению, и минимизация отклонений от этого значения. На рис. 2.86 представлены кривые контура глубины сварного шва H, а на рис. 2.87 контурная диаграмма для ширины шва В. Модели построены применительно к ЭЛС нержавеющей стали в производственных условиях. Для оценки моделей используются пределы допусков, приведенные в табл. 2.4. Из контурных диаграмм видно, что для получения минимального разброса по глубине сварного шва следует выбрать режим сварки с мощностью Р = 7,5 кВт и скоростью сварки 13 мм/с, так как отклонения глубины шва при этом режиме минимальны. Для ширины сварного шва минимальные отклонения находятся примерно в этой же области режимов сварки (Р = 6,5…7,5 кВт и v = 9…13 мм/с). Таким образом, данный подход обеспечивает воспроизводимость характеристик сварных швов с минимальными отклонениями геометрических параметров.
277
![](/html/65386/197/html_IhjT2bdDOV.wIZm/htmlconvd-kihmPU278x1.jpg)
Рис. 2.86. Контурная диаграмма для |
Рис. 2.87. Контурная диаграмма |
среднего значения (сплошная |
для среднего значения (сплошная |
линия) иотклонений (пунктирная |
линия) и отклонений (пунктирная |
линия) глубины сварного шва H |
линия) ширины сварного шва В |
для нержавеющей стали |
для нержавеющей стали |
(параметр фокусировки |
(параметр фокусировки |
∆ Z= − 78 мм) |
∆ Z= − 78 мм) |
2.5.4. Прогнозирование режимов, обеспечивающих формирование бездефектных швов
Для оценки возможности прогнозирования режимов, обеспечивающих формирование бездефектных швов, был проведен анализ поперечных сечений сварных швов, полученных при различных режимах сварки, с подсчетом количества дефектов. Чтобы прогнозировать области режимов, где вероятность появления дефектов мала, использовался следующий подход. Поперечные сечения швов были разделены на две группы: первая – с дефектами и вторая – без деффектов. Вид дефекта во внимание не принимался.
Анализ полученных данных показал, что наибольшее влияние на формирование сварных швов с дефектами оказывают мощность электронного пучка и рабочая дистанция сварки.
278
Использование регрессионного анализа позволило корректно спрогнозировать качество 94 % из рассмотренных швов (95 % – для группы 1 и 89,5 % для группы 2).
Регрессионная модель для стали 45 имеет следующий вид:
D = −0,177 − 0,341x1 − 0,113x2 + 0,562x3 −1,188x4 + 0, 495x12 + +0, 260x22 + 0,314x32 +1,097x1 x4 − 0,368x22 x3 − 0,383x12 x3 +
+0,553x12 x4 − 0, 271x12 x2 x4 + 0,379x1x32 −1,867x1x3 x4 +
(2.17)
+1,803x1 x42 + 0,677x22 x4 + 0,320x12 x2 x3 − 0,586x12 x32 + +2,037x12 x3 x4 − 2,083x12 x42 − 0, 232x1 x22 x3 − 0,742x1 x3 x42 − −1,890x22 x3 x4 +1,886x22 x42 − 0,310x2 x3 x42 .
Величина D = 0,5 принята в качестве границы между областями режимов, при которых формируются дефектные сварные швы (D > 0,5), и режимов, обеспечивающих формирование сварных швов без дефектов (D < 0,5). Для более детального прогноза по сварным швам группы 2 (швы без дефектов) граница между этими двумя областями должна быть выбрана равной D = 0,4 (в этом случае процент корректных предсказаний составляет
87,7 %, а для группы 1 – 83,9 %).
Регрессионное уравненние (2.17) может быть использовано при оптимизации процесса ЭЛС со специфическими требованиями к нахождению индивидуального оптимума и компромиссных решений.
На рис. 2.88 представлен результат оценки режимов сварки для получения максимального значения глубины шва H, которое составило H = 43,65 мм при P = 8,4 кВт, v = 20 см/мин, ∆ Z= − 29,5 мм и Zs = 146,5 мм. В качестве критерия отсутствия дефектов было принято D < 0,5. Серая зона на диаграмме определяет все режимы ЭЛС, при которых дефекты в сварных швах не ожидаются. Можно предположить, что при ЭЛС с мощностью электронного пучка больше 6,5 кВт канал в сварочной ванне более широкий и реже заполняется жидким металлом таким образом, что в корне канала формируются газовые полости.
279
![](/html/65386/197/html_IhjT2bdDOV.wIZm/htmlconvd-kihmPU280x1.jpg)
Рис. 2.88. Контурная диаграмма H (P,v) при ∆ Z= − 29,5 мм и Zs = 146,5 мм
Рис. 2.89. Контурная диаграмма η T (P,v) при∆Z = 0 мм и Zs = 226 мм
280