1499

–ограниченный размер соединяемых деталей (не может превышать размеры рабочей области вакуумной технологической камеры);

–генерация в процессе сварки рентгеновского излучения, интенсивность которого повышается при увеличении ускоряющего напряжения, что вызывает необходимость защиты персонала, обслуживающего электронно-лучевую сварочную установку;

–сложность, а в ряде случаев – невозможность применения ЭЛС для сварки сплавов с легко испаряемыми компонен-

тами (Sn, Zn, Cd);

–необходимость точного позиционирования пучка относительно стыка свариваемых деталей;

–необходимость в случае ЭЛС ответственных изделий дополнительного тестирования проплавляющей способности электронного пучка после замены катода или проведения других регламентных работ на электронной пушке;

–необходимость размагничивания перед сваркой приспособлений для фиксации свариваемого изделия и самого изделия для исключения отклонения электронного пучка остаточными магнитными полями.

2.3. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ЭЛС

2.3.1. Канал проплавления

Несмотря на то, что ЭЛС широко применяется уже более чем 50 лет, физические процессы, протекающие при взаимодействии электронного пучка с металлом, до сих пор до конца не изучены. Сложный характер взаимодействия между интенсивным потоком энергии и обрабатываемым материалом, находящимся в зоне взаимодействия в твердом, жидком, газообразном и ионизированном состояниях, недостаточно изученный механизм внедрения электронного пучка в металл, сложная динамика металла жидкой ваны и пароплазменных потоков

181

обусловливают создание упрощенных физических моделей процесса ЭЛС. В большинстве случаев вместо точного описания в существующих моделях используется грубая аппроксимация протекающих процессов. Реальное распределение мощности электронного пучка в зонах, где он взаимодействует с металлом, является функцией координат и времени. Причиной этому является сложная природа процессов, протекающих при глубоком проникновении электронного пучка в материал во время ЭЛС. Если пробег электронов в твердом теле – величина порядка нескольких десятков микрон, как это было показано в главе 1, то глубина проникновения интенсивного электронного пучка в зависимости от энергии электронов, общей мощности и распределения плотности мощности в пучке может достигать

200–300 мм.

Глубокое проникновение интенсивного электронного пучка в металл согласно устоявшемуся мнению [1–5] связано с образованием в жидком металле сварочной ванны узкого и глубокого канала проплавления, заполненного металлическими парами и плазмой, через который энергия пучка проникает в свариваемый металл (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Формирование сварного шва при ЭЛС:

а – электронный пучок падает на поверхность металла;

б– в металле образуется канал проплавления; в – дно канала достигает обратной поверхности свариваемых деталей; г – поперечное сечение сформированного сварного шва

182

На рис. 2.13 приведена схема формирования сварного шва при ЭЛС в поперечном сечении, где показано движение свариваемого изделия и расположение жидкого металла на передней и задней стенках канала проплавления. Направленный на поверхность свариваемого изделия вертикальный электронный пучок нагревает и плавит металл. Более интенсивный нагрев сосредоточен в зоне непосредственного взаимодействия пучка с материалом, где в результате превращения кинетической энергии электронов в тепловые колебания атомов металла происходит его нагрев, а потом – плавление и интенсивное испарение металла. Под действием реактивной силы испаряющихся атомов поверхность жидкой ванны прогибается вглубь металла, и электронный пучок обеспечивает углубление фронта нагрева. Движение фронта нагрева вглубь ускоряется, и пучок при достаточной плотности энергии взрывообразно испаряет металл на дне образовавшегося канала проплавления. При этом концентрация мощности электронного пучка может повышаться в результате его скачкообразной самофокусировки из-за перекомпенсации отрицательного объемного заряда электронов положительными ионами, генерируемыми в парах металла в результате соударения электронов пучка с атомами пара.

Рис. 2.13. Продольное сечение зоны ЭЛС с кинжальным проплавлением

183

Канал проплавления продолжает углубляться, и испаряемый металл обусловливает рассеивание электронного пучка. Это обеспечивает импульсный характер процесса внедрения пучка

вметалл с частотой следования импульсов порядка 104 Гц. Более низкие частоты колебательных процессов в канале проплавления обусловлены сложными процессами движения жидкого металла сварочной ванны в результате его вытеснения реактивными силами испаряющихся атомов в зонах перегрева стенок канала, а также динамическими процессами, связанными с естественной конвекцией и поверхностным натяжением нагретого до различных температур жидкого металла и силой тяжести. Жидкий металл

вразличные моменты времени частично или полностью заполняет канал проплавления, и процесс углубления электронного пучка

вметалл начинается снова, при этом свариваемое изделие постоянносмещается горизонтально со скоростью сварки.

Таким образом, процесс внедрения мощного концентрированного электронного пучка в металл можно рассматривать как стохастический, состоящий из нескольких взаимосвязанных процессов, протекающих в жидкой сварочной ванне, на границе с твердым металлом в канале проплавления и в пароплазменных потоках в пространстве над зоной взаимодействия:

–трансформация энергии электронного пучка в тепловую энергию и формирование фазовых переходов в материале в области его взаимодействия с электронным пучком;

–формирование в зоне нагрева металла электронным пучком газового потока, состоящего из паров металла и газа, растворенного в металле. Поток паров металла и газов, заполняющих канал проплавления, истекает в вакуум, так как давление у дна канала максимально, а при сквозном проплавлении давление паров максимально в средней части канала;

–изменение параметров фокусировки электронного пучка при взаимодействии с газообразной фазой материала свариваемого изделия в результате перекомпенсации пространственного заряда в пучке и рассеяния при упругих и неупругих соударениях электронов с атомами паров материала;

184

–теплоперенос в зоне взаимодействия электронного пучка со стенками канала проплавления и в зонах, находящихся вблизи сварного шва, и формирование теплового поля в свариваемых деталях;

–движение жидкого металла в результате конвекции Марангони (термокапиллярная конвекция) и действия реактивных сил испаряющихся атомов, а также в результате разности сил поверхностного натяжения на свободной поверхности жидкого металла, нагретой до различных температур. Результатом этого движения является ламинарное движение жидкого металла и турбулентные нестабильности, приводящие к изменению объема

иформы канала проплавления, а иногда и к его полному или частичному заполнению жидким металлом;

–разлет облака паров металла в вакуумном пространстве над свариваемыми деталями и расширение созданной электронным пучком плазмы. Эти процессы подчиняются различным законам, что приводит к различным законам распределения частиц пара и плазмы.

Достаточное описание всех перечисленных выше процессов дополнительно затрудняется тем, что отсутствует формулировка

как полностью адекватных общих уравнений процессов, так и соответствующих начальных и граничных условий. В результате этого предложенные в литературе физические модели являются сильно упрощенными и базируются на предположении o квазистационарномсуществованииканалапроплавленияисварочнойванны.

2.3.2. Экспериментальные исследования канала проплавления при ЭЛС

Первоначально, как уже было отмечено выше, взаимодействие электронного пучка со свариваемым металлом осуществляется в рамках процесса, близкого к поверхностному нагреву металла, если оценивать с позиции нагрева всего свариваемого изделия, но на самом деле электроны проникают

185

в поверхностный слой металла на глубину свободного пробега и выделяют свою энергию в приповерхностном слое металла, как это обсуждалось в 1-й главе монографии. Kинетическая энергия электронов, проникающих в приповерхностный твердый или жидкий слой металла, трансформируется в энергию электронной подсистемы свободных электронов решетки металла за время порядка 10–14 с. Значительная часть этой энергии передается металлу в результате неупругих взаимодействий проникающих электронов с отдельными атомами кристаллической решетки, а небольшая часть этой энергии возбуждает тормозное рентгеновское излучение. За время порядка 10–10 с электронная

иатомная подсистемы металла достигают состояния равновесия, и переданная электронным пучком энергия обусловливает локальное повышение температуры металла. В результате этого нагрева в зоне взаимодействия электронного пучка с металлом наблюдается локальное расплавление металла и его поверхностное испарение, которое при большой плотности мощности пучка носит характер взрывоподобного абляционного вскипания и выброса мельких частиц или капель жидкого металла. Поверхность жидкой ванны металла деформируется, и электронный пучок проникает в созданное им углубление. В течение некоторого времени это углубление транформируется в канал проплавления, заполненный ионизированными и нейтральными атомами металла. В местах, где наклон поверхности передней стенки канала проплавления меньше (рис. 2.14), возникает перегрев, и электронный пучок адиабатически нагревает, плавит

ииспаряет металл свариваемого изделия. Здесь угол α – усредненный угол наклона передней стенки канала проплавления. На местах выпуклостей на передней стенке канала наклон

пучка. В результате этого возникают участки перегрева металла и возникающие микропотоки пара и продуктов абляции металла взаимодействуют с электронным пучком и соответствующим элементом задней стенки канала проплавления.

186

невой зоне сварного шва, которые наблюдаются на металлографических изображениях продольных сечений сварных швов (рис. 2.17, 2.18). Результаты наблюдения динамики процесса ЭЛС с использованием высокоскоростной киносъемки представлены на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Кадры скоростной киносъемки ЭЛС прииспользовании стыка из металла икварцевого стекла (мощность электронного пучка 1 кВт, ускоряющее напряжение 30 кВ; скорость сварки 10 мм/с).

Под кадрами внизуотмечены моменты времени, вкоторые былисделаны соответствующие снимки

188

Существенно различающиеся конфигурация и интенсивность световых пятен указывают на непрерывное перемещение точек перегрева металла на стенках канала проплавления, происходящее одновременно с изменением формы и геометрических размеров самого канала. На снимках также присутствует изображение процесса взаимодействия электронного пучка с металлом, где канал проплавления более или менее заполнен жидким металлом.

На рис. 2.16 приведено изображение температурного поля при ЭЛС разнородного стыка из стали и бронзы, полученное путем компьютерной обработки изображения поверхности свариваемого изделия. Из рисунка видно, что геометрия поверхности сварочной ванны и канала, так же как и изотермы промежуточных температур, асимметрична по отношению к стыку и перед каналом проплавления образуется значительно меньше жидкого металла, чем в задней поверхностной части сварочной ванны.

Рис. 2.16. Изотермы наповерхности образца из сталис бронзой, полученные спомощьюкомпьютерной обработки яркости изображения при ЭЛС(мощность электронного пучка6 кВт, ускоряющее напряжение 60 кВ, скорость сварки 15 мм/с)

Для изучения переноса металла при ЭЛС со сквозным проплавлением использовались медные пластинки толщиной 1–2 мм, которые размещались на заданном расстоянии друг от друга на обратной стороне стального образца, и после сварки образцов производился анализ макрошлифов поперечных сече-

189