книги / Основы электронно-лучевой обработки материалов

смыкания. Уменьшение времени смыкания канала при возраста­ нии параметра Ъ обусловлено эквивалентным падением вязкости жидкой фазы.

Задача 2. Движение жидкости при фиксированной боковой границе за счет капиллярных сил без учета гравитационных сил. Эту задачу удобно рассматривать в размерном виде. Время за­ полнения канала определяется соотношением (109). Аналогично задаче 1 введем новую переменную Z (R ) = p(R ).

Некоторые численные значения т, полученные при решении уравнений (138) и (139) с помощью ЭВМ, приведены в табл. 20 при значениях р = 10 г/см3, = 1 см, о — 10“3 кгс/см, v = = 5 - 1СГ3 см2/с. Из данных расчета следует, что увеличение радиуса канала при неизменном радиусе жидкой фазы R* приводит к воз­ растанию времени смыкания. Как и в предыдущем случае (зада­ ча 1), обращает на себя внимание слабая зависимость т от параметра К. Правда, этот вывод справедлив для выбранного расчетного диа­ пазона параметров а и Ь,

Задача 3. Затекание узкого канала в жидкости под действием силы тяжести и градиента давления. Аналитически эта задача рассмотрена в двух предельных случаях: а) малой вязкости и

101

tt{t)

Р и с. 53. К реш ению задачи № 3 мет о­ дом последовательных приближ ений

б) при пренебрежении силой тяжести. Полная система уравнений, описывающих движение жидкости, имеет вид [см. (120) и (121)1

Решение системы уравнений (140) рассмотрим, используя метод последовательных приближений и метод разложения иско­

/(0 = — [в + д а ) - ( ^ 5 - + х ) ] *

Систему уравнений (140) можно свести к нелинейному инте­ гральному уравнению

Решение уравнения (141) отыскивали по методу последователь­ ных приближений. Для этого задавались начальным распределе­ нием переменной Н по t (линейным, рис. 53):

Я (0 (0 = Яо ( 1 - ^ 5 - ) ,

где Т* — постоянная.

102

Последующие приближения определяем по формулам

103

П одстави м в ы р аж ен и я (142) в у р а в н ен и е (140):

104

И з у р а в н е н и я (147) им еем

Система уравнений (152) решалась на ЭВМ БЭСМ-4 для слу­ чаев п = 12; 24 и 36. Результаты расчетов практически совпадают с данными, полученными методом последовательных прибли­ жений.

Сравните результатов, полученных аналитически, с данными числен х расчетов, показывает, что пренебрежение вязкостью при движении жидкой фазы, заполняющей канал (первая задача) дает занижение времени смыкания канала на один-два порядка. Пренебрежение капиллярными и гравитационными силами влияет на точность модели движения жидкости (разница в пределах по­ рядка) меньше, чем пренебрежение вязкостью жидкости.

ВЛИЯНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ НА ОБРАЗОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ ЗОНЫ ОБРАБОТКИ

Рассмотрим углубляющийся в вещество канал при воздействии неподвижного относительно образца электронного луча.

Расширение вещества со дна канала от начальной плотности р = 1 г/см3 и максимального давления /?тах ^ 102 кг/см2 с мак-

105

Р (Ра + PG) = p g H + ,

ности р* давление пара от ртах на дне канала падает пропорцио­

нально Я до р < (pG+ рс). При большой глубине канала (в рас­ сматриваемом случае при Я > 1 см) давление на выходе из канала оказывается на порядок меньше (pG+ р0).

Вследствие неравномерного распределения давления пара по глубине канала слой жидкой фазы, образовавшийся в течение предыдущего рассеяния, давлением пара будет вытесняться из канала вверх, так как р > (pG+ ра). Однако в верхней части канала это давление р < (р0 + р0). Поэтому жидкая фаза, вы­ тесненная ранее, будет стремиться стечь вниз. При установлении равновесия между давлением жидкой фазы и пара на выходе из канала р = (ра + ра) распределение жидкой фазы в канале будет иметь вид, схематично показанный на рис. 54. При этом смыкание (схлопывание) канала, приводящее к прекращению процесса проплавления, будет, как это имеет место в эксперименте, начи­ наться в верхней части канала.

Таким образом, в процессе углубления канала его выходное сечение меняется. При малых глубинах (в начале процесса), когда

106

щ

Частичное смыкание канала в верхне^. его части, по-видимому,

втечение некоторого времени не является значительным

по-видимому, главной причиной одного из самых распространенных дефектов электронно-лучевой сварки - Ябразовапияпустот в кор-

ческие изменения глубины шва связан^ с К0Лебаниями объема

жидкого металла сварочной ванны в аоне кристаллизации. Из экспериментальных данных следует, что выс()та зубцов при сварке

высокопрочного алюминиевого сплава Достигает 0)5 -0 ,8 мм при расстоянии между ними до 0,8—1,5 шл [Ю5]

107

Экспериментально установлено, что периодическое изменение глу­ бины проплавления (пикообразова­ ние) свойственно процессу элек­ тронно-лучевой сварки с кинжаль­ ным проплавлением и не может быть устранено подбором параметров сварки без существенного снижения глубины проплавления. Амплитуда пикообразования пропорциональна погонной энергии. Уменьшение по­ гонной энергии снижает глубину проплавления и уменьшает пикооб­ разование. Возрастание погонной энергии позволяет восстановить

тическая мощность, по достижении которой начинаются колеба­

Волнистость поверхности шва и соответствующую неравномер­ ность глубины проплавления объясняют также периодическим изменением тепловложения по длине шва, связанным с пе­ риодическим рассеиванием электронного луча в парах металла над сварочной ванной и непосредственно в канале проплавления. Получено соотношение для определения времени экранировки [96].

При больших скоростях электронно-лучевой сварки возможны периодические срывы парового канала, обусловленные инерцион­ ными силами. Этот процесс приводит к колебаниям глубины про­ плавления, но не объясняет аналогичное явление при малых ско­ ростях сварки [23, 133].

Рассмотрим процесс пикообразования в корне шва. Проведем аналогию со сваркой в импульсном режиме, когда проплавление осуществляют точками с некоторым коэффициентом перекрытия (см. рис. 56). Скорость сварки

где d — диаметр отдельной сварочной точки, см; ти — длитель­ ность импульса; тп — длительность паузы, с; k — коэффициент перекрытия (0 < k < 1).

108

При 0 < k < 1 картина пиков в корне шва по его длине начи­ нает практически совпадать с характером изменения глубины проплавления при сварке в непрерывном режиме (см. рис. 56). Эта аналогия дает основание предположить, что появление пиков проплавления в корне шва при непрерывном режиме сварки свя­ зано с импульсным характером воздействия электронного луча.

На рис. 57 показана схема образования канала движущимся со скоростью v электронным лучом. Так как луч с некоторой скоростью vnD углубляется в металл, то, переместившись из центральной точки О в точку 0' (на расстояние, равное одному диаметру луча), луч образует канал АВСО”. Если в течение не­ которого времени луч был экранирован паром или жидкой фазой (например, при частичном смыкании канала), то он пройдет некоторую часть пути (на рис. 57 участок О' О", равный S), не углубляясь в металл. В этом случае остается слой непроплавленного металла ВЕС, ширина которого составляет di2. Максимальная ширина зубца, по-видимому, составляет величину d, а минималь­ ная зависит от времени экранировки и величин q2 и v.

Если максимальное расстояние между зубцами порядка d, минимальная частота образования пиков проплавления (Гц)

с экспериментальными данными [209, 215].

Сравним полученные качественные данные с опытными. Как видно из табл. 21, оптимальный режим проплавления имеет место в течение первых 0,25 с, а затем скорость проплавления начинает падать. Оценка частоты экранировки показывает, что в оптималь­ ном режиме она постоянна, порядка 1 кГц, а при увеличении длительности воздействия электронного луча, что равносильно уменьшению скорости сварки, уменьшается до десятков Герц. Расчет времени воздействия по формулам (38), (50) и (51) при

Таблица 21

Обработка экспериментальных данных по кинетике проплавления алюминия [ 196]

109

ПЕРЕНОС ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В КАНАЛЕ ПРИ ГЛУБОКОМ ПРОПЛАВЛЕНИИ

Процессы переноса жидкого металла при сварке с глубоким проплавлением оказывают большое влияние на формирование геометрии шва, его специфические дефекты и физико-механиче­ ские свойства.

Образование пиков проплавления (колебаний глубины пропла­ вления) многие исследователи связывают с периодичностью пере­ носа жидкого металла.

На основании экспериментальных данных о равномерном распределении материала штифта, вставленного вблизи поверх­ ности шва, предполагают, что движение расплавленного металла по стенкам канала возможно только при некотором искривлении поверхности, когда давление отдачи при испарении, воспринимае­ мое искривленной поверхностью (рис. 58), достаточно для переме­ щения «горба» вдоль передней стенки канала вниз к его дну. Амплитуда «горба» (волны), а следовательно, и движущая его сила (касательное напряжение) при этом возрастают и переме­ щение ускоряется. Таким образом, периодический перенос жид­ кого металла с передней стенки канала на заднюю осуществляется объемными волнами. При этом скатывающаяся на дно канала вол­ на оголяет твердые слои металла на передней стенке, после чего процессы плавления и перенос повторяются [105].

Перенос металла оказывается периодическим и приводит к пе­ риодическому заливанию нижней части канала, вызывая коле­ бания глубины проплавления с частотой переноса.

Длинноволновые возмущения поверхности тонкого слоя жид­ кости, движущейся по плоской стенке под действием касательного напряжения, описывают уравнением [71 ]

110