книги / Основы электронно-лучевой обработки материалов

Изменение коэффициента теплопроводности X материала при нагреве учтено путем введения тепловой функции

т

S = ^ \% d T Я7\

О

где

т

X = (l/T)jxd,T.

о

Величина X является средним значением X (Т) по интервалу температуры Т, Тогда dS = МТ, ХуТ = VS, и уравнение рас­ пространения тепла примет вид

аналогичный уравнению (210).

Изменение удельной теплоемкости и скрытой теплоты плавле­

Выражение (213) соответствует выбору среднего значения коэф­ фициента температуропроводности относительно 5. С учетом формулы (212) уравнение теплопроводности может быть записано в виде V2S = 2f/VS,

где U = (Х/ср) = у via является константой.

Решение уравнения (211), соответствующее линейному источ­ нику интенсивностью q, имеет вид [76]

Из выражения (216) можно определить размер ванны и зону термического влияния. Для медленнодвижущейся ванны (Ur

132

мало) изотермы почти круговые (решение почти не зависит от ф). Для быстродвижущейся ванны (или при близком расположении

источника тепла) изотермы имеют яйцевидную форму (плоскую

близ источника и вытянутую сзади него). При очень больших значениях Ur ванна образуется длинной и узкой.

В любой части ванны ее полуширина

Выражения (223) для нормализованной ширины проплавления (и скорости) и (224) нормализованной мощности источника (на единицу глубины проплавления) являются функциями перемен­ ной Ur, которая может быть исключена из них аналитически при высоких или низких значениях мощности (скорости).

При высоких скоростях перемещения источника (больших Ur) могут быть использованы асимптотические выражения моди­

133

Последняя асимптотическая прямая показана на рис. 75. Используя выражения'(226) и (212), получим формулу терми­

ческого КПД

Следовательно, предельная величина входной мощности, кото­ рая необходима только для плавления металла, равна приблизи­ тельно 48% .Для поверхностно нагреваемой ванны (точечный источ­ ник расположен на поверхности полубесконечного тела) величина термического " КПД т]г = Не =0,368 [153].

При низких скоростях перемещения источника (малые Ur) могут быть использованы приближения модифицированных функ­ ций Бесселя

в существенной степени является характерным физическим огра­ ничением эффективности источника энергии. Для малых величин X значения Y уменьшаются очень быстро, приближаясь к весьма малым значениям. Хотя, в принципе, согласно модели можно использовать*" любое значение мощности X, на практике имеются ограничения минимальной (т. е. критической) мощности, по до-

134

стижении которой начинается глубокое проплавление. Критиче­ ское значение X соответствует величине, меньшей единицы, напри­ мер 0,25.

При средних мощностях и скоростях Ur связь между X и Y оценивают численно. Результирующая кривая показана на рис. 75.

Сравнение экспериментальных параметров электронно-луче­ вой сварки, представленных в табл. 24, с расчетными (рис. 76) показало, что при воздействии электронного луча в режиме глу­ бокого проплавления эффективность использования его энергии на плавление с увеличением мощности и скорости приближается к теоретическому значению (т]т =0,484). Величина термического КПД

H0HBv

Тг — w

или, согласно рис. 75, 76,

Рассмотрим теперь эффективность проплавления при исполь­ зовании импульсного электронного луча. Представляя процесс формирования сварного шва движущимся электронным лучом как некоторую последовательность состояний равновесия, можно, используя выражения (52), получить связь энергетических пара­ метров луча с характеристиками проплавления в виде уравнения

Из выражения (52) следует, что энергия, поступающая в мате­ риал в течение времени t, для того чтобы осуществить проплавле­ ние на глубину Я, частично тратится на испарение материала в объеме канала nd2Hi4 (до 10%) и на образование жидкой фазы за счет рассеяния электронов луча на стенки канала частицами пара (до 90—95%). Таким образом, если исключить второе слагае­ мое в скобках выражения (52), то будет иметь место только испа­ рение. Если регулировать величину второго слагаемого в пределах от какого-то минимального значения до максимума, можно полу­ чать заданное количество жидкой фазы.

На рис. 77 цифрой 2 представлена полученная эксперимен­ тально зависимость [196] глубины проплавления от энергетиче­ ских затрат для случая воздействия на алюминий при q = 6500 Вт,

135

{U=

-130 кВ)

х Ю3 кал/г. Как видно, затраты энергии на проплавление со­ ставляют 400 кал/см.

Представим себе, что на глубине в 1 см в описанных условиях проплавление стало сквозным (рис. 77, стрелка 2). Это означает, что диаметр канала увеличился, так как появился второй выход для истечения пара. Соотношение (228) в этом случае несколько изменится:

136

Если й г — d %(сквозное проплавление с параллельными стенками), то мощность, затрачиваемая на образование жидкой фазы, умень­ шается почти вдвое (затраты на испарение много меньше затрат на плавление.) При этом естественно, количество жидкой фазы уменьшается, ширина шва становится меньше, и часть электрон­ ного луча проходит канал вхолостую. Поэтому при сквозном про­ плавлении мощность электронного луча обычно уменьшается на

В нашем случае за счет сквозного проплавления в непрерывном режиме затраты мощности снизились в 1,6 раза — до 254 кал/см (рис. 77, прямая 3),

Рассмотрим случай использования импульсного режима про­ плавления. В связи с тем, что процесс углубления канала при воздействии непрерывным лучом является прерывистым, т. е. периодически испаряется слой, толщина которого имеет тот же порядок, что и длина пробега электронов в металле, а в промежут­ ках электронный луч рассеивается на стенки канала (с удельной мощностью на один-два порядка ниже первоначальной) и обра­ зует жидкую фазу, применение импульсного режима вместо не­ прерывного дает возможность сокращать время «паузы», т. е. количество энергии, идущей на образование жидкой фазы, сохра­ няя в цикле неизменным естественное время испарения элементар­ ного слоя.

В этом случае имеется некоторая аналогия со сквозным про­ плавлением в том плане, что в паузе между импульсами как бы работает еще одно отверстие канала.

Затраты энергии на образование жидкой фазы в выражении (52) можно получить в другом виде с использованием термического КПД г\г процесса нагрева. Связь введенной энергии с характери­ стиками геометрии проплавления без учета затрат на испарение

137

Пользуясь выражениями (230) и (231) для импульсного режима электронно-лучевого воздействия, можно вывести следующее уравнение:

ходит в процесс образования отверстия [159].

На рис. 83 прямая 4 представляет экспериментальную зави­ симость расхода энергии при проплавлении отверстия в алюминии [159] (глубина отверстия 60 мм, диаметр 2 мм, скорость образова­ ния отверстия 1,5 см/с, величина энергозатрат 72 кал/см). Таким образом, диапазон 0,1 < G < 1 (см. рис. 83) представляет собой набор импульсных режимов, с помощью которых можно существенно снизить затраты энергии при получении одной и той же глубины проплавления. Случай сквозного проплавления с параллельными стенками канала, как видно из выражений (228) и (232), соответ­ ствует G = 0,5 .

При резке (образовании сквозных отверстий) или импульсной сварке со сквозным проплавлением работает второй выход канала, и выражение (232) преобразуется:

Таким образом, использование импульсного режима при иескьозном проплавлении дает возможность уменьшать затраты на плавление до 30—50% при G ^ 1,0-М),5. Переход к сквозному проплавлению при импульсной сварке дает возможность в еще больших пределах регулировать количество жидкой фазы, так как в этом случае наличие второго выхода из канала эквивалентно работе при G = 1,0-=-0,25.

Использование импульсного режима при электронно-лучевой сварке открывает широкие перспективы с точки зрения получения заданной глубины и ширины шва. При разработке оборудования и технологии сварки металлов больших толщин следует идти не только по пути наращивания мощностей установок и повыше­ ния ускоряющего напряжения, но и использования возможно­ стей, которые дает применение импульсных электронных пучков.

138

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ КОЛЕБЛЮЩЕГОСЯ (СКАНИРУЮЩЕГО) ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА

Колеблющийся электронный пучок является весьма эффективным технологическим инструментом [2, 129, 151 ].

Рассмотрим кратко кинетику колебаний электронного луча, так как законы движения пятна нагрева оказываются определяю­ щими для источников тепла. Наиболее просто и легко получить колебания луча вдоль и поперек шва. Они могут быть пилообраз­ ные, прямоугольные, синусоидальные и круговые [129].

Пилообразные колебания получают тогда, когда скорость движения пятна нагрева в процессе колебаний пучка неизменна на протяжении периода, а направление вектора скорости в край­ них точках отклонения меняется на противоположное. В резуль­ тате движения свариваемой детали траектория пятна нагрева по­ лучается или пилообразная (при колебаниях пучка поперек шва), или прямолинейная с возвратно-поступательным перемещением пятна нагрева (при колебаниях пучка вдоль шва).

Прямоугольные колебания получают при скорости, равной бесконечности на всей амплитуде, за исключением крайних точек отклонения, где она равна нулю. При колебаниях поперек шва по­ лучаются два параллельных ряда импульсных воздействий пучка, а при колебаниях вдоль шва воздействие пучка проявляется в виде двух импульсных источников, расположенных на линии стыка на некотором расстоянии друг от друга.

Синусоидальные колебания электронного луча получают при скорости пятна нагрева, меняющейся по закону синуса. Круговые колебания возникают при постоянной скорости движения пятна, траекторией которого является окружность.

Во всех случаях энергию в сечении электронного пучка счи­ тают распределенной по закону Гаусса. Источники тепла рассма­

щихся в непосредственной близости к сварочной ванне, температур­ ные волны практически отсутствуют уже при частотах колебаний 12— 15 Гц. Отсутствие квазипериодического режима в околошовной зоне позволяет считать, что рассматриваемые ниже расчеты тепловых полей применимы для частот колебаний, начиная с де­ сятков герц, т. е. полностью охватывают практически использо­ вавшийся до сих пор диапазон изменения этого параметра.

Учитывая нормальное распределение энергии в сечении пучка, тепловой источник при пилообразных колебаниях с частотами в десятки герц и более может быть определен как нормально­

139