книги / Основы электронно-лучевой обработки материалов

Рис. 114. Аппроксимация очертаний зон проплавления соответствующими кривыми распределения Гаусса:

что степень фокусировки, соответствующая максимальному про­ плавлению на данном режиме» зависит от тока луча: с уменьшением тока луча до величины, обесточивающей максимальное проплавле­

ние, А /ф стремится к нулк>- Планиметрирование пло!ДЗД0Й зон проплавления, получен­

ных на двух сериях опытов, показывает, что несмотря на столь значительные изменения в геометрии проплавления, площади этих зон для каждого режима прН Q = const равны между собой с точ­

ностью в среднем 10% (табЛ30).

Факт постоянства площадей зон проплавления позволяет ап­ проксимировать вид кривой изотермы плавления при изменении концентрации мощности в луче законом нормального распределе­ ния Гаусса и соответственно церейти к количественной оценке связи параметров пучка с характером изотермы плавления. Кривая изо­ термы плавления тем ближе К кривой нормального распределения, чем короче моменты времени нагрева 1153]. В нашем случае

192

зоны проплавления, близких к полусферическим, Кф = 0,5-ь-0,7, и ошибка ДВ достигает 14%.

Сравнение очертаний проплавления в рассматриваемом случае

пределения (определяется методом последовательных приближе­ ний), г — текущая полуширина основания кривой. Характери­ стики кривых приведены в табл. 31. Величину ошибки определяли из выражения

АВ - В ^е-й [/7СС

ВГаусс1/е

где Виуе и B\fecc — соответственно ширина экспериментальных и расчетных кривых на уровне Не максимальной амплитуды # гаах,

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ РАБОЧЕГО РАССТОЯНИЯ ПУШКА—ДЕТАЛЬ НА ГЕОМЕТРИЮ ЗОНЫ ПРОПЛАВЛЕНИЯ

Заглубление в материал фокуса электронного луча может существенно увеличить глубину отверстия. Аналогичный эффект наблюдается и при электронно-лучевой сварке с кинжальным про­ плавлением [105, 120, 204].

С целью определения влияния заглубления фокального пятна на геометрию зоны проплавления при экспериментах [182] сварку осуществляли с переменной рабочей дистанцией h (см. рис. 34, б) на режимах А, Б, В, Г, представленных в табл. 29.

Хотя положение фокуса в пространстве при сварке по наклон­ ной плоскости остается постоянным (7ф = const), степень фоку­ сировки луча изменяется, поскольку для каждой новой рабочей дистанции ток острой фокусировки, т. е. такой, при которой обес­ печивается максимальная глубина проплавления, также приобре­ тает новое значение. Связь между током острой фокусировки и рабочей дистанцией для электронно-оптической системы ЭМ-60/ЮМ выражается прямолинейной зависимостью (рис. 115).

Если сварку выполняют при других значениях тока / ф, то зависимость для степени фокусировки Д /ф смещается эквиди­ стантно вверх или вниз соответственно увеличению или уменьше­ нию / ф. Однако при этом точка перегиба при /г = 90 мм, отражаю­ щая характерные особенности данной электронной пушки, будет оставаться на одной вертикали.

По существу номограмма, представленная на рис. 121, является фокусировочной характеристикой для данного типа электронной пушки и позволяет технологу быстро решать задачу по определе­ нию степени фокусировки луча в два этапа. Во-первых, для дан­ ной рабочей дистанции h и выбранной степени фокусировки А1$

Рис. 115. Номограмма, #?я- зывающая степень фокусиров­ ки А / ф и токи фокусировки / 0, /ф с рабочей дистанцией пуш­ ки

Рис. 116. Сравнение геометрии зон проплавлений, полученных при изменении тока фокусировки и неизменной рабочей дистанции (сплошной контур) и переменной рабочей дистанцией (штриховой контур).

Числа указывают: в числителе — значение для сплошного контура, в знамена­ теле — величина подъема (+ ) заглубления (—) фокуса луча относительно поверхности детали, мм

находят установочное значение тока фокусировки / ф и / 0 (для кон­ троля); во-вторых, при сварке с переменной рабочей дистанцией h по выбранному току фокусировки / ф быстро определяют степень фокусировки Д/ф и ток / 0, соответствующие каждому значению рабочей дистанции.

Для количественной оценки влияния степени заглубления и подъема фокуса относительно свариваемой поверхности на гео­ метрию зоны проплавления на сварных швах, выполненных при непрерывно меняющейся рабочей дистанции Л = 90 — 50 мм и постоянном значении тока магнитной линзы / ф = 88 мА с помощью зависимости, представленной на рис. 115, определяют дистанции h, на которых степень фокусировки луча принимает последователь­ ные значения Д /ф = + 4; 0; —4; —8 мА. Соответствующие рабо­ чие дистанции пушки оказались равными h = 132; 90; 70 и 48 мм. После этого на уровне найденных значений h изготовляют по­ перечные макрошлифы сварных швов под углом 19° 30' к нормали.

Полученные таким образом очертания зон проплавления накла­ дывают на соответствующие очертания при h = const (рис. 112, II серия опытов) с целью сравнения их геометрии и площадей. Наложение очертаний всех зон проплавления выполняют при восьмикратном увеличении, после чего планиметрируют несовпа-

194

Pur 117. Четыре эквивалентных проплавления в нержавеющей стали, полученные на различных рабочих дистанциях (показаны цифрами) и постоянной величине степени фокусировки

дающие участки зон проплавления и определяют разности пло­ щадей. Результаты сравнения площадей зон проплавления для ре­ жимов А, Б, В, Г, представленные на рис. 116, показывают доста­ точно хорошее совпадение двух типов проплавлений: при h —

— const (сплошной контур) и при переменной дистанции (штрихо­ вой контур).

Относительная разность площадей проплавления в процентах к площади сплошного контура для четырех значений степени фо­ кусировки находится в пределах 12% (табл. 32). Наибольшее от­ клонение имеет место при малых значениях погонной энергии (режим Г — три случая, режим В — один случай). Причинами этих отклонений являются, по-видимому, нестабильности ускоря­ ющего напряжения и тока луча ввиду отсутствия стабилизации

ветственно можно сделать заключение об их эквивалентности. Это подтверждается и результатами обмера геометрических характе­ ристик указанных швов (табл. 33). Некоторое увеличение ширины шва при ft = 130 мм объясняется влиянием граничного эффекта, так как сварку выполняли близко к краю пластины.

Таким образом, при сохранении постоянной степени фокуси­ ровки луча А1ф достигается эквивалентность площадей зон про­ плавления независимо от рабочей дистанции электронной пушки. Такой факт имеет большое практическое значение, так как позво­ ляет сохранять неизменной форму проплавления на различных рабочих дистанциях электронной пушки, находящихся в расчет­ ных (паспортных) пределах для данной электронно-оптической системы.

Экспериментальные данные показывают, что опускание фокуса луча в глубь детали или расположения его над свариваемой по­ верхностью эквивалентны некоторому увеличению или умень­ шению удельной мощности электронного луча. При этом величина максимального заглубления, полученная экспериментально, на­ ходится в хорошем совпадении с расчетной, определяемой по фор­ муле

ftC/'ctgaK & M *)12 — 1].

196

СВЯЗЬ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА С ГЕОМЕТРИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ЗОНЫ ПРОПЛАВЛЕНИЯ

В соответствии с законом нормального распределения объем (в см3), описанный площадью зоны проплавления,

где V — объем, см3; k — коэффициент сосредоточенности рас­

пределения, см-2; Я — максимальная глубина проплавления, см. На основании выражения (290) для секундного объема

F Q,24Шг\и\\т

(292)

HP Р (С Т пл -(■ L пл)

Разделив обе части уравнения (291) на время t, необходимое для получения объема проплавления V, получим

V_ _ лН

t ы

Так как V/t = vFnp, то уравнение (292) можно записать в виде

Подставляя выражения Q = 0,24IUr\nlv, t ^ d/v, где d — диа­ метр электронного луча, и k — 4/В2, где В — ширина проплавле­

Уравнение (294) связывает погонную энергию Q (с учетом кон­ центрации мощности при данном d) с глубиной Н и шириной шва В.

Рис. 119. Зависимость диаметра луча d от степени фокусировки Д/ф:

/ — для режима сварки А; 2 — для Б; 3 — для В; 4 — для Г

197

198

Термический КПД \\топределяет долю энергии, расходуемую на нагрев и расплавление металла объемом п В 2Н/4.

Значения Fnp, В, Н и г\г, полученные экспериментально,

а также рассчитанные по уравнению (294) значения диаметра луча d представлены в табл. 34. Зависимость d = / (Л/ф) показана

источника, перемещающегося по неограниченной пластине. Макси­ мальная удельная мощность электронного луча в эксперименте согласно оценкам составляет в режиме А — 2,7 • 105, Б — 2,1 X X 105, В — 2,7* 105; Г — 1,2-105 Вт/см2.

Уравнение (294) описывает тепловой баланс процесса элек­ тронно-лучевой сварки металлов с точностью до 10% без учета испарения и перегрева части объема жидкой фазы. Энергоемкость процесса испарения, приводящего к образованию канала при глу­ боком проплавлении, составляет обычно не более 10%.

Точное количественное описание процесса требует учета как плавления, так и испарения. Поэтому для такого описания необ­ ходимо пользоваться системой двух уравнений (291) и (294).

по геометрическим характеристикам проплавления, либо объема расплавленного металла при известном диаметре луча, 10%-ная точность бывает достаточной. Это видно из табл. 35, в которой пред­ ставлено сравнение расчетных по формуле (294) и эксперимен­

для этого случая был сделан при г\г = 0,484 и теплофизических свойств стали, приведенных выше. Как видно, расхождение рас­ четных и экспериментальных значений не превышает 10%.

199

Таблица 35

Сравнение экспериментальны х [198] и расчетны х значений параметров проплавления

РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СВАРНОГО ШВА

В уравнении (294) связаны параметры электронного луча с гео­ метрическими характеристиками шва В и Я, которые должны быть определены независимо. Для определения Я можно допол­ нительно использовать выражение (2951. Однако проще опреде­ лить ширину шва В, пользуясь расчетной схемой полубесконечного тела, нагреваемого подвижным нормально-круговым источ­ ником [153], как это принято при дуговой сварке.

Схема поверхностного сосредоточенного источника, вполне кор­ ректная для случаев сварки расфокусированным электронным лучом, при сварке кинжальным швом может давать некоторое рас­ хождение с экспериментом. Следует определить, насколько су­ щественно это расхождение, тем более что, по мнению некоторых авторов [147], механизм проплавления при дуговой и электронно­ лучевой сварке одинаков, а различие носит только количествен­ ный характер.

Температура предельного состояния поверхности полубесконечного тела z > 0, нагреваемого подвижным нормально-круго­ вым источником, отнесенная к подвижной цилиндрической системе координат г, <р, z с началом в точке О, где расположен фиктивный точечный источник, находящийся на расстоянии vt0 впереди

— |/4 at0 = 1/]/& — радиус (в см) эквивалентного круга, по пло­ щади которого мощность q нормально-кругового источника рас-

200