книги / Основы электронно-лучевой обработки материалов
..pdfРис. 120. Схема нагрева полубесконечного тела подвижным нормально-круговым источником 1153]
пределена равномерно со средним тепловым потоком |
равным |
|||||
его максимальному значению в центре источника qv |
t 0 = |
1/4ak — |
||||
постоянная |
времени, с; р = |
( —г^) |
= |
= |
k (vto)2 — |
|
безразмерный критерий, |
зависящий |
от коэффициента сосредото |
||||
ченности теплового потока источника и от скорости перемещения V, |
||||||
|
со |
|
|
|
|
|
Л (О, п, р) = |
2 J Н ^ е х р |
[ — |
- |
р (1 + ю2) ] ~ |
интеграл, зна- |
|
|
О |
|
|
[153]. |
|
|
чения которого приведены в работе |
рассматривая |
|||||
Ширину |
проплавления В |
можно |
определить, |
след изотермы с температурой, равной температуре плавления Т пл при перемещении источника по поверхности тела. Для этого не обходимо найти уравнение максимальных температур точек по верхности тела вне оси перемещения источника, т. е. выразить расстояние ут от оси перемещения источника в зависимости от
максимальной температуры, |
достигаемой на данном |
расстоянии |
в процессе сварки. Приняв |
Тт — Тпл, ширину зоны |
проплавле |
ния В = 2ут (см. рис. 42) можно определить следующим образом. Положение максимума температуры точек подвижного поля предельного состояния определяют, приравняв нулю производную температуры по направлению перемещения источника. Учитывая,
что 2 V п р cos ср = |
vxl2a> можно получить |
иг |
|
||||
дТ |
Гс |
У< |
дА_ |
да |
v |
|
|
~2а |
А |
- 0 . |
|||||
дх |
я |
|
дп |
|
|
||
|
|
|
|
|
|||
Условие максимума |
температуры |
|
|
||||
|
|
дА |
dn |
_ |
у д |
|
|
|
|
дп |
dx |
~~ |
2а |
|
|
201
Р и с . 121. Номограмма, связывающая безразмерные критерии Ре, vr0fa и г3
Производная параметра п по координате х
rfn
dx = 2 k x .
Производную интеграла А (0, ft, р) по параметру п обозначим
дЛ |
т-ч |
|
— Z/, тогда условие максимума |
4 = - i r = i i C0S^ - / i C0S(p- |
(297> |
Подставляя выражение (297) в уравнение (296), получим урав нение максимальных температур точек поверхности полубесконечного тела, нагреваемого подвижным нормально-круговым ис~
точником: |
|
|
|
|
|
Тф (г, ф, 0) = |
7\ ехр [ 2р |
] ~ А |
(0, пт, р). |
(298) |
|
Вводя безразмерную температуру |
|
|
|
||
ф, |
Т т. { с , JP* 0) |
__ г) |/ * д |
^ |
|
|
0) — 7,7(07 о,~6У |
|
|
|
||
получим |
|
|
|
(299) |
|
п |
exp \2р D ^ П'^ |
J А (0, пт, р). |
|||
|
202
Р и с . 122. З а в и си м о ст ь б езр а зм е р н о й ш и р и н ы ш ва B y J B о т ст епени ф о к уси р о в к и
Д/ф эл ек т р о н н о го луча:
1 — режим А; 2 — режим Б; 3 — режим В, 4 — режим Г
Уравнение (299) описывает процесс проплавления, выражен ный связью безразмерных критериев, в каждый из которых входит радиус г0, характеризующий степень сосредоточенности источ ника. Однако такая связь неудобна для определения степени со средоточенности теплового источника, по данным опытов по про плавлению основного металла, поэтому более целесообразно пред
ставить процесс |
в виде связи |
следующих |
безразмерных крите |
риев: Ре = v y j a |
— критерия |
типа Пекле, |
пропорционального |
полуширине зоны проплавления ут; а — коэффициента температу ропроводности, см2/с; vrja — критерия, характеризующего сте
пень |
сосредоточенности |
теплового |
потока |
источника; |
s3 ^ |
= qv!a2S'm — критерия, |
пропорционального |
основным |
пара |
||
метрам режима (мощности электронного луча |
и скорости пере |
||||
мещения источника v)\ |
Sm = срТт — теплосодержания единицы |
||||
объема |
при температуре |
плавления, |
кал/см3. |
|
|
Поскольку для электронно-лучевой сварки на исследуемых режимах А, Б, В, Г значение критерия е3 выходят за пределы но мограммы, связывающей критерии Ре, vrja, е3 [155], была про ведена экстраполяция соответствующих кривых и дополнительно построена кривая для параметра v rja = 6,92 (рис. 121).
Результаты расчетов ширины проплавления при электронно лучевой сварке и сравнение их с опытными значениями (табл. 36) показывают достаточно хорошую сходимость расчетных и экспери ментальных величин при определении ширины проплавления В для всех четырех режимов сварки.
Переход от ширины шва В к значению В уе, используемый в уравнении (294), сделан с помощью экспериментальной зависи мости, представленной на рис. 122.
Для расчета площади проплавления необходимо рассмотреть коэффициент полноты сварного шва ц = Рпр!{НВ), где Fnp — площадь проплавления, соответствующая глубине Н и ширине В
203
Таблица 36
Результаты расчета ширины проплавления при электронно-лучевой сварке по схеме нормально-кругового движущ егося источника
Р а с ч е т н ы е д а н н ы е |
Ш и р и н а п р о п л а в л е н и я , |
|
мм |
||
|
Индекс
р е ж и м а |
. _ |
QV |
VTo |
г |
I 2 |
|
|
“ Sm |
а |
[ vrQ/a |
J |
|
|
|
4 , 0 |
9 , 8 |
|
|
|
|
3 , 3 5 |
1 4 , 0 |
|
|
|
|
2 , 8 3 |
1 9 , 5 |
|
А |
|
9 9 |
2 , 2 |
3 2 , 3 |
|
|
|
|
1 , 7 9 |
4 8 , 8 |
|
|
|
|
1 , 2 6 |
1 0 0 , 0 |
|
|
|
|
0 , 9 |
1 9 3 , 0 |
|
|
|
|
0 , 4 |
9 7 5 , 0 |
|
|
|
|
4 , 0 |
9 , 8 |
|
|
|
|
3 , 3 5 |
1 4 , 0 |
|
|
|
|
2 , 8 3 |
1 9 , 5 |
|
Б |
|
6 6 |
2 , 2 |
3 2 , 3 |
|
|
|
|
1 , 7 9 |
4 8 , 8 |
|
|
|
|
1 , 2 6 |
9 8 , 2 |
|
|
|
|
6 , 9 2 |
1 3 , 0 |
|
|
|
|
4 , 0 |
3 9 , 1 |
|
В |
|
1 9 8 |
3 , 3 5 |
5 5 , 7 |
|
|
|
|
2 , 8 3 |
7 8 , 2 |
|
|
|
|
2 , 2 |
1 2 9 , 0 |
|
|
|
|
1 , 7 9 |
1 9 5 , 0 |
|
|
|
|
6 , 9 2 |
1 3 , 0 |
|
|
|
|
4 , 0 |
3 9 , 1 |
|
Г |
|
1 3 5 |
3 , 3 5 |
5 5 , 7 |
|
|
|
|
2 , 8 3 |
7 8 , 2 |
|
|
|
|
2 , 2 |
1 2 9 , 0 |
|
|
Р а с ч е т н а я |
О п ы т н а я |
|
Р е |
B = ™ L |
||
В о |
|||
|
v/a |
|
|
5 , 8 |
9 , 2 |
|
|
5 , 3 |
8 , 5 |
7 , 9 |
|
5 ,1 |
8 , 2 |
7 , 8 |
|
4 , 8 |
7 , 7 |
7 , 6 |
|
4 , 4 |
7 , 0 |
7 , 3 |
|
4 , 0 |
6 , 4 |
6 , 0 |
|
3 , 5 |
5 , 6 |
4 , 7 |
|
2 , 3 |
3 , 7 |
|
|
4 , 6 |
7 , 3 |
_ |
|
— |
|||
4 , 4 |
7 , 0 |
||
4 , 2 |
6 , 8 |
7 , 0 |
|
4 , 0 |
6 , 4 |
6 , 5 |
|
3 , 7 5 |
6 , 0 |
6 , 3 |
|
3 , 5 |
5 , 6 |
5 , 5 |
|
8 , 7 |
6 , 9 |
|
|
7 , 2 5 |
5 , 8 |
5 , 5 |
|
6 , 7 5 |
5 , 4 |
4 , 7 |
|
6 , 4 |
5 , 1 |
4 , 3 |
|
5 , 8 |
4 , 6 |
4 , 2 |
|
5 , 4 |
4 , 3 |
4 , 1 |
|
7 , 4 |
5 , 9 |
|
|
6 , 3 |
5 , 0 |
5 , 5 |
|
5 , 9 |
4 , 7 |
4 , 9 |
|
5 , 7 |
4 , 6 |
4 , 5 |
|
5 , 2 |
4 , 2 |
4 , 3 |
в данном сечении. Анализ шестидесяти сварных швов показал, что коэффициент полноты шва ц изменяется в пределах 0,5—0,95.
При кинжальных швах, |
когда |
коэффициент формы шва Кф = |
= Н/В > 1 (л = 0,5 -ь0,7, |
а при |
сварке сильно расфокусирован |
ным лучом (мягкие режимы), когда Кф < 1, ^ = 0,7 -т-0,9. Ре комендуемые для расчетов значения р приведены в табл. 37.
Таким образом, при электронно-лучевой сварке расчет гео метрических характеристик швов (В , Я, Fnp) по схеме нормально кругового источника, движущегося по поверхности полубесконеч-
2 0 4
Таблица ЗТ
Зависимость коэффициента полноты шва ^ от формы шва и режима сварки
|
|
1 |
|
|
*ф < |
1 |
Индекс |
|
(жесткие режимы) |
|
|
(мягкие режимы) |
|
|
|
|
|
|
|
|
режима * |
|
|
|
|
|
|
|
д т т |
^ тах |
М-ср |
^ т т |
^ тах |
Мер |
|
|
|
|
|||
А—I |
0,51—0,69 |
0,59 |
0,76—0,83 |
0,80 |
||
Б—I |
0,53—0,58 |
0,56 |
0,69—0,80 |
0,75 |
||
В -1 |
0,58—0,72 |
0,64 |
0,91—0,95 |
0,93 |
||
Г -1 |
0,55—0,61 |
0,58 |
0,75—0,81 |
0,78 |
||
А—И |
0,49—0,64 |
0,54 |
0,76—0,81 |
0,79 |
||
Б— II |
0,48—0,64 |
0,56 |
0,59—0,70 |
0,66 |
||
В — II |
0,50—0,70 |
0,60 |
0,64—0,88 |
0,79 |
||
Г— II |
0,50—0,72 |
0,62 |
0,71—0,95 |
0,83 |
ного тела, с достаточной для практики точностью обеспечивается решением следующих двух простых уравнений:
nTQd = ^ pH (сТпл + Ьплу,
ирщДВН),
где р = 0,6 — для жестких режимов и р = 0,8 — для мягких режимов.
ВЛИЯНИЕ УСКОРЯЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОПЛАВЛЕНИЯ
Экспериментальные данные (рис. 123) показывают, что ускоря ющее напряжение существенно влияет на глубину проплавления: с увеличением ускоряющего напряжения при прочих равных усло виях глубина проплавления увеличивается.
Связано это с уменьшением рассеяния электронов пучка на атомах пара при повышении ускоряющего напряжения. Действи тельно, например, при U — 20 кВ коэффициент поглощения а = = 2,4 • 106/t/2 = 6 • 10s см2/г, а при U = 100 кВ а = 2,4 • 102 см2/г, т. е. уменьшается более чем на порядок. Таким образом, повыше ние ускоряющего напряжения обеспечивает большую кинетиче скую энергию электронов и увеличивает пробег электронов в па рах металла.
Влияние ускоряющего напряжения на глубину проплавления
при электронно-лучевой сварке подробно освещено в работе |
[24]. |
|
На |
установках типа У-ЗМ и У-313 при q — 10 кВт, |
X |
X 105 |
Вт/см2, U = ЗОч-ЮО кВ скорости сварки v = 0,3-т-2,2 см/с, |
205»
|
|
|
|
|
|
|
|
800 |
,Вт |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 123. Зависимость глубины проплавления от |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
тока луча (а), мощности сварки (б) и скорости |
|||||||
|
|
|
|
|
6 |
в 1ма |
сварки (в): |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
а — нержавеющей стали при |
v = |
1,2 см/с: 1 — U — |
||||||||
|
|
|
|
Ю |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
при |
|
= 100 кВ; 2 |
— U |
|
130 кВ; |
3 — |
U — 150 кВ [208]; |
||||
6 |
— нержавеющей стали |
U = 100 —150 |
кВ, v |
— |
1,2 |
см/с; |
в — малоуглеродистой |
||||||||
стали: '/ |
— |
£ / = |
100 |
кВ, |
1 — |
7 мА; 2 — U |
= |
125 |
кВ; |
/ |
= 10 |
мА; |
3 — V = 150 кВ, |
||
/ |
— J 3 |
мА |
(по |
Д. В. |
Мейеру) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
давлении в рабочей камере 5- 10~5ч-1 • 10~4 мм рт. ст. производили проплавления нержавеющей стали на глубину до 80 мм. На рис. 124 приведена зависимость глубины проплавления от скорости сварки и величины ускоряющего напряжения, полученная при экспери ментах. Результаты экспериментов подтверждают, что распреде ление давления пара по глубине канала
р (Z) = - Ц ^ - |
( Г к / Я ) + 3 [ 1 _ ( 2 / я ) ] ’ |
ш |
° ) |
где у (Т) — поверхностное |
натяжение расплавленного |
металла |
|
в зависимости от температуры; Я — максимальная глубина |
ка |
нала, равная глубине проплавления; гк — радиус канала на глу
бине Hie.
Поверхностное натяжение у (Т) линейно уменьшается с повы
шением температуры и равно нулю при критической температуре
Тс = 1,7 Тшп, |
где Ткип — температура кипения при нормальном |
|||
{атмосферном) |
давлении |
(для железа Тс |
5400° С) |
|
|
V СО = |
То (тс - Т)/(ТС- |
Т0); |
(301) |
здесь у 0 — величина поверхностного натяжения при |
темпера |
|||
туре Т 0. Для железа Т 0 = 1820° С, у0 = |
1,5-10"3 кгс/см. |
|||
Давление насыщенного пара [41 ] |
|
|
||
|
|
\gp = B - - j r , |
|
(302) |
где В и А — константы, зависящие от вида материала; для железа В = 8,65, А = 18,35 *103, если р в мм рт. ст.
Если известны значения Я, гк, то совместное решение уравне ний (300)—(302) дает значения давления пара, поверхностного на-
206
0 |
Ofi |
0,8 |
1,2 \/св,см/с |
|
Рис. 124. Зависимость глуби |
|
|||
ны проплавления от скорости |
|
|||
сварки и ускоряющего напря |
|
|||
жения при постоянной общей |
|
|||
мощности (10 кВт) и удельной |
Рис. 125. Зависимость значений (в осевой точке |
|||
мощности у2^ 5- 10ь Вт/см2 |
канала) максимальной температуры Т*, макси |
|||
(ге = |
0,25 мм): |
2 — и = |
мального давления паров р* и минимального по |
|
J — U = зо |
кв; |
верхностного натяжения у* от параметра h/r2t |
||
— 63 кВ; з — £/ = |
100 кВ [24] |
характеризующего размеры канала [24] |
тяжения и температуры по оси канала. На рис. 125 приведено решение этих уравнений для железа в зависимости от параметра HIrl. Как видно из этого рисунка, максимальное давление пара на оси канала может достигать нескольких кгс/см2.
Распределение плотности тока при прохождении электронным пучком в парах металла пути z может быть описано функцией Га усса с эффективным радиусом
Ге(2) — ге(0) ехр |
(303) |
где ге (0) — начальный радиус электронного луча; <г — полное эффективное электронное сечение рассеяния на атом; п (г) — кон центрация атомов.
С учетом упругих и неупругих соударений сечение рассеяния
(в см2} |
|
о= i£8.z1/3|z - 1-41п-^р^.10-16, |
(304) |
где U — ускоряющее напряжение, атома; ■— потенциал ионизации = 26, = 7,9 В и
В; Z — порядковый номер атома, В. Для железа Z =
|
4 !п |
0,181 |
Л_Л6 |
« = £ 2[25 |
и 1/2 |
10- |
207
С |
учетом |
уравнения |
(300) соотношение |
|
(303) |
для эффективного |
радиуса |
электрон |
|
ного |
луча |
после прохождения в парах |
||
пути |
z примет (концентрация |
атомов вы |
|
|
|
|
ражена через давление) вид |
|
|
|||||
|
|
|
|
гЛЯ) = |
г Д 0 ) е х р [ ё |^ 1 п ( 1 2 - ^ ) ] , |
(305) |
|||||
|
|
|
|
где |
k — постоянная |
Больцмана. |
|
||||
|
|
|
|
Температуру |
Т* |
определяют как темпе |
|||||
|
|
|
|
ратуру в центре кругового источника на |
|||||||
10 |
W |
60 |
80UyCKM |
поверхности |
полубесконечного |
тела |
[153 ] |
||||
(она |
не |
зависит |
от |
скорости |
перемещения |
||||||
Рис. 126. |
Зависимость |
источника): |
|
|
|
|
|
||||
глубины |
проплавления |
|
|
|
Гр* |
'Пи? |
|
(306) |
|||
от ускоряющего напря |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
~ |
лКге(Н) ’ |
|
|
||||
жения при постоянных |
где |
q = |
0,24 IU — мощность |
луча; |
т)и — |
||||||
общей мощности и уде |
|||||||||||
льной |
мощности [24] |
эффективный |
КПД; |
К — коэффициент |
теп |
||||||
|
|
|
|
лопроводности. |
|
|
|
|
|||
Термический КПД процесса проплавления нержавеющей стали |
|||||||||||
Цг = |
0,38 |
при q — 10 кВт, |
v = |
0,28 см/с, U = 63 |
кВ. Секунд |
||||||
ный |
объем |
расплавленного металла |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
V = vHrB= 0,38 |
|
, |
|
(307) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
p e l пл |
|
|
||
где гв — полуширина сварочной |
ванны. |
|
|
|
Выражения (300), (302), (305)—(307) образуют систему уравне ний для определения шести неизвестных: эффективного радиуса луча ге (Я) при z = Я, максимального давления пара р* макси мальной температуры Г*, минимального поверхностного натя жения у*, глубины канала Я и его радиуса гк при условии, что форма поверхности канала описывается функцией Гаусса.
Из соотношений (305) и (306) с учетом выражения (307) после ряда упрощений
Т П ^ У т Ь ' |
<308> |
что хорошо совпадает с экспериментом.
Выражение (308) графически изображено на рис. 126. За на чальное значение принята глубина проплавления при U = 30 кВ.
Сравнение экспериментальных данных с расчетными по выше приведенным формулам показывает, что проплавление нержавеющей стали при q = 10 кВт, Л/ = 63 кВ, v — 0,28 см/с, ге (0) = 0,25 мм обеспечивает Я = 5,2 см (см. рис. 124).
Из расчетов а = 1,2* 10“17 см2, гк = 0,075 см, ширина проплав ления 2гв = 0,6 см (соответствует экспериментальному значе
нию), |
Н!г\ ^ 1 • 103 |
см“\ |
Г* = 3560 К, у* = 7,9 • Ю-4 кгс/см, |
р* = |
3,3 кгс/см2, Я |
= 5 см, что хорошо совпадает с эксперимен |
|
тальным значением |
5,2 |
см. |
208
ТЕРМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ПРИ ПРОПЛАВЛЕНИИ ПЛАСТИН ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧОМ
Исследования термических циклов при проплавлении пластин электронным лучом представляют интерес в связи с нахождением зоны термического влияния и оптимальных режимов сварки мате риалов.
Результаты измерений температуры шва и околошовной зоны пластин из молибденовых сплавов, проплавляемых электронным лучом в непрерывном режиме, приведенные на рис. 127, показы вают, что термопары, расположенные непосредственно в сварном шве, регистрируют перегрев расплавленного металла на 300— 400° как при малых, так и при больших скоростях сварки. Однако в отличие от ниобиевых сплавов, для которых проводили анало гичные измерения, площадку кристаллизации не наблюдали даже при скорости сварки 0,4 см/с. Это связано с различием теплофизи ческих свойств молибдена и ниобия.
С удалением от линии сплавления максимальная температура резко уменьшается. Если при скорости сварки 150 м/ч зона, на гретая до температуры, превышающей 1400° С, составляет около 1 мм, то при 15 м/ч она имеет ширину 4—6 мм.
Рис. 127. Кривые распределения температуры на разных расстоя ниях от оси шва при проплавлении молибденовой пластины толщиной 1 мм электронным лучом:
а — |
v = |
0,45 см/с, |
|
q = |
218 |
кал/с; |
/, |
|||||
2 , 3 , 4 — у |
равно |
|
0; 0,12 |
и |
0,67 |
см; |
||||||
6 — |
v = |
1,6 |
см/с, |
q = |
320 |
кал/с; |
||||||
/. 2, 3, 4, 5 |
— |
у |
равно |
0; |
0,2; |
0,27; |
||||||
0,36 |
и |
0,57 |
см; |
|
|
в — |
v ~ |
4,2 |
см/с; |
|||
7 = |
435 |
кал/с; |
/ , |
2 |
, |
3 , 4 |
— у |
равно 0; |
||||
0,012; 0,2 и |
0,4 |
см, |
экспериментальные |
|||||||||
кривые — сплошные |
линии, |
расчет |
||||||||||
ные — штриховые линии |
|
|
|
|
|
х |
0,9 |
0 -0,9 -1,8 -2,7 -3,6 х,см |
2900
2000
1600
1200
то
900
0
8 |
Н. Н. Рыкалпн и др. |
209 |
Анализ температурных кривых (рис. 127) показывает, что с уве личением скорости сварки от 15 до 150 м/ч возрастают как скорости нагрева (от 2 -103 до 2 -104 град/с), так и скорости охлаждения (от 550 до 600 град/с). С увеличением скорости сварки уменьшаются размеры шва и околошовной зоны, общий нагрев образца и короб ление, повышается стабильность режима сварки, но появляются подрезы на поверхности шва и вынос металла в корне.
Расчет термического цикла проводят по схеме предельного со стояния процесса распространения теплоты при нагреве пластины линейным источником;
т ^ *) = w ехР ( - ъг) K«{r V
При больших скоростях перемещения луча для расчета тем пературы можно использовать уравнение предельного состояния процесса распространения теплоты при нагреве пластины мощным быстродвижущимся линейным источником:
(310)
Уравнение (309) можно применять для расчета термического цикла при электронно-лучевой сварке молибденовых сплавов со скоростью до 100 м/ч, уравнение (310) применимо при скоростях сварки 100 м/ч и выше. Температуры, рассчитанные по этому урав нению, наиболее близки к экспериментальным для стадии охла ждения и в зоне, удаленной от шва. В зоне сплавления расчетные температуры значительно выше экспериментальных, так как при расчете по соотношениям (309) и (310) не учитывается теплота плавления.
РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ЦИКЛА ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОМ НАГРЕВЕ
Структура и свойства сварных соединений материалов при сварке плавлением зависят от термического цикла, характери зующего тепловое воздействие источника энергии в каждой точке зоны термического влияния. Регулирование термического цикла путем управления воздействием источника энергии на материал позволяет улучшить структуру и получить необходимые свойства сварного соединения.
Для повышения качества сварного соединения необходимо со кращать время пребывания материала в тех интервалах темпера тур, в которых структура и свойства материала ухудшаются, и увеличивать длительность пребывания в интервале температур, в которых структура и свойства улучшаются. Например, при сварке углеродистых и низколегированных сталей условия на грева материала должны обеспечивать термический цикл, харак теризующийся острым и непродолжительным пиком нагрева от
210