книги / Электронно-лучевая сварка

канала проплавления. Это означает, что в процессе ЭЛС большая часть жидкого металла только смещается под действием динамического и статического давленияпаров металла.

4.Размеры и форма сварочной ванны и канала проплавления в процессе ЭЛС меняются квазипериодически. При этом флуктуации формы и размеров канала значительно превышают флуктуации геометрических параметров сварочной ванны.

5.Скорость протекания процессов, в результате которых образуется канал проплавления, в зависимости от энергетических параметров электронного пучка обеспечивает достижение глубины канала за время порядка 1–10 мс. За такой промежуток времени перемещение свариваемой детали относительно электронного пучка минимально и составляет величину, меньшую диаметра фокального пятна пучка.

6.Канал проплавления почти периодически заполняется жидким металлом. Заполнение канала (частичное или полное) происходит в результате нарушения равновесия между силами давления паров металла в канале и гидростатическими силами

вжидком металле. Частота заполнения канала проплавления жидким металлом зависит от теплофизических свойств материала, мощности электронного пучка и его фокусировки (положения фокуса по отношению к поверхности свариваемого изделия), а также от других факторов, которые пока не исследованы.

7.Заполнение канала проплавления жидким металлом объясняет наблюдаемое интенсивное перемешивание расплавленного металла при ЭЛС. В случае пересечения стыка с тестовыми стержнями из металла, отличающегося от основного металла (например, медными проволоками в образце из стали), медь попадает в корневую часть шва после двух-трех пульсаций канала проплавления, наблюдаемых по периодичности появления чешуек на поверхности шва или пиков проплавления на продольном макрошлифе шва.

8.Электронный пучок нагревает и плавит переднюю стенку канала неравномерно в результате взаимодействия с микро-

192

потоками испаряемых атомов металла и продуктов абляции, а также из-за локальных изменений угла наклона элементов передней стенки. Металл, испаренный с передней стенки канала проплавления, вместе с упруго отраженными от передней стенки электронами пучка повышает температуру металла и приводит к деформации задней стенки канала.

9. Массоперенос жидкого металла от плавящегося переднего фронта к задней стенке канала проплавления, а точнее – к фронту кристаллизации, осуществляется через боковые жидкие слои (80–90 % переносимого металла) и через дно канала (10–20 % переносимого металла). Соотношение этих долей зависит от глубины проплавления. При глубоком проплавлении через области вблизи корня шва проходят пульсирующие потоки жидкого металла, скорость которых достигает 2–10 см/с, в задней части ванны они направлены к поверхности металла. Это пульсирующее движение жидкого металла приводит к волнообразному характеру поверхностного валика сварного шва, наблюдаемого экспериментально (см. рис. 2.17, а). Движение жидких потоков в сварочной ванне имеет в разных зонах и ламинарный, и турбулентный характер. На расстоянии 5–8 мм после пересечения электронным пучком тестового стержня из другого металла основной металл имеет равномерный состав, что может служить оценкой продольного размера жидкой ванны на соответствующей глубине.

10. В передней части сварочной ванны объем жидкого металла меньше, чем в ее задней части. Соответственно, флуктуации положения стенок канала проплавления больше в задней части сварочной ванны. Различие температур на поверхности стенок канала проплавления приводит к изменению поверхностного натяжения (капиллярный эффект, или конвекция Марангони), которое вместе с реактивным давлением испаряющихся атомов и действием гидростатических сил определяет движение жидкого металла, колебания формы и объема канала, неравномерность глубины проплавления и наличие волнообразного

193

поверхностного валика сварного шва. Наклон элемента передней стенки канала определяет угол взаимодействия электронов пучка с металлом и, соответственно, локальное распределение отдаваемой энергии, нагрев и скорость испарения или абляции металла. Начальные скорости перемещающегося жидкого металла также зависят от наклона передней стенки канала в этой области в данный момент времени.

11.Перенос жидкого металла в сварочной ванне оказывает влияние на процесс кристаллизации металла, который вместе

степлопереносом определяет форму поперечного сечения сварного шва и наличие в нем дефектов.

12.При соударении с атомами пара электроны пучка рассеиваются, что приводит к уменьшению плотности мощности пучка. Одновременно с этим происходит фокусировка пучка в результате компенсации отрицательного пространственного заряда пучка положительными ионами и радиального сжатия пучка собственным магнитным полем (пинч-эффекта) в случае полностью нейтрализованного пространственного заряда [15, 17], а также в результате газовой (ионной) самофокусировки электронного пучка при перекомпенсации отрицательного заряда

пучка при более высокой плотности металлического пара в канале проплавления [15, 23]. Увеличение и перераспределение локальной плотности мощности электронного пучка связано также с отражением электронов пучка от стенок канала и распределением потенциала плазмы на границе со стенками канала. Локальная плотность энергии при взаимодействии электронного пучка с выступами на передней стенке канала проплавления и в корневой области канала определяется ионной фокусировкой пучка, отражением электронов от стенок канала и потенциалом плазмы вблизи этих стенок. Сфокусированная часть электронного пучка в области корня сварного шва вызывает интенсивное парообразование твердого материала на дне канала проплавления. Диаметр отверстий в корневой части при сквозном проникновении электронного пучка крайне мал (см. рис. 2.18, б).

194

Незначительные размеры зоны термического влияния вблизи этих отверстий указывают на более высокую плотность энергии и малое время воздействия пучка. При условии глубокого проникновения электронного пучка диаметр канала в корне шва значительно меньше его диаметра в верхней части шва, в частности приводит к возникновению пиков проплавления в корне шва (см. рис. 2.17). Осцилляция электронного пучка с малой амплитудой или использование пучка с минимумом в центре распределения мощности (трубчатое распределение тока и энергии пучка, генерированного термокатодом с центральным отверстием) приводит к увеличению диаметра канала проплавления

вкорне шва и уменьшению пикообразования.

13.Верхняя часть канала проплавления формируется при перемещении жидкого металла, в то время как нижняя часть канала вблизи его дна формируется в результате уноса расплавленного и испаряемого металла изделия. Перегрев жидкого металла в задней части сварочной ванны замедляет затвердевание и расширяет сварочную ванну в самой верхней части сварного шва (существенную роль здесь играют и приповерхностные потоки жидкого металла). Это приводит к формированию верхней уширенной части сварного шва. В то же время

врезультате ионной фокусировки электронного пучка [15, 23] при кинжальном проплавлении металла сварные швы имеют заостренную корневую часть.

14.На границе жидкого металла с вакуумом формируется деформируемая свободная поверхность. Процессы испарения, температурные градиенты и поверхностное натяжение влияют на динамику изменения формы этой поверхности и движение жидкого металла в приповерхностных слоях.

15.Форма и вход канала проплавления определяются как движением потока металлического пара, так и плотностью мощности электронного пучка и распределением энергии на поверхности стенок канала. Баланс между давлением, создаваемым реактивной силой испаряющегося металла, с одной стороны,

195

иповерхностным натяжением на стенках канала вместе с гравитационными и динамическими силами в ванне жидкого металла, с другой стороны, определяют движение жидкого металла и стабильность канала проплавления. Потоки жидкого металла влияют на форму и размеры канала проплавления, теплоперенос

ина распределение вводимой в канал энергии в результате формирования выступов на стенках канала или через экранирование электронного пучка.

Таким образом, сварной шов при электронно-лучевой сварке с кинжальным проплавлением формируется в результате протекания сложных физических явлений в парах металла свариваемого изделия и в жидкой сварочной ванне.

2.3.3.Роль положения фокуса по отношению

кповерхности металла

2.3.3.1. Активная зона электронного пучка

Иногда для оценки качества электронного пучка и с целью подтверждения необходимости углублять фокус пучка ниже поверхности металла свариваемых деталей вводят понятие активной зоны пучка [18–21]. Для определения активной зоны принимают, что это область электронного пучка, которая отвечает условию

P(r, z) ≥ Pкр,

где Pкр – критическая плотность мощности, при которой наблюдается переход к кинжальному проплавлению. Значение Pкр определяется ускоряющим напряжением и теплофизическими характеристиками свариваемого материала. Например, для стали при энергии электронов пучка 60 кэВ критическая мощность Pкр = 1·106 Вт/см2 [22]. На рис. 2.19 показано влияние расположения активной зоны электронного пучка на геометрические параметры сварного шва.

196

где P (0,0) – плотность мощности на оси пучка в фокальной

π(ref )−2 ; U и I – соответственно ускоряющее напряжение и ток пучка.

Рис. 2.20. Профили интенсивности электронного пучка. Нормализованная плотность мощности имеет следующие значения для кривых соответственно: 1 – 1,0; 2 – 0,3;

3 – 0,1; 4 – 0,03; 5 – 0,01

Рис. 2.21. Конфигурация активной зоны в зависимости от эксцентриситета эллиптической формы фазового контура λ; кривая 1 относится к случаю λ = 0,9а; 2 – λ = 0,1а; 3 – λ = 0,8а;

4 – λ = 0,2а; 5 – λ = 0,5а

198

Из рисунка видно, что при значениях нормализованной плотности мощности, превышающей 0,3, активнaя зона электронного пучка имеет форму цилиндра с радиусом ra и высотой la. Для значений нормализованной плотности мощности менее 0,3 активная зона имеет характерный пережим в средней части с радиусом ra min и радиус ra max – в расширенной ее части.

В работе [20] было принято, что распределение плотности мощности аксиально-симметричного электронного пучка, распространяющегося в свободном от полей пространстве дрейфа, является двумерным нормальным (Гауссовым) распределением. При этом активная зона пучка имеет вид тел вращения, симметричных относительно оси z и фокальной плоскости (кроссовера) пучка и близких по форме к цилиндру или сдвоенному конусу. Меридиальные сечения этих тел показаны на рис. 2.21 и ограничены кривой

дисперсии распределения фазовой плотности в фокусе электронного пучка; a – большая полуось; λ – эксцентриситет эллиптического фазового контура электронного пучка в плоскости (r′, r), λ = σr0 / σr0׳. Из выражения (2.1) следует, что длина активной зоны

za = 2 aλ − λ2 .

Таким образом, длина и форма активной зоны зависят от полной мощности, величины эмиттанса и от формы эллипса фазового контура пучка. Очевидно, что λ = 0 в случае гомоцентрического электронного пучка, а при λ = а мы имеем пучок, для которого плотность мощности равна критическому значению только в плоскости фокуса пучка. При λ > а на оси z в электронном пучке отсутствуют участки, где плотность мощности пучка отличается от критического значения. При

199

постоянной величине эмиттанса с уменьшением λ уменьшается сечение пучка и растет плотность мощности в его фокусе. Одновременно с этим угол схождения (расхождения) пучка возрастает, длина активной зоны снижается, и при λ < 0,5а появляются выпуклости на начальном и конечном участках этой зоны. При λ > 0,5а форма активной зоны пучка становится похожей на веретено. При λ = 0,5а длина активной зоны максимальна:

Za max = U IπεPкр .

В работе [21] приведены расчетные характеристики для радиусов и длин активной зоны вместе с нормализованной плотностью мощности на границе активной зоны при изменении эффективного радиуса электронного пучка (рис. 2.22). Расчет выполнен для U = 60 кВ, I = 425 мА и tgθ = 0,02. Из графика видно, что с изменением эффективного радиуса электронного пучка в фокальной плоскости (т.е. с изменением фокусировки пучка и, соответственно, значения λ) нормализованная плотность мощности растет и существуют оптимальные значения эффективного радиуса пучка, для которых активная зона имеет максимальную протяженность и ее форма близка к цилиндрической. В этой же работе приведены и экспериментальные характеристики для электронной пушки энергетического агрегата ЭЛА 60/60 (производства фирмы Selmi, Украина), полученные при тех же параметрах электронного пучка (рис. 2.23– 2.25).

Из рис. 2.23, на котором приведены зависимости эффективного радиуса и тангенса угла сходимости электронного пучка от тока фокусировки для сварочной электронной пушки энергетического агрегата ЭЛА 60/60 при ускоряющем напряжении U = 60 кВ и токе электронного пучка I = 425 мА, видно, что эмиттанс, пропорциональный произведению эффективного радиуса пучка и угла сходимости, является инвариантной (неизменной) величиной по длине пучка, транспортируемого в пространстве дрейфа. На рис. 2.24 приведены параметры активной зоны для таких же значений энергии электронов и тока пучка.

200