Исследование второстепенных параметров ЭЛС

Влияние параметров электронного луча на его диаметр

Экспериментально доказано, что с увеличением расстояния до объекта обработки диаметр электронного луча возрастает линейно. Это можно проследить по осциллограмме, представленной на рис. 8.

 

 

180 0,4 140 0,2 100   0 -0,1 0,1		Iф= f (l)					4 3
							2 1

Рис. 8. Изменение диаметра луча d, тока фокусировки I_ф электронно – лучевой установки типа Луч-4 в зависимости от расстояния l от объекта обработки для случая U = 30 кВ = const; 1-I = 35; 2–60; 3–80; 4–100 mA.

 

Пользуясь уравнением прямой, можно написать выражение для диаметра луча: d = d ₀ + kl. Коэффициенты d ₀ и k в этом уравнении можно определить, построив соответствующие зависимости d ₀ = f (I), k = f (I).

Зависимость диаметра луча от тока см. на рис. 9.

 

мА

120

 

100

 

80

60

 

40

 

20

Рис. 9. Зависимость диаметра луча от тока при постоянном ускоряющем напряжении U = 30 кВ (для работы в режиме сварки)

Экспериментальная проверка по глубине проплавления некоторых металлов при воздействии электронного луча, формируемого электронно-оптической системой типа Луч-4 на разных расстояниях l при одних и тех же параметрах луча, показывает, что глубина проплавления аналогично диаметру уменьшается с увеличением расстояния до объекта сварки.

Установлено, что распределение плотности тока по радиусу луча является Гауссовым:

 

j = j_m exp(-r²/r_e),

 

где r – текущее значение радиуса луча; r_e – радиус луча на уровне j_m/e (нормальный радиус); j_m – максимальное значение плотности тока.

Глубина пробега электронов в твердом теле

Максимальную глубину пробега электронов d в твердом теле при ЭЛС чаще всего определяют по формуле Шонланда

 

d = 2,35*10^-12U²/r.

 

Где U – ускоряющее напряжение, В; r – плотность, г/см³; d – глубина проникновения, см.

Экспериментально и теоретически установлено, что максимум энерговыделения по глубине пробега находится под поверхностью. На рис. 10 представлена экспериментальная зависимость изменения глубины проникновения электронов в железо от ускоряющего напряжения.

 

 

d, м

10^-4

8

6

4

3

2

10^-5

8

6

4

3

10^-6

8

6

4

3

10^-7

0 20 40 60 80 100 120 U, кВ

Рис. 10. Изменение глубины проникновения электронов в железо в зависимости от ускоряющего напряжения U

Таким образом, с увеличением ускоряющего напряжения (а следовательно, и глубины проникновения электронов) максимум температуры перемещается в глубь металла. Поэтому теоретически возможна ситуация, когда поверхность материала не успевает нагреться, хотя на глубине (в максимуме энерговыделения) достигается температура кипения.

На характер распределения температурного поля в зоне электронно-лучевого нагрева существенное влияние оказывает отношение диаметра луча к глубине пробега электронов. Установлено, что, например, обработка материала (плавление и выброс) эффективна только при условии d>2d, т.е. использование очень тонких пучков электронов затруднено.

Разряжение

Одним из параметров ЭЛС является степень разряжения (мм. рт. ст., Па). В большей степени этот параметр зависит от характеристик, обеспечиваемых в ЭЛУ.

ЭЛС осуществляют чаще всего вертикальным либо горизонтальным лучом в вакуумных камерах, размеры которых зависят от габаритов свариваемых изделий. Объем камер современных установок составляет от 0,1 (и менее) до сотен кубических метров. Камера с находящейся на ней (или в ней) электронной пушкой, формирующей электронный луч, может откачиваться как до высокого (» 10^-3 Па), так и до низкого (» 1 – 10 Па) вакуума, но с отдельной откачкой объема электронной пушки до 10^-3 Па.

Даже в низком вакууме» 1 Па содержание кислорода в 17 раз, а азота в 10 раз меньше, чем в особо чистом аргоне, поэтому при ЭЛС защита расплавленного металла очень эффективна. В вакууме электронный луч сохраняет свою удельную мощность, т. к. в нем не происходит рассеяние электронов вследствие отсутствия атомов и молекул атмосферы.

Частота автоколебаний

Для ЭЛС характерно, что при постоянном во времени потоке энергии возникают колебания физических параметров, характеризующих систему луч – вещество, а именно: потока пара, интенсивности светового излучения, эмиссии электронов и т.п. из зоны воздействия луча. Существует критическое значение потока энергии для возбуждения колебаний: если q₂ > q^*₂^, то колебания возникают, если q₂ < q^*₂, не возникают. Здесь q₂^*= S_кипrd/h_нt^*, где S_кип = r(сТ_кип + L_кип) – теплосодержание кипящего металла, Дж/см³; rd – массовая толщина слоя, г/см², h_н – эффективный КПД электронно-лучевого нагрева поверхности, t^* – характерное время, зависящее от теплофизических свойств металла.

При нагреве вещества постоянным во времени потоком энергии, который больше некоторого критического значения, отмечают существенные особенности в характере изменения температуры поверхности: она не стремится к постоянному значению, но колеблется относительно некоторого среднего значения. Эта закономерность обусловлена возникновением автоколебаний температуры и плотности пара в процессе нагрева.

Регистрация характеристик автоколебаний дает новые возможности для построения систем контроля и регулирования процесса ЭЛС.

В процессе ЭЛС луч надвигается на зону металла перед передней стенкой канала и проплавляет ее на глубину Н за время t, т.е. периодически с частотой f» V_св/d углубляется в металл (периодическое «строгание» передней стенки).

Таким образом, при формировании сварного шва наблюдаются два основных типа периодических процессов: периодическое испарение по мере углубления электронного луча в металл (с частотами порядка единиц и десятков килогерц) и колебания жидкого металла в сварочной ванне за счет периодического «строгания» передней стенки (с частотами порядка единиц и сотен герц). В литературе также отмечены плазменные колебания (с частотами порядка 10⁶ Гц). Зависимость амплитуды колебаний от частоты для всех трех типов колебаний при ЭЛС показана на рисунке 11.

 

 

А

 

жидкость

 

пар

 

плазма

 

 

10¹ 10³ 10⁵ 10⁷ f, Гц

Рис. 11. Зависимость амплитуды от частоты автоколебаний для различных процессов в канале при ЭЛС.

Специфические дефекты сварных швов при ЭЛС

Критическое изменение некоторых параметров при ЭЛС с несквозным проплавлением может привести к появлению дефектов в сварном соединении. Такими дефектами в основном являются: не заполненные металлом полости размером до 5 – 10 мм и длиной до 20 – 30 мм и периодическое несплавление корня шва.

Это объясняется тем, что давление пара в канале прямо пропорционально удельной мощности луча, а при одной удельной мощности можно получить разную глубину проплавления, т. к. чем меньше скорость, тем больше глубина проплавления. При правильном подборе удельной мощности, мощности и скорости сварки давление пара в канале отвечает условию

 

Р > (Р_G + Р_s) = rgH + s/r,

где Р – давление пара в канале; Р_G – давление, обусловленное весом жидкого металла; Р_s – давление, обусловленное поверхностным натяжением жидкого металла.

В некоторых случаях, на выходе из канала это условие может не соблюдаться, т.е. возможно захлопывание канала жидким металлом и образование полости (рис. 12).

 

 

 

а б в

Рис. 12. Схема поведения канала при ЭЛС.

а – канал свободен от жидкости; б – отражение волны жидкого металла от хвостовой части ванны; в-захлопывание канала

 

Еще одним часто встречающимся специфическим дефектом при ЭЛС является отклонение канала проплавления от линии стыка вследствие отклонения луча магнитным полем при сварке сталей с остаточной намагниченностью. Для ликвидации этого дефекта прибегают к предварительному размагничиванию свариваемого изделия.

 

Предыдущая1234567Следующая

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: