Глава 1. Исследование способов повышения эффективности электронно-лучевой сварки за счет управления массопереносом металла в сварочной ванне при импульсном динамическом воздействии электронного луча

При электроннолучевой сварке (ЭЛС) происходят сложные тепловые и гидродинамические процессы, характеризующиеся интенсивностью протекания, с одной стороны, и ограниченностью размеров области взаимодействия, с другой стороны. Протекание этих процессов оказывает определяющее влияние на формирование шва, его форму, достижимую глубину проплавления. Поэтому для разработки новых технологических и аппаратурных приемов повышения эффективности электронно-лучевого сварочного процесса необходимо дальнейшее изучение физических процессов и динамических явлений в сварочной ванне, в частности, процессов массо- и теплопереноса. Одним из способов повышения эффективности электронно-лучевой сварки предлагается применение импульсного динамического воздействия на сварочную ванну за счет импульсного воздействия электронного сварочного луча. Импульсное действие луча на ванну возможно как за счет импульсной модуляции величины тока луча, так и за счет импульсного перемещения его по поверхности ванны, т.е. при использовании развертки луча.

1. Колебания поверхности металла сварочной ванны

Эффективность импульсного воздействия электронного луча на сварочную ванну определяется, в первую очередь, частотой этого воздействия. Очевидно, наибольший эффект будет при совпадении частоты импульсного воздействия электронного луча с собственной частотой колебаний расплавленного металла в сварочной ванне.

Колебания в сварочной ванне происходят под действием двух сил: поверхностного натяжения и инерции. В случае, если поверхность ванны отклонилась от своего равновесного положения, то под действием силы поверхностного натяжения поверхность движется к своему равновесному положению, а из-за проявления силы инерции (определяемой плотностью металла) ванна проходит мимо своего равновесного положения; таким образом происходят колебания поверхности ванны относительно ее равновесного положения.

Оценим величину частоты этих колебаний: она зависит от размеров ванны. При оценке частоты будем учитывать два характерных размера ванны: ее ширинуВ и диаметр d_kпарогазового канала в ванне.

Сначала проведем оценку частоты колебаний ванны, не учитывая того, что в ней имеется парогазовый канал. Для упрощения будем считать, что сварочная ванна имеет цилиндрическую форму: радиус цилиндра R= В/2, а глубина его h.

В [1] показано, что первая (основная) частота колебаний жидкости в цилиндрическом сосуде, под действием силы поверхностного натяжения, определяется выражением:

_PR

здесь:

ω₁- циклическая частота; ω =2πf,где f- частота колебаний ванны;

σ - величина поверхностного натяжения металла ванны;

ρ - плотность;

k₁- собственное число краевой задачи о колебаниях поверхности, оно равно нулю функции I₁’ (k), где I₁ - функция Бесселя первого рода первого порядка;

k₁ = 1,841;

h₁- безразмерная глубина ванны: h₁= h/R.

При электроннолучевой сварке обычно глубина намного больше ширины, т.е. h₁>>1. При этом гиперболический тангенс

th (k₁*h₁) ≈1

В результате получаем выражение для частоты / колебаний сварочной ванны в зависимости от ее ширины В:

Следует отметить, что вязкость расплавленного металла не входит в полученное выражение, так как, в первом приближении, не влияет на величину частоты колебаний, а определяет их затухание.

Проведем численные оценки. Например, на стали (ρ=7800 кг/м³, σ=1,5 Н/м) при ширине сварочной ванныВ = 5...10 мм получаем значения для частоты колебаний ванны в пределах:f= 44...16 Гц.

Колебания сварочной ванны проявляются в образовании «чешуек» на поверхности усиления шва. Количество N«чешуек» на единице длины шва определяется выражением:

N=1/s

где s= V_CB/f- длина одной «чешуйки». Проведенные оценки находятся в хорошем соответствии с наблюдаемой на практике «чешуйчатостью» электроннолучевых сварных швов [2].

Оценим теперь частоту колебаний металла сварочной ванны около поверхности канала проплавления.

Как известно, во время сварки электронным лучом в сварочной ванне на всю ее глубину существует парогазовый канал, по которому проходит электронный луч. Энергия от электронного луча передается в сварочную ванну через поверхность этого парогазового канала.

Под действием силы поверхностного натяжения поверхность канала стремится сжаться, «схлопнуться». С другой стороны, против силы поверхностного натяжения действует давление паров свариваемого металла; в результате устанавливается равновесное положение поверхности канала. Относительно этого равновесного положения происходят колебания поверхности канала. В первом приближении, можно принять, что давление паров в канале постоянно, (так как система находится в равновесии), и амплитуда колебаний мала; при этом, как и ранее, учитываются сила поверхностного натяжения (возвращающая сила) и сила инерции (определяемая плотностью металла).

Колебания поверхности канала в этом случае определяются следующим выражением [3]:

β²= ;

здесь: β - аналог частоты колебаний, в данном случае - инкремент нарастания волны на поверхности канала; величина 1/β показывает, за какое время амплитуда волны возрастет в е = 2,72 раза;

r_k- радиус канала, r_k = d_k/2, где d_k- диаметр парогазового канала в сварочной ванне;

k- волновое число, определяет длину волны, развивающуюся на поверхности канала;

К₀, K₁- функции Бесселя третьего рода, нулевого и первого порядка, соответственно.

Рассмотрение приведенного выражения показывает, что на поверхности канала наиболее быстро развиваются волны, для которых р принимает максимальное значение. Анализ этого выражения на максимум (из условияdβ/d(kr_k)=0) дает kr_k= 0,484 (можно воспользоваться пакетом Mathcad, см. [4].)

В результате получаем выражение для частоты р колебаний поверхности парогазового канала в зависимости от его диаметра:

Численные оценки для ЭЛС стали дают: при диаметре парогазового канала d_k=1,5...2,5 мм частота колебаний его поверхности β= 550...250 Гц.

Колебания поверхности канала проплавления проявляются в пульсациях парового потока, истекающего из канала; такие же колебания имеются в ионном токе, который улавливается коллектором, расположенным над ванной.

Следует отметить, что приведенные оценки характеризуют диапазон частот колебаний, существующих в сварочной ванне. На практике эти колебания имеют широкий спектр в диапазоне десятки-сотни герц.

Основываясь на проведенных оценках собственных частот колебаний, существующих в сварочной ванне, можно обосновать диапазон частот импульсного воздействия электронного луча на сварочную ванну.