Full Text

Электронный луч является практически безынерционным источником тепловой энергии. Возможность тонкой регулировки мощности, фокусировки и положения луча позволяет широко использовать системы управления лучом и программирования режимов сварки, обеспечивающие качественное формирование сварного шва [1]. Используя системы управления лучом, можно создать новые технологические решения, такие, например, как динамическое расщепление электронного луча, позволяющее лучу одновременно воздействовать в нескольких обрабатываемых зонах или совмещать такие процессы, как сварка и термообработка [2]. На сегодняшний день ведется большое количество работ, рассматривающих возможность динамического воздействия на электронный луч и влияние параметров этого воздействия на геометрию сварного шва. При этом можно выделить три основных технологических приема: 1) осцилляция электронного луча; 2) сканирование фокуса электронного луча; 3) расщепление электронного луча. Колебательные перемещения луча предоставляют дополнительную возможность влиять на процесс сварки, а значит, и на образование сварного шва. При этом электронный луч, обладающий неизменной удельной мощностью, последовательно воздействует на ряд точек в непосредственной окрестности центра сварки [1]. В электронно-лучевой установке осцилляция осуществляется за счет использования отклоняющей системы, которая представляет собой две пары пространственно ориентированных катушек. При подаче на катушки постоянного тока получается постоянное магнитное поле, которое будет отклонять электронный луч на определенный постоянный угол. Если же подать на катушки переменный ток, то возникает переменное магнитное поле, обеспечивающее колебания электронного луча. Если амплитуда осцилляции электронного луча мала, то парогазовый канал, формирующийся в металле при воздействии электронного луча с высокой концентрацией мощности, практически не изменяется в размере, а при более высокой амплитуде осцилляции происходит его расширение. В результате колебательного воздействия электронного луча усиливается дегазация металла ванны, что способствует уменьшению пористости шва и подавлению корневых дефектов [1, 3]. Амплитуда осцилляции электронного луча, наиболее часто используемая при электронно-лучевой сварке, находится в пределах 1-3 мм, а частота колебаний - 50-500 Гц. В большинстве случаев при осцилляции электронного луча происходит уменьшение глубины проплавления. Для сохранения требуемой глубины проплавления необходимо увеличивать ток луча. Траектории колебаний электронного луча, используемого при сварке, разнообразны, но наиболее применяемыми являются линейные, круговые и Х-образные. Эффект от развертки электронного луча проявляется в изменении мгновенного и усредненного по периоду распределения плотности мощности, вводимой в металл. Соответственно меняются характер гидродинамических процессов и конфигурация сварочной ванны [4, 5]. Исследованиям влияния траектории осцилляции на формирование сварных швов посвящен целый ряд работ [6-11], в которых отмечается образование более скругленной формы корня шва с отсутствием дефектов, выравнивание структуры металла по глубине шва. Электронно-лучевая сварка с вращением электронного луча по круговой траектории позволяет добиться существенного уменьшения образования корневых дефектов в сварных швах, однако ввиду того, что плотность мощности в центральной части зоны нагрева мала, использование круговых колебаний приводит к значительному уменьшению глубины проплавления по сравнению со сваркой статическим лучом [12]. Колебания электронного луча по Х-образной траектории целесообразно производить при оптимальной фокусировке, обеспечивающей при заданных режимах сварки максимальную глубину проплавления (рис. 1). Такая фокусировка может быть установлена по максимальному значению амплитуды колебаний переменной составляющей спектра тока в цепи свариваемого изделия или коллектора с частотой в диапазоне 3-15 кГц как при неподвижном, так и при осциллирующем луче [11]. а б Рис. 1. Продольные макрошлифы корневой части швов, полученных: а - без колебаний луча; б - с колебаниями по Х-образой траектории [11] Выбор вида осцилляции, ее частоты и амплитуды при управлении формированием сварного шва осуществляется только на основании экспериментальных данных. Строго обоснованного объяснения предпочтения той или иной формы развертки перед остальными на данный момент не существует [1, 2]. Авторы работы [13] провели исследования, посвященные изучению процесса электронно-лучевой сварки с применением осцилляции электронного луча, где рассматривается влияние продольной осцилляции на форму канала проплавления, протекание процессов тепломассопереноса и параметры швов для разработки методических рекомендаций. Представлена численная трехмерная математическая модель электронно-лучевой сварки на основе уравнений теплопроводности и Навье-Стокса с учетом фазовых переходов на границе раздела твердой и жидкой фаз и термокапиллярной конвекции (эффект Марангони). Форма канала проплавления определялась на основе экспериментальных данных по параметрам вторично-эмиссионного сигнала с помощью метода синхронного накопления [14]. Целью данной работы является определение зависимости концентрации в сплаве легкоиспаряющегося компонента - магния при электронно-лучевой сварке сплава АМг6 с осцилляцией электронного луча. Для сварочных проходов были выбраны параметры режимов электронно-лучевой сварки, представленные в табл. 1. В данной таблице также изображена макроструктура зон проплавления. Далее проводился рентгенофлуоресцентный анализ поперечных шлифов с разделением сварного шва на три участка [10] (рис. 2, табл. 2). Для наглядности полученных данных результаты экспериментов представлены в виде графиков с разделением по параметрам режимов сварки (рис. 3). На рис. 3 изображены изменения концентрации магния по глубине зоны проплавления. Режимы 1-4 относятся к сварке статическим лучом, 5-8 - к сварке с продольной осцилляцией и 9-12 - к сварке с поперечной осцилляцией электронного луча. Пунктирными линиями изображены режимы с током электронного луча 50 мА. С увеличением тока электронного луча происходит уменьшение концентрации магния в шве, однако с увеличением скорости сварки концентрация магния увеличивается примерно на 2-3 %. При сравнении концентрации магния в швах, выполненных статическим и осциллирующим электронным лучом, наблюдается снижение концентрации магния примерно на 4 % при использовании осциллирующего электронного луча. При сварке статическим электронным лучом наблюдается истощение магния в пределах 7 % от первоначального содержания в сплаве, а при сварке с осцилляцией электронного луча концентрация составляет примерно 10 %, причем траектория перемещения электронного луча (продольная и поперечная) не влияет на интенсивность обеднения сплава магнием. Таблица 1 Макроструктура зон проплавления и режимы, на которых они были получены Номер режима Макроструктура Iсв, мА vсв, мм/с Вид воздействия электронного луча Номер режима Макроструктура Iсв, мА vсв, мм/с Вид воздействия электронного луча Номер режима Макроструктура Iсв, мА vсв, мм/с Вид воздействия электронного луча 1 40 5 Статический луч 5 40 5 ЭЛС с продольной осцилляцией, (А = 0,5 мм) 9 40 5 ЭЛС с поперечной осцилляцией, (А = 0,5 мм) 2 40 10 6 40 10 10 40 10 3 50 5 7 50 5 11 - 50 5 4 50 10 8 50 10 12 - 50 10 Рис. 2. Поперечные макрошлифы сварных швов, полученных при сварке сплава АМг6 статическим электронным лучом (а) и с использованием продольной (б) и поперечной (в) осцилляции электронного луча (цифрами обозначены характерные участки сварного шва) Таблица 2 Результаты рентгенофлуоресцентного анализа поперечного сечения зон проплавления Номер режима Содержание магния, отн. ед. в зоне 1 в зоне 2 в зоне 3 в шве, среднее в основном металле в сплаве, допустимое Швы, выполненные статическим лучом 0,0584 0,058-0,068 1 0,0540 0,0541 0,0554 0,0545 2 0,0541 0,0543 0,0557 0,0547 3 0,0537 0,0539 0,0546 0,0541 4 0,0539 0,0541 0,0550 0,0543 Швы, выполненные с продольной осцилляцией электронного луча 5 0,0519 0,0537 0,0549 0,0535 6 0,0535 0,0542 0,0551 0,0542 7 0,0516 0,0520 0,0539 0,0525 8 0,0520 0,0523 0,0542 0,0528 Швы, выполненные с поперечной осцилляцией электронного луча 9 0,0518 0,0535 0,0547 0,0533 10 0,0532 0,0539 0,0549 0,0540 11 0,0514 0,0521 0,0542 0,0526 12 0,0517 0,0526 0,0557 0,0533 Рис. 3. Графики изменения концентрации магния по глубине сварного шва в зависимости от изменения параметров режимов сварки На основании полученных данных были построены регрессионные зависимости концентрации магния в швах при электронно-лучевой сварке с различными видами осцилляции электронного луча и при различных параметрах режима сварки. Регрессионное уравнение для определения содержания магния при электронно-лучевой сварке с продольной и поперечной осцилляцией луча имеет вид SMg = 5,412 + 0,067 · vсв - 1,129 · Iл · vсв - 32,355 · Iл · А + 2,164 · А2, где SMg - концентрация магния, %; vсв - скорость сварки, мм/с; Iл - ток луча, мА; A - амплитуда осцилляции электронного луча, мм. По полученным регрессионным уравнениям зависимости концентрации магния от параметров режимов сварки были построены графики, которые приведены на рис. 4. Рис. 4. Влияние параметров режимов сварки на изменение концентрации магния в сварных швах, полученных с продольной и поперечной осцилляцией электронного луча: а - 1 - vсв = 5 мм/с, Iсв = 40 мА; 2 - vсв = 5 мм/с, Iсв = 50 мА; 3 - vсв = 10 мм/с, Iсв = 40 мА; 4 - vсв = 10 мм/с, Iсв = 50 мА; А изменяется от 0 до 0,5 мм; б - 1 - а = 0 мм, Iсв = 40 мА; 2 - а = 0 мм, Iсв = 50 мА; 3 - а = 0,5 мм, Iсв = 40 мА; 4 - а = 0,5 мм, Iсв = 50 мА; vсв изменяется от 5 до 10 мм/с; в - 1 - vсв = 5 мм/с, а = 0 мм; 2 - vсв = 5 мм/с, а = 0,5 мм; 3 - vсв = 10 мм/с, а = 0 мм; 4 - vсв = 10 мм/с, а = 0,5 мм; Iсв изменяется от 40 до 50 мА Как видно из графиков, с увеличением тока электронного луча происходит уменьшение концентрации магния в шве, однако с увеличением скорости сварки концентрация магния увеличивается приблизительно на 2-3 %. При сравнении концентрации магния в швах, выполненных статическим и осциллирующим лучом, наблюдается снижение концентрации магния при осцилляции электронного луча в среднем на 4 %. При электронно-лучевой сварке статическим лучом наблюдается истощение магния в пределах 7 % от первоначального содержания в сплаве, в случае осцилляции электронного луча это составляет приблизительно 10 %, причем траектория перемещения электронного луча (продольная и поперечная) не влияет на интенсивность обеднения сплава легкоиспаряющимся компонентом - магнием. Получены регрессионные зависимости концентрации магния в сварных швах при электронно-лучевой сварке сплава АМг6 с различными видами осцилляции электронного луча при различных параметрах режима сварки.

About the authors

E. S Salomatova

Perm National Research Polytechnic University

T. V Ol'shanskaia

Perm National Research Polytechnic University

D. N Trushnikov

Perm National Research Polytechnic University

V. Ia Belenkii

Perm National Research Polytechnic University

G. M Mladenov

Bulgarian Academy of Sciences

References

Statistics

Views

Abstract - 21

PDF (Russian) - 25

Refbacks

• There are currently no refbacks.