Full Text

Электронно-лучевая сварка является высокоэффективным технологическим процессом, позволяющим получать сварные соединения с высокими эксплуатационными характеристиками. Для решения задач, связанных с совершенствованием технологий электронно-лучевой сварки и обеспечением воспроизводимости получаемых соединений, традиционно существовало два подхода. Первый основан на совершенствовании установок и источников для электронно-лучевой сварки и стабилизации всех технологических параметров. Второй подход основан на изучении процессов взаимодействия электронного пучка с металлом и оперативном контроле и управлении процессом формирования сварного шва по параметрам вторичных излучений из зоны сварки, таких как вторичная электронная и ионная эмиссия, рентгеновское излучение и др. [1–17]. Важное место занимает моделирование [18–20]. На определенном этапе первый подход имел превалирующее значение. Источники для электронно-лучевой сварки совершенствовались очень быстро и позволяли решать все более сложные технологические проблемы. В настоящее время качество и российских и зарубежных источников приблизилось к своему максимуму, тем не менее описанные проблемы получения бездефектных сварных швов не исчезли. Было установлено, что большинство дефектов, сопутствующих электронно-лучевой сварке с глубоким проплавлением, являются неотъемлемым свойством процесса, и стабилизация всех параметров энергетического воздействия недостаточна. Это свидетельствует о том, что разработка бездефектных технологий требует глубокого изучения природы процессов, протекающих при взаимодействии мощного концентрированного электронного пучка с металлом при сварке, и поиска эффективных методов оперативного контроля процесса формирования сварного шва при электронно-лучевой сварке. Получили известность работы по исследованию связи рентгеновского излучения с технологическими параметрами электронно-лучевой сварки [9–10]. Несмотря на несомненные успехи, использование результатов этих исследований в ряде случаев затруднено в связи с трудоемкостью методов и трудностью применения их для сталей, как материалов, интенсивно поглощающих рентгеновское излучение. Кроме того, рентгеновские методы обладают инерционностью, что затрудняет их использование для изучения высокочастотных процессов в канале проплавления [21–22]. Более простыми и быстродействующими являются методы, основанные на измерении параметров электронных и ионных токов, протекающих в цепи электрода, расположенного над зоной сварки [23–25]. Исследования в этом направлении интенсивно велись в 80–90-е гг. прошлого столетия. Получила известность работа [26], в которой автор сделал попытку окончательно решить все вопросы, связанные с использованием вторично-эмиссионных методов для управления процессом. В исследовании применялась одновременная запись сигналов вторичного тока, токов луча, токов отклоняющих катушек и т.д. на магнитные ленты. Далее, после сопоставления полученных сигналов с профилем продольных шлифов полученных сварных швов, был сделан вывод о неприменимости данных сигналов для управления процессом электронно-лучевой сварки. Данная работа обладает рядом недостатков. Во-первых, при измерениях вторичных сигналов применялся заземленный коллектор (электрод). Сигнал такого коллектора обладает сложным составом. Такой коллектор регистрирует одновременно потоки положительных и отрицательных ионов, термоэлектронов, отраженных и вторичных электронов. Результирующий сигнал описывает сумму отдельных токов и зачастую малоинформативен. Во-вторых, исследовалось поведение только низкочастотных составляющих (порядка нескольких герц – десятков герц). Недостаток обусловлен ограничениями применяемой техники и некоторой прямолинейностью подхода. Существенным недостатком является и то, что, по сути, в работе [26] искалась прямая зависимость между параметрами проплавления и колебаниями вторичного сигнала. Формирование тока несамостоятельного разряда в плазме, образующейся в зоне электронно-лучевой сварки. Одним из характерных явлений, сопутствующих взаимодействию концентрированного электронного пучка с металлом при электронно-лучевой сварке, является образование плазмы в зоне воздействия пучка [4–6]. Сигнал тока в плазме (обусловленный термоэлектронной эмиссией) оказался во многом более информативным по сравнению с сигналами, формируемыми другими вторичными процессами в зоне сварки. При этом параметры процессов, протекающих в плазме, тесно связаны с характеристиками термического воздействия электронного пучка на свариваемый металл, что открывает возможности осуществления оперативного контроля за процессом электронно-лучевой сварки [4–8]. В данной работе обобщен опыт авторов в области исследования процессов, сопутствующих электронно-лучевой сварке, и в области оперативного контроля и управления процессом формирования сварного шва по параметрам указанного сигнала. Важная роль плазмы, образующейся в зоне электронно-лучевой сварки мощным электронным пучком, состоит в том, что она служит источником заряженных частиц, параметры которых несут информацию о процессе взаимодействия электронного пучка с металлом. Являясь потенциальной ловушкой для медленных электронов, покидающих зону сварки, плазма обеспечивает прохождение значительного по величине тока, направленного от свариваемого изделия к близлежащим элементам технологической вакуумной камеры или устанавливаемому над зоной сварки коллектору заряженных частиц. Обусловленный этими процессами несамостоятельный разряд в зоне электронно-лучевой сварки имеет специфический характер по сравнению с другими типами разрядов, поддерживаемых электронным пучком, в результате доминирующей роли пучка, который выполняет следующие функции: – обеспечивает квазинепрерывное поступление металлического пара в зону разряда; – стимулирует генерацию низкотемпературной плазмы в зоне разряда путем ионизации паров металла; – инициирует интенсивную электронную эмиссию с поверхности конденсированной фазы металла, обеспечивая значительную величину тока в плазме. Для отбора тока из плазмы может быть использован коллектор электронов, устанавливаемый над зоной сварки (рис. 1). Рис. 1. Схема регистрации тока несамостоятельного разряда в плазме, образующейся над зоной электронно-лучевой сварки: 1 – электронная пушка; 2 – фокусирующая линза; 3 – плазма, образующаяся над зоной электронно-лучевой сварки; 4 – коллектор электронов; 5 – система регистрации; 6 – резистор нагрузки; 7 – источник смещения; 8 – свариваемое изделие Контроль формирования сварного шва по параметрам тока несамостоятельного разряда в плазме при электронно-лучевой сварке. Ток несамостоятельного разряда в плазме протекает и в цепи свариваемого изделия, являющейся участком внешней цепи разряда, навстречу току электронного пучка. Как известно, при электронно-лучевой сварке мощным концентрованным электронным пучком в свариваемом металле образуется узкий и глубокий канал проплавления. В канале проплавления протекают сложные физические процессы. Анализ спектра тока несамостоятельного разряда в плазме при электронно-лучевой сварке мощным электронным пучком показал наличие в спектре составляющих с частотами в диапазонах 200–1000 Гц и 10–50 кГц [27–30], связанных с колебательными процессами, протекающими в канале проплавления [22]. Исследования [27–30] показали, что процессы в канале проплавления имеют в значительной степени регулярную высокочастотную составляющую (частота около 15 кГц). В спектре Фурье наблюдается отчетливый максимум на этой частоте (рис. 2). Данная высокочастотная область спектра до этого в исследованиях других научных коллективов игнорировалась и считалась неинформативной. Изучение осциллограмм показало, что появление в спектре этой составляющей обусловлено наличием в сигнале резких пиков (импульсов), следующих на некоторых режимах друг за другом практически регулярно. Эти импульсы имеют стохастически изменяющуюся амплитуду и следуют друг за другом сериями, через случайные промежутки времени между сериями (рис. 3). При этом импульсы тока имеют значительную величину (до 1 А). Подобный характер осциллограмм и спектрограмм наблюдался практически при всех режимах сварки с глубоким проплавлением мощностью от 2 кВт для всех исследованных материалов и на нескольких электронно-лучевых установках (в том числе на установках, в состав которых не входят инверторные источники питания). Измерения ускоряющего напряжения, колебаний тока пучка электронов с помощью стандартной чаши Фарадея и т.д. показало, что указанные колебания не имеют отношения к сигналам, генерируемым энергетическим агрегатом электронно-лучевой установки и, таким образом, отражают колебания в системе луч – канал проплавления – плазма. Рис. 2. Спектрограмма вторично-эмиссионного сигнала, полученного при сварке инверторным источником ЭЛА-60/15 Рис. 3. Типичная осциллограмма вторичного тока плазмы при ЭЛС Формирование в системе электронный пучок – канал проплавления – плазма указанных высокочастотных процессов было рассмотрено в работах [12–15, 21–22], в которых предложен следующий механизм их возникновения. Нагрев металла концентрированным электронным пучком обеспечивает значительный перегрев поверхностного слоя металла в канале проплавления, при этом величина перегрева определяется скоростью нарастания температуры. Оценка скорости нарастания температуры при плотности мощности электронного пучка 109–1010 Вт/м2 дает значения 107–108 К/с. При таких скоростях нарастания температуры в металле создаются условия, близкие к реализации фазового взрыва металла в метастабильной области температур. Режим взрывного разрушения металла на передней стенке канала проплавления определяет импульсный характер эмиссии электронов из области воздействия электронного пучка, что связано с интенсивным испусканием электронного тока при переходе металла из конденсированного состояния в плотную пароплазменную фазу [7, 8]. В соответствии с этим регистрируемая в спектре колебаний тока несамостоятельного разряда в плазме составляющая с частотой в диапазоне 10–50 кГц связана со взрывным характером процесса взаимодействия электронного пучка с передней стенкой канала проплавления при сварке. Оценка плотности тока термоэлектронной эмиссии по уравнению Ричардсона показывает, что при температуре кипения железа ток эмиссии при площади пятна нагрева 1 мм2 составляет около 1 А, а при перегреве металла на 1000 °C – около 100 А. Это свидетельствует о высоких возможных значениях тока эмиссии в плазму в процессе электронно-лучевой сварки мощным концентрированным электронным пучком. Однако фактическая величина тока несамостоятельного разряда в плазме при электронно-лучевой сварке определяется условиями токопрохождения в плазме и существенно зависит от распределения потенциала в плазме и параметров внешней цепи. Промежуток «свариваемое изделие – электрод, осуществляющий отбор тока из плазмы» может быть рассмотрен в качестве нелинейного активного двухполюсника в цепи регистрации тока несамостоятельного разряда в плазме, а внешние источники электродвижущей силы – как факторы, изменяющие распределение потенциала в слоях пространственного заряда, отделяющих плазму от соприкасающихся с ней электродов, и определяющие условия прохождения тока в плазме. Тогда импульсы тока несамостоятельного разряда в плазме с частотой в диапазоне 10–50 кГц в нагрузке измерительной цепи могут рассматриваться как импульсы термоэлектродвижущей силы, генерируемой при тепловом взрыве металла в зоне воздействия электронного пучка. Энергия этих импульсов пропорциональна тепловой энергии, выделяемой продуктами разрушения металла, что позволяет осуществлять контроль мощности, вводимой электронным пучком в металл при электронно-лучевой сварке [28–36]. Составляющая спектра тока несамостоятельного разряда в плазме с частотой в диапазоне 10–50 кГц представляет значительный интерес для разработки методов оперативного контроля процесса электронно-лучевой сварки, так как ее параметры коррелируют с величиной удельной мощности электронного пучка. На рис. 4 приведена зависимость амплитуды высокочастотной составляющей тока в плазме от тока фокусировки электронного пучка и получаемые на этих режимах поперечные сечения зон проплавления при электронно-лучевой сварке хромоникелевой стали (мощность 3 кВт). В работах [11, 31] показано, что при введении периодических воздействий на электронный пучок (модуляции тока пучка или его осцилляция) происходит упорядочивание колебаний в канале проплавления и серии импульсов начинают следовать с определенной частотой, кратной частоте колебаний. Эти исследования обладают рядом недостатков и требуют продолжения. В частности, не проводилась одновременная запись сигналов в отклоняющих катушках и сигналов вторичного тока в плазме, а осцилляция осуществлялась по достаточно сложной траектории, что затрудняло анализ. В исследованиях [37–41] отмечено положительное влияние осцилляции (или модуляции электронного пучка) на качество формирования сварного шва. Была установлена возможность определения оптимальных частот воздействия по параметрам вторичного тока в плазме. При электронно-лучевой сварке со сквозным проплавлением ток в плазме формируется и со стороны нижней поверхности свариваемого изделия, что позволяет осуществлять контроль формирования обратного валика сварного шва по параметрам составляющей тока в плазме с частотой в диапазоне 10–50 кГц. При этом, в отличии от известных способов, основанных на регистрации сквозного тока при прохождении электронного пучка сквозь металл и обеспечивающих формирование так называемого ниточного проплава, удается сформировать качественный обратный валик сварного шва за счет применения коллектора определенной формы, контролирующего электронный ток в плазме (а не сквозной ток сварочного электронного пучка), и увеличения величины сквозного тока электронного пучка. Исследования показали возможность контроля процесса электронно-лучевой сварки со сквозным проплавлением по параметрам тока несамостоятельного разряда над свариваемым изделием [11]. Установлено, что появление сквозного проплавления сопровождается снижением амплитуды колебаний тока несамостоятельного разряда с частотами в диапазонах 200–1000 Гц и 2,5–50,0 кГц, а также амплитуды на частоте, кратной частоте осцилляции. Величина, на которую снижаются амплитуды указанных колебаний, повышается при электронно-лучевой сварке с осцилляцией электронного пучка. Последние исследования [33] показали возможность постановки и решения обратной задачи реконструкции формы проплавления при электронно-лучевой сварке по параметрам сигнала вторичного тока в плазме, регистрируемого в цепи кольцевого электрода, находящегося над областью сварки. При обработке из сигнала вторичного тока в плазме выделялась высокочастотная составляющая в диапазоне от 10 до 30 кГц. Далее исследовались параметры выделенной составляющей. Оказалось, параметры эмпирической плотности сигнала составляющей несут информацию об удельной мощности (режиме фокусировки в процессе сварки), а формы кривых плотностей распределения отражают форму проплавления при электронно-лучевой сварке (таблица). Подпись: 90Поперечные шлифы и эмпирические ненормированные плотности распределения выделенного сигнала в амплитудном диапазоне при сварке стали статичным пучком мощностью 9 кВт при различных режимах фокусировки Ток фокусировки, мА 715 720 725 730 735 740 745 750 Поперечные шлифы Описание: 36_2 Описание: 37_1 Описание: 38 Описание: 39 Описание: 40 Глубина шва, мм 10 14 16 17 21 19 17 13 Ширина шва в верхней части, мм 10 9 8 9 9 9 10 12 Эмпирические ненормированные плотности распределения Модальное значение, отн. ед. 1,089 1,835 9,777 10,425 10,672 10,386 7,115 2,535 Средне-квадратичное отклонение, отн. ед. 0,11 0,093 0,056 0,053 0,047 0,049 0,058 0,073 Опыт исследования вторично-эмиссионных процессов показывает возможность разработки методов оперативного контроля и управления формированием сварного шва при электронно-лучевой сварке. Наиболее предпочтительным, по мнению авторов, является использование сигнала вторичного тока в плазме. Параметры процессов, протекающих в плазме, тесно связаны с процессами взаимодействия электронного пучка с металлом в канале проплавления, что открывает возможности изучения этих процессов. Также становится возможным оперативный контроль процесса электронно-лучевой сварки (контроль удельной мощности, контроль формирования шва при сквозном проплавлении). Проведенные исследования показывают наличие в сигнале вторичного тока в плазме высокочастотной составляющей (10–50 кГц). Эта составляющая не связана с колебаниями параметров энергетических агрегатов электронно-лучевых установок и отражает высокочастотные процессы в системе электронный пучок – канал проплавления – плазма. Параметры сигнала именно в этом частотном диапазоне (амплитуда, модальное значение плотности распределения сигнала и т.д.) зачастую несут наиболее полную информацию о процессе. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований № 11-08-96016 и Министерства образования Пермского края.

About the authors

Anatoly Leonidovich Piskunov

Perm National Research Polytechnic University

Email: pal-2010@yandex.ru
614990, Perm, Komsomolsky av., 29 Postgraduate student, Perm national research polytechnic university

Alexey Nikolaevich Lyalin

Perm National Research Polytechnic University

Email: ale86403793@yandex.ru
614990, Perm, Komsomolsky av., 29 Postgraduate student, Perm national research polytechnic university

Valeriy Evgenyevich Schavlev

Perm National Research Polytechnic University

Email: valscv@gmail.com
614990, Perm, Komsomolsky av., 29 Postgraduate student, Perm national research polytechnic university

Alexandr Albertovich Abdullin

Perm National Research Polytechnic University

Email: aaa130988@mail.ru
614990, Perm, Komsomolsky av., 29 Postgraduate student, Perm national research polytechnic university

References

Statistics

Views

Abstract - 26

PDF (Russian) - 7

Refbacks

• There are currently no refbacks.