книги / Электронно-лучевая сварка

	сварного соединения		сварке бронзы БрХ-08 со сталью 09Х16Н4Б
	бронзы БрХ-08 со
				(× 200)
	сталью	09Х16Н4Б
	Рис. 3.12.	Макрошлиф	Рис. 3.13.	Микроструктура сварного шва,
	поперечного сечения		полученного при электронно-лучевой

со сталью 09Х16Н4Б. На рис. 3.12 приведен макрошлиф поперечного сечения биметаллического сварного соединения, полученного при оптимальных режимах сварки. На рис. 3.13 представлена микроструктура сварного шва.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Электронно-лучевая сварка / О.К. Назаренко, А.А. Кайдалов, С.Н. Ковбасенко [и др.]; под ред. Б.Е. Патона. – Киев: Наукова думка, 1987. – 256 с.

2.Сварка и свариваемые материалы: в 3 т. Т. 1. Свариваемость материалов / под ред. Э.Л. Макарова. – М.: Металлургия,

1991. – Т. 1. – 528 с.

3. Особенности получения качественных сварных швов при электронно-лучевой сварке высокопрочных сталей большой тощи-

341

ны / В.Я. Беленький, Д.Н. Трушников, Г.М. Младенов, Т.В. Ольшанская // Автоматическая сварка. – 2012. – №2. – С. 47–51.

4. Сварка бронзы БрХ-08 и стали ЭИ-811 колеблющимся электронным пучком / Ф.И. Рыжков, А.В. Башкатов, А.Ф. Закомолдин, В.И. Корнеев // Автоматическая сварка. – 1973. – № 5. –

С. 56–58.

5.Исследование возможности электронно-лучевой сварки наконечника фурмы кислородно-конверторного производства стали / Н.К. Гальченко, С.И. Белюк, К.А. Колесникова [и др.] // Технология и оборудование ЭЛС–2011: докл. С.-Петерб. междунар. науч.-техн. конф., 23–26 мая 2011 г., посвящ. 50-летию космонавтики и 100-летию Центр. науч.-исслед. ин-та материа-

лов. – СПб., 2011. – С. 150–157.

6.Electron beam welding of bronzes to 316 L (N) steel / L.A. Goncharov, E.V. Terentyev, A.U. Marchenkov, M.A. Portnov //

Electrotechnica & Electronica. – 2012. – № 5–6. – P. 123–127.

7. Влияние осцилляции электронного пучка на формирование структуры сварных швов при электронно-лучевой сварке стали с бронзой / Т.В. Ольшанская, Г.Л. Пермяков, В.Я. Беленький, Д.Н. Трушников // Технологии и оборудование ЭЛС–2014: докл. 3-й С.-Петерб. междунар. науч.-техн. конф. – СПб., 2014. –

С. 150–157.

342

4. ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЭЛС

4.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВТОРИЧНОГО ТОКА В ПЛАЗМЕ, СОБИРАЕМОГО ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОДОМ

ВПРОСТРАНСТВЕ НАД СВАРОЧНОЙ ВАННОЙ

Вглаве 2 (подразд. 2.2.3.7) было описано измерение вторичного тока в облаке плазмы, образующейся над сварочной ванной при электронно-лучевой сварке. Параметры процессов, протекающих в плазме, тесно связаны с характеристиками термического воздействия электронного пучка на обрабатываемый материал. Это дает возможность изучения процессов взаимодействия электронного пучка с металлом и осуществления оперативного контроля процессом электронно-лучевой обработки. Важная роль плазмы, образующейся в зоне электронно-лучевой обработки 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, плазма обеспечивает прохождение значительного по величине тока, направленного от обрабатываемого изделия к близлежащим участкам технологической вакуумной камеры или к установленному над зоной обработки коллектору заряженных частиц.

Обусловленный этими процессами несамостоятельный разряд в плазме в зоне электронно-лучевой обработки мощным концентрированным пучком электронов имеет специфический характер по сравнению с другими типами разрядов, поддерживаемых электронным пучком в результате доминирующей роли пучка, который выполняет следующие функции:

343

–обеспечивает квазинепрерывное поступление металлического пара в зону разряда в результате интенсивного испарения обрабатываемого металла;

–стимулирует генерацию низкотемпературной плазмы в зоне разряда путем ионизации паров металла с использованием механизма резонансного пучково-плазменного взаимодействия;

–инициирует интенсивную эмиссию электронов с поверхности конденсированной фазы металла, обеспечивая значительную величину тока в плазме.

Параметры плазмы над каналом проплавления изучались во многих работах [1–8]. Некоторые авторы, используя методологию, связанную с использованием зонда Ленгмюра [2, 9], получили результаты, которые показывают, что на расстоянии 3–10 см от зоны

взаимодействия, температура электронов kТе составляет 1–6 эВ, плотность электронов имеет порядок 109 см–3 . В ряде работ обсуждаются две модели – полусферический или цилиндрический источник свободного расширения плазмы в пространстве над зоной взаимодействия пучка с металлом. В работе [2] был сделан вывод, что цилиндрический столб плазмы формируется при прохождении электронного пучка в парах над зоной сварки. Относительное распределение плотности электронов и электростатического потенциала хорошо соотносится с экспериментальными результатами.

Знание параметров плазмы и распределения плазмы при ЭЛС может быть использовано для дистанционной диагностики

иконтроля технологического процесса, как упоминалось ранее. Колебания параметров плазмы отражают колебательные

процессы в системе пучок электронов – канал проплавления – плазма. Очень важно установить, какая часть отвечает за ту или иную часть системы.

4.1.1. Методика

При проведении экспериментов сваривались образцы из хромомолибденовой стали (содержание углерода 0,15 %, хрома 5 % и около 1 % молибдена), высоколегированной хромонике-

344

левой стали (до 0,12 % углерода, 18 % хрома и до 0,8 % титана)

ииз титанового сплава ОТ4 при ускоряющем напряжении 60 кВ

искорости сварки 5 мм/с. Глубина проплавления составляла от 7 до 17 мм. Давление остаточного газа в камере поддерживалось на уровне 10–2 Па. Рабочая дистанция в большинстве экспериментов равнялась 100 мм. Часть экспериментов проводилась при переменной рабочей дистанции от 150 до 350 мм.

Над зоной сварки устанавливался коллектор электронов, на который через сопротивление нагрузки 50 Ом подавалось напряжение 48 В (рис. 4.1). Коллектор представлял собой диск диаметром 20 мм. Сигнал с коллектора регистрировался для дальнейшей компьютерной обработки. В ходе экспериментов положение коллектора изменялось по двум координатам – z и r.

Рис. 4.1. Регистрация тока несамостоятельного разряда в плазме, образующейся над областью электронно-лучевой сварки:

1 – электронная пушка; 2 – коллекторэлектронов; 3 – система регистрации; 4 – резистор нагрузки 50 Ом; 5 – источник питания 48 В; 6 – фокусирующая линза; 7 – плазма, образующаяся над областью электронно-лучевой сварки; 8 – обрабатываемое изделие

345

Во время экспериментов варьировались следующие параметры: сварочная мощность P, режим фокусировки ∆ If ( ∆ I f –

разница между током фокусировки и его значением, обеспечивающим максимальную глубину проплавления, ∆ I f = I f − I f 0 ),

частота и амплитуда осцилляции.

Для получения наиболее общих результатов при осцилляции пучка использовались режимы со статичным пучком или с самыми простыми видами разверток – поперечной и продольной. Ток в отклоняющих катушках изменялся при этом по треугольному закону. Частота изменялась в пределах от 90 до 1500 Гц. Амплитуда составляла 0,1–1,5 мм при поперечной осцилляции пучка и 0,4–3,5 при продольной.

Над зоной сварки устанавливался кольцевой коллектор электронов, на который через сопротивление нагрузки 50 Ом подавалось напряжение 48 В. Сигналы с коллектора и отклоняющих катушек регистрировались для дальнейшей компьютерной обработки. Частота дискретизации составляла от 100 кГц до 1 МГц на канал.

4.1.2. Результаты исследования

На рис. 4.2 приведена спектрограмма, полученная после обработки записи тока коллектора при ЭЛС вблизи острой фокусировки. При использованной частоте дискретизации в спектре сигнала появились отчетливо заметные максимумы на частоте около 20 кГц и максимумы на кратных частотах. Осциллограмма на рис. 4.3 демонстрирует, что появление в спектре этих составляющих обусловлено наличием в сигнале резких пиков (импульсов), следующих друг за другом почти периодически. Подобный характер осциллограмм и спектрограмм наблюдается практически на всех режимах сварки с глубоким проплавлением, для всех исследованных материалов. Причем наиболее отчетливо максимумы заметны при сварке недофокусированным или перефокусированным лучом (рис. 4.4).

346

Рис. 4.2. Спектрограмма тока коллектора при ЭЛС стали вблизи острой фокусировки, мощность пучка 6 кВт

Рис. 4.3. Осциллограмматока коллектора приЭЛС стали вблизиостройфокусировки, мощность пучка 6 кВт

Рис. 4.4. Спектрограмма тока коллектора приЭЛС стали перефокусированным лучом(∆If = 10 мА), мощность пучка 9 кВт

347

Продемонстрированные спектрограммы в полной мере не отражают структуру полученных сигналов. Уширение максимумов может быть вызвано как хаотическим изменением времени между импульсами тока коллектора, так и хаотическими изменениями их амплитуды.

При исследовании спектров сигнала, измеряемого в цепи коллектора электронов, установленного над обрабатываемым изделием, употребляются слова: «составляющие с частотами в диапазонах 2,5–20,0 кГц и 200–2000 Гц» [7–8, 10–11]. Под этими «составляющими» понимаются импульсы тока несамостоятельного разряда, время между которыми, как и их величина, являются случайными величинами. Таким образом, когда упоминается диапазон 2,5–20,0 кГц, подразумевается, что для подавляющего большинства импульсов время ожидания следующего (время между импульсами) составляет 0,02–0,4 мс. Кроме того, импульсы могут появляться сериями, которым соответствует колебательное перемещение зоны взаимодействия электронного пучка с металлом по глубине канала проплавления. Таким образом, мы имеем дело со случайными величинами: время между импульсами, время между сериями импульсов и амплитуда импульса (величина отклонения сигнала тока несамостоятельного разряда от его среднего значения). В соответствии с вышесказанным можно характеризовать структуру сигнала тока коллектора не только с помощью спектрального распределения, но и с помощью функций значений плотности распределения вероятности таких случайных величин, как время между импульсами, время между сериями импульсов и амплитуда импульсов.

Вид получившейся плотности распределения для времени между импульсами приведен на рис. 4.5. Плотность распределения для времени между сериями импульсов – на рис. 4.6. Аналогичные осциллограммы, спектрограммы и плотности распределения были получены и при ЭЛС титанового сплава, с той лишь разницей, что максимум частоты импульсов сместился в область чуть более низких частот.

348

Рис. 4.5. Ненормированная плотность распределения времени между импульсами тока коллектора при ЭЛС стали перефокусированным лучом (∆If = 10 мА), мощность пучка 9 кВт

Рис. 4.6. Ненормированная плотность распределения времени между сериями импульсов тока коллектора при ЭЛС стали вблизи острой фокусировки, мощность пучка 9 кВт

349

На рис. 4.7 показана зависимость вторичного сигнала и высокочастотной составляющей ( f > 10 кГц) от времени при

сварке стали с плавно изменяющимся током фокусировки. Видно, что сигнал имеет заметную величину в определенном диапазоне, который сопровождается кинжальным проплавлением. При этом высокочастотная составляющая появляется в более узком диапазоне. Зависимость высокочастотной составляющей от удельной мощности (степени фокусировки) может быть использована для построения методов контроля.

Рис. 4.7. Вторичный ток и высокочастотная составляющая при линейном нарастании тока фокусировки, P = 2 кВт, частота продольной осцилляции f = 561 Гц, размер развертки 2A = 0,9 мм, степень фокусировки∆If линейно нарастает от –40 до +40 мА

350