Баліцький



Введение

Непрерывное совершенствование технологических процессов сварки направлено на повышение ее производительности , качества сварных соединений и технико-экономических характеристик. При сварке плавлением основное влияние на перечисленные характеристики процесса оказывают физико-технические свойства источника сварочного нагрева.

Традиционные источники — электрическая сварочная дуга, тепло, выделяющееся в контакте тел при прохождении через него электрического тока и др. изучаются длительное время и их возможности широкого используются в практике сварки. По своему воздействию на свариваемые металлы их можно отнести к источникам чистого термического характера, поскольку они почти не оказывают никакого механического воздействия на сварочную ванну. В большинстве случаев для описания температурного поля и геометрии проплавления при дуговой сварке, например, достаточно уравнений теплофизики. Имеющиеся исследования физических процессов в сварочной дуге показывают, что ее энергетические характеристики можно изменять в ограниченных пределах особенно в сторону их повышения. При сварке металлов концентрацию мощности в дуге вряд — ли можно поднять выше уровня 5.104 вт/см2. Новые возможности в сварке открываются применением электронных пучков в качестве источников нагрева. Высокие коэффициенты аккомодации энергии электронов металлами, возможности гибкого воздействия на траектории их движения, электрическими и магнитными полями создают предпосылки получения электронных пучков с концентрацией мощности 106— 107 вт/см2 . Это предопределяет коренные изменения в технологии сварки плавлением. Расчеты и предварительные эксперименты показали, что такая мощность не может быть отведена от пятен нагрева всех металлов механизмами и конвективной теплопередачи в ванне. Часть металла непременно испаряется и реакция струи истекающих из пятна нагрева оказывает на него механическое воздействие. В результате образующаяся ванна металла оказывается не только под действием тепла источника, но и механического давления струи паров. При этом ванна принимает специфическую форму узкого и глубокого сосуда с парогазовым каналом вдоль оси пучка, существенно отличающуюся от ранее известных в практике сварки.

Для ее описания уже недостаточно уравнений теплофизики. Необходимо учитывать металлостатические и динамические явления в ванне и газодинамические явления в канале. Основной технологический сварочный эффект образования и устойчивого существования такой ванны выражается в возможности получения узких и глубоких швов, часто называемых «кинжальными» . Коэффициент формы таких швов Н/в = 30 в 10 — 15 раз превышает его значение при дуговых способах сварки. Малая ширина швов определяет и соответственно слабое насыщение теплом температурного поля свариваемых изделий. В результате металл «кинжальных» швов охлаждается с более высокими скоростями по сравнению с выполненными дуговой сваркой. «Кинжальные» швы характеризуются и сравнительно малой поперечной усадкой, возникающими при этом деформациями и напряжениями.



Приведенные предварительные соображения о специфических особенностях электроннолучевой сварки, определяемых высокой концентрацией мощности в пучке и известными законами теплофизики, металловедения, термических напряжений и деформаций указывают на необходимость глубокого изучения всех явлений при образовании сварных соединений, их взаимосвязи с характеристиками электронных пучков и использования их в практике сварки. До настоящего времени известны лишь попытки выявления качественных характеристик отдельных произвольно выбранных явлений. Систематизированные и целенаправленные исследования не планировались и не проводились как за рубежом так и в нашей стране. Основными целями этой роботы, сформированной как тема 14/62, являются:

— исследование взаимосвязи между формой и размерами пародинамических канала в сварочной ванне и размерами сварных швов ;

— изучения факторов, определяющих форму, размеры и устойчивость пародинамических каналов ;

— экспериментальное обоснование основных требований к энергетическим характеристикам электронных пучков и конструкциями электронных пушек ;

— создание научных основ и разработка инженерных методов расчета и конструирования электронных пушек для однопроходной сварки металлов, толщиной до 150мм ;

— разработка источников питания пушек и приборов управления пучком ;

— исследование условий существования ванны, особенностей формирования швов, кристаллизации и охлаждения металла ;

— изучение специфических дефектов швов и разработка способов их устранения ;

— анализ технико — экономических характеристик электроннолучевой сварки ;

Итогом этих исследований и разработок являются технология сварки рядов металлов и конструкций и оборудование для ее осуществления. Ставилась задача максимального опробования и внедрения разработок в производственных условиях.

Глава І. Основы технологии ЭЛС металлов и основные требования к ее оборудованию.

Технология электроннолучевой сварки как и других способов сварки плавлением сводится к решению трех основных задач :

получению швов требуемых размеров

получению швов необходимого качества

размещению швов вдоль стыкуемых кромок с отклонением в пределах допуска

Каждая из этих задач решается специфическими средствами, хотя между ними существует и ярко выраженная взаимосвязь. Так, от размеров швов сильно зависят процессы их формирования, кристаллизации, охлаждения и, следовательно, качество сварных соединений. Размеры швов определяют и допуски на отклонение плоскости симметрии шва от плоскости стыка. Однако аппаратура для управления положениями пучка относительно кромок может проектироваться в виде самостоятельных блоков. В интересах получения швов необходимого качества иногда приходится, как показывает опыт, идти на существенное отступление от оптимальных условий получения требуемых их размеров и т.д

Поэтому для разработки основ технологии электроннолучевой сварки целесообразно первоначально рассмотреть методы решения каждой из технологических задач раздельно и затем найти условия оптимального удовлетворения всех требований технологии.

§ І.І Пародинамический канал в ванне и его связь с параметрами шва.

Все основные специфические особенности электроннолучевой сварки определяются узкими глубоким пародинамеческим каналом, образующимся в сварочной ванне вдоль оси пучка. Некоторые представления о нем дает рис.1.1, на котором изображен продольный разрез зоны канала в малоуглеродистой стали, толщиной 130мм, после быстрого (0,1 — 0,2 сек) выключения тока пучка в процессе сварки в нижнем положении. Значительная часть ее оказалась незаполненной, несмотря на неизбежное перемещение жидкого металла ванны после такого выключения. Можно утверждать, что истинные его продольные размеры не менее размеров, зафиксированных на рис 1.1 . Сравнение их с поперечными размерами канала показало, что они в 1.5 — 2 раза больше поперечных. Передняя стенка канала образует очень малый угол с осью пучка. На ней резко различаются местные наплывы литого металла, образовавшиеся после кристаллизации текущих по ней струй различной ширины и толщины. Поскольку после выключения пучка эти струи могли только растекаться по поверхности канала с уменьшением энергии свободной их поверхности, можно считать, что в процессе сварки отмеченные наплывы были еще более рельефными. Оставшиеся следы движения струй по боковым стенкам показывает, что их траектория близка к параболической, соответствующей движению в поле сил тяжести горизонтально брошенных тел. Это указывает на действие в зоне передней стенки канала реактивных сил, существенно превосходят вес капель, которые, однако быстро убывают по мере удаления от этой стенки.

Очертание нижней части канала залитой металлом после выключения пучка (рис 1.2) позволяют представить его форму в процессе сварки, поскольку хорошо известные законы распространения тепла не дают оснований для заключения о возможности узкого и глубокого проплавления через жидкую фазу. Подтверждением тому служат многочисленные фотографии корневых частей швов, на которых хорошо видны незалитые металлом нижние части существовавших при сварке каналов. Одна из них приведена на рис 1.2 . Она показывает, что толщина слоя переплавленного пучком металла, примыкающего к каналу в его нижней части, не превышает 0.05мм. Это дает основание для утверждения, что глубина проплавления (глубина шва) практически равна глубине пародинамического канала. Бездефектная часть шва меньше глубины канала на величину остающейся в его корне незалитой части.

Рис 1.1 показывает, что толщина слоя жидкого металла на передней стенке канала составляет около 0.05мм, зоны термического влияния — не более 1.5 мм. Это означает, что градиенты температур впереди канала достигают величины = = 60000 к/см.

Сечения каналов, перпендикулярно оси образующих их пучков, остающиеся после быстрого выключения тока пучков показывают, что их передняя часть в пределах ± 90° относительного направления сварки имеет форму, близкую у половине окружности (рис 1.3). Ее в первом приближении можно представить как поверхность , образованную вращением профиля передней стенки канала относительно оси 00, параллельной оси пучка и проходящей через точку максимальной глубины канала. Следовательно, глубина и ширина шва очень близки особенно его передней стенки, связей ее формы с характеристиками пучка представляет задачу первостепенной важности как для теории, так и практики электролучевой сварки.

§ 1.2 Форма, размеры и устойчивость пародинамических каналов в металлах при электроннолучевой сварке.

Экспериментом установлено, что каналы образуются при воздействии на металлы электронных пучков с высокой концентрацией мощности Е = = 104 вт/см2. Механизм возникновения каналов связывают с действием микровзрывов (1.49), возникающих








sitemap
sitemap