ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8955| Title: | «Вдосконалення технології електронно-променевого зварювання металів з високою теплопровідністю» |
| Authors: | Мацепа, Сергій Михайлович Данілов, Максим Васильович |
| Keywords: | Технології електронно-променевого зварювання металів |
| Issue Date: | 2024 |
| Abstract: | Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Вдосконалення технології електронно-променевого зварювання металів з високою теплопровідністю» Виконавець: студент групи мНТ-32 Данілов Максим Васильович. Керівник: старший викладач Мацепа Сергій Михайлович. Кваліфікаційна робота містить 113 сторінок формату А4, 41 рисунок, 8 таблиць, 30 літературних джерел. Кваліфікаційна робота присвячена пошуку рішень для зменшення дефектів зварного шва, що виникають під час електронно-променевого зварювання (ЕПЗ). Для досягнення цієї мети були вивчені основні фактори, які впливають на стабільність глибини проплавлення, а також оптимальні параметри режимів зварювання. Одним із ключових факторів є частота сканування електронного пучка. Актуальність роботи: Електронно-променеве зварювання широко застосовується для виготовлення деталей із металів середньої та великої товщини завдяки можливості отримання швів високої якості. Проблема полягає в значній чутливості процесу до параметрів зварювання, що впливає на стабільність проплавлення та утворення дефектів. Тому дослідження параметрів, що забезпечують зменшення дефектів, є актуальним завданням сучасного машинобудування. Перший розділ аналізує сучасний стан питання формування кореня зварного шва, описує феномен глибокого проплавлення металів, технологічні прийоми для зменшення коливань глибини проплавлення, а також математичне моделювання процесів. Другий розділ присвячений методиці експериментального дослідження процесу ЕПЗ, включаючи оцінку коливань глибини проплавлення та впливу параметрів режимів зварювання. Третій розділ містить результати експериментальних досліджень, включаючи оцінку амплітуди коливань і вплив збурень у пародинамічному каналі. Четвертий розділ виконує аналіз отриманих результатів, визначаючи найкращі параметри режимів для мінімізації дефектів. Розділ з охорони праці розглядає небезпеки, пов’язані з ЕПЗ, і пропонує засоби захисту, серед яких ключовим є використання відеоспостереження. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8955 |
| Appears in Collections: | 131 Прикладна механіка (Обробка металів за спецтехнологіями) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Данілов.pdf Restricted Access | 2.17 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
До захисту допущено:
Завідувач кафедри ТОМВ
____________Георгій КАНАШЕВИЧ
«_____»_____________2024р.
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи магістра
на тему: «Вдосконалення технології електронно-променевого зварювання
металів з високою теплопровідністю»
Виконав: здобувач 2 курсу, групи мНТ-32
Спеціальності 131 – «Прикладна механіка»
Освітня програма – «Обробка металів за
спецтехнологіями»
Данілов Максим Васильович
Керівник: ст.викладач Мацепа Сергій Михайлович
Рецензент: директор ДП «Семпал» м.Черкаси
Якушев Володимир Іванович
Черкаси 2024 р.
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
Освітній рівень магістерський.
Спеціальність 131 «Прикладна механіка».
Освітня програма «Обробка металів за спецтехнологіями»
ЗАТВЕРДЖУЮ:
Завідувач кафедри ТОМВ
Георгій КАНАШЕВИЧ
« » ____________2024р.
ЗАВДАННЯ
на кваліфікаційну роботу магістра
_Данілову Максиму Васильовичу_
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема роботи «Вдосконалення технології електронно-променевого зварювання
металів з високою теплопровідністю».
Керівник роботи Мацепа Сергій Михайлович, ст. викладач
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
Затверджена наказом Черкаського державного технологічного університету від
«16» вересня 2024р. №272/04
2. Термін подання здобувачем роботи 26. 11. 2024 р.
3. Вихідні дані до роботи: Технологія електронно-променевої обробки, Завдання
до розділу охорона праці та безпека в НС
4. Зміст пояснювальної записки: Сучасний стан питання про формування кореня
зварного шва при ЕПЗ; Методи та загальна методика дослідження; Дослідження
коливань глибини проплавлення при ЕПЗ з глибоким проплавленням; Аналіз
результатів дослідження; Вибір оптимальних параметрів режимів зварювання
для зменшення коливань глибини проплавлення; Охорона праці та безпека в НС
5. Перелік графічного матеріал(з точним зазначенням обов’язкових
креслеників, плакатів, презентацій тощо Тема, мета, задачі; Деталізована
схема технологічного процесу та процесу формування кореня зварного шва;
Схема формування зварного шва при проплавленні конічним пучком; Основні
властивості процесу пульсацій глибини проплавлення; Вплив зміни робочої
дистанції та частоти подовжніх коливань електронного пучка на пульсації
глибини проплавлення (х20); Вплив геометрії електронного пучка на відносні
розміри збурень розплаву; Розподіл густини ймовірності утворення збурень
поверхні парогазового каналу; Схема виявлення моментів настання подій
екранування та залежності кількості подій екранування від часу без
зовнішнього впливу; Порівняння методик зменшення трудомісткості пробних
зварювань; Охорона праці та безпека в НС; Загальні висновки
6. Керівники з роботи із зазначенням розділів роботи, що їх стосується
Прізвище, ініціали та посада Підпис, дата
Розділ
консультанта завдання видав завдання прийняв
Розділ 1-5 Мацепа Сергій Михайлович
Розділ 6 Цікановський Володимир Леонідович
7. Дата видачі завдання 16.09.2024 р.
Календарний план
№ Назва етапів дипломного Строк
Примітка
з/п роботи виконання етапів роботи
1 Збір інформації для написання КРМ 16.04. - 01.10.2024
2 Написання І розділу КРМ 02.10.-15.10.2024
3 Написання ІІ розділу КРМ 16.10 – 24.10.2024
4 Написання ІІІ розділу КРМ 25.10 – 2.11.2024
5 Написання розділу з охорони праці 3.11 – 9.11.2024
6 Оформлення пояснювальної записки 10.11 – 25.11.2024
7 Оформлення графічної документації 26.11 – 04.12.2024
8 Захист роботи 17.12.-19.12.2024р.
Здобувач ___________ __Максим ДАНІЛОВ__
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ
Керівник ___________ ___Сергій МАЦЕПА__
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ
4
АНОТАЦІЯ
Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Вдосконалення технології
електронно-променевого зварювання металів з високою теплопровідністю»
Виконавець: студент групи мНТ-32 Данілов Максим Васильович.
Керівник: старший викладач Мацепа Сергій Михайлович.
Кваліфікаційна робота містить 113 сторінок формату А4, 41 рисунок, 8
таблиць, 30 літературних джерел.
Кваліфікаційна робота присвячена пошуку рішень для зменшення
дефектів зварного шва, що виникають під час електронно-променевого
зварювання (ЕПЗ). Для досягнення цієї мети були вивчені основні фактори,
які впливають на стабільність глибини проплавлення, а також оптимальні
параметри режимів зварювання. Одним із ключових факторів є частота
сканування електронного пучка.
Актуальність роботи: Електронно-променеве зварювання широко
застосовується для виготовлення деталей із металів середньої та великої
товщини завдяки можливості отримання швів високої якості. Проблема
полягає в значній чутливості процесу до параметрів зварювання, що впливає
на стабільність проплавлення та утворення дефектів. Тому дослідження
параметрів, що забезпечують зменшення дефектів, є актуальним завданням
сучасного машинобудування.
Перший розділ аналізує сучасний стан питання формування кореня
зварного шва, описує феномен глибокого проплавлення металів, технологічні
прийоми для зменшення коливань глибини проплавлення, а також
математичне моделювання процесів.
Другий розділ присвячений методиці експериментального дослідження
процесу ЕПЗ, включаючи оцінку коливань глибини проплавлення та впливу
параметрів режимів зварювання.
Третій розділ містить результати експериментальних досліджень,
включаючи оцінку амплітуди коливань і вплив збурень у пародинамічному
каналі.
Четвертий розділ виконує аналіз отриманих результатів, визначаючи
найкращі параметри режимів для мінімізації дефектів.
Розділ з охорони праці розглядає небезпеки, пов’язані з ЕПЗ, і пропонує
засоби захисту, серед яких ключовим є використання відеоспостереження.
5
ABSTRACT
Master's Qualification Work Topic: "Improvement of Electron Beam Welding
Technology for Metals with High Thermal Conductivity"
Performer: Student of group mNT-32, Maksym Danilov.
Supervisor: Senior Lecturer Serhiy Matsepa.
The qualification work consists of 113 A4 pages, 41 figures, 8 tables, and 30
references.
This master's qualification work is dedicated to finding solutions to reduce weld
seam defects occurring during electron beam welding (EBW). The study examines
the primary factors affecting the stability of penetration depth and determines the
optimal parameters for welding modes. One of the key factors analyzed is the
scanning frequency of the electron beam.
Relevance of the Work: Electron beam welding is widely applied in the
manufacturing of parts made from medium- and high-thickness metals due to its
ability to produce high-quality seams. However, the process is highly sensitive to
welding parameters, which significantly impacts penetration stability and defect
formation. Hence, investigating parameters that ensure defect reduction is an
important task in modern mechanical engineering.
Structure of the Work:
Chapter One analyzes the current state of research on the formation of the weld
seam root, describing the phenomenon of deep penetration welding, technological
techniques for reducing penetration depth fluctuations, and mathematical modeling
of processes.
Chapter Two is dedicated to the experimental methodology for investigating
EBW processes, including assessing penetration depth fluctuations and the impact
of welding mode parameters.
Chapter Three presents experimental research results, including the evaluation
of fluctuation amplitudes and the effect of disturbances in the parodynamic
channel.
Chapter Four analyzes the obtained results, determining the optimal welding
parameters for defect minimization.
The Occupational Safety Chapter considers the hazards associated with EBW
and proposes protective measures, with video surveillance identified as a key
solution to ensure the required distance from radiation zones.
6
ЗМІСТ
Вступ…………………………………………………………………………8
Розділ 1.Сучасний стан питання про формування кореня зварного шва
при ЕПЗ………………………………..…………………………………………10
1.1.Феномен глибокого проплавлення металів………………………..10
1.2.Технологічні прийоми зварювання для зменшення амплітуди
коливань глибини проплавлення………………………………….21
1.3Математичне моделювання глибокого проплавлення……………..28
Розділ 2.Методи та загальна методика дослідження…………………….34
2.1.Модель формування кореня зварного шва………………………...34
2.2.Методика експериментального дослідження коливань глибини
проплавлення………………………………………………………...37
Розділ 3.Дослідження коливань глибини проплавлення при ЕПЗ з
глибоким проплавленням……………………………………………………….40
3.1.Експериментальне дослідження коливань глибини
проплавлення……………………………………………………….41
3.2.Екранування конічного електронного пучка збуреннями поверхні
пародинамічного каналу…………………………………………...48
Розділ 4.Аналіз результатів дослідження………………………………...67
4.1.Ідентифікація процесів екранування та коливань глибини
проплавлення………………………………………………………...67
4.2.Оцінка амплітуди коливань глибини проплавлення при зварюванні
конічним пучком з врахуванням просторового розподілу
екрануючих утворень………………………………………………..74
Розділ 5.Вибір оптимальних параметрів режимів зварювання для
зменшення коливань глибини проплавлення………………………………….84
5.1.Вибір оптимальних параметрів режимів зварювання для
зменшення коливань глибини проплавлення при зварюванні без
розгортки електронного пучка……………………………………..85
7
5.2.Вибір оптимальної частоти подовжніх коливань електронного
пучка………………………………………………………………….94
Розділ 6.Охорона праці та безпека в НС…………………………………98
Загальні висновки……………………………………………………….109
Список використаних джерел………………………………………….113
8
ВСТУП
Електронно-променеве зварювання, як сучасний напрям технології
з'єднання матеріалів, являється перспективним та широковикористовуваним.
Особливо це стосується однопрохідного зварювання металів середньої та
великої товщини, яке супроводжується феноменом глибокого чи
«кинджального» проплавлення та утворенням «кинджального» шва.
Феномен глибокого проплавлення полягає у тому, що при збільшенні
густини потужності електронного пучка, понад деяке критичне значення,
величина якого визначається властивостями оброблюваного матеріалу,
глибина проплавлювання різко зростає, з утворенням зварювальної ванни та
зварного шва з великим відношенням глибини до поперечних розмірів.
Глибина може сягати значень понад 400 мм, відношення глибини до
поперечних розмірів - 20 - 30. Критичне значення густини потужності для
глибокого проплавлювання металів складає 109 -1010 Вт/м2.
Виявлення феномену глибокого проплавлення супроводжувалося його
детальним теоретичним та експериментальним дослідженням. Висока
температура, значні градієнти температури у зварювальній ванні, та незначні
поперечні розміри каналу, наявність вакууму, пучка електронів,
випромінювання, електронної та іонної емісії, пари металу, значно
ускладнюють експериментальне дослідження процесів утворення та еволюції
каналів, які є необхідними атрибутами глибокого проплавлення та найбільш
суттєвими факторами впливу на продуктивність та якість зварювання.
Загальна методика дослідження полягає в експериментальному вивченні
процесу коливань глибини проплавлення, його ідентифікації та теоретичному
дослідженні шляхом математичного моделювання з наступним порівнянням
експериментальних та теоретичних результатів.
Для ідентифікації процесу коливань глибини проплавлення та
дослідження впливу параметрів режимів електронно-променевого
зварювання на стабільність глибини проплавлення було проведено
9
експериментальні дослідження. Зварювання виконували відомим, див.
наприклад, методом змінної робочої дистанції при дослідженні залежності
коливань глибини проплавлення від заглиблення мінімального перерізу
електронного пучка. Дослідження залежності стабільності шва від частоти
зовнішнього впливу на зварювальну ванну виконували методом подовжніх
коливань електронного пучка.
10
Розділ 1. сучасний стан питання про формування кореня зварного шва
при ЕПЗ
1.1.Феномен глибокого проплавлення металів
Електронно-променеве зварювання, як сучасний напрям технології
з'єднання матеріалів, являється перспективним та широкозастосовним [1,2].
Особливо це стосується однопрохідного зварювання металів середньої та
великої товщини, яке супроводжується феноменом глибокого чи
"кинджального" проплавлення та утворенням "кинджального" шва.
Феномен глибокого проплавлення полягає у тому, що при збільшенні
густини потужності електронного пучка понад деяке критичне значення,
величина якого визначається властивостями оброблюваного матеріалу,
глибина проплавлювання різко зростає з утворенням зварювальної ванни та
зварного шва з великим відношенням глибини до поперечних розмірів [2].
Глибина може сягати значень понад 400 мм, відношення глибини до
поперечних розмірів - 20 - 30. Критичне значення густини потужності для
глибокого проплавлювання металів складає 109 -1010 Вт/м2.
Виявлення феномену глибокого проплавлення супроводжувалося його
детальним теоретичним та експериментальним дослідженням. Висока
температура, значні градієнти температури у зварювальній ванні та незначні
поперечні розміри каналу, наявність вакууму, пучка електронів,
випромінювання, електронної та іонної емісії, пари металу, значно
ускладнюють експериментальне дослідження процесів утворення та еволюції
каналів, які є необхідними атрибутами глибокого проплавлення та найбільш
суттєвими факторами впливу на продуктивність та якість зварювання.
Так описано експерименти [3] з опроміненням пучком потужністю 3-
180Вт з напругою прискорення 6-10 кВ та силою струму пучка 0,5-18 мА
мастила ПЗС-В-1. Відносний рух металу та мішені забезпечувався
переміщенням зварювального стола або електронного пучка. Для реєстрації
процесів використовували швидкісну кінозйомку чи фотоапарат для зйомок
11
через вікно спостереження. Було виявлено, що канал формується з коренем,
радіус якого залишається незмінним при його проростанні. Було також
виявлено, що канали можна класифікувати за двома категоріями: стабільний
та пульсуючий, для останніх характерне утворення бульбашок, що спливають
на поверхню. У випадку відносного руху мішені та пучка спостерігалося
збільшення яскравості передньої стінки каналу та посилення коливань кореня
каналу. Збільшення потужності та питомої потужності пучка негативно
впливає на стабільність каналу. Нестабільність форми стінок каналу
спостерігали на кінограмах знятих з частотою 48 кадрів за секунду. Найменш
стабільні канали спостерігалися при такій силі струму фокусуючої лінзи, яка
відповідає максимальній глибині каналу, а саме коли мінімальний переріз
пучка знаходився в товщі розплаву. Вихід мінімального перерізу пучка за
межі каналу призводило до утворення більш стійкої конфігурації. Подальше
збільшення потужності пучка супроводжувалося руйнацією каналу,
утворенням закритих чи відкритих порожнин, розбризкуванням рідини,
тощо. Використання V-подібних мідних стінок поблизу каналу значною
мірою стабілізувало поведінку каналу. Було виявлено, що стабільність каналу
визначається гідродинамікою рідини, рухомий канал завжди є нестабільним з
пульсуючими стінками та коренем.
Авторами [4,5] за допомогою швидкісної кінозйомки вивчалася дія
електронного пучка в неперервному та імпульсному режимах на вакуумне
мастило. Використовували пучок з питомою потужністю (0.6-2)-1012 Вт/м2з
напругою прискорення 50-100 кВ та силою струму пучка 6 мА. Виявлено, що
тривалість існування каналу на один-два порядки більший за тривалість
імпульсу, час змикання каналу - порядку мілісекунди, тобто тривалості
імпульсу. Швидкість проростання каналу швидко падає від 100 м/с до 10 м/с і
надалі практично не змінюється. За результатами швидкісної кінозйомки
верхньої частини каналу [6] запропоновано модель каналу, що періодично
перекривається дуже тонкою, прозорою для електронів пучка, але
12
непрозорою для теплового випромінювання плівкою. При цьому вважається,
що електронний пучок опромінює саме дно каналу з кутом падіння близьким
до прямого. Але експериментальне дослідження положення пучка в каналі
показало, що осі пучка та каналу не співпадають [7], а перетинаються так, що
найбільш потужна частина електронного пучка падає десь посередині
попередньої стінки каналу.
Автори [8] за результатами зйомок у рентгенівському діапазоні ванни
розплаву в тонких пластинах з алюмінію та корозійностійкої латуні
представили зарисовки, на яких канал був або повністю вільний, або цілком
залитий розплавом. Це сприяло формуванню уявлення про канал, який може
перекриватися частково, або повністю, розплавом, тобто про перекриття
каналу товстим шаром розплавленого металу та про його повне руйнування.
При цьому вважається, що електрони пучка безпосередньо взаємодіють з
металом ванни. Проводиться аналогія еволюції каналу з картиною
періодичного падіння твердих тіл у рідину біля твердої вертикальної стіни з
наступним утворенням каналу, його витягуванням, зменшенням перерізу та
руйнуванням. Близькість частот коливань каналу та пульсацій глибини
проплавлення вважалась підтвердженням таких уявлень. Такі уявлення про
еволюцію каналу стали основою теоретичних досліджень процесів
розплавлювання, випаровування, кінетики утворення каналу, гідродинаміки
розплаву, утворення дефектів і т.і., в яких ототожнювалися закономірності
процесів у нерухомих каналах та каналах, що рухаються відносно
електронного пучка. Вважалося також, що осі каналу та пучка співпадають, з
чого витікало, що переважна частина енергії пучка поглинається на дні ванни
розплаву, а кут падіння електронного променя на метал близький до прямого.
Це призвело зокрема до розробки теоретичної моделі вибухового або
бурхливого закипання. Згідно моделі бурхливого закипання існує
характерний для даного металу час накопичення енергії у шарі під
поверхнею металу шляхом його розплавлення та закипання, а також
13
викидами пари та крапель розплаву у момент, коли фронт плавлення
зустрічається з областю накопичення енергії, локалізованою у товщі
нерозплавленого металу. Вважається, що продукти викидів екранують та
розсіюють пучок протягом часу, необхідного для виходу пари та крапель
розплаву із парогазового каналу, з подальшим відновленням опромінення дна
каналу та періодичним повторенням такого циклу з частотою 0.4 - 1 кГц [9с.
386-401]. Змикання парогазового каналу у верхній його частині також
допускається цією моделлю.
Аналіз енергетичного балансу на стінках каналу та відповідні
експерименти [7] показали, що форма передньої стінки каналу визначається
концентрацією та просторовим розподілом енергії пучка так, що середня
поверхнева густина потоку енергії на даному елементі стінки каналу є
величиною сталою. Так, при зварюванні зі швидкістю 3 мм/с пучком
потужністю 70 кВт та максимальною концентрацією потужності нормально
розподіленого пучка 2∙109Вт/м2 знайдена середня концентрація потужності
на елементі стінки 4∙107Вт/м2, що у двадцять раз менше необхідної критичної
потужності в межах моделі вибухового закипання. Численні
експериментальні дослідження свідчать [10,11], що середня швидкість
плавлення елементів передньої стінки однакова, за винятком випадкових
локальних збурень, так що її форма лишається сталою при незмінних умовах
та режимах зварювання.
Автори [12] повідомляють про результати циклу експериментів з
виявлення причин характерних дефектів формування зварного шва та
розподілу теплоти у процесі ЕПЗ, для чого досліджували як особливості
утворення та поведінки парогазового каналу під дією променевого
висококонцентрованого джерела тепла, так і закономірності гідродинамічних
явищ у зварювальній ванні.
Виявлення усереднених характеристик масопереносу у зварювальній
ванні проводилося методом контрастних маркуючих матеріалів [13] з
14
вивченням поздовжніх шліфів.
Зварювальна ванна та парогазовий канал спостерігалися через пластину
оптичного кварцу, який виступав боковою стінкою ванни розплаву у
проплавлюваному зразку металу. Процеси фіксувалися за допомогою
швидкісної кінозйомки через світлофільтри, що забезпечувало можливість
реєстрації саме яскравої [14] температури поверхні каналу та виділення
більш чи менш нагрітих його ділянок зміною світлофільтрів.
Було виявлено, що область найбільшого виділення енергії знаходиться
на передній стінці та переміщується вверх-вниз по глибині каналу, причому
швидкість заглиблення змінюється не плавно, а з помітними стрибками.
Швидкість підйому завжди більша швидкості опускання і не кожен підйом
області максимального розігріву супроводжується затіканням розплаву у
корінь каналу. Область максимальної світності - максимальної температури
має такий же порядок ширини, що й поперечні розміри каналу, що свідчить
про опромінення у ході ЕПЗ також і бокових стінок каналу.
Швидкість переміщення каналу знаходиться в досить широких межах
для точок на різній глибині та в різні моменти часу, коливання швидкості
нижньої та верхньої частин каналу знаходяться у протифазі, що пояснюється
характером локалізації ділянок з максимальною температурою. Глибина
каналу коливалася в межах 16-25 мм зі змінною частотою біля середнього
значення 35 -60 Гц.
Відзначалося, що зміна швидкості фазових переходів у каналі
призводить до нерегулярної форми каналу, а, отже, і кута падіння
електронного пучка, що, в свою чергу, впливає на густину потоку енергії на
стінках каналу.
Були також зафіксовані випадки локального розігріву елементів задньої
стінки та збільшення зони максимального нагріву з відповідним зменшенням
яскравості свічення поверхні каналу, вірогідною причиною чого автори
вважають розсіювання пучка на частинках пари металу. Відзначаючи, що
15
нерівномірність нагріву призводить до складного руху розплаву, автори
зазначають, що поведінка розплаву також змінює характер розподілу енергії
пучка, в тому числі спричинює відбиття електронів пучка з розігрівом тих
частин каналу, які не могли би бути опромінені без реалізації цього
механізму. Так коливання глибини проплавлення автори пояснюють дією
тільки тієї частини пучка, яка була відбита від поверхні металу.
За результатами експериментів з маркуючими вставками зроблені
висновки про те, що у зварювальній ванні значними напрямками
масопереносу відносно осі пучка слід вважати поперечний на бокових
стінках, подовжній у напрямку осі на передній стінці та подовжній у
напрямку протилежному осі - на задній стінці каналу. Перший напрямок
пояснюється значним тиском пари віддачі на перегрітій передній стінці,
другий - рухом перегрітих з боку електронної гармати хвильових утворень на
передній стінці каналу, останній - виносом потоком пари з глибини каналу
більш масштабних хвильових утворень хвостової частини ванни, де товщина
розплаву найбільша. Зазначається, що це спричинює значний перерозподіл
енергії у ванні розплаву, приводячи до помітного розширення хвостової
частини ванни зі сторони електронної гармати. Автори зазначають також, що
в реальних умовах ЕПЗ перерозподіл енергії пучка відбувається не тільки
вздовж каналу, але й по периметру, що може призвести до витиснення
розплаву перед електронним пучком.
В експерименті зі швидкісною зйомкою входу електронного пучка в
торець масивного зразка в режимі різання металу [15] була виявлена
нерівномірність руху, зупинки та злиття областей максимальної температури.
Швидкість руху ділянок максимального розігріву сягала 5-10 м/с,
частота їх слідування 50-150 Гц.
За результатами експериментів автори [16,17] також повідомляють про
надзвичайну складність утворення та поведінки пародинамічного каналу в
розплаві металу.
16
Реєстрацію вторинно-емісійних заряджених частинок із зони взаємодії
електронного пучка та мішені виконують [2,с.35] за допомогою відкритого
чи закритого колектора та поданням до нього позитивного чи негативного
потенціалу. При дослідженні залежності сили іонного чи електронного
струму від параметрів пучка було встановлено, що при невеликих
потужностях пучка коливання вторинно-емісійного струму мають вузький
спектр, який дедалі розширюється при подальшому збільшенні потужності та
стає практично шумовим при глибині проплавлення, що перевищує 3 см.
Велика кількість досліджень була присвячена вивченню зв'язку емісії із
зони зварювання з силою струму фокусуючої магнітної лінзи, оскільки зміна
сили струму фокусування є досить зручним засобом управління параметрами
пучка. Так в [18,11] було виявлено V-подібну, в [19] W-подібну залежність
сили іонного чи електронного струму від сили струму фокусуючої магнітної
лінзи.
В праці [20] встановлена відсутність прямого зв'язку між характером як
випадкових так і детермінованих складових емісійного струму та якістю
зварювання. За оцінкою [2,с.35-36] найбільш практично вагомим результатом
дослілження вторинного струму є виявлення залежності частоти переходу
через нуль амплітуди змінної компоненти як електронного, так і іонного
струму від рівня фокусування ЕП. З точки зору теорії ЕПЗ ця залежність
примітна тим, що має гідродинамічне пояснення та демонструє значимість
гідродинамічних збурень та імовірнісний характер процесів у зоні
зварювання.
Дослідження процесів при ЕПЗ за спектрами акустичних коливань було
виконане [21] для виявлення зв'язку між характером профілю валика
зварного шва та акустичною емісією із ванни розплаву. Вивчався спектр
акустичних коливань у діапазоні до 1 кГц, що виключало попутну реєстрацію
ультразвукових коливань розтріскування. Сигнал з п'єзоперетворювача з
характерним значенням 0.5 мВ знімався зі зразків алюмінію та
17
конструкційних латуней. Зразки товщиною 2 см піддавали дії ЕП з напругою
прискорення 60 кВ силою струму 40 - 60 мА при відносному русі пучка та
мішені порядку 1 см/с. Сигнал оброблявся спектроаналізатором з робочим
діапазоном 0.2 - 600 кГц з частотною смугою 400 Гц. Отримані дані про
амплітуду акустичної емісії та профіль валика розглядалися як часові ряди,
тобто як дані про ймовірнісний процес, в припущенні їх стаціонарності та
ергодичності. В результаті експерименту було встановлено, що коефіцієнт
кореляції між амплітудою сигналу з акустичного перетворювача та
амплітудою профілю валика шва сягає значення 0.68 з відставанням у часі
профілю валика на 0.25 с, що пояснюється інерційністю гравітаційно-
капілярного хвильового руху розплаву, відповідального за утворення
пластинчатої структури валика. З розгляду результатів спектрального аналізу
виявляється наявність високої потужності спектру на частоті 1 Гц як для
латуні, так і для алюмінію. Максимум при 6 Гц пояснюється коливаннями в
конструкції від роботи апаратури та агрегатів.
Вкажемо на таку деталь - коливання з частотою 6 Гц помітні не тільки в
спектрах акустичного сигналу, але і в спектрах профілю валика як
нерозділені максимуми, що є підтвердженням ідеї [22,23] про суттєвість
впливу зовнішніх механічних коливань на процеси формування зварного шва
при ЕПЗ ГП.
Авторами [23] були проведені експерименти з метою виявлення зв’язку,
між нерівномірностями глибини проплавлювання та сигналу з фотодіоду
підключеного до самописця. В результаті були отримані дані, що свідчать
про узгодження частот, які визначалися візуальним підрахунком відповідних
елементів макрошліфів та обробкою записів самописця.
Експериментальне вивчення струму насичення іонів плазми, що
емітуються із парогазового каналу [24] було покладене в основу дослідження
характерних рис існування пародинамічного каналу. Оскільки сила іонного
струму насичення прямо залежить від концентрації атомів пари чи газу, то
18
реєстрація іонного струму дає можливість вивчати густину та потоки пари в
газодинамічному каналі. В усталеному процесі зварювання алюмінієвого
сплаву Д16 пучком з силою струму 400 мА та прискорюючою напругою 30
кВ зі швидкістю 4 мм/с було отримано канал глибиною 32 мм, причому
концентрація потужності на передній стінці каналу за таких умов не
перевищує 4 107Вт/м2, що значно менше значення, необхідного в межах
гіпотези бурхливого випарювання. Імпульси іонного струму тривалістю 2-8
мс надходять з інтервалами 4-20 мс, амплітуди їх відрізняються в десятки
разів. В межах моделі вибухового закипання імпульси надходять з
інтервалами, що збігаються з часом енергонакопичення, який оцінюється за
таких умов близько 30 мкс, що на три порядки не збігається з даними
експерименту. Найбільш інтенсивний характер випаровування має частоту
близько 100 Гц, що на порядок величини відрізняється від результатів моделі
раптового бурхливого закипання.
Відхилення пучка на розплав хвостової частини зварювальної ванни
приводить до підвищення його температури та збільшення потоку пари, що є
причиною збільшення концентрації іонів та короткочасного збільшення сили
іонного струму в 3-4 рази. Наступне швидке зниження амплітуди сплеску
сили іонного струму пояснюється витисненням розплаву силами реакції
віддачі пари. Одноразове відхилення пучка у напрямі передньої стінки
каналу не викликає помітних змін сили іонного струму. Виконуючи
неперервне сканування передньої стінки каналу з частотою 660 Гц, автори
помітили, що збурення сили іонного струму модульовані частотою
сканування, з чого було зроблено висновок, що згадані сплески виникають
при проходженні пучком одних і тих же ділянок передньої стінки
парогазового каналу.
На підставі аналізу моделі бурхливого закипання та отриманих
експериментальних даних автори [24] прийшли до висновку, що
двадцятикратні розбіжності щодо оцінки концентрації потужності на
19
передній стінці каналу, розбіжності на один-два порядки щодо часу
енергонакопичення однозначно свідчать про логічну неспроможність
використання вказаної моделі.
Мала частота надходження імпульсів сили іонного струму насичення та
просторова локалізація причин їх утворення у відповідних ділянках
передньої стінки каналу свідчать про те, що вирішальна роль належить
нерегулярним та нерівномірно утворюваним збуренням розплаву на передній
стінці парогазового каналу.
Пряме порівняння результатів реєстрації сили іонного струму насичення
при зварюванні алюмінієвого сплаву Д16 товщиною 0.1м пучком з силою
струму 400 мА та прискорюючою напругою 30 кВ у випадку нерухомого,
рухомого та залитого розплавом нерухомого каналу показало, що амплітуди
імпульсів іонного струму в декілька разів, до десяти, різняться у кожному з
розглянутих випадків. Опромінення повністю залитого розплавом каналу
призводить до викидів крапель розплаву із зварювальної ванни.
Отже, в умовах технологічного електронного пучка руйнація
парогазового каналу з повним його заповненням розплавом не є характерною
ознакою існування каналу; закономірності утворення та еволюція каналу
принципово відрізняються у випадках зварювання нерухомим та рухомим
електронним пучком.
Отже, з розгляду опублікованих матеріалів можна зробити висновок, що
при опроміненні металів технологічним електронним пучком утворюються
ванна розплаву з парогазовим каналом. Значущими параметрами
електронного пучка слід вважати потужність пучка, прискрюючий потенціал,
площу та форму мінімального перерізу пучка, положення фокальної
площини, розподіл потужності пучка у фокальній площині. Пучок падає на
поверхню розплаву, через товщу якого й передається теплота у тверду фазу,
та забезпечує плавлення стінок зварювальної ванни. Недостатня для
ефективної передачі енергії теплопровідність розплавленого металу
20
призводить до високих значень температури на поверхні товстого шару
розплаву, інтенсивного випаровування, значних градієнтів теплоти та
теплофізичних коефіцієнтів (що є причиною включення механізмів
конвективного переносу теплоти поряд з кондуктивним), утворення чи
відтворення парогазового каналу, підвищення тиску пари та її витікання з
каналу, підвищення концентрації плазми у зоні зварювання та вакуумній
камері. Форма передньої стінки ванни, крім кореневої її частини,
залишається незмінною. Витиснення розплаву у хвостову частину ванни з
передньої стінки відбувається поперек каналу під дією тиску віддачі пари,
вздовж осі пучка в напрямі кореня шва під дією тиску віддачі пари на крапле-
хвильових чи хвильових утвореннях з боку електронної гармати та у
напрямку від локальних підвищень температури у напрямку її градієнта під
дією термокапілярних сил. У хвостовій частині ванни розплав піднімається в
результаті гравітаційної нестійкості перегрітого металу, зносу паровим
потоком досить масштабних хвильових утворень та дією термокапілярних
сил.
Змінність у часі та просторі положення областей максимального
розігріву металу, та величини як локальної так і середньої температури
змінює концентрацію та тиск пари, характер її витікання з каналу, що
спричиняє змінність величини розсіюваної компоненти електронного пучка.
Руху рідини в тонких плівках взагалі [25-29] властиві різноманітні
хвильові проявлення та нестійкості як лінійного, так і нелінійного характеру.
При ЕПЗ з глибоким проплавленням вказана тенденція посилюється [2 с. 28-
31] із-за наявності порожнини близької за формою до циліндричної, яка є
конфігурацією нестійкою [2 с. 36, 8, 27]. Вказані причини та змінність
локальних потоків енергії, значень температури, тиску та інших величин, що
приводять до змінності потоків речовини, в тому числі розплаву, - стають
причиною складного нестабільного руху рідини. На поверхні парогазового
каналу постійно з'являються хвильові чи крапле-хвильові утворення різного
21
просторового та часового масштабу, які є причиною екранування
електронного пучка та руйнації каналу (затікання, заповнення розплавом) на
деякій глибині. Екранування збуреними ділянками розплаву дії електронного
пучка вважається причиною пульсацій глибини проплавлення.
Низькочастотні коливання усіх фізичних величин вважаються не завжди
безпосередньо, але причинно зв'язаними, найбільш значущими вважаються
інертні властивості розплаву, які й визначають низькочастотний характер
коливань в умовах електронно-променевого зварювання.
1.2. Технологічні прийоми зварювання для зменшення амплітуди
коливань глибини проплавлення
Підвищення якості формування зварних швів досягається вибором
оптимальних параметрів процесу електронно-променевого зварювання для
застосовуваного технологічного прийому. До широко вживаних
технологічних прийомів зварювання металів середньої і великої товщини
відносять [2 с.57-62]: зварювання з повним проплавленням, зварювання з
розгорткою чи нахилом електронного пучка, зварювання з подвійним
променезаломленням, зварювання з введенням механічних коливань [23],
двостороннє зварювання з використанням двох електронних пучків чи
електронного пучка і дугового розряду [30] та інші [2 с.57-62]. Un Іп Іф, vзв.
Для виконання зварювання в умовах вибраного технологічного прийому
вибирають, див. рис. 1.1, прискорюючу напруга Uп, силу струму пучка Іп,
силу струму фокусування Іф та швидкість руху електронного пучка відносно
твердого металу v3B. Результатом технологічного процесу є зварний шов
з'єднаних деталей, показником якості формування якого вважають близькість
глибини h та ширини D до бажаних значень за умови мінімізації деякої
цільової функції F. Далі вважатимемо F числовим показником якості
формування зварного шва відносно коливань глибини проплавлення.
Автор [31] повідомляє про розробку технології електронно-променевого
зварювання корпуса з листової міді МІ товщиною 50 мм. Зварювання
22
проводилося на установці У-570М з прискорюючою напругою 80 кВ, силою
струму пучка 0.5 А та швидкістю зварювання 12 м/год. Фокус заглиблювався
на 25-30 мм в товщу деталей, відстань яких від зрізу електронної гармати
становила 200 мм. Були отримані шви глибиною 55 мм, шириною близько 10
мм з боку входу пучка та 2.5-3 мм в корені.
Були проведені численні експериментальні дослідження процесу
електронно-променевого зварювання в різноманітних просторових
положеннях з повним проплавленням без виведення чи з виведенням кореня
шва у підкладку чи бортик. Найефективнішими виявилися такі технологічні
прийоми, як розгортка електронного пучка, подвійне променезаломлення
електронного пучка чи вібрація оброблюваного зразка. Будемо називати їх
технологічними прийомами з зовнішнім впливом на зварювальну ванну.
Рис. 1.1. Загальна схема технологічного процесу
Експериментальне дослідження впливу частоти та діаметра кругової
розгортки проводилося [22] на зразках з низьколегованої алюмінієвого
сплаву Д16 на установці У-570 з електронною гарматою УЛ-141 та джерелом
живлення У-843 (фіксована величина прискорюючої напруги 60кВ,
потужність до 60кВт). Проплавлення проводилося горизонтальним променем
з швидкістю 10м/год, та силою струму променя / =
п 300мА. Мінімальний
переріз пучка розміщувався в кореневій частині з метою дослідження в
умовах найбільш ймовірного утворення кореневих дефектів. Вибирались
23
частота розгортки – 20, 60, 110, 200, 300, 1000 Гц та діаметр розгортки - 0.6,
1.0, 1.4, 1.8 мм. Якість формування шва оцінювалась за подовжніми
макрошліфами. Для кожної досліджуваної ділянки оцінювалися - просторова
частота кореневих дефектів, амплітуда пульсацій глибини проплавлення,
наявність кореневих дефектів, раковин, чи хоч одного з цих дефектів.
Частота пульсацій глибини проплавлення при частоті розгортки 1000 Гц
зменшується із збільшенням діаметра розгортки. В умовах експерименту
найменші значення всіх регресорів знаходяться в діапазоні частот розгортки
100-200 Гц та діаметра 1-1,2 мм.
Про успішне застосування розгортки траєкторії електронного променя
повідомляють також автори [13,14].
В роботі [15] повідомляють про зварювання оболонкових конструкцій із
сплаву 1201 діаметром 1.4 м товщиною більш 40 мм. Зварювання було
виконано на електронно-променевій зварювальній установці УЛ-179 з
джерелом живлення ЗЛА-60/60 та пристроєм керування пучком СУ-165.
Відзначається, що трудомісткими були вибір та перевірка режимів керування
силою струму пучка та фокусуючої лінзи на ділянках входу та перекриття
кільцевого шва. Найбільш складним названо виконання зварювання на
відносно вузькій ділянці з нескрізним проплавленням. Кращою якістю
визначеного режими з заглибленим фокусом електронного пучка. Перебір
режимів привів до висновку, що уникнути кореневих дефектів на ділянках з
неповним проплавленням можна плавним зменшенням сили струму
фокусуючої лінзи від 705 до 685 мА при силі струму пучка, яка спочатку
збільшується на 10%, а потім плавно зменшується при незмінній силі струму
фокусуючої лінзи.
Електронно-променеве зварювання горизонтальним скануючим пучком
виконували з частотою 1000 Гц, з діаметром розгортки 3-3.5 мм, зі
швидкістю 50 м/год, з прискорюючою напругою 60 кВ, силою струму пучка
450—470 мА та силою струму фокусуючої лінзи 705-710 мА. При вибраних
24
значеннях параметрів технологічного процесу фокальна пляма виявилася
заглибленою на 20-25 мм.
Автори [26] стверджують, що при однопрохідному електронно-
променевому зварюванні металів товщиною понад 40 мм неможливо досягти
паралельності стінок зварного шва без застосування подвійного
променезаломлення. Вони повідомляють також, що досвід застосування
подвійного променезаломлення з розгорткою на двох рівнях приводить до
зниження вимог точності фокусування пучка, стабілізації гідродинамічних
процесів у зварювальній ванні та надає можливість отримання паралельних
стінок зварювальної ванни у режимі скрізного проплавлення. При
електронно-променевому зварюванні титана товщиною до 200 мм з
неповним проплавленням кореневі дефекти вдається усунути розширенням
радіуса закруглення кореня шва. При більш значних товщинах зварюваного
металу доводиться розширювати радіус закруглення кореня шва до 2-4 мм
при ширині шва 5-7 мм та глибині проплавлення 170 мм. При подальшому
збільшенні глибини застосовується зменшення кута нахилу осі каналу до
горизонту до 30—45° при зварюванні вертикальним пучком в нижньому
положенні. Для оцінки параметрів процесу зварювання була використана
модель у формі системи алгебраїчних рівнянь, які зв'язують тиск пари в
порожнині, капілярний тиск та температуру поверхні парогазового каналу.
Автори [7] повідомляють про досвід замикання кільцевих швів при
електронно-променевому зварюванні нержавіючих алюмінієвих сплавів і
титанових сплавів товщиною до 40 мм та низьколегованих алюмінієвих
сплавів товщиною 30-80 мм. Експерименти проводилися на установках типу
ЗЛУ-20, У-570М, ESW-2001/25Н з прискорюючою напругою 60 і 150 кВ в
нижньому положенні та горизонтальним пучком з горизонтальним швом.
Було досліджено значущість форми, частоти та амплітуди коливань
розгортки електронного променя щодо подавлення кореневих дефектів.
Порівнювалась колова, поперечна, подовжня, трикутна та прямокутна форми
25
розгортки. За результатами експериментів зроблено висновок про те, що
найкращою слід вважати колову форму розгортки при зварюванні в
горизонтальному положенні горизонтальним пучком з прискорюючою
напругою 60 і 150 кВ та в нижньому положенні з прискорюючою напругою
60 кВ. Діапазон частот розгортки становив 50-1000 Гц, амплітуди коливань -
0.5-5.0 мм при незмінній силі струму фокусуючої лінзи. Найкращі результати
були отримані при розгортці амплітудою 1-2 мм з частотою 100 Гц. При
зварюванні алюмінієвого сплаву та титанових сплавів товщиною до 40 мм
автори не виявили відмінностей в якості швів у випадках з перенесенням
точки мінімального перерізу та без нього.
Автори [22,23] провели дослідження впливу механічних коливань
алюмінієвого сплаву Д16 та латуні ЛА-77-2 зразків на процес формування
зварного шва. Експерименти виконувались на установці ЗЛА-15/60.
Механічні коливання в частотному діапазоні 4.5-4000 Гц вводилися з
використанням вібраційного стенда з електродинамічним вібратором ВЗДС-
10А. Були прийняті такі параметри процесу: напруга прискорення - 60 кВ,
силаі струму фокусуючої лінзи - 750 мА, відстань від зрізу електронної
гармати до поверхні оброблюваного металу - 165 мм та сила струму пучка
140 і 100 мА, швидкість зварювання - 27.9 і 39 м/год для латуні і
алюмінієвого сплаву відповідно. Зварювання проводилося в нижньому
положенні з нескрізним проварюванням. Випромінювання із зварювальної
ванни реєстрували за допомогою самописця, знімаючи сигнал з фотодіода
ФД 256.
Для кількісної оцінки якості швів для кожної ділянки подовжніх
макрошліфів проводилося вимірювання також максимальної і мінімальної
глибини проплавлення, середнього діаметру кореня шва та обчислення
значення коефіцієнта стабільності шва k=hmax/hmin, де hmax - максимальна
глибина проплавлення, hmin - мінімальна глибина проплавлення.
Результати серії експериментів [23] виявили наявність таких частот
26
вібрації, які зменшують коефіцієнт нерівномірності зварного шва і таких які
призводять до збільшення коефіцієнта, а отже і амплітуди коливань глибини
проплавлення. Вібрація з деякими частотами не мала ніяких помітних
наслідків порівняно із зварюванням без вібрації. У випадках позитивного
ефектуу від введення вібрації було зменшено коефіцієнт нерівномірності шва
на14% та 22% для латуні та алюмінієвого сплаву відповідно.
Автори [28] повідомляють про досвід автоматизації процесу електронно-
променевого зварювання, який подається як єдина електрогідродинамічна
система. В розглядуваній системі джерелом енергії є енергокомплекс,
джерелом нагріву - електронний пучок, приймачем енергії та об’єктом
керування - зварювальна ванна. Основними критеріями оцінки якості
формування зварного шва приймаються його ширина та глибина. Кращими
вважаються вузькі шви з паралельними стінками.
Система автоматизованого керування розрахована на зварювання з
локальною розгорткою електронного променя, або на використання
подвійного променезаломлення. У випадку локальної розгортки
електронного променя зворотній зв'язок забезпечується даними про змінну
компоненту іонного струму з парогазового каналу. Виходячи з
функціонального зв'язку між силою іонного струму і частотою розгортки та з
експериментального характеру цієї залежності була запропонована адаптивна
система автоматизованого керування. Змінюючи частоту розгортки відносно
поточного, вибирають нове значення так, щоб змінний компонент сили
іонного струму досягав мінімуму. В результаті автоматичного зондування
парогазового каналу робочим пучком виконується пошук такої частоти
розгортки, яка забезпечує мінімальну змінюваність сили іонного струму,
тобто максимальну стабільність процесів у зварювальній ванні. Відмічається,
що початкове значення параметрів встановлюється виходячи з фізико-
металургійних властивостей металу. Підтверджується наявність не одного, а
кількох таких значень частоти розгортки в діапазоні 80-250 Гц та 600-900 Гц,
27
які максимально стабілізують процеси у зварювальній ванні.
У випадку використання подвійного променезаломлення постає
проблема вибору оптимального заглиблення точки збіжності пучка. Оскільки
зварювальні ванни з найбільш стійкими гідродинамічними процесами
приводять до більш стійкого формування литої зони та відповідають
мінімуму змінного компоненту сили іонного струму, то ознакою
оптимальності значення точки збіжності пучка було прийнято мінімум
змінної складової іонного струму. Експериментально було виявлено, що
величина оптимального заглиблення не має постійного значення, вона
змінюється в процесі зварювання.
Отже схема технологічного процесу може бути деталізована та подана у
вигляді рис. 1.2. Основними енергетичними параметрами пучка вважають
такі параметри, які визначають як усереднені значення, так і амплітуду
просторових та часових коливань енергетичних потоків у зварювальній
ванні. Безумовно саме основні енергетичні параметри визначають
принципову можливість досягнення запланованих показників якості
зварювання, таких як форма (глибина і ширина) зварного шва, а також
можливість зменшення амплітуди коливань глибини проплавлення. Змінні
компоненти потоків електромагнітної та корпускулярної радіації із
парогазового каналу - емісії, використовуються як характеристики динаміки
парогазового каналу та зварювальної ванни з метою оцінки параметрів
пульсацій глибини проплавлення (діагностики), чи з метою зміни фізичних
умов та параметрів зовнішнього впливу (параметрів технологічних прийомів)
у системах автоматичного керування.
28
Рис. 1.2. Деталізована схема технологічного процесу
1.3 Математичне моделювання глибокого проплавлення
В теорії зварювальних процесів були розроблені численні математичні
моделі глибокого проплавлення металу та утворення пародинамічного
каналу. Виходячи з результатів моделювання пояснювалися отримані в
експериментальних дослідженнях результати та вибиралися напрямки
подальшого наукового пошуку. Побудовані як моделі різних наближень,
описуючи процес чи окремі явища, вони мають самостійне наукове та
практичне значення.
Так статичні моделі базуються [2 с.7] на рівнянні рівноваги елементу
стінки каналу в нерухомому розплаві рі = 0 (1.1)
і
де рі - компоненти тиску на поверхню парогазового каналу.
Вважаючи параметри задачі функціями тільки просторових координат,
вирішують задачу про форму каналу з диференційного рівняння поверхні,
або з системи алгебраїчних рівнянь при заданих геометричних розмірах
каналу. Більш конструктивним вважається використання математичних
29
моделей, в яких рівняння рівноваги (1.1) доповнюється законом збереження
енергії та припущенням про стаціонарність руху в ванні розплаву. Такі елі
можна класифікувати за припущеннями та межами застосовності [2 с. 18-20].
До першого типу відносять ранні моделі [2 с.18] з характерними
припущеннями: електронний пучок - циліндричний, задані параметри
циліндричного чи конічного каналу, ширина шва приймається рівною
діаметру електронного пучка. Результатом моделювання є глибина
проплавлення. В моделях другого типу [2 с.19] враховується розсіювання
електронного пучка, форма каналу приймається осесиметричною з гаусовою
твірною. Доповнені емпіричними залежностями рівняння рівноваги поверхні
каналу та закон збереження енергії приводять до системи алгебраїчних
рівнянь, числове рішення якої задовільно узгоджуються з експериментом
тільки для деяких умов зварювання.
Для третього типу моделей характерне доповнення моделі одного з
перших двох типів співвідношеннями, отриманими методами теорії
подібності та розмірностей [29]. Обмеженість таких моделей полягає у
необхідності експериментального визначення численних коефіцієнтів.
Модель четвертого типу будується на основі закону збереження енергії у
диференційній формі для елементу площі стінки каналу. Припущення про
сталість швидкості переміщення фронту плавлення приводить до
диференційного рівняння, з якого, при заданих параметрах електронного
пучка, властивостях матеріалу та швидкості зварювання, знаходять форму
каналу проплавлення [2 с.20-22]. За цією продуктивною схемою було
проведено аналіз з довільними [2 с.22, 15, 18, 24] межовими умовами та були
виявлені тенденції, властиві реальним процесам зварювання. В [2 с.22, 15]
прийнято, що вісь пучка перетинає поверхню ті газового каналу у
найглибшій точці, а в роботах [4, 5] - на передній стінці зварювальної ванни.
Велика кількість досліджень гідродинамічних та причинно зв'язаних з
ними процесів в умовах електронно-променевого та лазерного зварювання
30
привели до побудови математичних моделей окремих явищ та ефектів,
спостережуваних у зварювальній ванні, див. [2 с.27-31, 9 с.130-151, 5-4] та
цитовану там з цього питання літературу.
Витиснення розплаву дисками радіусом R1, з характерним тиском на
поверхню рідини Р розглянуто в [19 с.17-18]. Показано, що швидкість
витиснення розплаву набуває сталого значення v = 2Р / за характерний час
t=1/t0. Оцінки характерного часу t установлення руху розплаву та швидкості v
при р = 7.5 103 кг/м3, R,=l03м, Р = 105 ÷ 106Па приводять до значень
v=5÷16м/с та t = 200 ÷ 60 мкс - час, на порядок менший часу, необхідного для
проростання каналу зі швидкістю v на глибину 1 см. Цей результат
узгоджується з експериментальними даними, див. напр. [4, 5 ], і є підставою
для прийняття тези про сталість швидкості проростання каналу при
незмінному значенні характерного тиску на поверхню рідини.
Залежність тиску насиченої пари на поверхню розплаву від температури
поверхні пародинамічного каналу приймається у вигляді фенологічних
A
залежностей [19 с.331] lg = − + B +C lgT + DT , де А, В, С, D - емпіричні
T
1 1
коефіцієнти, або, див. [19 с.19], Р = Рехр − , де λ - робота виходу
Т к Т
атома із металу, k - стала Больцмана, Тк – температура кипіння металу, Т-
температура поверхні розплаву, Р* =106Па, або в межах теорії Дебая -
Ейнштейна та в позначеннях [5 с.134] - p=0.5nHkT,
(2m)3 v6
nH (T ) = exp− −1 , де nH насиченої пари, m – маса атома, λ та
3
(kT) 6 kT
v - коефіцієнти.
Для підвищення точності прогнозування залежності тиску в прогазовому
каналі використовується закон Дальтона p =ni pi , де рі - парціальний тиск
і-го компоненту пари сплаву, nі - концентрація і-го компоненту пари сплаву.
На відміну від моделі рухомого лінійного джерела тепла [9 с.105-107,
31
2
10], яка може бути застосована при малих швидкостях зварювання v ,
R1
автори [9 с.236-238] наводять модель циліндричного джерела тепла. яке
рухається з постійною швидкістю у твердому металі за умови відсутності
розплаву. При малих швидкостях висновки моделей лінійного та
циліндричного джерел тепла співпадають. При великих швидкостях
зварювання більш точною є модель рухомого циліндричного джерела. В
межах моделі рухомого циліндричного джерела тепла коефіцієнт корисної дії
джерела не є універсальною величиною та залежить від межових умов та
теплофізичних коефіцієнтів оброблюваного металу.
Основою математичної моделі [22] процесу коливань глибини
проплавлення стало застосування ймовірнісної моделі функціонування
лінійного детектора [12] та рішення задачі про спектр коливань поверхні
розплаву на стінці порожнистого циліндру. Рішення спектральної задачі
знаходиться з рівняння Лапласа в циліндричних координатах - рух розплаву
вважається потенціальним. В задачі враховуються капілярні та не
враховуються гравітаційні сили. З рішення випливає, що порожнистий
циліндр втрачає стійкість відносно лінійних поверхневих збурень, коли
глибина h≥nπR1. Якщо ж частота вібрації ю0 наближається до однієї з
власних частотωп, то амплітуда коливань зростає не повільніше, ніж
2
0 /( 2 2 .
п −0 )
Вважаючи, що за час R2/vзв на поверхні виникає п/2 крапель, знаходять
час, протягом якого, в середньому, виникає одна крапля = 2R2 /(nvзв ) .
Моменти появи крапель вважаються незалежними. З експериментальних
даних та рівності h = hmах(1-ехр(-at)), де hmax - максимальна глибина
проплавлення, а - параметр, який визначає швидкість проростання каналу, t
— час, визначають параметр а.
З розгляду процесу пульсацій глибини проплавлення в межах
математичної моделі лінійного детектора знаходять математичне сподівання
32
mz=vзвh/2aR2 та дисперсію D, =13v 2
К%oh /(48 R2па) зменшення глибини
проплавлення як характеристик випадкового процесу. Розглянута
ймовірнісна модель [22] приводить до висновків про збільшення
нестабільності глибини проплавлення при підвищенні швидкості зварювання
і глибини проплавлення та при зменшенні радіуса зварювальної ванни, ні
швидкості проростання каналу та при збільшенні величини збурень
(зменшенні п). Всі названі величини використовуються як параметри, проте
зрозуміло, що вони є величинами взаємозалежними. Фактично єдиним
незалежним параметром є швидкість зварювання v3B.
Отже ймовірнісна модель дає можливість оцінити амплітуду коливань
глибини проплалвення за умови, що частота вібрації має значення досить
удалене від власних частот порожнистого циліндра ω0 ≠ ωп щоб не призвести
до руйнації внаслідок резонансу, але досить близьке до однієї з стійких
частот для ефективної передачі енергії віброзбудження розплавленому
металу з метою "затягування частоти".
Використання моделі зводиться до вибору частоти вібрації. Для цього
вибирають значення коефіцієнта стабільності к, швидкість зварювання та
усереднену ширину зварного шва. За номограмою, на якій наведено
залежність коефіцієнта стабільності від номера підсилюваної гармоніки та
ряду значень vзв/ R2, знаходять номери стійких мод коливань. За номограмою
залежності власних частот коливань від номера гармоніки визначається
частота вібраційного впливу.
Автори [12-14, 23] наводять модель, яка дозволяє вибрати частоту
кругової розгортки електронного променя. Наводиться також регресійна
модель другого порядку для визначення амплітуди коливань глибини
проплавлення, частоти та ймовірності утворення кореневих та інших
характерних дефектів глибокого проплавлення. Наводиться залежність
інкременту наростання лінійних капілярних хвиль від радіуса каналу,
3
густини та коефіцієнта поверхневого = 2,3 /((2rк ) ) , з якої витікає
33
можливість зменшення швидкості наростання амплітуди коливань при
збільшенні радіуса шляхом застосування розгортки променя. З рівняння
рівноваги поверхні каналу з врахуванням обертового руху розплаву
знаходять частоту розгортки f = 0,2 /( pr3
k ) . Вважається, що частота
розгортки має бути досить близькою до наведеного значення. Якщо частота
значно менша наведеної, то нерівномірність вкладення енергії стане
надмірною. При досить великих частотах розгортки температура
вирівнюється, що може призводити до зменшення швидкості обертового
компоненту руху розплаву. В кожному випадку відхилення від оптимальної
частоти розгортки зменшується стійкість каналу. Повідомляється про роботу
із зразками латуні ЛА-77-2 та алюмінієвого сплаву Д16 12Х2НМД. Вибір
частоти розгортки при глибині проплавлення 15 мм дозволив отримати шов з
амплітудою коливань глибини не більшими за 0,2 мм.
34
РОЗДІЛ 2 МЕТОДИ ТА ЗАГАЛЬНА МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕННЯ
Загальна методика дослідження полягає в експериментальному вивченні
процесу коливань глибини проплавлення, його ідентифікації та теоретичному
дослідженні шляхом математичного моделювання з наступним порівнянням
експериментальних та теоретичних результатів [14-18].
Для ідентифікації процесу коливань глибини проплавлення та
дослідження впливу параметрів режимів електронно-променевого
зварювання на стабільність глибини проплавлення було проведено
експериментальні дослідження. Зварювання виконували відомим, див.
наприклад [9], методом змінної робочої дистанції при дослідженні
залежності коливань глибини проплавлення від заглиблення мінімального
перерізу електронного пучка. Дослідження залежності стабільності шва від
частоти зовнішнього впливу на зварювальну ванну виконували методом
подовжніх коливань електронного пучка.
Процес коливань глибини проплавлення теоретично досліджували як
феномен та як об'єкт математичного моделювання, що дозволило побудувати
загальну схему математичного моделювання нестабільності зварного шва.
Було обґрунтовано застосовність імовірнісного підходу до представлення
процесу коливань глибини проплавлення.
2.1. Модель формування кореня зварного шва
На рис.2.1 наведено схему формування зварного шва при проплавленні
конічним пучком та прийняті позначення. Геометричні маштаби не
витримані для більшої наочності. При опроміненні металу технологічним
електронним пучком утворюється ванна розплаву (1) з парогазовим каналом
(2), див.рис. 2.1 а). Товщина розплаву на передній стінці зварювальної ванни
значно менша, ніж на задній. Електронний пучок (3) має конічну форму з
мінімальним радіусом R0, заглиблення якого – b див. рис. 2.1 б). Електронний
пучок рухається зі швидкістю V3B відносно зварюваного металу. Радіус
електронного пучка позначено як Rп, радіус ідеального пучка на тій же
35
глибині - Rt. Кут сходження пучка ап визначається з співвідношення tg(an) =
R0/l, де l - заглиблення точки сходження ідеального конічного електронного
пучка відносно зображення кросовepa.
а) б)
Рис.2.1. Схеми: а - формування кореня зварного шва; б - електронного
пучка
Електронний пучок опромінює переважно передню стінку та кореневу
частину парогазового каналу. На поверхні парогазового каналу утворюються
хвильові та крапле-хвильові утворення різного просторового та часового
маштабу, які є причиною екранування електронного пучка та затікання
каналу розплавом на деякій глибині. Екранування збуреними ділянками
розплаву дії електронного пучка є причиною нерегулярних коливань глибини
проплавлення в діапазоні від hmin до hmах. Поточна глибина проплавлення
позначена як h.
Основні відомі властивості процесу пульсацій глибини проплавлення
подамо у вигляді таблиці для зручності посилання.
Таблиця 2.1
№ Властивість
1 Характер протікання численних причинно зв'язаних процесів
оцінюється як складний та нерегулярний.
2. Змінність у часі спостережуваних фізичних величин при стабільних
параметрах технологічного процесу має, загалом, випадковий
характер.
36
3. Для вільної поверхні пародинамічного каналу характерні збурення,
зумовлені нестійкістю геометричної форми розплаву, нестійкістю
режимів течії та неоднорідними фізичними умовами в процесі
глибокого проплавлення.
4. Збурення поверхні пародинамічного каналу екранують електронний
промінь.
5. Збурення поверхні пародинамічного каналу можуть призвести до
руйнації каналу (затікання, заповнення розплавом) на деякій глибині.
6. Екранування електронного пучка збуреннями розплаву є основною
причиною пульсацій глибини проплавлення.
7. Області максимального нагріву поверхні парогазового каналу
нерівномірно переміщуються вздовж каналу.
8. Глибина проплавлення, висота профілю валика шва, інтенсивність
акустичної та радіаційної емісії є величинами статистично
залежними.
9. Швидкість проростання каналу швидко виходить на постійне
значення.
Нестабільність зварного шва збільшується при:
10.1 збільшенні глибини проплавлення;
10.2 зменшенні радіуса розгортай електронного пучка;
10.3 зменшенні радіуса електронного пучка;
10.4 заглибленні мінімального перерізу пучка ближче до кореня
10 зварного шва;
10.5 зменшенні кута сходження електронного пучка;
10.6 збільшенні товщини розплаву на передній стінці зварювальної
ванни;
10.7 збільшенні капілярної сталої розплаву;
10.8 збільшенні масштабу крапле-хвильових екрануючих утворень.
11. На одиниці площі передньої стінки зварювальної ванни розсіюється, в
середньому, постійна потужність.
12. Форма передньої стінки зварювальної ванни лишається незмінною на
всій глибині, за винятком білякореневої частини.
13. Збільшення глибини проплавлення призводить до розширення спектру
коливань спостережуваних фізичних величин.
37
14. Наявність та параметри пульсацій глибини проплавлення залежать від
параметрів процесу зварювання та зовнішнього впливу на ванну
розплаву.
15. Використання зовнішнього періодичного впливу на зварювальну
ванну може збільшити, або зменшити амплітуду коливань глибини
проплавлення залежно від параметрів зовнішнього впливу.
2.2. Методика експериментального дослідження коливань глибини
проплавлення
Основними енергетичними параметрами пучка, які визначають характер
дії електронного променя на оброблюваний метал, було прийнято
прискорюючу напругу Uп, силу струму пучка Іп та силу струму фокусуючої
лінзи Іф. Враховувався відомий вплив швидкості зварювання та робочої
дистанції на погонну енергію та густину потужності електронного пучка.
Геометричні параметри - мінімальний радіус Ro, кут сходження γ та
положення мінімального перерізу електронного пучка варіювали силою
струму фокусування Іф, з врахуванням відомого впливу значень інших
параметрів, зокрема прискорюючої напруги та сили струму пучка.
Функціональна залежність геометричних параметрів від прискорюючої
напруги, сили струму пучка та сили струму фокусування вважається
відомою.
Експериментальне дослідження впливу параметрів режимів електронно-
променевого зварювання на стабільність глибини проплавлення проводили
на зварювальній установці з енергокомплексом ЭЛА-15/60. Виконували
зварювання зразків з розмірами 150 х 100 х 30 мм зі алюмінієвого сплаву Д16
та латуні ЛА-77-2. Виконували оцінку впливу заглиблення мінімального
перерізу та частоти подовжніх коливань електронного пучка на формування
зварного шва та на коливання глибини проплавлення.
Вплив заглиблення мінімального перерізу електронного пучка b на
стабільність глибини проплавлення досліджувався схемою з рис. 2.2.
Зразки розміщувалися під кутом до робочого столу так, щоб його
переміщення при зварюванні зменшувало робочу дистанцію. Тим самим
38
заглиблення мінімального перерізу електронного пучка неперервно
збільшувалося при зварюванні від b=0 до b= 18мм .
Режим некрізного проплавлення вибирали за умови якісного
формування зварного шва.
Перед зварюванням зразки знежирювали і збирали на зварювальному
столі. Зварювання виконували при залишковому тиску газів у вакуумній
камері 6,65 мПа.
Рис.2.2. Схема проплавлення із змінною робочою дистанцією
Після зварювання були приготовані подовжні макрошліфи. Для
травлення використовували 10% спиртовий розчин соляної кислоти НС1 для
латуні ЛА-77-2 та 5% водний розчин азотної кислоти HN03 для алюмінієвого
сплаву Д16.
Стабільність глибини проплавлення оцінювалась з вимірювань
подовжніх макрошліфів. Мірою стабільності прийнято коефіцієнт
стабільності k=hmaх / hmin.
Вимірювання проводили за допомогою бінокулярного мікроскопа МБС-
39
9 з предметним столом, який переміщувався за допомогою мікрометричного
гвинта. Ціна поділу шкали мікрометричного гвинта становить 0,1 мм.
Експериментальне дослідження впливу частоти подовжніх коливань на
зварювальну ванну разом з геометричними параметрами проводили на
частотах 60 - 90 Гц з кроком 2.5 - 5 Гц.
Для реалізації коливань пучка у вказаному діапазоні частот була
модифікована схема керування пучком. Частота сканування задавалась
генератором сигналів низькочастотним ГЗ-118, сигнал з якого подавався на
вхід операційного підсилювача схеми відхилення електронного пучка.
Амплітуда відхилення становила 0.3-0.5 мм.
Зварювання виконували зі швидкістю зварювання 11 мм/с, робоча
дистанція становила 350 мм.
Експериментально діаметр каналу проплавлення визначали з
вимірювань його величини на подовжніх макрошліфах, де вони фіксувалися
відключенням прискорюючої напруги для запобігання заварюванню кратера.
Макрошліфи фотографувались фотоапаратом "Зеніт" на фотоплівці Fuji
з чутливістю 200 одиниць.
40
РОЗДІЛ З ДОСЛІДЖЕННЯ КОЛИВАНЬ ГЛИБИНИ ПРОПЛАВЛЕННЯ
ПРИ ЕПЗ З ГЛИБОКИМ ПРОПЛАВЛЕННЯМ
Наводяться результати експериментального дослідження [58] процесу
формування зварного шва, викладено постановку та рішення задач
теоретичного дослідження шляхом математичного моделювання процесу
коливань глибини проплавлення при ЕПЗ з подовжньою розгорткою та без
розгортки електронного пучка [14, 15].
Експериментальне дослідження коливань глибини проплавлення при
зварюванні електронним пучком без зовнішнього впливу проводили методом
змінної робочої дистанції. Результативність зовнішнього впливу
досліджували при подовжній розгортці електронного пучка.
Теоретичне дослідження коливань глибини проплавлення при
зварюванні електронним пучком з зовнішнім впливом та без нього
виконували шляхом математичного моделювання виходячи з виявлених
властивостей процесу, див. табл. 2.1.
Нерегулярність та хаотичність процесів у зварювальній ванні (див.
№№1-3 в табл. 2.1 ) визначили необхідність використання методів теорії
ймовірностей.
Коливання глибини проплавлення зумовлені екрануванням
електронного пучка збуреннями розплаву на поверхні передньої стінки
парогазового каналу (див. №№3-6 в табл. 2.1). Отже частка екранованої
потужності пучка залежить, передусім, від співвідношення розмірів
екрануючих утворень та радіуса електронного пучка. З розгляду цієї задачі
знайдено функціональну залежність відносних розмірів екрануючих утворень
від кута сходження електронного пучка, радіуса та заглиблення мінімального
перерізу пучка у випадку, коли збурення виникають рівномірно вздовж
парогазового каналу.
Збурення поверхні розплаву можуть утворюватись вздовж каналу
проплавлення нерівномірно (див. № № 7,10.8 в табл. 2.1). Тому розподіл
41
збурень по глибині було апроксимовано бета-розподілом з метою
одноманітного моделювання місця їх утворення вздовж каналу
проплавлення, - від рівномірного - до зосередженого переважно на межі
зварного шва. Це привело до задачі про функціональну залежність
екранованого потоку енергії у корінь шва від геометричних параметрів
електронного пучка, зварювальної ванни та просторового розподілу збурень
розплаву вздовж каналу проплавлення з узгодженням з №№ 1-7, 10.1-4 в
табл.2.1.
Зовнішній періодичний вплив на зварювальну ванну може вплинути на
стабільність і позитивно, і негативно (див. №№ 14,15 в табл. 2.1). Тому була
побудована математична модель коливань глибини проплавлення при
зварюванні електронним пучком з зовнішнім впливом.
3.1. Експериментальне дослідження коливань глибини
проплавлення
Для виявлення впливу заглиблення мінімального перерізу електронного
пучка b на стабільність глибини проплавлення досліджували проплавлення
зразків з латуні ЛА-77-2 методом змінної робочої дистанції. Зразки
розміщувалися під кутом а=25° до робочого столу так, щоб його
переміщення при зварюванні зменшувало робочу дистанцію. Тим самим
заглиблення мінімального перерізу електронного пучка неперервно
збільшувалося при зварюванні від b =0 до b =18мм.
Зварювання проводили пучком з прискорюючою напругою U=60кВ,
силою струму пучка Іп=100мА, силою струму фокусування Іф=100 мА,
швидкістю зварювання v3B =11мм/с та робочою дистанцією 350мм. На
рис.3.1 розміщена фотографія характерного макрошліфа кореня зварного шва
латуні ЛА-77-2.
42
Рис.3.1. Проплавлення із змінною робочою дистанцією: а - схема; б -
подовжній макрошліф зварного шва латуні ЛА-77-2
Помітна тенденція до посилення коливань глибини проплавлення при
збільшенні заглиблення електронного пучка. Так положення мінімального
перерізу електронного пучка посередині глибини проплавлення приводить до
пульсацій 2.5-3 мм при середній глибині проплавлення 13 мм. У випадку,
коли мінімальний переріз електронного пучка знаходиться на рівні кореня
зварного шва, пульсації глибини проплавлення зростають до 6-7 мм при
глибині проплавлення 14-15 мм.
Експериментальне дослідження впливу частоти подовжніх коливань та
геометричних параметрів електронного пучка проводили на частотах 60-90
Гц для алюмінієвого сплаву Д16 з кроком 2.5 - 5 Гц та для латуні ЛА-77-2 у
43
тому ж діапазоні з кроком 5 Гц.
Результати експериментального дослідження впливу частоти подовжніх
коливань електронного пучка на пульсації глибини проплавлення для
алюмінієвого сплаву Д16 представлені на рис.3.2. Амплітуда відхилення
становила 0.3-0.5 мм. Зварювання виконували пучком з прискорюючою
напругою U=60 кВ, силою струму пучка Іп=140 мА та швидкістю зварювання
v3B=l1 мм/с. Сила струму фокусуючої лінзи становила Іф=709 мА та робоча
дистанція - 350 мм.
На рис.3.2 а представлена фотографія подовжнього макрошліфа
зварного шва, зварюваного без зовнішнього впливу на зварювальну ванну, з
якої видно, що зварний шов формується з багатомасштабними коливаннями
глибини проплавлення з максимальною амплітудою порядку 3 мм.
Повздовжні коливання впливають на амплітуду і характер пульсацій
глибини проплавлення. Так при частоті сканування f=85 Гц пульсації
глибини проплавлення зменшились до 1.6 мм, а профіль кореня шва став
менш порізаним вузькими піками, більш плавним (див. рис.3.2, б).
При частоті сканування f =82.5 Гц максимальні пульсації глибини
проплавлення становлять 2.5-3 мм при наявності вузьких гострих піків у
корені шва, як це видно з рис.3.2 в. Подовжня розгортка пучка з частотою
f=60Гц приводить до зменшення максимальної амплітуди коливань глибини
проплавлення до 2 мм, але з'являються численні пори та несплавлення в
кореневих піках (див. рис.3.2 г).
Таким чином експериментально встановлена суттєва залежність
коливань глибини проплавлення від частоти подовжніх коливань
електронного пучка. Встановлено, що зміна частоти сканування пучка на
2.5Гц приводить до суттєвих змін формування кореня зварного шва, як це
видно з рис.3.2 б-в.
44
45
Рис.3.2. подовжні макрошліфи зварних швів при зварюванні Ст 5 з
частотою подовжніх коливань електронного пучка f - а - f =0 Гц.; б - f =85
Гц.; в - f =82.5 г- f =60 Гц.
46
На рис.3.3 представлено результати експериментального дослідження
впливу частоти подовжніх коливань електронного пучка на пульсацію
глибини проплавлення для латуні ЛА-77-2.
На рис.3.3 а представлена фотографія подовжнього макрошліфа шва,
зварюваного без зовнішнього впливу на зварювальну ванну, з якої видно, що
зварний шов формується з коливаннями глибини проплавлення з і
максимальною амплітудою порядку 7 мм.
При частоті сканування f =65 Гц пульсації глибини проплавлення
зменшились до 3 мм (див. рис.3.3 б). При частоті сканування f=70 Гц
максимальні пульсації глибини проплавлення становлять 3 мм при наявності
вузьких гострих піків у корені шва, як це видно з рис.3.3 в. подовжня
розгортка пучка з частотою f=60 Гц приводить до коливань глибини
проплавлення 4-4.5 мм при наявності численних пop та несплавлень в
кореневих піках (див. рис.3.3 г).
47
Рис.3.3. подовжні макрошліфи зварних швів при зварюванні латуні ЛА-
77-2 з частотою подовжніх коливань електронного пучка f : а - f =0 Гц.; б - f
=65 Гц.; в - f =70 Гц.; г - f =60 Гц
Отже при зварюванні латуні ЛА-77-2 також виявлена залежність
пульсацій глибини проплавлення від частоти подовжніх коливань
електронного пучка. Зварювання без розгортки пучка приводить до
утворення вузьких глибоких піків проплавлення, а при частоті f =65 Гц
профіль кореня шва стає більш плавним з найменшою амплітудою пульсацій.
При зміні частоти сканування на 5 Гц (f =70 Гц) профіль кореня стає більш
порізаним, з піками проплавлення, вужчими ніж при f =65 Гц, але ширшими,
ніж при f=0 Гц. подовжня розгортка пучка з частотою f =60 Гц призводить до
появлення численних пop та несплавлень в досить вузьких кореневих піках.
48
3.2. Екранування конічного електронного пучка збуреннями
поверхні пародинамічного каналу
3.2.1. Вплив геометрії електронного пучка на відносні її міри збурень
розплаву.
Екранована збуренням розплаву частка її потужності залежить від місця
його утворення, кута сходження та радіуса мінімального перерізу
електронного пучка. На збуренні розплаву екранується найбільша потужність
у випадку його утворення на глибині мінімального перерізу електронного
пучка та менша в інших випадках. Позначимо розмір проекції збурення
розплаву на площину мінімального перерізу пучка через ξ, див. рис.3.4.
Розглянемо залежність відносних розмірів екрануючих утворень ξ геометрії
електронного пучка та глибини проплавлення.
Будемо вважати, що збурення з'являються випадково на довільній
глибині у випадкові моменти часу. У випадку рівномірного розподілу
збурень розплаву вздовж парогазового каналу знайдемо густину ймовірності
розмірів екрануючих утворень відносно поперечних розмірів пучка для
обчислення математичного сподівання відносного розміру екрануючих
елементів на глибині мінімального перерізу пучка та виявлення впливу
параметрів електронного пучка на густину розподілу та усереднений
відносний розмір.
Вважатимемо, що по глибині каналу виникають збурення поверхні
розплаву характерної амплітуди А. З геометричних міркувань, див. рис.3.4,
Al
= (3.1)
l + b − h
де
r - координата точки,
h - абсциса розглядуваної точки,
l - відстань від фокальної площини до площини мінімального перерізу
електронного пучка,
49
b - заглиблення мінімального перерізу пучка в метал,
A - амплітуда збурення поверхні розплаву в напрямі осі r,
R0 - мінімальний радіус конічного пучка,
ξ,- проекція А на вісь r у площині мінімального перерізу електронного
пучка.
Приймемо, що збурення поверхні розплаву розподілені з щільністю
ймовірності H(h). Подамо (3.1) у вигляді
ξ=Аφ(h)=φ1(h) (3.2)
Рис.3.4. Схема екранування електронного пучка
Введемо позначення деяких характерних величин:
ξ1 - проекція збурення, яке виникло на глибині h1, ξ1 = ξ1 (h1),
ξ2 - проекція збурення, яке виникло на глибині h2, ξ2 = φ1 (h2),
ξ3 - проекція збурення, яке виникло на глибині h = b, ξ3 =φ1(b).
R1 - ефективний радіус пучка на глибині h1,
h2 - максимальна глибина проплавлення,
тоді h, як функція ξ, виражається
h=ψ(ξ)=ψ1(ξ)+ψ2(ξ) (3.3)
де
ψі(ξ) - однозначні на дійсній осі функції, які, враховуючи (3.1),
50
виражаються як
Al
b − l + , npu 1 ,3 ,
( ) =
1
0, npu 1 ,3
(3.4)
Al
b + l − , npu 2 ,3
2 ( ) = ,
0, npu 2 ,3
де
Al
1 = ,
l + h1 − b
Al
2 = , (3.5)
l + h2 − b
Al
3 = = A.
l + 0
Тоді густина імовірності випадкової величини £ може бути представлена
[60 с. 501] як
n
g( ) =H (i( )) ' ( ) (3.6)
i
i=1
де
ΨІ' (ξ) похідна і-ї функції за змінною ξ,
Al
' d ( ) − , npu
1 2 1 ,3
I ( ) = = (3.7)
d
0, npu 1 ,3
Al
d ( ) − , npu 2 ,3
'
2 ( )
2
= 2 =
d
0, npu 2 ,3
У випадку рівномірного розподілу збурень за глибиною густина
ймовірності h як випадкової величини на [h;h 2]може бути представлена у
формі
1
H (h) = . (3.8)
h2 − h1
Тоді густину ймовірності (3.6) величини збурень можна, з урахуванням
(3.7-8), представити як
51
Al
Al
− , npu 1 ,3 , npu ,
2 2 2 3
+
0, npu 1 ,3
0, npu 2 ,3
g( ) = (3.9)
h2 − h1
або
cAl
g( ) = , (3.10)
(h2 − h1 )
2
коефіцієнт с приймає значення 1 при ξ, є [ξ1 ;ξ2] або 2 в інших випадках
1, при тіп1 ,2;тах1 ,2
с =
2, при тіп1 ,2;тах1 ,2
або у явній формі,
Al Al Al Al
1, при тіп , ;max ,
l + b l + h2 − b l + b l + h2 − b
с = , (3.11)
Al Al Al Al
2, при min , ;max ,
l + b l + h
2 − b l + b l + h2 − b
Отже (3.9) та (3.10-11) є представленнями густини імовірності величини
проекції збурень поверхні пародинамічного каналу на площину мінімального
перерізу у випадку рівномірного розподілу збурень по глибині. На рис.3.5
показано g(ξ) для R0=1мм h/l=1, R0/l=0.01 та b/h2 = {0,0.5,0.9}.
Рис. 3.5. Густина ймовірності g (ξ) при h2/l=1
При значеннях b/h2=0 та b/h2=1 густина розподілу
одномодова,асиметрична. При інших значеннях Міг густина розподілу
52
двомодова.
Представлені на рис.3.6 графіки демонструють характерну поведінку
g(ξ), та побудовані при і R 0=1мм, h2/ l =0.1, R0/ l =0.001 та тих же, що і на
рис.5.5, значеннях b/h2. Одномодова при b/h2=0 та b/h2=1, густина розподілу
стає двомодовою при b/h2 є]0;1[. Зменшення значення h2/ l приводить до
більш рівномірного розподілу g(ξ), при цьому діапазон значень ξ,
зменшується. Так при h2/ l=1, див. рис.3.5, маємо 0,1R0 ≤ξ≤0.2R0, а при h2/ l
=0.1, див. рис.3.6, вже 0.182 R0 ≤ξ≤0.2R0
Криві приведеної густини ймовірності величини збурень поверхні
пародинамічного каналу gn (ξ) = g(ξ)/gmax (ξ), при деяких значеннях R0/ l,
приведені на рис.3.7. Очевидно, що функції g(ξ) та gп(ξ) співпадають при
конкретних значеннях параметрів з точністю до множника gmax (ξ).
Рис.3.7. Залежність gп(ξ) від параметрів пучка
Криві з номерами 1-7 відповідають значенням 0.001, 0.003, 0.01, 0.03,
0.1, 0.3, 1 відношення R0/ l, значення інших параметрів дорівнюють
R0=1мм,=0.1
53
Рис.3.6. Густина ймовірності g(ξ) при h2/l=0,1
h2/l =0,1 та b=0. Діапазон значень gп(ξ) розширюється зі збільшенням
R0/l від 0,02 максимального значення до 1. При цьому діапазон можливих
значень ξ зростає від [0.188 R 0;0.2 R 0] при R0/l =0.001 до [0;R0] при R0/l=1.
Отже, у випадку малих R</£ густина імовірності випадкової величини ξ
змінюється мало на області визначення gп(ξ), а сама область визначення
сконцентрована в досить обмеженій області зліва від ξ3. Справді, при малих
R0/l форма пучка близька до циліндричної, отже проекції збурень на
площину мінімального перерізу пучка, будуть дуже близькими до амплітуди
збурень А і мало відрізнятимуться між собою. І навпаки, при великих R0/l,
радіус пучка буде швидко змінюватись вздовж каналу проплавлення, отже
збурення одного розміру, в залежності від глибини їх утворення, будуть мати
проекції, які значно відрізняються за величиною.
Позначимо нормовану до максимального значення ξ,=А область
визначення g(ξ) через Δξп = (ξmax – ξміп )/А. На рис.3.8 представлено
залежність Δξп від параметрів пучка. Криві побудовані при R0=1mm, та
значеннях: 1 - h2=10R0, b=0; 2 - h2=10R0, b=h2/2; 3 - h2=Ro, b=h2. Помітно, що
Δξп зменшується зі збільшенням l/R0, зменшенням \b-h2\ та зменшенням h2.
Знайдемо математичне сподівання мξ випадкової величини ξ, за
означенням рівне інтегралу по області визначення g(ξ)
54
т = g( )d. (3.12)
Враховуючи (3.10-11), можна представити (3.12) у вигляді
max(1;2 ) b
m = g( )d + 2 1(h − b) g( )d ,
min(1;2 ) max(1;2 )
1, при х 0
де1(х) = − функція Хефісайда
0, при х0
Тоді математичне сподівання проекції збурень можна визначити як
Al Al
max , ,A
l+ h2 −b l+ h1−b
cAl
m = d =
(h − h )
Al Al 2 1
min ,
l+ h2 −b l+ h1−b
cAl Al Al
Al Al
= ln max , , A − lnmin ,
h − h l + h − b l + h − b
2 1 2 1 l + h2 − b l + h1 − b
Рис.3.8. Залежність приведеного діапазону Δξn від параметрів пучка
Отже усереднене значення тξ проекції збурень розплаву на площину
мінімального перерізу пучка, при рівномірному їх утворенні вздовж осі
парогазового каналу, може бути представлене у вигляді
55
Al Al
max , , A
cAl l + h2 − b l + h1− b
m = ln . (3.1З)
h2 − h1 Al Al
min ,
l + h2 − b l + h1 − b
Математичне сподівання проекції збурень тξ є функцією глибини
проплавлення та геометричних параметрів електронного пучка.
На рис.3.9 представлена характерна крива залежності mξ/Rn від b/h2 де
Rп=R0(l + \h2-b\)/l. Збільшення b/h2 супроводжується зростанням mξ/Rn, і
тенденція зростання посилюється при b>h2/2.
Отже, побудована модель при зроблених допущеннях приводить до
явних оцінок (3.9-11) і (3.13) густини розподілу та математичного сподівання
проекції збурень поверхні розплаву у зварювальній ванні на площину
Рис.3.9. Характерна залежність mξ/Rn від b/h2
мінімального діаметра електронного пучка відповідно. Виявлено, що
геометричні параметри пучка та зварювальної ванни можуть суттєво змінити
характер густини розподілу відносних розмірів екрануючих елементів. У
випадку, коли мінімальний переріз пучка знаходиться у корені зварного шва,
розподіл екрануючих елементів за розмірами стає одномодовим. Діапазон
56
можливих значень проекцій екрануючих елементів ξ зменшується при
наближенні форми електронного пучка до циліндричної. Математичне
сподівання величини проекції екрануючих елементів, нормоване на
ефективну ширину пучка у корені зварювального шва, зростає при
заглибленні мінімального перерізу пучка до h2.
3.2.2. Екранування електронного пучка з врахуванням просторового
розподілу збурень розплаву.
Характер процесів у ванні розплаву при глибокому проплавлені
електронним пучком може помітно змінюватися в залежності від вибраних
параметрів технологічного процесу, геометричних та енергетичних
характеристик пучка та властивостей оброблюваного матеріалу. Важливою є
задача про екранування електронного пучка збуреннями поверхні
парогазового каналу в умовах, коли розподіл по глибині не є рівномірним
(див. №№ 3,6,7 в табл2.1), а належить до деякого класу розподілів [24].
Відомо [11 с122-123], що бета-розподіл з параметрами а=к і β=п-к+1
виникає як густина ймовірності к-і порядкової статистики при п незалежних,
рівномірно розподілених випадкових величинах. В залежності від значень
параметрів а і β, бета-розподіл є унімодальним при а>1 і β>1 з певними
значеннями центральних моментів, або співпадає з рівномірним при а=1 та
β=1. Такі властивості бета-розподілу можуть бути використані при розгляді
задачі про екранування електронного пучка.
Вважатимемо, що збурення поверхні парогазового каналу, які екранують
електронний пучок при його розповсюдженні вглиб каналу, виникають
випадково на глибині від h1 до h2 з розподілом
(−1) ( −1)
Г ( + ) h − h h − h
H (h) = 1 1
1− , (3.14)
Г ( )Г ( ) h2 − h1 h2 − h1
де
Г(х) - гамма-функція,
α - параметр бета-розподілу,
57
β - параметр бета-розподілу.
На рис.3.10 наведено приклади густини імовірності утворення збурень
при вказаних а та р. За допомогою бета-розподілу можна моделювати досить
широкий клас ситуацій. Так а=β відповідає випадку симетричного відносно
(h1+h2)/2 розподілу ймовірності виникнення збурень. При а<β ймовірність
виникнення збурень збільшується на глибинах, ближчих до h2. У випадку а>β
вірогіднішими місцями збурення є глибини, ближчі до h2.
Посилення нерівності підсилює вказану тенденцію.
58
Рис. 3.10. Густина ймовірності Н(h): а) при h1=l, h2=5, β =4 та деяких а;
б) при h1=1, h2=5 для деяких а та β; в) при h1=0, h2= 1, β=1 та деяких а.
Позначимо проекцію екрануючого елемента на площину мінімального
перерізу пучка через ψ(h). Збурення виникають з різною частотою на різних
глибинах, отже проекція ψ є функцією глибини h, і визначається аналогічно
Al
(h) = . (3.1)
l + b − h
Енергія електронного пучка розсіюється на екрануючих утвореннях, що
призводить до зменшення глибини проплавлення. Розсіяна на збуренні
розплаву потужність пучка пропорційна квадрату його розміру. Внаслідок
конічної форми електронного пучка збурення одного і того ж розміру
перекривають не однакову частину пучка коли утворюються на різних
глибинах. Більшу частку перекривають збурення, що розташовані ближче до
площини мінімального перерізу електронного пучка. Якщо окреме збурення
розплаву має проекцію на площину мінімального перерізу пучка ψ(h), то
розсіяна на ньому потужність електронного пучка може бути представлена як
Po = q 2 (h) , де q— питома поверхнева потужність електронного пучка на
e
глибині мінімального перерізу пучка, тобто на глибині мінімального перерізу
пучка. Усереднене значення розсіяної потужності пучка можна виразити
59
через середнє значення квадрату характерного розміру проекції збурень
розплаву mψ(h) на площину мінімального перерізу пучка.
Подамо математичне сподівання величини квадрату проекції
екрануючого елемента на перпендикулярну осі пучка площину на глибині
його мінімального перерізу у вигляді
h2
т (h) =
2 (h)H (h)dh
h1
або
(−1) ( −1)
2 2 h − h h − h
A l Г ( + ) 1
1− 1
h2
h2 − h
1 h2 − h
( ) 1
m h = dh (3.15)
h ( 2
l + b − h ) Г ( )Г ( )
1
Виявилося можливим аналітичне обчислення відповідних інтегралів при
цілих та деяких нецілих а та β. Нижче наведено вирази для математичного
сподівання величини mψ(h) для деяких значень параметру а та β = 1:
а=1 β=1
lA2 (lh2 + 2h 2
m = 2b − 2b )
(l + b)(l + h2 −b)h2
а=2 β=1
mψ(h)=
lA2 ( 2 l + b − h
= 2 l − bl + lh )ln 2
+ (bl + 2h b − 2b2 − h l)
( ) 2 2 2 2
h + l − b h l + b
2 2
а=3 β=1
lA2
m (h) = 6 ((blh 2 2 2 3
( 2 ) 3 2 + 2l b − b l − l h2 − l ) ln(h2 + l − b) +
h + l − b h2
+ (b2l − l 3blh 2
2 − l h2 ) ln(l + b) + 2(l 3 + l 2h − l 2
2 b) ln(l) + l 2h 2 2
2 + b h2 + b l + b3 + lh2
2 / 2 − dlh)
а=4 β=1
60
m (h) =
lA2
= 12 [(l 4 + (h2 − 3b)l 3 + 2b(h − b2 )l 2
2 + b2 (h2 − b)l) ln(l + h2 − b) −
(l + h2 − b)h4
2
− (l 4 + (h2 − b)l 3 + 2b(h 2 2
2 − b )l + b2 (h2 − b)l) ln(l + b) +
+ 4(l 3b + b(h − b)l 2
2 ) ln(l + h2 − b) + (2b − h )l 3
2 + b(4h2 − 2b − h2
2 / 2b)l 2 +
+ (2b3 / 3+ bh2 / 2 + bh3
2 2 / 6 − b2h2 )l − 2b4 / 3+ 2b3h2 / 3
На рис.3.11а приведено графіки mψ(h)при параметрах β=1 та а=1-4.
Показано, що відношення математичного сподівання квадрата проекції
збурення mψ(h) на глибині мінімального перерізу пучка до Rn швидко зростає
при збільшенні заглиблення площини мінімального перерізу пучка. Це
означає, що, при інших незмінних умовах, заглиблення мінімального
перерізу електронного пучка призводить до значного збільшення екранованої
потужності пучка. Так, наприклад, при β=2 та деяких а маємо:
а=1 β=2
lA2
т (h) = 2 (l 2 ) l + b
+ bl ln
− 2b(l − b − h2 )+ lh
2
h2
2 (l + b) l + b − h
2
а=2 β=2
lA2
m (h) = 6 (l(h2 − 2b + 2l) ln(l + h2 − b) + (2l + 2bl − h2l) ln(l + b) −
h3
2
− 4l 2 ln(l) − 2(b2 + lh2 − 2blh2 )
а=3 β=2
lA2
m (h) =12 [(6l 2b − 3b2l + 2bh2l − 2h l 2
2 − 3l 3 ) ln(l + b = h
4 2 ) +
h2
+ (3lb2 − 2bh2l + 3l 3 − 2h l 2
2 + 6l 2b) ln(l + b) + 4l 2 (h − l 2
2 ) ln(l) −
− 2b3 − 3bh2l + 3h l 2 + h2
2 2 / 2 − 6l2b + 2h 2
2b ]
а=4 β=2
61
m (h) =
5 lA2
= [(4l 4 + 3(h2 − 4b)l 3 + 6(2b2 − bh2 )l 2 + (3b2h2 − 4b3 )l) ln(l − b + h2 ) +
9 h5
2
+ (4l 4 + 3(4b − h 3
2 )l + 6(2b2 − bh 2 3
2 )l + (4b − 3bh2 )l) ln(l + b) −
− 4(2l 4 + (3bh − 6b2
2 )l 2 ) ln(l)) − 4l 3h2 + (14bh2 − 20b2 − h2 )l 2
2 +
+ (bh2
2 + h3
2 / 6 − 4b2h2 )l − 2b4 + 2b3h2
На рис.3.11 б подано графіки залежності mψ(h)/Rn від b при h1=0, h2 =
5мм, β=2 та вказаних а. Тенденція до зростання mψ(h)/Rn зі збільшенням b/h2
та зменшенням а зберігається. Помітно, також, що вказана залежність стає
більш складною.
Рис.3.11. Залежність mψ(h)/Rn від b при β=1 а), β=2 б) та: h1=0, h2 =5мм,
1-а=4,2 - а=3,.З - а =2,4 - а=1
62
Рис.3.12 ілюструє залежність mψ(h)/mψ(h2=b) при h1=0, h2=5мм, а=1 β=1
та значеннях l від 2 до 20 см від b/h2. З графіків видно, що тψ(h)/тψ(h2=6)
зростає з ростом l та b/h2.
Рис.3.12. Залежність mψ(h)/ mψ(b = h2) при h=0, h 2=5см, а=1, β=1 та l в
діапазоні 2-20 см
Отже, знайдено функціональні залежності усередненого значення площі
тіні екрануючого утворення в площині мінімального перерізу електронного
пучка πmψ та середньої потужності qπmψ, розсіяної на збуренні розплаву, в
залежності від параметрів електронного пучка, глибини проплавлення,
характерної амплітуди та просторового розподілу збурень вздовж передньої
стінки каналу проплавлення.
3.2.3. Екранування електронного пучка як ймовірнісний процес
Пульсації глибини проплавлення спричинюються екрануванням
електронного пучка збуреннями поверхні розплаву та, можливо, розплавом
після часткової руйнації каналу (див. №№ 1-7, 11-15 в табл.2.1). Розглянемо
процес екранування електронного пучка як випадковий процес, зважаючи на
63
те, що збурення поверхні розплаву утворюються на довільних глибинах у
випадкові моменти часу.
У випадкові моменти часу t1,t2,...,ti відбуваються події збурення поверхні
розплаву внаслідок дії одного з механізмів нестійкості пародинамічного
каналу. Збурення утворюються з великою швидкістю, тому вважається, що
вони утворюються миттєво з максимальною амплітудою. Отже поява і-ої
події означає, що збурення поверхні парогазового каналу призвело до
максимального екранування пучка краплехвильовим утворенням на поверхні
розплаву в момент часу tі Оскільки розмір екрануючих утворень - величина
випадкова, то і розсіяна на них потужність електронного пучка в момент
максимального екранування -Δі, вважається випадковою величиною
розподіленою з щільністю ймовірності f(Δ). Характер f(Δ) визначається
діючими механізмами нестійкості каналу та вірогідністю їх прояву.
З часом кожне краплехвильове утворення на поверхні парогазового
каналу зменшується за розмірами та зникає, як екрануючий елемент,
внаслідок руйнації, затухання чи витиснення із зони опромінення
електронного пучка. Час зменшення амплітуди екрануючого елемента значно
більший часу його утворення. Тому не можна вважати витиснення
екрануючого елемента миттєвим. Вважатимемо, що після утворення
збурення розплаву у і-й події розсіювана на ньому потужність Pі(t)
зменшується від максимального значення Δ, за законом φ(η), де η— час, що
минув від моменту t1 до t. Тобто
i(t − ti ), npu tti
Рi (t) = = i1(t − ti )(t − ti )
0, npu tti
де 1(t-tі) - функція Хевісайда.
Розсіяна в момент часу t на п збуреннях потужність електронного пучка
n
Ре (t) визначається як сума Ре (t) = P (t) .
i
i=1
Застосуємо формалізм моделі дробового шуму [1] та знайдемо
64
характеристики описаного процесу за методикою [22].
Нехай до моменту t відбулося s подій екранування електронного пучка
збуреннями розплаву. Тоді s - випадкова величина, розподілена за законом
Пуассона з параметром λt, де λ — 1/τ - інтенсивність утворення збурень
розплаву, τ — середній інтервал часу між подіями екранування. Тоді до
моменту t можна сподіватись на появу λt подій. Розсіяна на s збуреннях
потужність представимо як суму випадкової кількості випадкових доданків
s
Pe (t) = i()1(t − ti )
i=1
Оскільки пуассонів потік подій на інтервалі (0, t) можна подати як
сукупність рівномірно розподілених на (0, t) точок Ɵі координати кожної з
яких не залежать від координат інших, то останню рівність можна подати у
вигляді
s
Pe (t) =i()1(t −i )
i=1
Розсіяну на окремому збуренні потужність Pі(t) можна представити у
вигляді Pі(t) = Δі(t -Ɵі), а математичне сподівання величини Pt(t) визначиться
як
m
mp = p (t)
i (3.16)
t
центральний момент процесу Рі(t) у вигляді
(D 2
+ m ) ~
Dp = p (t) (3.17)
i t
де
mΔ— математичне сподівання Δ — максимальної потужності
електронного пучка, розсіяної в одному акті екранування,
t
p (t) = (t − x)dx, (3.18)
0
t
D = ( −m )2
f ()d, (3.19)
0
65
t
~
p (t) = ((t − x))2 dx, (3.20)
0
Оскільки інтенсивність утворення збурень розплаву дорівнює А-, то
mp (t) = mp (t), (3.21)
mp = mp , (3.22)
~
Dp (t) = (D + m2
) p (t), (3.23)
2 ~
D p = (D + m ) p . (3.24)
де
p = limp (t),
t→
~ ~
p = limp (t),
t→
В (3.21), (3.23) наведено вирази для обчислення математичного
сподівання та дисперсії екранованої потужності пучка в залежності від часу.
Вирази (3.22), (3.24) описують усталені значення (t→∞) математичного
сподівання та дисперсії екранованої збуреннями розплаву потужності
електронного пучка.
Отже, для обчислення математичного сподівання (3.22) розсіяної на
збуреннях розплаву потужності електронного пучка необхідно визначити
- середню частоту появи подій λ екранування;
- математичне сподівання тд максимальної потужності електронного
пучка, розсіяної в одному акті екранування;
- загальну кількість енергії не переданої у корінь шва фр із-за появи та
еволюції одного збурення розплаву.
Обчислення дисперсії коливань розсіяної збуреннями розплаву
потужності електронного пучка (3.24) потребує також визначення дисперсії
коливань потоку енергії в окремих подіях та, взагалі кажучи, закону ф(η).
66
Значення цих величин в процесі електронно-променевого зварювання
можуть змінюватися в широких межах відповідно характерним особливостям
використовуваного технологічного прийому і способу зварювання. Значення
енергетичних параметрів пучка та фізико-хімічні властивості оброблюваного
матеріалу разом з параметрами зовнішнього впливу у кожному конкретному
процесі зварювання можуть бути використані для визначення λ, тΔ, фр, а,
отже, і математичного сподівання та дисперсії коливань глибини
проплавлення у корені зварного шва.
67
РОЗДІЛ 4 АНАЛІЗ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕННЯ
4.1. Ідентифікація процесів екранування та коливань глибини
проплавлення
Експериментальне дослідження часових характеристик процесу
пульсацій глибини проплавлення проводилося на прикладі проплавлення
алюмінієвого сплаву Д16 та латуні ЛА-77-2.
На рис.4.1 наведена схема виявлення моментів наставання подій
екранування з профілю кореня зварного шва при зварюванні без зовнішнього
впливу. Пунктирні прямі проведені в точках локальних максимумів і
перетинають вісь часу в моменти наставання подій екранування.
Рис. 4.1. Схема виявлення моментів наставання подій екранування
Для виявлення часового розподілу подій екранування електронного
пучка збуреннями розплаву приймалося, що окрема подія екранування
супроводжується зменшенням глибини проплавлення. Тому моменти
наставання подій екранування фіксуються в корені зварного шва як локальні
максимуми коливань глибини проплавлення.
Обробка результатів вимірювання профілів зварних швів привела до
висновку, що кількість подій екранування пропорційна часу. Останнє
характерне для подій, які утворюють так званий "Пуассонів потік подій". На
68
рис. 4.2-4 наведено отримані експериментально залежності кількості подій
від часу при зварюванні алюмінієвого сплаву Д16 та сплаву латуні ЛА-77-2.
Рис. 4.2. Залежність кількості подій екранування від часу при зварюванні
алюмінієвого сплаву Д16 без зовнішнього впливу
Рис. 4.3. Залежність кількості подій екранування від часу при зварюванні
алюмінієвого сплаву Д16. Частота коливань пучка 60 Гц
З метою виявлення часових характеристик саме процесу екранування
були використані результати реєстрації випромінювання із зварювальної
ванни при зварюванні алюмінієвого сплаву Д16 [22]. Виконували зварювання
[22] зразків з розмірами 150x100x30 мм на установці ЗЛА-15 з
прискорюючою напругою 60кВ, силою струму пучка 140 мА, силою струму
69
фокусуючої лінзи 750 мА зі швидкістю зварювання 27.9 м/год на робочій
відстані 165 мм. Випромінювання із зварювальної ванни фіксувалося на
самописці Н3021-4 після зняття сигналу з фотодіода ФД 256. Швидкість
протяжки стрічки самописця було вибрано рівним 50 мм/с, чутливість - 0.01
В/см. Дані зчитували зі стрічки самописця.
Рис. 4.4. Залежність кількості подій екранування від часу при зварюванні
латуні ЛА-77-2 без зовнішнього впливу
На рис.4.5 зображено характерну залежність між кількістю подій п та
часом t, отриману з обробки записів випромінювання при зварюванні
алюмінієвого сплаву Д16. Точками позначено експериментальні дані, пряма
отримана методом найменших квадратів за експериментальними даними.
З рис.4.5 видно, що експериментальні дані [22] також приводять до
лінійної залежності кількості подій від часу. Це означає, що процес
екранування електронного пучка збуреннями розплаву, як і процес коливань
глибини проплавлення утворюють пуассонів потік подій. Останнє
підтверджує спостережувані властивість досліджуваного процесу, див. № 6 в
табл. 2.1.
70
Рис. 4.5. Залежність кількості подій екранування електронного пучка від
часу
Пуассонів потік подій може лежати в основі різноманітних ймовірнісних
процесів. Видається доцільним уточнити характер процесу коливань глибини
проплавлення з метою його ідентифікації як ймовірнісного процесу. Для
цього може бути використана спектральна щільність профілю кореня
зварного шва W [12 с.51, 14 с. 288].
Рис. 4.6. Спектральна щільність профілю кореня зварного шва,
алюмінієвого сплаву Д16, без зовнішнього впливу
На рис.4.6-8 приведено залежність W=W(co) спектральної щільності
профілю кореня зварного шва W від частоти т коливань глибини
71
проплавлення. За результатами вимірювань глибини проплавлення на
макрошліфах було обчислено функціональну залежність W=W((o) та
наведено в двічі логарифмічних координатах. Пунктирна пряма - лінійна
апроксимація, обчислена методом найменших квадратів
Рис. 4.7. Спектральна щільність профілю кореня зварного шва.
Алюмінієвий сплав Д16, частота розгортки f=60 Гц
Рис. 4.8. Спектральна щільність профілю кореня зварного шва.
Алюмінієвий сплав Д16, частота розгортай f =65 Гц
Виявлена експериментально лінійна залежність вказує на те, що
пульсаціям глибини проплавлення властива степенева залежність
спектральної щільності від частоти коливань глибини проплавлення. На
72
рис.4.9-11 приведена вказана степенева залежність, яка відповідає графікам з
рис.4.6-8; пунктирна крива відповідає лінійній апроксимації з рис. 4.6-8.
Рис. 4.9. Спектральна щільність профілю кореня зварного шва.
Алюмінієвий сплав Д16, без зовнішнього впливу
Рис. 4.10. Спектральна щільність профілю кореня зварного шва.
Алюмінієвий сплав Д16, частота розгортки 60 Гц
Виявлена експериментально степенева залежність спектральної
щільності від частоти коливань глибини свідчить, що процес коливань
73
глибини проплавлення є імовірнісним процесом, відомим під назвою
«дробовий шум».
Рис. 4.11. Спектральна щільність профілю кореня зварного шва. Латуні
ЛА-77-2 без коливань пучка
Було обстежено також фотографію повздовжнього макрошліфа [2, с.51 ]
з метою ідентифікації процесу коливань глибини проплавлення як
випадкового процесу.
Для цього було застосовано метод нормованого розмаху [19, с.151] див.
результати на рис.4.12. Відомо [19 с.178], що у випадку дробового процесу
точки мають лежати на прямій. Отже обчислення статистичних властивостей
коливань глибини проплавлення за RS-методикою приводить до висновку
про правомірність застосування моделі дробового шуму [15].
Рис.4.12. Результати RS - аналізу профілю кореня шва. Латуні ЛА-77-2
за даними [2]
На рис.4.13 в двічі логарифмічних координатах представлено залежність
74
спектральної щільності від частоти коливань глибини проплавлення та її
лінійну апроксимацію, обчислену за методом найменших квадратів за тими ж
даними [2]. Задовільна збіжність апроксимуючої прямої та оцінки спектра
потужності процесу на всьому інтервалі, за винятком найнижчих частот,
вказує на фрактальний характер розглядуваного процесу [22 с.51].
Рис.4.13. Спектральна щільність профілю кореня шва сплаву АМг6 [2]
Обчислення статистичних характеристик профілю кореня зварного шва
за двома методиками приводить до висновку про те, що процес коливань
глибини проплавлення є імовірнісним процесом типу дробового шуму.
4.2 Оцінка амплітуди коливань глибини проплавлення при
зварюванні конічним пучком з врахуванням просторового розподілу
екрануючих утворень
Для випадку, коли збурення розплаву поверхні передньої стінки
парогазового каналу амплітуди А розподілені по глибині з густиною
ймовірності H(h) (див. рис.3.1), було визначено математичне сподівання
квадрату проекції амплітуди збурень на площину мінімального перерізу
пучка а тψ у формі (3.15).
Виходячи з ймовірнісного розуміння процесу екранування, можна
вважати, що в середньому, в одному акті екранування збуреннями поверхні
75
розплаву електронний пучок перекривається диском з радіусом т в
площині мінімального перерізу. На рис.4.14 приведені графіки залежності
D1 = m / R0 від b/h2 для вказаних значень а та β для кута сходження γ =
102рад. та ефективної амплітуди збурень А = 0.2R0.
Максимум DІmax=max(D1) відношення D1, приймає найменші значення у
випадку рівномірного розподілу збурень розплаву по глибині каналу.
Величина Dj досягає максимального значення при даних а і β при b/h2 = 0.5 у
випадку рівномірного розподілу та переміщується в кореневу частину каналу
при збільшенні кількості збурень в кореневій частині каналу. Якщо ж
розподіл збурень нерівномірний, то більшим а відповідають більші значення
Dlmax при h/2<b<h. При зменшенні заглиблення мінімального перерізу пучка
до b˂h/2 значення D1 зменшуються швидше при нерівномірному розподілі
збурень по висоті.
Рис.4.14. Залежність D1(b,h2) при деяких а і β
Така поведінка D1 відповідає відомим [2, 63] фактам про те, що
заглиблення мінімального перерізу пучка в оброблюваний метал приводить
до збільшення амплітуди коливань глибини проплавлення (див. № 13 в табл.
2.1) та глибини зварювальної ванни. Причому [2, 63] максимум глибини
проплавлення та її коливань спостерігається при b≈h2.
76
Вказана відмінність поведінки Dlmax пояснюється тим, що в розрахунках
D1 ніяк не враховано залежність самої максимальної глибини проплавлення
h2 від заглиблення мінімального перерізу пучка b. Збільшення D1тах з ростом
параметру розподілу а узгоджується з уявленням про те, що більша кількість
екрануючих утворень на поверхні вузької кореневої частини парогазового
каналу приводить до більших коливань глибини проплавлення [2,с.51].
Отже D1(mψ) як величина, пропорційна відношенню середнього
ефективного радіуса екрануючого елемента до мінімального радіуса
електронного пучка, якісно узгоджується з характером залежності
нерівномірності глибини проплавлення від параметрів а, β та b/h2, але не
узгоджується з відомими фактами щодо положення екстремуму Dlmax.
Розшукаємо таку функцію від тψ, яка би узгоджувалась з відомими
фактами про залежність нерівномірності глибини проплавлення від
параметрів задачі.
Приймемо до уваги, що екранування пучка збуреннями розплаву
відбуваються на різних глибинах, але значущі зміни фронту плавлення мають
місце тільки в кореневій частині каналу [2, 4, 37] (див. № 12 в табл. 2.1).
Знайдемо відношення mw до квадрату ефективного радіуса електронного
пучка RП на глибині h2. Приймемо ефективний радіус електронного пучка RП
на даній глибині рівним радіусу ідеального електронного пучка на тій же
глибині, що допустимо за умови у«1. Тоді з рис.3.4.
RП=Rі2=R0(l+ b-h2)/l.
Величина D2 = m 2
ψ /R П , може бути інтерпретована як усереднена частка
потужності пучка, екранованої в одному акті збурення розплаву. Виходячи з
властивостей процесу (див. № 12 в табл. 2.1) саме така частка потужності
пучка не досягає кореня зварного шва та призводить до локального
зменшення глибини проплавлення.
На рис.4.15 приведено залежність частки екранованої потужності D2 від
b/h2. При всіх b ≤ h2 величина D2 сягає максимального значення D2maх при
77
b/h2=1 незалежно від параметрів розподілу збурень розплаву по висоті. У
випадку, коли збурення виникають переважно у нижній частині парогазового
каналу, тобто при більших а, величина D2maх досягає найбільших значень.
Найменше значення D2maх відповідає рівномірному розподілу збурень по
висоті. Поблизу b/h2= 0.5 D2 приймає приблизно рівні значення для різних
значень параметрів розподілу по висоті. З чого витікає, що при положенні
мінімального перерізу пучка в середній частині глибини проплавлення b≈h2/2
пучок буде екранована одна й та ж частка потужності пучка майже
незалежно від просторового розподілу збурень розплаву. При і b˂h2/2
меншим значенням D2 відповідає нерівномірний розподіл збурень розплаву
по висоті а>β. Це означає, що при розміщенні мінімального перерізу пучка у
верхній частині парогазового каналу b<h2/2 збурення розплаву екранують
меншу частку потужності пучка, якщо вони виникають переважно в
кореневій частині зварювальної ванни.
І
Рис.4.15 Залежність частки еранованої потужності пучка D2(b,h2) в
одному акті збурення при вказаних а, β та y=102 рад
Рис.4.16 ілюструє характерну залежність D2 від кута сходження. Графік
будовано для а =2 та β=2, A=0.2R0 , b=0.3h2 та h2/R0 = 20. Зменшення кута
сходження призводить до росту частки еранованої потужності пучка в
одному акті збурення D2.
78
Рис.4.16 Залежність частки еранованої потужності електронного пучка в
одному акті збурення D2 (b, h2) при а =2 та β =2 від у
Це повністю узгоджується з відомими твердженнями [2, ст.26], згідно
яким зменшення кута сходження приводить до збільшення глибини
проплавлення, а збільшення глибини проплавлення призводить до більших
коливань глибини проплавлення. Отже характер залежності D2 від
геометричних параметрів пучка та максимальної глибини проплавлення
відповідає характеру залежності амплітуди пульсацій глибини проплавлення
від тих же параметрів [2, 13] (див. № 10.1-4 в табл. 2.1).
Але для обчислення D2 має бути задана ефективна амплітуда збурень А,
що не дуже зручно. Доцільним було б використання такої функції, яка би не
залежала від ефективного розміру екрануючих елементів А.
З цією метою та для порівняння з експериментальними даними [2, 13]
введемо коефіцієнт ослаблення екранування електронного пучка К
D2 (b,h )
К = 2 (4.1),
D2 (b = h2 ,h2 )
який характеризує зменшення частки екранованої збуреннями розплаву
потужності пучка відносно максимального значення. Будемо його називати
також приведеним коефіцієнтом екранування.
79
З означення видно, що приведений коефіцієнт екранування К співпадає з
часткою потужності пучка екранованої в одному акті збурення D2,
нормованою на її максимальне значення. Графіки залежності приведеного
коефіцієнта екранування К від b/h2 приведені на рис.4.17 для вказаних
значень а і β для кута сходження пучка у=0,01 рад. та на рис.4.18 при а = β= 1
для вказаних значень кута сходження у для кривих 1-4.
нс.4.17 Залежність приведеного коефіцієнта екранування К від b/h2 для
деяких а та β при у=10-2 рад
Рис.4.18. Залежність приведеного коефіцієнта екранування К від b/h2 для
а = β=1, h2=50мм для значень кута сходження: 1-у=0.01 рад., 2 - у=0.02 рад.,
3 - у =0.03 рад., 4 -у=0.04 рад
Як видно з наведених графіків, приведений коефіцієнт екранування К
80
дає одноманітне нормоване на максимум представлення характеру
залежності частки екранованої потужності електронного пучка від
геометричних параметрів електронного пучка та параметрів процесу
екранування.
Порівняємо експериментальні дані з результатами теоретичного
розгляду питання коливання глибини проплавлення при зварюванні конічним
електронним пучком. На рис 4.19 приведено результати обробки профілю
Рис. 4.19. Результати експериментальних (точки) та теоретичних (лінія)
результатів для латуні ЛА-77-2 при зварюванні із змінною робочою
дистанцією зварного шва в латуні ЛА-77-2, одержаному методом змінної
робочої дистанції (див. рис.3.1). Теоретична крива відповідає значенням
параметрів а=1 і β=3.
На рис.4.20 наведено дані експериментального дослідження [23]
коливань глибини проплавлення латуні ЛА-77-2 пучком з прискорюючою
напругою 55 кВ, силою струму пучка 350 мА та швидкістю зварювання 8.35
мм/с для і=10 значень заглиблення мінімального перерізу
81
Рис.4.20. Залежність амплітуди коливань глибини проплавлення сплаву
АМг6 від заглиблення фокуса b за даними [2,23]: 1-максимальна hmax, 2-
мінімальна hmin глибина проплавлення електронного пучка.
Позначимо амплітуду коливань глибини проплавлення у і-му
експерименті як
h = hi − hi
i max min
де
hі
max - максимальна глибина проплавлення у і-му експерименті,
hі
min - мінімальна глибина проплавлення у і-му експерименті.
Порівняємо обчислене з (4.1) значення приведеного коефіцієнта
екранування К з експериментальними Δhі /Δhmax де Δhmax - максимальна
амплітуда коливань глибина проплавлення при даних енергетичних
параметрах електронного пучка, Δhmax=max(hі).
82
Рис.4.21. Порівняння приведеного коефіцієнта екранування К з
експериментальними даними для титанового сплаву ВТ6
На рис.4.21 представлена залежність коефіцієнта К від b/h2 при а = β = 1
для значень кута сходження у електронного пучка рівних 0.01, 0.03 та 0.05
радіан (криві 1, 2 та 3). Точки - експериментальні дані для титанового сплаву
ВТ6 [2, 23], побудовані як залежність значень Δhі / Δhb=h2 від b/h2. Значення
коефіцієнта К обчислені для експериментальних значень bі h2 при R0 = 0.7 мм
та незмінних значеннях ефективної амплітуди збурень А у всіх
експериментах. При b ≤ h2 тільки одна точка знаходиться поза межами
вказаного діапазону кута сходження. Обчислення значень в технологічно
нецікавій області b > h2 приведені лише для ілюстрації якісної відповідності
обчислених та експериментальних значень.
На рис.4.22 представлена залежність приведеного коефіцієнта
екранування К від b/h2 при а = β=1 для значень кута сходження у
83
Рис.4.22. Порівняння приведеного коефіцієнта екранування К з
експериментальними даними для латуні ЛА-77-2
електронного пучка рівних 0.02, 0.03, 0.04 та 0.05 радіан (криві 1, 2,3 та
4). Точки - експериментальні дані для латуні ЛА-77-2 [2, 23] як залежність
Δhі / Δhb=h2 від b/h2.
Отже, як видно з наведеного аналізу, представлена в третьому розділі
математична модель коливань глибини при проплавленні конічним
електронним пучком без зовнішнього впливу приводить до результатів, які
узгоджуються з експериментальними даними.
84
РОЗДІЛ 5 ВИБІР ОПТИМАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ РЕЖИМІВ
ЗВАРЮВАННЯ ДЛЯ ЗМЕНШЕННЯ КОЛИВАНЬ ГЛИБИНИ
ПРОПЛАВЛЕННЯ
В практиці електронно-променевого зварювання вибір параметрів
режимів зварювання виконують емпірично шляхом підбору таких його
значень, які б забезпечували відповідність технічним вимогам до зварного
з’єднання. Взаємозалежність параметрів ускладнює пошук придатних
режимів, тому відомий функціональний зв'язок між параметрами режиму
зварювання та зварного шва може зменшити трудомісткість вибору
параметрів режимів зварювання.
Далі описано методики вибору оптимальних параметрів зварювання з
використанням моделей екранування електронного пучка при зварюванні без
зовнішнього впливу, описаною в розд. 3.2 та 4.2. Наводиться оцінка
ефективності запропонованих методик.
Розроблені моделі не є замкненими, тому для їх налагодження необхідно
виконати деяку кількість пробних зварювань.
Загальна схема розроблених методик полягає в тому, що:
1. Будуються характеристичні криві зварювальної установки за
експериментальними даними про залежність положення мінімального
перерізу електронного пучка, мінімального радіуса, кута сходження та
максимальної густини струму електронного пучка від сили струму пучка,
сили струму фокусування та прискорюючої напруги (за можливості варіації
останньої).
2. Виконують пробні зварювання для визначення залежності глибини
проплавлення та пульсацій глибини проплавлення від параметрів режимів
зварювання.
3. За даними пробних зварювань налагоджується робоча модель.
4. Робоча модель використовується для вибору оптимальних
параметрів режимів зварювання.
85
5.1 Вибір оптимальних параметрів режимів зварювання для
зменшення коливань глибини проплавлення при зварюванні без
розгортки електронного пучка
Відомо [2], що зменшення кута сходження та збільшення заглиблення
мінімального перерізу електронного пучка приводять до збільшення глибини
проплавлення та зменшення ширини зварного шва при незмінній потужності
пучка. Але при цьому збільшується нерівномірність глибини проплавлення.
Тому актуальним є вибір оптимальних значень кута сходження та
заглиблення мінімального перерізу електронного пучка для отримання
якісного зварного шва заданої глибини з допустимим рівнем її коливань.
5.1.1. Взаємозв'язок параметрів електронного пучка.
Відомо [2], що взаємозв'язок енергетичних та геометричних параметрів
електронного пучка є складним і має визначатись експериментально для
кожної зварювальної установки в її поточному стані [5].
Експериментальні дані про залежність положення мінімального перерізу
електронного пучка, мінімального радіуса, кута сходження та максимальної
густини струму електронного пучка від сили струму пучка та сили струму
фокусування найбільш ефективно можуть бути отримані за допомогою
системи діагностики електронного пучка, розробленої в ІЕЗ ім. ). Є.О.Патона
НАН України [6]. Шляхом інтерполяції таких даних можуть бути побудовані
відповідні функціональні залежності, які будемо називати
характеристичними кривими.
Вибір геометричних та енергетичних параметрів електронного пучка, за
наявності характеристичних кривих зварювальної установки, зводиться до
вибору значень сили струму пучка, сили струму фокусування та, можливо,
прискорюючої напруги при можливих додаткових обмеженнях.
Отже, характеристичні криві дозволяють визначати необхідні значення
сили струму фокусування та сили струму пучка для формування
електронного пучка з заданими параметрами.
86
Розроблена бібліотека процедур WeldLab для САПР Maple V містить
процедури для побудови характеристичних кривих та роботи з ними.
Для вибору параметрів режимів зварювання необхідно виконати
експериментальний пошук придатних значень. Оскільки трудомісткість
такого пошуку значна, то актуальною є задача зменшення трудомісткості
пошуку та пошуку не тільки придатних, але й оптимальних значень
параметрів режимів зварювання.
5.1.2. Особливості емпіричного та напівемпіричного вибору
параметрів режимів зварювання без зовнішнього впливу.
Розроблена методика базується на отриманих у п.3.2 та п.4.2 результатах
теоретичного дослідження, а саме на знайденій функціональній залежності
екранованої частки потужності пучка від геометричних характеристик
електронного пучка, каналу проплавлення та просторового розподілу
екрануючих утворень, див. (3.15) та (4.1).
При використанні знайденого функціонального зв'язку необхідно
виконати мінімальну кількість пробних зварювань тільки для налаштування
моделі та обчислити оптимальні значення за її допомогою. Якщо ж
теоретичні результати не використовувати, то пробні зварювання слід
виконувати для більшої кількості значень параметрів режимів зварювання.
Знайдена функціональна залежність - приведений коефіцієнт
екранування К, повторює функціональну залежність від тих же параметрів
відношення коливань глибини проплавлення до їх максимального значення
Δh/Δhmax. Останнє має місце, коли мінімальний переріз електронного пучка
знаходиться на рівні кореня зварного шва, див. розд.3.1 та [2]. Тому для
обчислення коливань глибини проплавлення Δh за допомогою приведеного
коефіцієнта екранування К треба знати максимальне значення Δhmax при тих
же параметрах пучка, режимах зварювання та при положенні мінімального
перерізу електронного пучка на рівні кореня зварного шва. Значення Δhmax
при заданих кутах сходження можна одержати з одного подовжнього
87
макрошліфа зварного шва виконаного для набору кутів сходження,
використовуючи програмне управління параметрами режимів зварювання.
Приведений коефіцієнт екранування К залежить також від просторового
розподілу екрануючих утворень вздовж передньої стінки каналу
проплавлення, формально - від параметрів розробленої моделі а та β,
безпосереднє визначення яких є дуже складним і тому недоцільним. Для їх
визначення виконують пробне зварювання з переміщенням заглиблення
мінімального перерізу електронного пучка з поверхні деталі в корінь
зварного шва (b = 0 ÷ bmax) методом змінної робочої дистанції (ЗРД) для
електронного пучка однієї заданої геометрії, виготовляють подовжній
макрошліф та вимірюють коливання глибини проплавлення Δh в залежності
від заглиблення мінімального перерізу електронного пучка b. Підбирають
такі значення а та β, щоб приведений коефіцієнт екранування К повторював
експериментально отриману залежність відношення коливань глибини
проплавлення до їх максимального значення Δh/Δhmax .
Отже для налагодження моделі необхідно виконати тільки два пробних
зварювання і виготовити та обстежити подовжні макрошліфи отриманих
зварних швів. За налагодженою моделлю можуть бути визначені коливання
глибини проплавлення для інших геометричних конфігурацій електронного
пучка.
За відсутності моделі необхідно виконати пробне зварювання для кожної
геометричної конфігурації електронного пучка, виготовити та обстежити
подовжній макрошліф кожного отриманого зварного шва.
Розроблена напівемпірична методика має переваги перед традиційною -
емпіричною, бо потребує меншої кількості подовжніх макрошліфів,
виготовлення та обробка яких є дуже трудомісткими операціями. В обох
методиках використовується експрес-метод (ЕМ) визначення глибини
проплавлення. При застосуванні експрес-методу, див. рис. 5.1, виконують
зварювання зразків змінної товщини при незмінних положенні L та
88
заглибленні b мінімального перерізу пучка з метою визначення глибини
проплавлення. Трудомісткість експрес-методу значно менша трудомісткості
виготовлення та обстеження подовжніх макрошліфів.
Рис. 5.1. Схема експрес-методу.
Нижче наводиться детальний опис та порівняння розробленої методики
М1 вибору оптимальних параметрів режимів при зварюванні без зовнішнього
впиву з емпіричною методикою MT1.
5.1.3. Методика М1 вибору оптимальних параметрів режимів
зварювання без зовнішнього впливу.
І Технічні умови.
1.1. З технічного завдання та креслення зварного виробу визначити
значення заданої глибини проплавлення Нз, максимально допустиме
значення коливань глибини проплавлення ΔhД та інші вимоги до зварного
з’єднання.
1.2. Вибрати діапазон аПтіп +аПтах значень кута сходження пучка аП,
наприклад 103 ÷ 5·102 рад [2].
1.3. Вибрати крок ΔаП варіації кута сходження пучка аП. В діапазоні
10-3÷5 · 10-2 рад крок ΔаП доцільно вибрати з діапазону 0,001+0,01 рад.
1.4. Визначити кількість та значення кутів сходження для виконання
пробних зварювань. Кількість N = (aПmax -аПтіп)/Δап, значення –
aП1= ΔaП, aП2=2Δ aП,…, aПN=NΔaП.
1.5. Визначити зазор між кромками зварюваних поверхонь δ. При
товщині зварюваних деталей до 20÷30 мм зазор δ має становити 0,1÷0,2 мм
89
та δ =0,3 мм при товщині понад 30 мм [2].
1.6. Побудувати характеристичні криві зварювальної установки.
ІІ. Початкові встановлення.
II. 1. Встановити максимальний кут сходження аП = аПN = NΔaП.
ІІ.2. Встановити радіус мінімального перерізу електронного пучка. При
першому встановленні доцільно прийнятиR0 =0.75·δ.
ІІ.З. Вибрати швидкість зварювання. При першому встановленні для
зварювання латуні ЛА-77-2 товщиною 20÷60мм доцільно прийняти v3B
≈8мм/с.
ІІ.4. Встановити заглиблення мінімального перерізу пучка на глибині
b=0.6-Н3.
П.5. Встановити максимальну прискорюючу напругу Un, якщо її
значення регулюється. Підбір сили струму та заглиблення мінімального
перерізу пучка.
III. 1. Підібрати силу струму пучка ІПN так, щоб глибини
проплавлення була не меншою від заданої h>H3.
ІІІ.2. Зафіксувати густину струму j0 та потужність пучка Р0. Всі подальші
обчислення та зварювання виконувати для густини струму j = j0, a якщо
прискорююча напруга регулюється, то й потужності пучка Р = Р0.
Ш.З. Для кожного кута сходження аПі визначити за характеристичними
кривими значення сили струму пучка ІПі, сили струму фокусування Іфі,
напруги прискорення Uni та положення мінімального перерізу електронного
пучка Lі.
III.4. Для кожного кута сходження аПі підібрати таке заглиблення bітах
мінімального перерізу електронного пучка, щоб мінімальний переріз
знаходився в корені зварного шва bimax = h.
Визначення залежності глибини проплавлення та її коливань від
параметрів режимів зварювання.
IV. 1. Для кожного кута сходження аПі визначити залежність глибини
90
проплавлення від заглиблення мінімального перерізу пучка b. Заглиблення
кальної плями вибирають в діапазоні від b = 0 до b = 0.5Н3 з кроком 0,1Н3.
IV.2. Визначити залежності глибини та коливань глибини проплавлення
від заглиблення мінімального перерізу пучка при одному значенні кута
сходження, позначимо його аПт. Залежності визначаються з подовжнього
мікрошліфа зварного шва, виконаного методом змінної робочої дистанції при
заглибленні мінімального перерізу пучка b = 0 - bітах.
IV.3. Визначаються коливання глибини проплавлення Ah(bimeDi) для всіх
значень кута сходження аПі (крім аПт ) при положенні мінімального перерізу
електронного пучка в корені зварного шва. Коливання глибини проплавлення
значити з вимірювань подовжнього макрошліфа зварного шва.
V. Вибір режиму.
V.1. За допомогою розробленої бібліотеки WeldLab обробити дані
пробних зварювань та налагодити робочу модель (назвемо її РМ1).
V.2. За робочою моделлю РМ] знайти значення кута сходження та
заглиблення мінімального перерізу електронного пучка при яких глибина
проплавлення дорівнює заданій, а коливання глибини проплавлення не
перевищують допустимих. За характеристичними кривими обчислити
параметри режиму зварювання - значення сили струму пучка, сили струму
фокусування, прискорюючої напруги та робочої відстані.
V.3. Якщо таких значень не знайдено - перейти до п. II. 1 для варіації
початкових встановлень.
V.4. Виконати контрольне зварювання на обчислених режимах.
V.5. Якщо в результаті контрольного зварювання утворюється зварне
з’єднання, що не відповідає технічним умовам, то перейти до п. II. 1 для
варіації початкових встановлень, або перейти до використання додаткових
факторів зниження нестабільності глибини проплавлення.
V.6.3 подовжнього макрошліфа зварного шва, отриманого в
контрольному зварюванні, вибрати зварний шов найкращої якості і за
91
значеннями кута сходження та заглиблення мінімального перерізу
електронного пучка, при він був отриманий за характеристичними кривими
обчислити параметри режиму зварювання - значення сили струму пучка,
сили струму фокусування, прискорюючої напруги та робочої відстані.
V.7. Параметри зварювання, визначені в n.V.6 вважати оптимальними.
Отже методика Мі визначення оптимальних параметрів режиму
зварювання за допомогою побудованих моделей є напівемпіричною і
потребує обстеження трьох (разом з контрольним) подовжніх макрошліфів,
N+1 ітераційне застосування експрес-методу та 6N не ітераційних
застосувань експрес-методу.
В той же час пошук значень параметрів режиму зварювання без
використання розроблених моделей потребує виконання N+1 зварювань та
обстежень подовжніх макрошліфів (разом з контрольним) та N+1 ітераційних
застосувань експрес-методу.
5.1.4. Емпірична методика визначення придатних параметрів
режимів зварювання.
Методика МТ1 визначення придатних параметрів режимів зварювання, в
якій не використовуються результати математичного моделювання,
відрізняється від розробленої методики М1 визначення оптимальних
параметрів тільки у пунктах IV-V.
І. Технічні умови. Не відрізняються від п.І. методики М1
ІІ. Початкові встановлення. Не відрізняються від п.П. методики М1.
ІІІ. Підбір сили струму та заглиблення мінімального перерізу пучка. Не
відрізняються від п.Ш. методики М1.
ІV. Експериментальне дослідження залежності глибини проплавлення та
коливань.
IV. 1. Виконати зварювання методом змінної робочої дистанції при
заглибленні мінімального перерізу пучка b = 0- b іmax для кожного значення
кута сходження аПі.
92
Визначити залежність глибини проплавлення та коливань глибини
проплавлення від заглиблення мінімального перерізу електронного пучка.
Кількість подовжніх макрошліфів дорівнює кількості досліджуваних
кутів сходження (N).
Результат - залежність глибини проплавлення та коливань глибини
проплавлення від заглиблення мінімального перерізу пучка при кожному
значенні кута сходження аПі.
V. Вибір режимів.
V. 1. За результатами п. IV. 1 вибрати придатні значення кута сходження
та заглиблення мінімального перерізу електронного пучка.
Якщо дані не містять потрібних значень кута сходження та заглиблення
мінімального перерізу пучка, то перейти до п. ІІ. Початкові встановлення
для варіації початкових встановлень та продовження пошуку, інакше -
виконати контрольне зварювання для знайдених значень кута сходження та
заглиблення мінімального перерізу електронного пучка.
V.2. Якщо в результаті контрольного зварювання було отримано зварне
з'єднання, що не задовольняє технічним вимогам, то перейти до п. ІІ.
Початкові встановлення для варіації початкових встановлень та
продовження пошуку, інакше – результат отримано.
Результат - значення кута сходження, заглиблення мінімального
перерізу електронного пучка, сили струму пучка, швидкості зварювання та
мінімального радіуса електронного пучка при яких глибина проплавлення
h=Н3 та Δh≤ΔhД.
5.1.5. Порівняння методик М1 та MT1
В табл. 5.1 порівнюються писані методики відносно кількості пробних
зварювань та виконання обстежень зварних швів.
Головною перевагою методики Мі є мінімальна кількість подовжніх
макрошліфів - 3 разом з контрольним. При пошуку в діапазоні кутів
сходження 0,001÷0,01 рад з кроком варіації 0,002рад за методикою МТ2
93
необхідно вже N=5 подовжніх макрошліфів та один контрольний, тобто 6, що
вдвічі більше, ніж за методикою М1.
Для порівняння трудомісткості застосування методик було обчислено
відношення величини v = (кількість приведених операцій в МТ1 )/( кількість
приведених операцій в М1). Тоді, як це видно з табл.5.1, можна записати
v= (N + l+aimep (N + l))/(3 + aimep (N + l)+aH6N), де aimep~ 0,01, 6ан~аітер.
деякі значення аітер та анбули прийняті, виходячи з оцінки
трудомісткості виготовлений та обстеження подовжнього макрошліфа,
ітераційного та не ітераційного застосування експрес-методу. Ітераційне
застосування експрес методу потребує кількох зварювань, а не ітераційне -
тільки одного. Виготовлення та обробка подовжнього макрошліфа зварного
шва потребує часу, якого достатньо для десятків застосувань експрес-методу.
Рис.5.2. Зменшення трудомісткості пробних зварювань при використанні
методики М1 в порівнянні МТ1
Таблиця 5.1
Зміст Метод Кількість Кількість
в М1. в МТ1.
І. Технічні умови.
ІІ. Початкові встановлення.
ІІІ. Підбір сили струму та заглиблення
мінімального перерізу пучка.
Підбір ІПN Ітерації. ЕМ. 1 1
Підбір bimax = h1 Ітерації. ЕМ. N N
94
ІV.Визначення залежності глибини
проплавлення та її коливань.
Визначити bіj = 0,1 • j · Н3, j = 0,1... 5
ЕМ. 6N
для всіх аПі
Визначити h(b), Δh(b) при b = 0-bimax ЗРД.
1
для кута сходження аПт Макрошліф.
Визначити Δhі, при b = bjmax, і≠т Макрошліф. 1
Визначити h(b), Ah(b) при b = 0 – bітах ЗРД.
N
для кожного кута сходження аПі Макрошліфи.
V. Вибір режимів.
WeldLab для
Обчислити аП та b.
Maple V
Контрольне зварювання для при
Макрошліф. 1 1
обчислених аП та b.
Перейти до п. II або прийняти
параметри режимів як результат.
Ітераційний підбір ЕМ N+1 N+1
Всього Неітераційний підбір ЕМ 6N 0
Макрошліфи ЗРД 3 N
З рис.5.2 видно, що при використанні запропонованої методики М1
трудомісткість пробних зварювань зменшується, у порівнянні з МТ1 v = 2÷14
разів при виборі кроку кута сходження від 0,01 до 0,001 рад.
Отже методика Мі вибору оптимальних параметрів режимів при
зварюванні без зовнішнього впливу має помітні переваги перед емпіричним
пошуком придатних параметрів режимів зварювання.
5.2 Вибір оптимальної частоти подовжніх коливань електронного
пучка
Вибір оптимальних значень геометричних та енергетичних параметрів
електронного пучка може не забезпечити необхідної стабільності глибини
проплавлення. Відомим фактором зменшення коливань глибини
проплавлення є розгортка електронного пучка. Тому актуальним є вибір
оптимальних параметрів розгортки електронного пучка для отримання
якісного зварного шва заданої глибини з допустимим рівнем її коливань.
95
Амплітуда розгортки вибирається в діапазоні 0,5÷1,5 від значення
мінімального перерізу R0 електронного пучка. Використовуються частоти
розгортки в діапазоні 101 ÷ 103Гц при різноманітних траєкторіях розгортки
[2]. В цьому дослідженні виконували подовжню розгортку електронного
пучка.
Оскільки крок варіації частоти значно менший за діапазон
використовуваних частот, то кількість пробних зварювань при суто
емпіричному пошуку придатних частот розгортки може бути досить
великим. Так, в даному дослідженні визначено, що при зварюванні
алюмінієвого сплаву Д16 з проплавленням до 20 мм зміна частоти
подовжньої розгортки на 2,5 Гц в діапазоні 60-90 Гц може суттєво змінити
стабільність глибини проплавлення. Результат впливу розгортки оцінюється з
подовжніх макрошліфів зварних швів, виготовлення та обробка яких є дуже
трудомісткими. Тому актуальною є задача зменшення кількості пробних
зварювань для пошуку оптимальної частоти розгортки електронного пучка.
Методика М.2 вибору оптимальних параметрів режимів зварювання.
І. Початкові встановлення.
1.1. Виконати пошук оптимальних параметрів за методикою М1.
1.2. Вибрати радіус розгортки електронного пучка. При першому
встановленні прийняти Rscan = R0.
1.3. Оцінити діапазон частот Δfм, в яких знаходиться оптимальна частота.
1.4. Вибрати частоти пробних зварювань: fx = fmin, f2 = fmin + 0.3 · ΔfM,
f3 = fmin+0,6·ΔfМ,…, f6 = fmin + 1,5 · ΔfM,
I. Підбір заглиблення мінімального перерізу пучка.
II. 1. Підібрати заглиблення мінімального перерізу пучка b1,b2,...,b6 такі,
щоб глибина проплавлення дорівнювала заданій h = H3 при частотах,
відповідно, f1 , f2,..., f6.
ІІ.2. Визначити за характеристичними кривими силу струму пучка ІПі,
силу струму фокусування ІФі, напругу прискорення UПі та положення
96
мінімального перерізу електронного пучка Lt для кожної частоти fi.
ІII. Визначення залежності коливань глибини проплавлення від
частоти розгортки.
ІІІ. 1. Виконати пробні зварювання з частотами розгортки f1 , f2,..., f6. при
заглибленні мінімального перерізу пучка відповідно b1,b2,...,b6.
ІІІ.2. Визначити з подовжніх макрошліфів зварних швів амплітуду
коливань глибини проплавлення при кожній частоті розгортки.
ІV. Вибір режиму.
IV. 1. За допомогою бібліотеки WeldLab обробити дані пробних
зварювань та налагодити робочу модель, назвемо її РМ2.
IV.2. За робочою моделлю визначити оптимальну частоту розгортки
електронного пучка та очікувані коливання глибини проплавлення.
IV.3. Виконати контрольне зварювання при оптимальній частоті.
IV.4. Якщо в результаті контрольного зварювання утворюється зварне
з’єднання, що не відповідає технічним вимогам, то перейти до п. І для
варіації початкових встановлень.
IV. 5. Прийняти значення частоти та радіуса розгортки, сили струму
лучка, сили струму фокусування, прискорюючої напруги та робочої відстані
як оптимальні.
Для порівняння трудомісткості застосування методик було обчислено
відношення v = (N +1 + aimepN)/(7 + 6аітер ), де аітер - 0,01.
97
Рис. 5.3. Зменшення трудомісткості пробних зварювань при використанні
методики М2 в порівнянні з МТ2.
З рис.5.3 видно, що при використанні запропонованої методики М2
трудомісткість пробних зварювань зменшується, у порівнянні з МТ2,
приблизно у v> = 2÷5 разів при виборі кроку варіації частоти 1÷ЗГц на
інтервалі 40 Гц. Так трудомісткість виконання пробних зварювань для
алюмінієвого сплаву Д16 в наведених вище умовах за методикою М2
принаймні у 2,25 разів менша, ніж за методикою МТ2 при пошуку
оптимальної частоти з кроком Δf=2,5Гц, штрих-пунктир на рис.5.3.
Трудомісткість виконання пробних зварювань за методикою М2 в тих же
умовах з кроком варіації частоти Δf=1,6Гц менша 3,5 рази порівняно з
використанням МТ2. Крім того методика М2 приводить до визначення
оптимальної частоти, а не тільки найкращої з перевірених як МТ2.
98
Розділ 6. Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях
6.1. Загальні вимоги
Всі дії оператора, який виконує електронно-променеве зварювання,
полягають у наступному:
1) закріпити заготовку на робочому столі;
2) увімкнути блок керування ;
3) задати відповідну програму для обробки;
4) по закінченню обробки зняти отриману деталь, та закріпити наступну
заготовку.
Вимоги до приміщень. Електронно-променеве обладнання
рекомендується розміщувати в окремих приміщеннях або спеціально
відведених місцях в загальних цехах або залах, де нема джерел пилу. Для
розміщення устаткування на місці його експлуатації необхідна площа 10м2.
Приміщення повинні бути теплими та опалюваними. Механічні насоси
найкраще виносити в окремі приміщення з гарною звукоізоляцією. Повітря,
яке викачується насосами, повинно виводитися в атмосферу з дотриманням
усіх вимог до вентиляційних приладів згідно ГОСТ 12.1.005-88 “Повітря
робочої зони”..
Робота електронно-променевого обладнання може проводитися при
наявності в даному приміщенні не менше двох осіб обслуговуючого
персоналу. Ці особи повинні проходити спеціальний інструктаж не рідше
одного разу на 6 місяців.
Технічні засоби безпеки. Компонування вузлів обладнання, працюючих
в вакуумі, виконується з дотриманням правил вакуумної гігієни та техніки
безпеки в приміщенні групи ПГ згідно Н.587-66. Зовнішній вигляд
обладнання задовольняє наступним вимогам:
а) поверхні металічних деталей не мають вм'ятин, царапин, сколів,
відшарувань лакофарбових гальванічних покриттів, корозії;
б) лакофарбові покриття на зовнішніх поверхнях відповідають
99
вимогам, встановленим для покриття II класу по ГОСТ 9.032-74, а також
вимогам естетики по ОСТ 1 ШО.093.000.
Максимальна електрична потужність, яку використовує обладнання, не
перевищує 12 кВт.
При виконанні технологічного процесу, всі операції, крім встановлення
заготовок в робочу камеру та вийняття готових деталей з неї, що виконує
оператор, є повністю автоматизованими. За автоматизацію процесу
відповідає блок керування установки з резистивними випаровувачами
дЕМЗ.628.015 Сп.
Наявність на панелі керування обладнанням засобів сигналізації
(звукових та світлових) та індикації (показників тиску, напруги, температури
та ін.) забезпечує сповіщення обслуговуючого персоналу про подачу напруги
на устаткування, його пуск, несправності його відповідальних вузлів та
механізмів, порушення режимів роботи чи технологічного процесу,
виникнення аварійних ситуацій тощо.
6.1.1. Шум
При виконанні усіх видів робіт ЕПЗ на постійних робочих місцях у
виробничих приміщеннях рівень шуму складає близько 60 дБА, що є нижчим
допустимого рівня (80 дБА) згідно ДСН 3.3.6.037-99 «Державні санітарні
норми виробничого шуму, ультразвуку та інфразвуку» та ГОСТ 12.1.003-83
„Шум. Загальні вимоги безпеки".
Таблиця 6.1
Еквівалентні
Вид трудової діяльності,
рівні звуку,
робоче місце, приміщення і території
дБА
Виконання усіх видів робіт (за винятком творчої, наукової,
конструкторської, проектувальної, програмування,
викладання і навчання, робочі місця в проектно-
80
конструкторських бюро, розраховувачів, програмістів
обчислювальних машин, у лабораторіях теоретичних робіт і
обробки даних, висококваліфікованої роботи, що вимагає
100
зосередженості, адміністративно-управлінської діяльності,
вимірювальних й аналітичних робіт в лабораторії; робочі
місця у кімнатах конструкторських приміщень) на постійних
робочих місцях у виробничих приміщеннях і на території
підприємств.
6.1.2. Вібрація
Відповідно до ДСН 3.3.6.039-99 «Державні санітарні норми загальної та
локальної вібрації» загальна вібрація в приміщенні по джерелу її виникнення
належить до 3 категорії (технологічна вібрація, що впливає на операторів
стаціонарних машин або передається на робочі місця, що не мають джерел
вібрації), а саме до підвиду 36 - вібрації робочих місць у приміщеннях без
джерел вібрацій (наприклад вібрації робочих місць працівників ВТК (відділу
технічного контролю), розмітників і т.п.).
Нормовані рівні віброшвидкості (дБ)
1 2 4 8 16 31.5 63 125 250 500 100
Локальна вібрація - - - 1151 09 109 109 109 109 109 109
0
Технологічна вібрація у
виробничих приміщеннях
- 100 91 85 84 84 84 - - - -
без вібруючого обладнання
– 3б
6.13 Освітлення
Місцеве освітлення відповідає ДБН В.2.5-28:2018 «Природне і штучне
освітлення».
Таблиця 6.3Норми освітлення
Зорова
Найм. Освітленість
Ступінь праця Контраст
розмір
точності відміннос Характерис
об’єкта Під- Штучне Природне Сумісне
зорової Розря ті об'єкта тика фона
розрізне
праці розря з фоном
ння, мм д
д Комб Загал
Верх Бок Верх Бок
ал. ьне
101
КПО, е ш
н КПО, е ш
н
лк
% %
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
а Малий Темний 2000 500 5 2 3 1,2
б Малий Середній 1000 300
Середн. Темний 1000 300
в Малий Світлий 750 300
Висока 0,3-0,5 III Середн.В Середній 750 300
еликий Темний 750 300
г Середн.В Світлий 400 200
еликий Світлий 400 200
Великий Середній 400 200
6.1.4. Електробезпека
Джерело живлення електронно-променевого обладнання включає в себе
високовольтний силовий трансформатор, високовольтний випрямляч (до 100-
150 кВ), згладжувальні фільтри та систему комунікації. В рухливих
електронних гарматах особливі вимоги ставляться до високовольтного
кабелю, який з'єднує гармату з джерелом живлення, так як кабель в процесі
обробки деформується і може доторкатися до поверхні вакуумної камери.
Все обладнання повинно задовольняти „Правилам устаткування
електричного обладнання", а його експлуатація повинна проводитись у
відповідності з вимогами „Правил технічної експлуатації і безпеки
обслуговування електроустановок промислових підприємств" і місцевих
інструкцій, розроблених адміністрацією. Всі ці документи, а також норми
якості електричної енергії повинні відповідати ГОСТ 13109-97 «Електрична
енергія. Сумісність технічних засобів електромагнітна. Норми якості
електричної енергії в системах електропостачання загального призначення»..
6.1.5. Пожежна безпека
Відповідно до ПВЕ та ГОСТ 12.0.005-84 „Система стандартів безпеки
праці", приміщення, в якому встановлено устаткування, відноситься до класу
Д вибухо- та пожежонебезпеки (відсутність горючих, вибухо- та
102
пожежонебезпечних речовин). Конструкція вакуумної системи та правила її
експлуатації повинні виключати потрапляння повітря і води в зону взаємодії
електронного пучка з оброблюваним виробом. Для цього передбачені засоби
аварійної сигналізації при порушенні вакуумного режиму.
6.1.6. Рентгенівське випромінювання
Пряме візуальне спостереження за процесами електронно-променевого
зварювання ускладнено тим, що оброблювана деталь знаходиться в вакуумі, а
також тим, що в зоні обробки генерується рентгенівське випромінювання. Це
дуже шкідливий фактор, який впливає на здоров'я робочого персоналу і
потребує додаткових засобів захисту, враховуючи НРБУ-97/Д-2000 Норми
радіаційної безпеки України. Радіаційний захист від джерел потенційного
опромінення. Державні гігієнічні нормативи (ДГН 6.6.1. - 6.5.061-2000)..
6.2. Захист від рентгенівського випромінювання
Для визначення ступеню шкідливості впливу іонізуючого
випромінювання на робочому місці використовують НРБУ-97/Д-2000 Норми
радіаційної безпеки України. Радіаційний захист від джерел потенційного
опромінення. Державні гігієнічні нормативи (ДГН 6.6.1. - 6.5.061-2000)..
Рівень рентгенівського випромінювання на робочих місцях не повинен
превищувати значень, допустимих для осіб, які відносяться до категорії «Б» -
((персонал) - особи, які безпосередньо не зайняті роботою з джерелами
іонізуючих випромінювань, але у зв'язку з розташуванням робочих місць в
приміщеннях та на промислових майданчиках об'єктів з радіаційно-ядерними
технологіями можуть отримувати додаткове опромінення).
Ліміти доз та допустимі рівні:
1. Числові значення лімітів доз встановлюються на рівнях, що
виключають можливість виникнення детерміністичних ефектів опромінення
і, одночасно, гарантують настільки низьку імовірність виникнення
стохастичних ефектів опромінення, що вона є прийнятною як для окремих
осіб, так і для суспільства в цілому.
103
2. Для осіб категорій А і Б ліміти доз встановлюються в термінах
індивідуальної річної ефективної та еквівалентних доз зовнішнього
опромінення (ліміти річної ефективної та еквівалентної доз).
Таблиця 6.4 - Ліміти дози опромінення (мЗв/рік)
Категорія осіб, які зазнають
опромінювання
А а)б) Б а) В а)
.ІД Е (ліміт ефективної дози) 20 в) В2 1
Ліміти еквівалентної дози а )
зовнішнього опромінення:
- ЛД1ens (для кришталика ока) 150 15 15
- ЛДskin (для шкіри) 500 50 50
- ЛДехtrim (для кистей та стіп) 500 50 -
При нормуванні опромінення населення розглядаються всі шість груп
референтного віку, при нормуванні опромінення персоналу (категорії А та Б)
- тільки референтний вік "Дорослий".
Таблиця 6.5 Референтна тривалість опромінення
"Дорослий"
Референтний 10 15
3 міс 1 рік 5 років Категорія
вік років років
А,Б,В
Тривалість,
8760 8760 8760 8760 8760 1700 8760
годин
При проектуванні захисту від зовнішнього опромінення числові
значення ДПД (допустима потужність дози) та ДЩП (допустима щільність
потоку часток (фотонів)) встановлюються з коефіцієнтом запасу 2, тобто
проектні ДПД та ДЩП повинні бути у два рази менші за прийняті в
документі НРБУ-97 значення ДПД та ДЩП.
Допустима потужність поглиненої дози рентгенівського
випромінювання для обслуговуючого персоналу лежить в межах (0.27...6.94)
мР/год (залежно від умов роботи і виду дозиметричного контролю), що
вимагає спеціальних захисних заходів. Захист від випромінювання повинен
104
конструктивно входити до складу установки. Розрахунок захисту
проводиться по значеннях максимальної прискорюючої напруги і
максимальної сили струму.
Повинна бути виключена можливість проникнення рентгенівського
випромінювання в місцях введень, стиках окремих частин установки і через
ущільнення.
При прискорюючих напругах до 60 кВ для захисту від рентгенівського
випромінювання звичайно достатньо товщини стінок вакуумної камери,
вибраної по конструктивних міркуваннях. В оглядових вікнах при цьому
необхідно застосовувати свинцеве скло товщиною не менше 20...25 мм.
Починаючи з напруг 80... 100 кВ, рівень рентгенівського
випромінювання стає достатньо високим і доводиться застосовувати
додатковий захист у вигляді спеціальних поглинаючих екранів. Частіше за
все такі екрани виготовляють зі свинцю. Місце оператора слід розташовувати
в стороні від електронної гармати і введення в камеру різних комунікацій.
Обов'язкове проведення дозиметричного контролю роботи установки не
менше одного разу на рік і при кожній зміні конструкції і режиму роботи
установки. Вимірювання проводиться при максимальних прискорюючій
напрузі і силі струму при обробці матеріалів найбільшої густини.
Обслуговуючий персонал піддається регулярному дозиметричному контролю
і користується певними пільгами, пов'язаними з професійною шкідливістю.
Таким чином, розглянувши всі види можливих небезпек, яким
піддається оператор, можна зробити висновок, що найбільш небезпечним при
електронно-променевому зварюванні є рентгенівське випромінювання. Отже,
потрібно знайти всі можливі види засобів захисту від опромінення оператора.
Основними видами захисту від зовнішнього випромінювання є захист
кількістю, часом, відстанню та екранами, принцип яких наведено в таблиці
6.6.
105
Таблиця 6.6
Вид захисту Принцип захисту Розрахункова
формула
Захист Використання для роботи джерел з мінімально
кількістю можливим виходом іонізуючого m=120r2/t
випромінювання
Захист часом Проведення робіт, пов'язаних з опроміненням,
t=120r2/m
протягом мінімального часу
Захист Забезпечення під час робіт з джерелом
відстанню іонізуючих випромінювань максимальної r = mt /120
відстані від джерела до людини
Захист Зменшення інтенсивності випромінювань за
К=І /(г2
а Р)
екранами допомогою екранів
Умовні позначення:
m - активність джерела, мг · екв.радія;
г - відстань від джерела до людини, м;
t - тривалість роботи з джерелом на протязі робочого тижня, год.;
К - коефіцієнт послаблення випромінювання екраном;
Іа - анодний струм, мА;
Р - потужність дози, мР/год.
Захист кількістю. Визначити, з якою допустимою активністю джерела
випромінювання можна працювати без захисту, якщо працюючий має 36-
годинний робочий тиждень і його робоче місце знаходиться на відстані 1.25м
від джерела випромінювання.
Розв'язок:
m = 120r2/t = 120 · 1.252/36 = 5.2 мг · екв.радія.
Захист часом. В лабораторії працюють з джерелом випромінювання
активністю 5.2 мг · екв. радія на відстані 1.25 м від нього. Визначити
допустимий час перебування на цій відстані.
Розв'язок:
t = 120r2/m = 120 · 1.252/5.2 = 36 год.
Захист відстанню. Робочий на протязі 36 год. в тиждень працює з
препаратами активністю 5.2 мг · екв.радія. Визначити допустиму відстань, на
106
якій можна працювати вказаний час.
Розв'язок:
г = mt /120= 5.2 36/120= 1.25 м.
Захист екраном. Ілюмінатори електронно-променевих установок
зазвичай виконують з товстого скла, яке витримує тиск атмосферного
повітря, і спеціального свинцевого скла для захисту від рентгенівського
випромінювання. Визначення товщини свинцю, потрібної для послаблення
первинного пучка рентгенівських променів до допустимої потужності дози,
проводиться по таблиці 6.7, в якій приведена товщина свинцю для різних
напруг в залежності від коефіцієнта К, який має фізичне значення кратності
послаблення потужності дози.
Визначаємо товщину свинцю для послаблення первинного
випромінювання на робочому місці, яке знаходиться на відстані 1.25 м від
фокуса трубки, так, щоб при напрузі 100 кВ і анодному струмі 750 мА
потужність дози не перевищувала 6.9 мР/год.
Розв'язок:
К=І 2
а(г Р) = 750 / (1.252 · 6.9) = 69,57.
Таблиця 6.7
Коефіцієнт Товщина свинцю, мм, при напрузі на рентгенівській трубці, кВ
К
60 75 100 125 150 180 200 220 250
0.001 - - - 0.1 0.6 1.2 1.8 1.9 2.2
0.005 - 0.2 0.6 0.8 1.3 2.0 2.7 3.1 4.1
0.01 0.1 0.5 1.0 1.2 1.7 2.4 3.2 3.7 5.1
0.05 0.4 1.0 1.7 1.9 2.5 3.3 4.1 5.0 7.2
0.1 0.5 1.2 2.0 2.3 2.9 3.7 4.6 5.6 8.2
0.5 0.8 1.7 2.7 3.0 3.6 4.5 5.5 7.0 10.2
1.0 0.9 2.0 3.0 3.4 4.0 5.0 6.0 7.6 11.2
1.5 1.0 2.1 3.2 3.6 4.2 5.2 6.2 8.0 11.6
2 1.1 2.2 3.3 3.7 4.3 5.3 6.3 8.1 12.0
3 1.1 2.3 3.5 3.9 4.5 5.5 6.6 8.4 12.6
4 1.2 2.4 3.6 4.0 4.7 5.7 6.7 8.7 12.9
5 1.2 2.5 3.7 4.1 4.8 5.8 7.0 8.8 13.2
7.5 1.3 2.6 3.9 4.3 5.0 6.1 7.2 9.3 13.7
10 1.4 2.7 4.1 4.5 5.2 6.3 7.3 9.5 -
107
15 1.4 2.8 4.2 4.6 5.3 6.4 7.6 9.8 -
20 1.5 2.9 4.4 4.8 5.5 6.6 7.7 10 -
30 1.5 3.0 4.5 5.0 5.7 6.8 8.1 10.4 -
40 1.6 3.1 4.7 5.2 5.9 7.0 8.2 10.6 -
50 1.7 3.2 4.8 5.3 6.0 7.1 8.4 10.8 -
75 1.7 3.3 5.0 5.5 6.2 7.3 8.6 11.2 -
100 1.8 3.5 5.1 5.6 6.3 7.5 8.7 11.4 -
Користуючись таблицею 6.7 і отриманим значенням коефіцієнта К,
знаходимо, потрібну для захисту, товщину свинцю. яка складає 5.0 мм.
При прискорюючих напругах U > 100 кВ і силі струму променя І > 5 А,
щоб понизити рівень випромінювання до допустимої норми, товщина
свинцевого скла повинна бути більше 50 мм, що технічно важко здійснити. В
цих випадках застосовують оптичні системи, що дозволяють спостерігати за
робочою зоною на значній відстані (або при великому збільшенні). Ці
системи можуть встановлюватися зовні камери (біля ілюмінаторів) або
вбудовуватися в конструкцію електронної гармати (для чого звичайно
використовують бінокулярний мікроскоп).
Останнім часом отримали розповсюдження телевізійні системи
спостереження, що забезпечують якісну передачу зображення на відстань і
дають можливість спостереження за об'єктом, що знаходиться в
труднодоступному місці. Телевізійне спостереження можна здійснювати у
видимій і інфрачервоній частині спектру - це особливо зручно, якщо процес
пов'язаний з нагрівом оброблюваного виробу. При застосуванні телевізійних
систем можна найкращим чином захистити оператора від рентгенівського
випромінювання.
Камера відеоспостереження LCL-902C Watec
Відеокамери LCL-902C встановлюються у внутрішні системи для
спостереження за об'єктами з низькою освітленістю. Ці камери
спостереження мають високе розрішення 570 ТВЛ, чуттєвість 0,01 люкс,
компенсацію засвічення фону, декілька режимів електронного затвору і
низьке енергоспоживання. При цьому камери спостереження LCL-902C
мають невеликі розміри - всього 34 х 34 х 39 мм.
108
На камеру LCL-902C можливо встановлювати об'єктиви з приводом
автодіафрагми по відеосигналові. Порівняно з аналогічними камерами інших
виробників ці камери мають більш високі технічні характеристики і гарне
співвідношення ціни і якості.
Для збільшення зони відеоспостереження камери LCL-902C можна
монтувати на кронштейни і на поворотні пристрої з горизонтальним або
вертикальним скануванням. В той же час остання комбінація пристроїв
дозволяє вести більш ефективне спостереження. Для збільшення дальності дії
камери можна використовувати трансфокатори.
Технічні характеристики на камеру спостереження LCL-902C:
Параметри Значення
Формат: CCIR
Чутливий елемент: CCD 1/2"
Загальна кількість пікселей: 795 (Г) х 596 (В)
Розмір комірки: 8,6 мкм (Г) х 8,3 мкм (В)
Кріплення об'єктива: CS різьба
Синхронізація: внутрішня
Система сканування: 2:1 черезстрочна
Відеовихід: Композитний сигнал з розмахом 1 В, 75
Ом (BNC)
Розрішення камери: більше 570 ТВЛ
Чутливість: 0,01 лк (АРУ- Bmoi.,F 1,2)
Відношення сигнал/шум: більше 50 дБ
Електронні діафрагма і 1/120, 1/250, 1/500, 1/1000, 1/2000,
затвор: 1/5000, 1/10 000, 1/100 000 сек
АРУ: вкл./викл.
Гама-корекція: 0,45 (вкл.)/ 1 (викл.)
Компенсація засвічення фону: вкл./викл.
Напруга живлення: +12 В
Використовуваний струм: 180мА
Габаритні розміри: 34 мм х 34 MM x 39 MM
Температура зберігання: -30 °С-+70 °С
Робоча температура: -10 °С-+40 °С
Вага відеокамери 130 г
спостереження:
109
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1. Розроблена методика визначення оптимальних параметрів режимів
зварювання для зменшення нерівномірності глибини проплавлення при
зварюванні без розгортки електронного пучка, відмінними особливостями
якої є:
- зниження трудомісткості пробних зварювань у 2-14 разів при
значеннях кроку варіації кута сходження 0,001-0,01 рад в діапазоні кутів
сходження електронного пучка 0,001-0,05рад, що досягається за рахунок
використання встановленого функціонального зв'язку, між параметрами
електронного пучка, каналу проплавлення та пульсаціями глибини
проплавлення;
- використання характеристичних кривих зварювальної установки,
які будуються за даними системи діагностики електронного пучка та
встановлюють залежності між енергетичними та геометричними
параметрами електронного пучка - силою струму, силою струму
фокусування, прискорюючою напругою, максимальною густиною струму,
кутом сходження, радіусом та положенням мінімального перерізу;
- використання в пробних зварюваннях рівного енергетичного
впливу при різних геометричних параметрах електронного пучка для
забезпечення однорідності умов зварювання, що досягається підтриманням
незмінними значень максимальної густини струму, та можливо, потужності
пучка при варіації інших параметрів;
- встановлення за результатами пробних зварювань відповідності між
глибиною проплавлення, амплітудою коливань глибини проплавлення та
параметрами електронного пучка - силою струму, силою струму
фокусування, потужністю, максимальною густиною струму, кутом
сходження, радіусом та заглибленням мінімального перерізу.
2. Розроблена методика визначення оптимальної частоти розгортки
електронного пучка для зменшення нестабільності глибини проплавлення
110
при зварюванні з подовжніми коливаннями пучка, відмітними особливостями
якої є:
- зниження трудомісткості виконання пробних зварювань у 1,9-5,5
разів при значеннях кроку варіації частоти подовжньої розгортай 1-ЗГц в
діапазоні частот розгортки електронного пучка 60-100Гц, що досягається за
рахунок значного скорочення діапазону пошуку оптимальної частоти. Оцінка
діапазону пошуку оптимальної частоти виконується за допомогою
встановленого функціонального зв'язку між параметрами електронного
пучка, каналу проплавлення та капілярною сталою зварюваного металу;
- можливість визначення оптимальної, а не тільки придатної частоти
розгортки електронного пучка. Для обчислення оптимальної частоти
використовується встановлений функціональний зв'язок між параметрами
електронного пучка, зварювальної ванни, амплітудою розгортки
електронного пучка, частотою розгортки електронного пучка, амплітудою
пульсацій глибини проплавлення та капілярною сталою зварюваного металу.
3. Розроблена бібліотека процедур WeldLab для САПР Maple V для
автоматизації обчислень за розробленими моделями та методиками, яка
містить процедури для:
- побудови характеристичних кривих зварювальної установки
шляхом сплайн-інтерполяції результатів діагностики електронного пучка;
- пошуку за характеристичними кривими невідомих значень за
відомими для таких параметрів: сила струму пучка, сила струму
фокусування, прискорююча напруга, потужність пучка, максимальна густини
струму пучка, кут сходження пучка, радіус та положення мінімального
перерізу пучка при фіксованих чи змінних значеннях потужності пучка,
максимальної густини струму пучка та інших обмеженнях;
- встановлення відповідності між параметрами режимів зварювання,
глибиною та амплітудою коливань глибини проплавлення шляхом сплайн-
інтерполяції даних пробних зварювань;
111
- налагодження робочих моделей за даними пробних зварювань;
- обчислення коливань глибини проплавлення за робочими моделями
при вибраних параметрах режимів зварювання.
4. Експериментально встановлено, що спектральна щільність профілю
кореня зварного шва є степеневою залежністю від частоти коливань глибини
проплавлення, а потік подій утворення піків у корені зварного шва та потік
подій екранування електронного пучка є пуассоновими. Така ідентифікація
надає можливість адекватного представлення процесу коливань глибини
проплавлення, при його математичному моделюванні, як ймовірнісного
дробового процесу.
5. Експериментально встановлено, що пошук оптимальної частоти
подовжньої розгортки електронного променя при зварюванні алюмінієвого
сплаву Д16 на глибину до 20 мм та латуні ЛА-77-2 на глибину до 25 мм має
виконуватись з кроком варіації частоти, що не перевищує 2,5Гц та 5 Гц
відповідно в діапазоні 60-90 Гц.
6. Теоретично, шляхом математичного моделювання, досліджено
процеси екранування електронного пучка збуреннями розплаву та коливань
глибини проплавлення в умовах зварювання без зовнішнього впливу.
Отримано залежність частки екранованої потужності пучка від радіуса та
заглиблення мінімального перерізу пучка, кута сходження, глибини
проплавлення, розподілу крапле-хвильових утворень вздовж передньої
стінки каналу проплавлення, ефективного розміру екрануючих утворень. Це
дозволило побудувати функцію, яка узгоджується з залежністю амплітуди
коливань глибини проплавлення від заглиблення мінімального перерізу
електронного пучка при інших рівних умовах.
7. Теоретично, шляхом математичного моделювання, досліджено
екранування електронного пучка збуреннями розплаву та коливань глибини
проплавлення в умовах зварювання з подовжньою розгорткою електронного
пучка. Отримано функціональну залежність амплітуди коливань глибини
112
проплавлення від амплітуди та частоти подовжньої розгортки електронного
пучка, його геометричних та енергетичних параметрів, геометричних
параметрів каналу проплавлення та капілярної сталої розплаву. Результати
теоретичного дослідження узгоджуються з відомими властивостями
досліджуваного процесу та експериментальними даними.
8. Результати досліджень, моделі та методики уніфікують процес вибору
оптимальних параметрів зварювання для зменшення коливань глибини
проплавлення.
113
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Nesterenkov V.M., Khripko K.S., Matviichuk V.A. Electron beam
technologies of welding, surfacing, prototyping: results and prospects. The Paton
Welding Journal. 2018. No. 11-12. P. 126-133.
2. Paton B.E. Modern electron beam technologies of the E.O. Paton Electric
Welding Institute of the NAS of Ukraine. The Paton Welding Journal. 2001. No. 2.
P. 2-6.
3. Schultz H. Electron Beam Welding. Cambridge: Woodhead Publishing,
1994. 240 p.
4. Matsunawa A., Kim J.-D., Seto N., Mizutani M., Katayama S. Dynamics of
keyhole and molten pool in laser welding. Journal of Laser Applications. 1998.
Vol. 10, No. 6. P. 247-254.
5. Matsunawa A., Kim J.-D., Seto N., Mizutani M., Katayama S. Problems
and solutions in deep penetration laser welding. Science and Technology of
Welding and Joining. 2001. Vol. 6, No. 6. P. 351-354.
6. Whitham G.B. Linear and Nonlinear Waves. New York: Wiley-
Interscience, 1974. 636 p.
7. Hlushak S.O. Evolution of electron beam hardware for welding in space.
The Paton Welding Journal. 2023. No. 8. P. 78-84.
8. Zagornikov V.I., Nesterenkov V.M., Khripko K.S., Ignatusha O.N.
Electron beam welding of gas valve elements from Mo-Ti-Zr alloy. The Paton
Welding Journal. 2025. No. 4. P. 27-36.
9. Sahul M., Sahul M., Čaplovič L., Marônek M., Klochkov I., Motrunich S.
Analysis of the properties of electron beam welded joints of aluminium lithium
114
alloy latest generation. The Paton Welding Journal. 2021. No. 5. P. 41-45.
10. Steen W.M., Mazumder J. Laser Material Processing. 4th ed. London:
Springer, 2010. 558 p.
11. Kou S. Welding Metallurgy. 2nd ed. Hoboken, NJ: Wiley-Interscience,
2003. 461 p.
12. Стативка Ю.І., Шевченко В.О. Екранування конічного пучка
збуреннями розплаву при ЕПЗ. Вісник Східноукраїнського державного
університету. 2000. № 5. С. 224-229.
13. Стативка Ю.І., Шевченко В.О. Математичне моделювання процесу
формування зварного шва при ЕПЗ. Вісник Східноукраїнського державного
університету. 2000. № 9. С. 202-208.
14. Стативка Ю.І., Шевченко В.О. Процес формування зварного шва при
ЕПЗ як об'єкт математичного моделювання: концептуальна схема та
застосування. Університет і регіон: збірник наукових праць. Луганськ: Вид-
во Східноукр. нац. ун-ту, 2000. С. 122-123.
15. Rusynyk M.O., Nesterenkov V.M., Sahul M., Klochkov I.M. Influence of
electron beam focusing current on geometry and microstructure of welded joints of
aluminium 2219 alloy. The Paton Welding Journal. 2023. No. 7. P. 31-36.
16. Шевченко В.О., Стативка Ю.І. Експериментальне дослідження
процесу формування зварного шва при ЕПЗ. Вісник Східноукраїнського
державного університету ім. В. Даля. 2002. № 7. С. 243-248.
17. Feder J. Fractals. New York: Plenum Press, 1988. 283 p.
18. Kreyszig E. Advanced Engineering Mathematics. 10th ed. Hoboken, NJ:
Wiley, 2011. 1280 p.
115
19. Walpole R.E., Myers R.H., Myers S.L., Ye K. Probability and Statistics
for Engineers and Scientists. 9th ed. Boston: Pearson, 2016. 816 p.
20. Ivanova V.S. Fractal material science: A new direction in materials
science. JOM. 1998. Vol. 50, No. 12. P. 39-45.
21. Hilborn R.C. Chaos and Nonlinear Dynamics: An Introduction for
Scientists and Engineers. 2nd ed. Oxford: Oxford University Press, 2000. 654 p.
22. Skryabinskyi V.V., Nesterenkov V.M., Rusynyk M.O. Impact of heat
treatment on mechanical properties of joints during electron beam welding of 2219
alloy. The Paton Welding Journal. 2024. No. 1. P. 22-26.
23. Skryabinskyi V.V., Nesterenkov V.M., Rusynyk M.O., Strashko V.R.
Effect of mode of electron beam welding, heat treatment and plastic deformation
on strength of joints of aluminium 1570 alloy. The Paton Welding Journal. 2020.
No. 5. P. 9-14.
24. Skryabinskyi V.V., Nesterenkov V.M., Rusynyk M.O., Zagornikov V.I.,
Goncharenko O.I., Klochkov I.M. Influence of electron beam welding technology
on the width of the softening zone of aluminium 2219 alloy. The Paton Welding
Journal. 2025. No. 6. P. 19-24.
25. Malarvizhi S., Raghukandan K., Viswanathan N. Effect of post weld
aging treatment on tensile properties of electron beam welded AA2219 aluminum
alloy. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2008.
Vol. 37. P. 294-301.
26. Zhang D.-K., Wang G.-Q., Wu A.-P., Zhao Y., Li Q., Liu X.-L. et al.
Study on the inconsistency in mechanical properties of 2219 aluminium alloy TIG-
welded joints. Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 777. P. 1044-1053.
27. Chen G., Yin Q., Zhang G., Zhang B. Underlying causes of poor
116
mechanical properties of aluminum-lithium alloy electron beam welded joints.
Journal of Manufacturing Processes. 2020. Vol. 50. P. 216-223.
28. Chen G., Yin Q., Zhang G., Zhang B. Fusion-diffusion electron beam
welding of aluminium-lithium alloy with Cu nano-coating. Materials & Design.
2020. Vol. 188. Article 108439.
29. Paton B.E., Lobanov L.M., Naidich Yu.V. et al. New electron beam gun
for welding in space. Science and Technology of Welding and Joining. 2019. Vol.
24, No. 4. P. 320-326.
30. Landau L.D., Lifshitz E.M. Fluid Mechanics. 2nd ed. Oxford:
Butterworth-Heinemann, 1987. 539 p.