Введение к работе
Актуальность работы. Эффективность процесса проплавлення металла при сварке характеризуется термическим КПД ( г|т), величину которого следует учитывать при определении требуемых параметров режима для конкретных условий осуществления процесса сварки.
Разработанные академиком Н.Н. Рыкалиным теоретические модели для оценки распространения тепла при сварке плавлением с использованием традиционного источника - сварочной электрической дуги - находят широкое практическое применение и в настоящее время. В последние десятилетия появились новые источники тепла (электронный луч, луч лазера), для которых разработанные ранее модели не отражают ряда физических аспектов взаимодействия этих источников со свариваемым материалом. Это не всегда позволяет адекватно определить требуемые параметры режима процесса электроннолучевой сварки для обеспечения необходимого качества материала в зоне сварки. Создание новых моделей, а следовательно, и новых подходов к определению т|„ учитывающих специфику физической стороны процесса взаимодействия луча с обрабатываемым материалом, является важной практической задачей современной сварочной технологии. В современном производстве очень часто возникают ситуации, когда сварку деталей необходимо проводить в условиях строго дозированного ввода энергии при требуемой величине глубины проплавлення или объема расплавленной зоны (например, при сварке легкоплавких, химически активных, тугоплавких и композиционных материалов). В этом случае іребуетея проводить процесс в узких рамках выбранных параметров режима с сохранением их высокой точности в течение всего процесса сварки.
Таким образом, настоящая работа, направленная на решение зтігх задач и, в конечном итоге, на повышение качества сварных соединений, имеет большое научно-практическое значение и является актуальной. Знание величин термического КПД для. различных материалов и режимов сварки позволит существенно расширить технологические возможности электронно-лучевой сварки и обработки материалов.
Цель работы.
Создание расчетных моделей, позволяющих обоснованно выбрать параметры режимов электронно-лучевой сварки на основе количественного анализа энергетической стороны процесса (знания величины термического КПД) и разработка практических рекомендаций по выбору требуемых параметров режима электронно-лучевой сварки применительно к конкретным конструкционным материалам.
На защиту выносятся:
а) результаты экспериментального исследования процесса электронно
лучевой сварки неподвижным электронным лучом различных материалов
(сталь, алюминий, титан);
б) модель неподвижного равномерно распределенного кругового источника
на поверхности свариваемого материала и модель подвижного, быстроуглуб-
ляющегося в материал плоского источника для случая глубокого проплавлення
металлов неподвижным электронным лучом;
в) методика определения термического КПД через учет энергетических за
трат на плавление металла при электронно-лучевой сварке.
Задачи работы
.1. Обобщение современных представлений о тепловой эффективности процесса электронно-лучевой сварки.
-
Экспериментальное определение термического КПД для нестационарного режима при проплавлений различных материалов (сталь, алюминий, титан) неподвижным электронным лучом и сравнение полученных результатов с уже существующими экспериментальными данными для движущегося источника.
-
Разработка методик расчетного определения тіт для различных видов источников (мгновенный точечный источник; непрерывно действующий неподвижный точечный источник; неподвижный равномерно распределенный круговой источник) и сопоставление полученных расчетных значений Г|т с результатами эксперимента.
-
Разработка модели быстроуглубляющегося в материал плоского источника для случая глубокого проплавлення металлов неподвижным электронным лучом.
-
Разработка методики определения r|t путем определения удельной работы формирования сварного шва.
-
Разработка рекомендаций по оптимизации технологии ЭЛС сталей, алюминиевых и титановых сплавов.
Методы исследований
Получение проплавлений на стали 09Г2С, алюминиевом сплаве типа Діб и титановом сплаве ВТ1 осуществляли по стыку двух пластин с зазором порядка 0,1 мм на серийной электронно-лучевой установке типа ЭЛА-50/5М. Проплав-ление производилось при одинаковой мощности луча, но различном времени его воздействия (неподвижный электронный луч). Эксперименты проводили при различных значениях мощности луча. После сварки образец разламывали по линии стыка, что позволяло без механической и химической обработки наблюдать макроочертания поперечного сечения сварных точек.
Площадь поперечных сечений определяли классическим методом планиметрирования. Анализ структуры шва и околошовной зоны проводили с помощью оптических микроскопов МИМ-7 и Неофот-2.
Статистическую обработку экспериментальных данных проводили по разработанным программам методами модифицированной полиномиальной регрессии.
Научная новизна.
Научная новизна работы связана с учетом кинетики формирования ванны в процессе электронно-лучевой сварки.
-
С помощью анализа процесса воздействия электронного луча на материал в условиях возрастающей плотности мощности луча (q2) установлено и экспериментально показано, что, начиная с некоторого значения q2, в сварочной ванне формируется глубокий канал проплавлення при одновременном увеличении термического КПД (т|г) до своего максимального значения (по-видимому, это связано с тем, что не происходит перекрытия канала жидким металлом и его парами); последующее увеличение q2 сопровождается переходом процесса из режима глубокого проплавлення с максимальным значением г(т в теплопроводностный режим вследствие перекрытия канала проплавлення жидким металлом сварочной ванны и, как следствие этого, уменьшением величины iir.
-
Предложены новые расчетные модели распространения тепла в свариваемом материале с учетом специфических особенностей процесса воздействия на него электронного луча: модель неподвижного равномерно распределенного кругового источника и модель подвижного, быстроуглубляющегося в полубесконечное тело плоского источника (под плоским источником в настоящей работе понимается цилиндр с изотермической поверхностью, диаметр которого равен диаметру луча и который по мере проплавлення углубляется в материал). Установлено, что использование предложенных расчетных моделей позволяет определить величину т|т при электронно-лучевой сварке в широком диапазоне изменения плотности мощности источника:
а) при небольших значениях плотности мощности, когда распространение
тепла в свариваемом материале контролируется режимом теплопроводности,
необходимо пользоваться моделью неподвижного равномерно распределенно
го кругового источника;
б) при значениях плотности мощности, когда взаимодействие источника с
материалом сопровождается формированием глубокого канала проплавлення,
испарением и выбросом части металла из зоны расплава, для определения г|т
следует .использовать модель быстроуглубляющегося в полубесконечное тело
плоского источника.
Отклонение расчетных-значений от результатов эксперимента для обеих схем составляет примерно 10%.
3. Установлена и экспериментально подтверждена зависимость термического КПД от параметров режима сварки, полученная с учетом специфики физических процессов, протекающих в сварочной ванне, в частности процесса парообразования и условий равновесия расплавленного металла в канале проплавлення.
Практическая ценность.
Расширена база имеющихся экспериментальных данных о зависимости термического КПД от режимов сварки при проплавлений сталей, алюминиевых и титановых сплавов неподвижным электронным лучом. Предложены новые расчетные модели распространения тепла в свариваемом материале с учетом специфических особенностей воздействия электронного луча на материал. На их основе созданы специальные программы расчета, адаптированные к использованию технологическими службами машиностроительных предприятий.
Реализация результатов работы.
Методики расчетов режимов электронно-лучевой сварки с учетом экспериментальных значений термического КПД для движущегося и неподвижного электронного луча внедрены в Научно-исследовательском институте двигателей и Раменском приборо-конструкторском бюро.
Апробация работы.
Основные положения работы докладывались на конференции "Электронно-лучевая сварка" в Центральном Российском Доме Знаний 12-13 октября 1993 г., конференции "Электронно-лучевая сварка-93" стран СНГ, "конференции "Повышение эффективности сварки и упрочнения материалов концентрированными источниками энергии", Казань, 1991 г., конференции "Концентрированные потоки энергии в обработке и соединении материалов", Пенза, 1991 г., 4-ой Международной конференции по электронно-лучевым технологиям, Варна (Болгария), июнь 1994 г., а также на научно-технических семинарах кафедры "Технологии металлов" МЭИ и МГТУ им. Н.Э.Баумана. Публикации.,
Материалы диссертации опубликованы в 6 печатных работах, содержащих основные результаты исследований. Объем работы.
Диссертация включает введение, четыре главы, выводы, список литературы и приложение. Работа изложена на 190 страницах, включая 97 страниц текста, 51 рисунков, 14 таблиц, список литературы на 10 страницах из 106 библиографических наименований.