Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна Академія Наук України

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

Автореферат

диссертацїї на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Теорія та практика стійкого формування швів при електронно-променевому зварюванні металів великої товщини

Спеціальність - 05.03.06 “Зварювання та споріднені технології”

Нестеренков Володимир Михайлович

Київ - 2004

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України.

Науковий консультант:

Доктор технічних наук, професор,

член-кореспондент НАН України

Назаренко Олег Кузьмович

Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона

НАН України, завідувач відділом

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор

Замков Вадим Миколайович

Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона

НАН України, завідувач відділом

Доктор технічних наук, професор

Коваленко Володимир Сергійович

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”,

завідувач кафедрою лазерної технології, конструювання машин і матеріалознавства

Доктор технічних наук, професор

Туричин Глеб Андрійович

Санкт-Петербурзький державний технічний університет, професор

Провідна установа:

Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова МОН України, м.Миколаїв

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Практика використання електронно-променевого зварювання (ЕПЗ) для з"єднання конструкцій відповідального призначення свідчить про високу ефективність цього способу, а у ряді випадків, про його безальтернативність для сучасного виробництва. Світові виробники високоміцних алюмінієвих сплавів для авіабудування ("Alcoa", США; "Pechiney", Франція) не мають достатніх виробничих потужностей для виготовлення товстолистового прокату довжиною понад 8 м, що обмежує можливості розробників нових конструкцій літаків. Відповідно до існуючих у сучасній цивільній авіації вимог, необхідно налагодити виробництво панелей алюмінієвих сплавів довжиною понад 12 м та товщиною 150…250 мм. Для збільшення таких заготовок особливо перспективним є використання зварювання, а з урахуванням великої концентрації енергії та малих зон знеміцнення найкращим способом з"єднання товстостінного прокату -- зварювання електронним пучком. Наявність високоефективного вакуумного захисту розплавленного металу дає ще більші переваги цьому виду зварювання перед іншими.

Однак із збільшенням товщини зварюваних металів зростають труднощі при виконанні з"єднань без дефектів, що стримує використання ЕПЗ у промисловості. Виходячи з цього, дослідження закономірностей стійкого формування швів великої товщини з метою розробки нових технологічних процесів на їх основі, а також реалізація розробок у новому поколінні обладнання для ЕПЗ є актуальною науково-технічною проблемою. Її вирішення знайде використання не лише в Україні, але й у ряді промислово розвинених країн Європи та Америки. Разом з тим, розробка способів підвищення стійкості формування швів можлива лише у межах комплексного підходу з використанням наслідків теоретичних та експериментальних досліджень фізичних процесів, які відбуваються в парогазових каналах великої глибини та визначають якість зварних з"єднань. Саме це і є основною задачею даної роботи.

Зв"язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана дисертаційна робота виконана у відділі "Фізичні процеси та обладнання електронно-променевого і лазерного зварювання" Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України у межах таких державних науково-технічних програм: "Технології, машини та виробництва майбутнього" та "Створення високоефективних зварних конструкцій на основі ресурсозберігаючих технологій, обладнання, матеріалів. Розділ 8. Технологія та обладнання променевих процесів зварювання" та таких тем науково-дослідницьких робіт ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ: "Розробка способів управління масопереносом шляхом модуляції струму пучка при електронно-променевому зварюванні металів та сплавів великих товщин" (номер державної реєстрації 0100U004959); "Розробка методу синтезу електронно-оптичних систем зварювальних електронних гармат на основі траєкторного аналізу пучків з метою підвищення проплавляючої здатності, робочих дистанцій та стабільності формування зварних швів" (0102U005773); "Створення нового класу аморфних та мікрокрісталічних покриттів з підвищеними зносостійкими та корозійними властивостями, що наносяться газотермічними та електрофізичними способами" (0193U025225); "Розробка технології та обладнання для ремонту за допомогою електронно-променевого зварювання деталей зубчастих передач автомобілей" (0193U025286).

Результати вказаних науково-дослідних робіт, відповідальним виконавцем яких був здобувач, закладені в основу дисертації.

Мета та задачі дослідження. Метою дисертації є розвиток теоретичних уявлень про формування швів при ЕПЗ металів великої товщини, визначення умов забезпечення стійкості зварювальної ванни та розробка промислової технології ЕПЗ великогабаритних виробів відповідального призначення.

У відповідності до поставленої мети необхідно було вирішити такі основні задачі:

1) проаналізувати існуючі уявлення про особливості формування зварних з"єднань при ЕПЗ заготовок великої товщини;

2) дослідити закономірності гідродинамічних процесів в глибоких парогазових каналах;

3) на основі аналітичного та чисельного моделювання встановити особливості власних коливань розплавленого металу в парогазових каналах великої глибини, а також визначити оптимальні режими сканування електронного променя;

4) дослідити вплив збурень поверхні розплавленного металу на передній стінці парогазового каналу на стійкість формування глибоких зварних швів;

5) розробити способи підвищення стійкості зварювальної ванни проти збурень, які виникають на поверхні розплавленого металу через дію реакції віддачі парів у парогазових каналах;

6) розробити технологічні процеси ЕПЗ товстостінних конструкцій.

Об"єкт досліджень: гідродинамічні процеси у парогазових каналах великої глибини, які визначають стійкість зварювальної ванни та якість зварного з"єднання в цілому.

Предмет досліджень: способи підвищення стійкості формування швів великої глибини, в тому числі при ЕПЗ замкнених кільцевих стиків.

Методи дослідження. Для реалізації поставлених задач проводилися комплексні теоретичні та експериментальні дослідження гідродинамічних процесів, що відбуваються у парогазових каналах великої товщини. Теоретичні дослідження включали аналітичне та чисельне моделювання фізичних процесів з використанням математичного програмного пакета MATLAB. Експериментальні дослідження виконувалися на сучасних установках для ЕПЗ різних фірм-виробників. Використовували методи газового, хімічного, макро- та мікроструктурного аналізів зварних з"єднань, а також методи оптичної та електронної мікроскопії.

Вірогідність одержаних у дисертації результатів підтверджується їх успішним використанням у промисловості при виготовленні великогабаритних виробів відповідального призначення.

Наукова новизна роботи

1. Вперше досліджено спектр власних коливань розплавленного металу в парогазових каналах великої глибини. Встановлено, що при зварюванні рівномірно рухомим електронним пучком збурення у вигляді капілярних хвиль, які виникають під дією сили реакції віддачі металу, що випаровується на внутрішній поверхні парогазового каналу, мають дискретний спектр коливань з набором власних частот. Інтервал між ними зменьшується із збільшенням глибини проплавлення.

2. Встановлено, що через дисперсію коефіцієнта згасання капілярних хвиль високочастотні гармоніки власних коливань розплаву у парогазовому каналі послаблюються сильніше за низькочастотні. Тому перша гармоніка коливань розплаву, яка характеризується найменшою частотою та найбільшою амплітудою, має визначальний вплив на стабільність парогазового каналу та утворення дефектів у вигляді різноманітних несуцільностей у середній та кореневій частинах зварних швів.

3. Вперше для випадку нескрізного проплавлення металу одержано дисперсійне співвідношення для капілярних хвиль на внутрішній поверхні парогазового каналу, яке відрізняється від відомого співвідношення для хвиль на торцевій поверхні каналу. Показано, що нульова мода, яка відповідає осесиметричним коливанням розплаву, виявляється нестійкою, із зростаючою у часі амплитудою навіть при невеликих глибинах каналу. В той же час більш високі моди коливань є стійкими в парогазових каналах будь-якої глибини.

4. Показано вплив відбитого електронного пучка від довгохвильових збурень поверхні рідкого металу передньої стінки на утворення кореневих дефектів у парогазових каналах великої глибини, що пояснюється двома взаємопов"язаними факторами: великим (до 80 %) коефіцієнтом відбиття електронів при малих кутах падіння та значними змінами потужності відбитого пучка навіть при невеликих змінах цього кута. Як наслідок, частка пучка, який сягає дна парогазового каналу, змінюється під час зварювального процесу, що призводить до утворення піків проплавлення в зварних з"єднаннях і пов"язаних з ними дефектів. Експериментально показано, що частота утворення піків проплавлення співпадає із частотою першої гармоніки коливань розплаву в каналі.

5. Показано, що із зростанням глибини проплавлення довжина хвилі всіх гармонік власних коливань розплаву в каналі збільшується. Внаслідок цього зменшуються частоти та коефіцієнт згасання коливань, але зростає їх амплітуда, що призводить до нестабільності зварювального процесу.

6. Встановлено, що поздовжня (вздовж напрямку зварювання) розгортка електронного променя дозволяє вибірково збуджувати стійку першу моду власних коливань розплаву в каналі, яка відповідає поздовжнім зміщенням розплава, та подавляє нестійку осесиметричну нульову моду. Це підвищує стабільність вертикальних парогазових каналів глибиною до 100 мм.

7. Встановлено, що стабільність формування швів глибиною понад 100 мм може бути підвищена шляхом нахилу площини стика та електронного променя на кут, що складає близько 10 до обрію. При такій просторовій переорієнтації зварювальної ванни змінюється характер власних коливань, тобто відбувається перетворення їх із суто капілярних хвиль, властивих вертикальному каналу, у капілярно-гравітаційні хвилі. Подібна трансформація коливань рідкого металу в похилому парогазовому каналі призводить до суттєвого збільшення частот найнижчих гармонік коливань, зменшенню амплітуди збурень поверхні розплаву на передній стінці каналу і, як наслідок, -- до підвищення стабільності зварювального процесу в цілому.

8. Обгрунтовано та запропоновано спосіб розгортки з паралельним переміщенням електронного променя вздовж та поперек напрямку зварювання, що забезпечує сталість кута взаємодії електронів пучка зі стінками парогазового каналу, що сприятливо позначається на підвищенні стабільності парогазового каналу і призводить до зменшення кількості кореневих дефектів та стійкого формування зварних швів. Особливо ефективною така розгортка виявляється при зварюванні похилим пучком.

9. Визначено оптимальний діапазон частот для розгортки електронного променя вздовж (130…180 Гц) та поперек (100…110 Гц) напрямку зварювання при ЕПЗ заготовок великої товщини. Встановлено, що оптимальна частота розгортки променя при ЕПЗ в похилому положенні зменшується із зростанням глибини проплавлення.

Практичне значення роботи. На основі експериментальних та теоретичних досліджень встановлені особливості процесу ЕПЗ металів великої товщини, розроблені технологічні процеси ЕПЗ низки низьколегованих сталей товщиною до 150 мм та алюміниєвих сплавів товщиною до 300 мм, які знайшли застосування в промисловості ряду країн. "Ноу-хау" технологічного процесу ЕПЗ кільцевих стиків із сталі 2,25Cr1Mo товщиною 150 мм із замиканням шва куплено фірмою "Framatome" (Франція) для з'єднання обичайок корпусів парогенераторів. Для цієї ж фірми розроблено обладнання та технологію ЕПЗ сплаву AG5M товщиною 290 мм для з'єднання заготовок дзеркал телескопів діаметром 8 м. Фірми "Harbin Boiler Co" та "Wuhan Boiler Co" (Китай) придбали технологію й обладнання для ЕПЗ кільцевих стиків із замиканням швів на корпусах запірної арматури, виготовлених зі сталей 12CrMo, SA106B і SA299. Результати досліджень, представлені в дисертації, з успіхом використовуються у міжнародному проекті по створенню двопалубного пасажирського аеробуса А-380. У відповідності із міжнародною кооперацією, конструкції крила літака з високоміцних алюмінієвих сплавів 7010, 7150, 2024 та сплаву С80А товщиною до 120 мм зварюються в ІЕЗ ім. Е.О. Патона, передаються на фірму "Aerospatiale" (Франція) для механічної обробки, а далі надходять на фірму "Airbus" (Англія) для складання та льотних випробувань. Рекомендації, отримані в дисертаційній роботі, використовуються для дослідження зварюваності електронним променем низки нових високоміцних алюмінієвих сплавів, які випускаються фірмою "Alcoa".

Основні теоретичні і практичні аспекти роботи, що забезпечують стійкість зварювальної ванни при ЕПЗ металів великої товщини із замиканням кільцевих швів, реалізовано в конструкції та алгоритмах роботи дев'яти установок для ЕПЗ, виготовленних у ІЕЗ їм.Є.О. Патона у 1996--2003 рр.

На основі використання результатів дисертації успішно завершені двадцять контрактних робіт з фірмами "Framatome", "Aerospatiale" (Франція), "Airbus" (Англія), HBC, WBC (Китай), "K+S Services", "Alcoa" (США), які стали насправді промисловою перевіркою і впровадженням розробок здобувача.

Особистий внесок здобувача складається в обґрунтуванні загальної концепції роботи, формулюванні цілей і задач досліджень, розробці математичних моделей та критеріїв стійкого формування швів при ЕПЗ товстостінних конструкцій, аналізі та узагальненні результатів експериментально-теоретичних досліджень. Перевірка адекватності результатів теоретичних досліджень гідродинамічних процесів у парогазових каналах великої глибини реальним умовам ЕПЗ та розробка на їх основі нових технологічних процесів ЕПЗ металів великої товщини виконувалися особисто автором.

Наукові та практичні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно або у співавторстві, у відповідності з публікаціями, в яких автору належить таке: у роботах [1,2] --результати досліджень особливостей власних коливань рідкого металу в парогазових каналах великої глибини та їх зв'язок з формуванням кореневих дефектів у зварних з'єднаннях; [3] -- проведення експериментальних досліджень впливу поздовжніх коливань електронного пучка на формування швів глибиною до 60 мм; [4] -- технологія ЕПЗ великогабаритних вакуумних камер; [5-7, 11-13] -- техніка та технологія ЕПЗ металів великої товщини із замиканням швів; [8,19,23] -- методика та результати досліджень особливостей ЕПЗ різнорідних металів великої товщини; [9,10] -- технологічні пропозиції щодо ЕПЗ прецизійних виробів; [14,18,25-27,29,30,32] -- проведення експериментальних досліджень і опрацювання режимів ЕПЗ компонентів газових турбін; [15-17] -- результати аналізу промислового використання електронного променя для зварювання та обробки поверхонь у промисловості; [20-22,24,28,36,37] -- проведення експериментальних досліджень параметрів іонного струму плазми при ЕПЗ; [31,34] -- результати досліджень взаємозв'язку геометрії шва та параметрів іонного струму плазми при ЕПЗ; [33] -- технологічні пропозиції в галузі зварювання шестерень великого діаметра; [35] -- проведення експериментальних досліджень ЕПЗ металів товщиною 50...130 мм; [38] -- методика та результати експериментів по стабілізації глибини проплавления при ЕПЗ; [39-41,44] -- перевірка технологічних схем при ЕПЗ металів великої товщини; [42, 48] -- обґрунтування методики перевірки пропозицій у промисловості; [43] -- технічні пропозиції щодо зміни відхиляючої системи гармати; [45, 47] - обґрунтування концепції установки та технологічного оснащення для ЕПЗ тіл обертання; [46, 49] - конструкція зварного з'єднання тіл обертання та технологія їх зварювання.

У дисертації також узагальнені результати експериментальних досліджень особливостей формування пародинамічних каналів великої глибини, виконаних автором спільно із співробітниками фірм "Framatome", "Airbus", "K+S Services", "Alcoa", WBC і HBC. Випробування на міцність зварних з'єднань з високоміцних алюмінієвих сплавів виконували на фірмах "Airbus" та "Alcoa", аналіз результатів та відповідне коригування технологічних процесів провадилися здобувачем.

Апробація роботи. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародних конференціях з електронно-променевих технологій (Варна, Болгарія, 1985, 1988, 1991 рр.), на Міжнародній конференції з потужних електронних пучків (Сан-Дієго, США, 1988 р.), на 7-, 8-, 10- та 11-й всесоюзних конференціях з електронно-променевого зварювання (1981-1991 рр.), на міжнародних симпозіумах з електронно-променевого зварювання та покриттів (Тампере, Фінляндія, 1989, 1991 рр.), на міжнародних конференціях з електронно-променевих технологій (Стратфорд, Англія, 1990 р., Карлсруэ, ФРН, 1991 р.), на Міжнародній технологічній конференції (Айова, США, 1998 р.), на Міжнародній конференції із зварювання електронними та лазерними променями (Тулон, Франція, 1998) р., а також на науково-технічних семінарах ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 49 робіт, у тому числі 37 статей в академічних журналах, збірниках наукових праць та матеріалів конференцій, отримано 12 авторських свідоцтв.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота містить вступ, 6 розділів, загальні висновки, список використаної літератури (240 найменувань). Роботу викладено на 351 сторінці, включаючи 24 таблиці та 133 малюнка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи та визначено основні задачі, які необхідно вирішити для її досягнення. Описано об'єкт і методи дослідження, відзначені наукова новизна та практичне значення отриманих результатів із зазначенням особистого внеску автора.

У першому розділі проаналізовано відомі теоретичні й експериментальні дослідження формування швів при ЕПЗ металів великої товщини. Розглянуто основні уявлення про взаємодію електронного пучка та зварюваного металу у парогазовому каналі, викладені у працях К.Штейгервальда, Ю. Арати, О.К. Назаренка, У. Дилтея, Г.І. Лєскова, З. Шиллера, наведено відомі технологічні рішення, що дозволяють підвищувати стійкість формування зварних з'єднань. До таких рішень перш за все належать спосіб ЕПЗ горизонтальним пучком на вертикальній стінці, запропонований Н.А.Ольшанським, використання формуючих і утримуючих метал ванни кристалізаторів, застосування різноманітних розгорток електронного пучка та систем керування положенням фокуса пучка. Із збільшенням товщини зварних заготовок різко зростають труднощі в одержанні швів без дефектів, що стримує промислове застосування ЕПЗ товстостінних конструкцій. Особливо це виявляється при зварюванні кільцевих з'єднань, де необхідно замикати шви. На момент постановки даної роботи проблему ЕПЗ замкнених швів великої товщини взагалі не було вирішено.

На основі аналізу сучасного рівня теоретичних розробок та технологічних процесів ЕПЗ у дисертації обґрунтовано висновок про доцільність продовження досліджень умов підвищення стійкості формування глибоких парогазових каналів і, отже, якості зварних з'єднань.

Другий розділ присвячено теоретичним дослідженням особливостей руху рідкого металу в зварювальній ванні при ЕПЗ металів великої товщини. Встановлено, що при зварюванні рівномірно рухомим електронним променем на поверхні розплаву в середині парогазового каналу під дією сили реакції віддачі, що виникає при випаровуванні атомів металу зі стінок каналу в результаті взаємодії з електронами пучка, утворюються збурення у вигляді капілярних хвиль. На той час вважали, що в каналах малої глибини подібні збурення, неодноразово згадувані в літературі, носять скоріше стохастичний характер. Встановлено, що у випадку каналів великої глибини вони мають більш регулярну, хвильову структуру, що характеризується дискретним спектром власних частот коливань. Показано, що капілярні хвилі проявляються в експериментах при ЕПЗ металів великої товщини у вигляді періодичних виносів розплавленого металу на поверхню зварного шва.

Оскільки із зростанням глибини проплавлення збільшується обсяг розплавленого металу, який бере участь у процесі масопереносу в зварювальній ванні, вплив гідродинамічних процесів на стабільність глибоких парогазових каналів зростає порівняно із каналами малої і середньої глибини. Для аналізу руху розплаву в зварювальних каналах великої глибини, що характеризуються малим (порівняно з глибиною каналу H) діаметром d, використовували відому з гідродинаміки аналогію -- рух потоку рідини при поперечному обтіканні довгого тіла обтічної форми. При цьому через невелике значення коефіцієнта кінематичної в'язкості рідкого металу (1·10^-3 1·10^-2 см²/с) при високих температурах рух розплаву вздовж стінок парогазового каналу вважали бездисипативним, при якому в'язкість приймали відмінною від нуля лише при розрахунку згасання коливань розплаву в зварювальній ванні.

У встановленому режимі зварювального процесу при ЕПЗ металів великої товщини рух розплавленого металу по передній та бокових стінках парогазового каналу можна вважати безвихровим. Як відомо, безвихрова течія є також потенційною, тобто такою течією, яка описується єдиною функцією, названою потенціалом швидкостей. У кожній точці простору потенціал швидкостей зв'язаний з компонентами вектора швидкості V таким співвідношенням: V_i=/х_і, де x_i - просторові координати (i=1,2,3).

Із умови безперервності нестисненої рідини, якою є розплавлений метал,

(1)

випливає, що потенціал швидкостей має задовольняти рівнянню Лапласа у всьому обсязі розплаву:

, (2)

де =²/x_i² - оператор Лапласа.

Оскільки перш за все інтерес представляють збурення, що виникають на поверхні розплаву при його русі по стінках парогазового каналу, досить застосувати динамічний підхід при дослідженні особливостей руху розплавленого металу в зварювальній ванні. Для цього проведено аналіз руху розплаву за допомогою теорії малих збурень з урахуванням балансу маси речовини, яка бере участь у русі, що у випадку розплаву виражається через рівняння безперервності (1). Цей метод дозволяє, не вирішуючи самого рівняння руху розплаву, що у даному випадку є нелінійним, досліджувати його на стійкість у лінійному наближенні. При цьому збурений потенціал швидкостей представлено у вигляді суми незбуреного потенціалу ₀ і малої добавки (збурення) :

. (3)

Поряд з рівнянням Лапласа (2) мала добавка потенціалу швидкостей також повинна задовольняти динамічній та кінематичній граничним умовам на внутрішній поверхні парогазового каналу (r = R), що мають такий вигляд:

, , (4)

де та -- відповідно щільність та коефіцієнт поверхневого натягу рідкого металу; p_c - різниця між збуреним і незбуреним тиском на поверхні розплаву в каналі; R_s та R - радіуси кривизни відповідно збуреної і незбуреної поверхні розплаву в каналі; -- амплітуда збурення поверхні розплаву в каналі; r -- радіус циліндричних координат, t - час.

Вирішивши задачу мінімізації площі поверхні розплаву в каналі, одержуємо вираз для збуреного радіуса кривизни R_s з точністю до членів першого порядку по :

, (5)

де та z -- відповідно азимутальний кут та висота в циліндричних координатах. Мінус у рівнянні (5) враховує негативну кривизну поверхні каналу.

Рішення рівняння Лапласа (2) разом з виразами (4) і (5) шукали в циліндричних координатах (r, , z) у вигляді стоячої хвилі з урахуванням граничних умов по z

, (6)

де Re -- дійсна частка; k -- хвильовий вектор; m = 0,1,2,...-- ціле число, що позначає моду (вид) власних коливань; _m -- частота m-тої моди власних коливань розплаву; M_m(kr)=A_mI_m(kr)+B_mK_m(kr) -- лінійна комбінація з модифікованих функцій Бесселя 1- та 2-го роду; A_m та B_m -- коефіцієнти, що визначаються граничними умовами.

У результаті отримано дисперсійне співвідношення для капілярних хвиль на внутрішній поверхні парогазового каналу:

, (7)

де C_m=C_m(k,R,R²) -- множник, що залежить від хвильового вектора k, параметрів парогазового каналу R і R₂ та визначається за такою формулою:

, (8)

де I_m(kr), K_m(kr) та I'_m(kr), K'_m(kr) -- модифіковані функції Бесселя відповідно 1- та 2-го роду та їх похідні.

Дисперсійне співвідношення (7) вказує на те, що коливання розплаву в парогазовому каналі можуть реалізовуватися через різні моди. Так, нульовій моді m = 0 відповідають осесиметричні коливання внутрішньої поверхні парогазового каналу типу перетяжок і розтягів, а першій моді m = = 1 -- коливання типу зсувів і вигинів уздовж деякого виділеного напрямку, наприклад, напрямку зварювання. Зокрема, з дисперсійного співвідношення (7) випливає, що частота нульової моди коливань стає суто уявленою величиною при kR<1, оскільки ₀²<0. Це означає, що рішення (6) єкспоненціально наростатиме в часі, що свідчить про нестійкість нульової моди в низькочастотній області спектра коливань розплаву. Реалізація більш високих мод з m 2 коливань розплаву малоймовірна на практиці через їх складну симетрію.

Іншою характерною рисою коливального спектра є наявність великої кількості дозволених гармонік для всіх мод коливань розплаву, тобто кожній моді коливань розплаву в парогазовому каналі кінцевої глибини відповідає цілий набір власних частот. Подібна дискретність спектра власних коливань розплаву випливає з того, що потенціал швидкостей , поряд з рівнянням Лапласа, також має задовольняти граничним умовам на дні і нагорі парогазового каналу

, , (9)

де H -- глибина каналу; V_z -- z-та компонента швидкості розплаву на поверхні зварювальної ванни.

Через те, що верхня частина парогазового каналу являє собою вільну поверхню, а нижня частина при некрізному проплавленні замкнена, уздовж усієї довжини каналу повинна укладатися певна кількість довжин хвиль відповідно до формули

, (10)

де n = 1,2,3...-- номер гармоніки коливань, що приймає цілі значення, а k_n -- хвильовий вектор n-тої гармоніки коливань. З формули (10) випливає, що щільність спектра зростатиме із збільшенням глибини проплавлення, оскільки інтервал між сусідніми гармоніками обернено пропорційний глибині каналу: k_n = /H. Таким чином, власні коливання розплаву в парогазовому каналі великої глибини можуть відрізнятися як за формою, так і за частотою. Зокрема, наявність великої кількості дозволених гармонік коливань для довгого парогазового каналу пояснює труднощі, зв'язані зі стабілізацією каналів великої глибини.

Встановлено, що оскільки в зварювальному процесі завжди є виділений напрямок, зв'язаний із рухом електронного променя (чи виробу), а зварювальна ванна симетрична щодо площини зварювання, то при зварюванні рівномірно рухомим електронним променем перш за все збуджуватиметься мода m = 1 власних коливань розплаву в парогазовому каналі. Для першої моди коливань розплаву дисперсійне співвідношення приймає такий вигляд:

, (11)

де ₁ - частота першої моди власних коливань розплаву; C₁ = C₁(k,R,R₂) -- коефіцієнт, що визначається за формулою (8) при m = 1.

На Рис.1 і Рис.2 наведено залежності коефіцієнта C₁ від безрозмірного параметра kR та відповідні їм спектри першої моди коливань розплаву алюмінію в парогазовому каналі глибиною H = 120 мм і зовнішнім радіусом R₂ = 3 мм для таких співвідносин внутрішнього і зовнішнього радіусів каналу R/R₂=0,6; 0,7; 0,8 та 0,9. З рисунка видно, що із збільшенням безрозмірного параметра kR коефіцієнт C₁ спочатку зменшується як C₁1/kR, досягаючи свого мінімального значення поблизу kR = 1, а потім зростає, наближаючись до одиниці: C₁1 при kR>>1. Це означає, що спектр першої моди коливань розплаву в парогазовому каналі при kR<1 є лінійним по k: ₁k, а при kR>>1 описується ступеневим законом: ₁k ^3/2.

Окрім того, при фіксованому зовнішньому радіусі R₂ коефіцієнт C₁, а з ним і частота ₁, зростають у довгохвильовій області спектра коливань зі збільшенням товщини шару рідкого металу на стінках парогазового каналу.

Згасання капілярних хвиль у короткохвильовій області (kR>1) спектра власних коливань зумовлено енергетичними втратами на вільній поверхні розплаву усередині парогазового каналу. При цьому коефіцієнт загасання коливань розплаву визначається відповідно до формули = 2k², яка з урахуванням рівняння (11) приймає такий вигляд:

, (12)

де - кінематична в'язкість розплаву.

Таким чином, через дисперсію коефіцієнта згасання капілярних хвиль = () високочастотні гармоніки з n>>1 власних коливань розплаву в парогазовому каналі послабляються сильніше за низькочастотні з n 1. В результаті найбільшою амплітудою відрізнятиметься перша гармоніка n=1 коливань розплаву в каналі ₁₁, що має найменшу частоту. Подібні низькочастотні коливання розплаву в парогазовому каналі виявляються при ЕПЗ металів великої товщини у вигляді валиків із застиглого металу на поверхні зварного шва (Рис.3, a). Так, частота винесення розплаву на Рис.3, a складає приблизно 0,33 Гц, а частота першої гармоніки власних коливань розплаву, відповідно до формули (11), дорівнює 0,30 Гц. Видно, що ці два значення з великою точністю збігаються.

Із збільшенням товщини зварюваних матеріалів хвильові вектори k_n зменшуються відповідно до формули (10). При цьому зменшується і коефіцієнт згасання , що призводить до зростання амплітуди низькочастотних гармонік першої моди власних коливань розплаву в парогазовому каналі. Окрім того, зі зменшенням швидкості зварювання при ЕПЗ матеріалів великої товщини може відбуватися збурення низькочастотних коливань нульової моди (m = 0), які є нестійкими із зростаючою в часі амплітудою. Подібні коливання поверхні розплаву призводять до нестабільності зварювального процесу і, як наслідок, -- до утворення різного роду дефектів у зварних швах.

Використання поздовжньої розгортки електронного променя дозволяє збуджувати стійку першу моду (m = 1) коливань розплаву в каналах великої глибини, придушуючи при цьому нестійку нульову моду (m = 0). У результаті цього вдається зменшити амплітуду коливань розплаву в парогазовому каналі і завдяки цьому підвищити гідродинамічну стабільність каналів великої глибини, що виражається у більш рівномірному формуванні зварного шва (Рис.3,b).

У третьому розділі наведено результати досліджень взаємозв'язку між збуреннями поверхні рідкого металу, що виникають на передній стінці парогазового каналу, та формуванням кореневих дефектів у процесі ЕПЗ металів великої товщини. Показано, що в каналах глибиною понад 100 мм великий вплив на утворення кореневих дефектів має відбиття електронного пучка від збуреної поверхні розплаву на передній стінці каналу.

Коливання розплаву в парогазовому каналі викликають коливання кута взаємодії електронів пучка з поверхнею розплаву на передній стінці каналу. Відомо, що передні стінки глибоких каналів у сталому стані мають на половині глибини проплавления нахил у 1…2. Такі малі кути зустрічі електронів пучка з поверхнею тонкого шару розплавленого металу впливають не лише на процеси плавлення і випаровування металу, але й на відбиття первинних електронів. Як показують експериментальні дані по дифракції електронів, коефіцієнт відбиття електронів від поверхні металу зменшується зі збільшенням кута зустрічі електронів з поверхнею, особливо при малих кутах падіння. Тому навіть невеликі зміни кута взаємодії електронів пучка з елементами передньої стінки можуть викликати значні зміни кількості відбитих електронів. Це призводить до того, що частка електронного пучка, яка досягає дна парогазового каналу, змінюватиметься в ході зварювального процесу, що спричиняє утворення піків проплавлення в зварних з'єднаннях і зв'язаних з ними дефектів.

На Рис.4 схематично зображені довгохвильові збурення поверхні розплаву, що відповідають збільшенню (a) і зменшенню (b) кута взаємодії електронного пучка з передньою стінкою каналу. З рисунка видно, що при збільшенні кута падіння частка відбитих електронів потраплятиме на нижню частину задньої стінки каналу (Рис.4,a), в той час як при зменшенні кута падіння _--> значна частка електронів досягатиме кореня каналу (Рис.4,b). Очевидно, що безпосереднє влучення частки електронів у корінь каналу призводить до виділення додаткової теплової енергії на дні каналу і, отже, до збільшення локальної глибини проплавлення. Таким чином, глибина проплавлення мінятиметься в ході зварювального процесу з частотою, яка дорівнює частоті власних коливань розплаву в каналі

На Рис.5,a представлено фотографію поздовжнього макрошліфа зразка низьколегованої сталі 12CrMo товщиною близько 120 мм, звареного рівномірно рухомим електронним пучком. У нижній частині зварного шва видно піки глибини проплавлення і кореневі дефекти. Аналіз амплітуди піків проплавлення показав, що частота їх появи в зварних швах f_exp з гарною точністю збігається з частотою f₁ найнижчої гармоніки власних коливань розплаву в каналі, що має найбільшу амплітуду. Дійсно, на Рис.6 наведено результати Фур'є аналізу амплітуд піків проплавлення, зображених на Рис.5,a у вигляді залежності квадрата амплітуди Фур'є образа від частоти I =A²(f). Така залежність зручна тим, що вона дає уявлення про інтенсивність аналізованого процесу. Як видно з рисунка, в субгерцовій області спектра є ряд піків великої інтенсивності. З усіх піків Фур'є образа, представлених на Рис. 6, виділяється широкий пік максимальної амплітуди, положення якого відповідає частоті f_max0,74 Гц. Це означає, що основне розсіювання потужності електронного пучка відбувалося саме на цій частоті. Порівняння даного значення зі значенням частоти f₁ першої гармоніки власних коливань розплаву, розрахованої за формулою (11) для парогазового каналу розмірами 120 мм, показує, що добра узгодженність експериментальних даних з теоретичними розрахунками виходить при внутрішньому радіусі парогазового каналу R 1 мм. У цьому випадку значення частоти f₁ складає приблизно 0,73 Гц, що збігається із значенням частоти коливання глибини проплавлення, наведеної на Рис.5,a: f₁f_max.

На Рис.5,b зображено поздовжній макрошліф того ж зразка, що і на Рис.5,a, але вже з застосуванням поздовжньої (уздовж напрямку зварювання) розгортки електронного променя з частотою f = 133 Гц і амплітудою A = 3 мм. Кореневі дефекти в зварному шві відсутні. Отриманий результат можна зрозуміти в рамках моделі взаємодії скануючого електронного пучка з передньою стінкою парогазового каналу.

На Рис.7 представлені короткохвильові збурення розплаву у вигляді капілярних хвиль на передній стінці каналу. Термін "короткохвильові" означає довжину хвилі збурення меншу за проекцію радіуса зосередженості електронного пучка r_e на передню стінку: <r_e/sin. Наявність подібних збурень на передній стінці каналу призводить до того, що поверхня розплаву на ній розпадається на зони з підвищеним кутом падіння ₊> електронного пучка (виділені товстими лініями на рисунку) та зони зі зниженим кутом падіння _--< (позначені тонкими лініями). Як видно з рисунка, зони з підвищеним кутом падіння в проекції на вісь зварювання x практично перекривають увесь поперечний переріз електронного пучка.

Це означає, що ефективний кут взаємодії скануючого в поздовжньому напрямку електронного пучка з передньою стінкою збільшується. При збільшенні кута падіння електронів на поверхню рідкого металу коефіцієнт відбиття електронів зменшується, а коефіцієнт поглинання збільшується. У результаті збільшення кута взаємодії скануючого електронного пучка з передньою стінкою більша частка (аніж у випадку рівномірно рухомого електронного пучка) електронів поглинається розплавом на передній стінці і, відповідно, менша кількість первинних електронів відбивається у корінь каналу. Це призводить до набагато меншого коливання глибини проплавления у ході зварювального процесу і більш рівномірного формування зварного шва при використанні розгортки електронного променя.

З метою уникнення коливань кута падіння електронів на передню стінку парогазового каналу, що викликають коливання глибини проплавлення в ході зварювального процесу, розгортку електронного променя необхідно здійснювати з паралельним переміщенням, як це показано у розділі 5. У цьому випадку кут взаємодії скануючого електронного пучка з елементами передньої стінки залишатиметься постійним, що обумовлює стійкість протікання зварювального процесу.

Окрім того, використання розгортки електронного променя дозволяє знизити усереднену концентрацію енергії пучка, що приходиться на одиницю площі стінок парогазового каналу, і тим самим зменшити рівень збурень поверхні розплаву на передній стінці каналу.

На Рис.8 представлено просторовий розподіл усередненої за періодом нормованої щільності потужності q/q₀ електронного пучка, розрахований для розгортки електронного променя одночасно у двох напрямках: уздовж осі зварювання x, у формі симетричної пилки з амплітудою A = (0,1,2,4)r_e, де r_e -- радіус зосередженості пучка, та уздовж перпендикулярної осі y у вигляді синусоїдальних коливань y(t)=Asint. Усі розподіли щільності потужності на рисунку нормовані таким чином, щоб об"єм під кожною з двовимірних поверхонь дорівнював одиниці:

, (13)

де q₀ -- повна потужність пучка. Статичний електронний пучок, зображений на верхній лівій чверті рисунка, має Гаусовий розподіл щільності потужності.

Як свідчить рисунок, із зростанням амплітуди сканування електронного променя одночасно вздовж двох осей відбувається більш сильне, аніж у випадку лише поздовжнього сканування пучка, просторове розосередження пучка, і він перестає бути Гаусовим. Внаслідок цього максимальне значення усередненої щільності потужності електронного пучка значно зменшується порівняно із щільністю потужності на осі статичного пучка. Так, наприклад, при амплітуді сканування A=2r_e максимальне значення усередненої щільності потужності скануючого електронного пучка стає меншим за значення щільності потужності статичного пучка приблизно в 4 рази. Це призводить до зменшення усередненої потужності електронного пучка, який надходить у корінь каналу, що спричиняє зниження амплітуди піків проплавлення та значне скорочення кількості кореневих дефектів у зварних швах.

Разом з тим, при малих амплітудах сканування електронного променя, застосовуваних у технології ЕПЗ металів великої товщини, зменшення глибини проплавления не відбувається, оскільки в цих умовах збільшуються розміри каналу, падає тиск пари металу і зменшується розсіювання електронного пучка усередині каналу. При великих амплітудах сканування променя A>2r_e зафіксовано зменшення усередненої щільності потужності пучка, що незмінно спричиняє зменшення глибини проплавлення.

Окрім цього, скануючий електронний промінь створює на стінках парогазового каналу стійкі збурення у вигляді капілярних хвиль малої амплітуди (A<<, де -- довжина хвилі), які не дають можливості розвиватися нестійким збуренням розплаву. У цьому випадку частота розгортки електронного пучка має бути такою, щоб рух пучка не викликав істотних змін у розподілі температури в парогазовому каналі. Оцінка швидкості протікання теплових процесів у парогазовому каналі показує, що частота коливань електронного променя має бути більшою за зворотний час поширення тепла у середовищі: f>1/t₀=4/r_e², де -- коефіцієнт температуропровідності матеріалу. Так, для алюмінію при радіусі пучка r_e = 3(1·10^-1…1·10^-2) см частота розгортки складатиме f_Al4(1·10…1·10³) Гц. Для титану це значення буде на порядок меншим: f_Ti 4(1…1·10²) Гц. Таким чином, для більшості матеріалів при зварюванні електронним пучком (r_e0,1 см) частота розгортки має бути більшою за 50 Гц.

Через дисперсію коефіцієнта згасання частота розгортки електронного променя не може бути занадто великою, оскільки із збільшенням частоти згасання коливань розплаву в парогазовому каналі зростатиме, а, отже, амплітуда коливань зменшуватиметься. Це призведе до того, що вплив скануючого з високою частотою електронного променя на процеси коливання в каналі буде нівелюватися. Як показано в наступних розділах, оптимальна частота розгортки електронного променя, яка використовується на практиці при зварюванні різних матеріалів, складає 100…200 Гц.

Четвертий розділ містить дані про дослідження впливу просторової орієнтації зварювальної ванни на стійкість парогазових каналів великої глибини (від 100 мм і вище). Як відомо, у стійкому парогазовому каналі гідростатичний тиск розплаву разом з тиском Лапласа компенсується тиском віддачі і тиском газу, а також парів металу усередині каналу. Зі збільшенням глибини проплавлення гідростатичний тиск розплавленого металу на дно каналу також зростає. З іншого боку, у разі необхідності використання розгортки електронного променя при ЕПЗ сплавів великої товщини усереднена щільність потужності пучка на одиницю глибини каналу (а, отже, і тиск віддачі) падає. Протистояння цих двох ефектів призводить до того, що починаючи з певної глибини проплавления H_c тиск віддачі і тиск парів не можуть більше утримувати стовп рідкого металу в парогазовому каналі, і умова рівноваги розплаву в каналі порушуватиметься. Отже, парогазові канали глибиною H>H_c виявляються нестійкими відносно схлопування (тобто часткового чи повного заливання розплавленим металом), що незмінно призводить до утворення різного роду дефектів у зварних швах.

Встановлено, що для компенсації надлишкового гідростатичного тиску рідкого металу на дні парогазового каналу та запобігання порушенню умови рівноваги в каналах великої глибини (від 100 мм і вище) необхідно застосовувати ЕПЗ у похилому положенні шляхом просторової переорієнтації каналу під кутом до обрію. Цей же ефект можна одержати при зварюванні горизонтальним пучком, але досягти стійкого формування некрізних глибоких швів у цьому випадку дуже важко через витікання металу зі зварювальної ванни.

Показано, що на відміну від вертикального парогазового каналу у випадку похилого каналу слід враховувати вплив гравітації на малі збурення поверхні розплаву вже в першому наближенні. Динамічна гранична умова (4) для малої добавки потенціалу швидкостей у похилому каналі приймає такий вигляд:

, (14)

де g - прискорення сили тяжіння; -- амплітуда збурення; -- кут відхилення парогазового каналу від вертикального положення; -- азимутальний кут циліндричних координат.

У результаті вирішення рівняння Лапласа разом із граничною умовою (14) вдалося одержати верхню оцінку для частоти власних коливань розплаву в похилому каналі. У цьому випадку дисперсійне співвідношення для першої моди (m = 1) коливань розплаву має такий вигляд:

, (15)

де множник C₁=C₁(k,R,R₂) визначається відповідно до формули (8) при m = 1.

Таким чином, встановлено, що дисперсійне співвідношення (15) відрізняється від аналогічного співвідношення (11) для вертикального каналу наявністю члена kgsin у правій його частині. Зокрема, з дисперсійного співвідношення (15) випливає, що короткохвильові збурення поверхні розплаву усередині парогазового каналу носитимуть суто капілярний характер поза залежністю від кута нахилу каналу . З іншого боку, при малих хвильових векторах k переважаючим у співвідношенні (15) є гравітаційний член, а частота довгохвильових коливань розплаву в каналі визначається як

. (16)

Характер модифікації спектра коливань розплаву в парогазовому каналі при зміні його просторової орієнтації відображено на Рис.9. Як видно з рисунку, в короткохвильовій області (при великих k) спектри коливань розплаву в парогазовому каналі у вертикальному та горизонтальному положеннях збігаються. Однак у довгохвильовій області (при малих k) спектри коливань істотно різняться: частоти найнижчих гармонік власних коливань розплаву в похилому каналі значно підвищуються порівняно з відповідними частотами для вертикального каналу.

Встановлено, що визначальною в коливальному процесі є перша гармоніка (n = 1)

коливань розплаву в каналі, що має найбільшу амплітуду. Якщо у випадку вертикального каналу розмірами R=2; R₂=3 та H=120 мм частота першої гармоніки коливань розплаву алюмінію дорівнює f₁ 0,37 Гц, то для горизонтального каналу вона має значно більший рівень: f₁ 7 Гц.

Підвищення частоти нижніх гармонік коливань розплаву в горизонтальному каналі порівняно з вертикальним каналом призводить до того, що їх коефіцієнт згасання зростає для першої гармоніки більш, ніж у 4 рази. Відповідно, зменшення амплітуди власних коливань розплаву в горизонтальному каналі у порівнянні з амплітудою коливань розплаву у вертикальному каналі складає (/_¦)·(/_¦ )·(4,3(7/0,37) 80 разів.

На практиці зменшення амплітуди не є таким великим, і реальний спектр коливань розплаву в горизонтальному каналі лежить трохи нижче верхньої лінії графіка (Рис.9). Однак, як показує досвід, навіть менш значна модифікація спектра коливань виявляється достатньою для підвищення стабільності парогазового каналу.

Таким чином, при просторовій переорієнтації зварювальної ванни у полі сили тяжіння відбувається зміна спектра коливань розплаву, що полягає в збільшенні найменших власних частот коливань. Завдяки дисперсії коефіцієнта згасання капілярних хвиль подібна модифікація спектра коливань призводить до зменшення амплітуди нижніх гармонік коливань і, як наслідок, --до підвищення стабільності похилого парогазового каналу. У результаті цього ЕПЗ у похилому положенні площини стику дає можливість одержувати якісні зварні з'єднання металів великої товщини, чого не можна досягти за допомогою ЕПЗ у вертикальному положенні.

У п'ятому розділі наведено дані про використання способів підвищення стійкості формування швів при ЕПЗ низьколегованих сталей великої товщини.

Проводилися дослідження формування як основної частини швів при їх максимально можливій глибині із забезпеченням необхідної якості, так і формування швів в умовах замикання кільцевого шва. Особливістю другого етапу є безперервна зміна параметрів у міру виведення режиму ЕПЗ. При цьому відбувається зміна умов існування зварювальної ванни, що особливо критично на ділянці переходу від наскрізного до некрізного проплавлення. Експерименти показують, що на цій ділянці глибоких швів завжди присутні дефекти. Окрім цього, кореневі дефекти за несприятливих умов формування швів присутні й на інших ділянках по довжині їх замикання. Таким чином, при ЕПЗ обичайок великого діаметра якість ділянки замикання шва, що складає всього 4…6 % довжини основної частини стику, визначає придатність усього зварного з'єднання. Це висуває підвищені вимоги до технології замикання кільцевих швів.

Проведені роботи з ЕПЗ сталей товщиною 40…60 мм показали, що найкращого формування шва досягають при паралельних у поперечному перерізі стінках чи з їх слабким сходженням до кореня. Були отримані шви без дефектів глибиною 100…110 мм на зразках, розташованих у горизонтальній площині, з використанням вертикального пучка потужністю до 20 кВт. Подальше збільшення потужності у вертикальному пучку призводить до збільшення глибини шва, але при цьому погіршуються стабільність формування і якість шва. В цих умовах підвищення стійкості зварювальної ванни досягають шляхом вибору горизонтального розташування гармати та площини стику, що характеризується мінімальним впливом сили тяжіння на формування шва.

Однак при ЕПЗ заготовок товщиною 130 мм і більше у горизонтальному положенні стримати розплавлений метал ванни від витікання не вдається навіть при використанні формуючих підкладок з лицьового і зворотного боків шва. Це є причиною появи в зварних з'єднаннях великих дефектів різної довжини.

З метою підвищення стійкості формування швів та їх якості запропоновано спосіб ЕПЗ із нахилом як самого зварюваного виробу 1, закріпленого на зварювальному столі 2, так і електронно-променевої гармати 4, встановленої на маніпуляторі 3 (Рис.10). Спроби змінити просторове положення зварюваного виробу робилися і раніше в роботах японських дослідників та співробітників ІЕЗ ім.Є.О.Патона під керівництвом Г.І. Лєскова, однак результатів, придатних для промислового використання, отримано не було. У відомих роботах використовували такі кути нахилу площини стику, які не дозволяли повною мірою реалізувати переваги цього способу зварювання. Окрім цього, для одержання стійкого формування необхідно було застосовувати додаткові заходи, суть яких викладено нижче.

...