Материал: Управление электронно-лучевой сваркой
Глава 6
АНАЛИЗ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ ГЛУБИНЫ ПРОПЛАВЛЕНИЯ
Глубина проплавления - один из важнейших параметров сварно го шва. Поэтому стабилизация глубины проплавления является одной из задач управления электронно-лучевой сваркой. Наиболее распро страненным способом стабилизации является воспроизведение режи мов процесса, дающих заданную глубину проплавления. Причина тако го подхода связана с отсутствием эффективных универсальных спосо бов контроля глубины проплавления. Исключение составляет лишь способ контроля сквозного проплавления с использованием коллектора проникающих электронов. Сквозное проплавление сопровождается занижением шва и в ряде случаев не приемлемо. В этом случае прибе гают к расчетным или расчетно-экспериментальным способам контро ля, используя сигналы датчиков.
6.1. Анализ рентгеновского излучения сварочной ванны
Рентгеновское излучение сварочной ванны распределено по ка налу проплавления, поэтому, контролируя геометрические параметры зоны излучения, мы можем контролировать геометрические параметры канала проплавления.
При расчете рентгеновского излучения в канале проплавления необходимо учитывать его спектральный состав, зависимость интен сивности излучения от угла наклона обрабатываемой поверхности, поглощение электронов в парах металла, плотность распределения тока пучка по его сечению в канале проплавления, геометрические парамет ры канала проплавления.
Плотность тока по сечению пучка с достаточной точностью опи
сывается нормальным законом распределения: |
|
|
||||
. |
/ 0 |
(х-™ х)2 |
ехр |
(У - туУ |
(6. 1) |
|
/= — |
-— ехр |
2агх |
|
2о2у |
||
2паха |
|
|
|
|||
Математическая модель канала проплавления также может быть |
||||||
представлена в форме нормального закона [148]: |
|
|
||||
|
Г |
X2 1 |
~ |
,2 |
' |
|
|
Н = Н0 ехр |
ехр |
У |
|
( 6.2) |
|
|
. |
2ахк. |
. |
2ст^ _ |
|
|
Поглощение электронов в парах металла описывается формулой
|
|
|
/„ =/ехр[-ар(Я + А)]. |
|
|
(6.3) |
f% |
У |
- коэффициент поглощения; |
р - плотность пара; |
|||
где а = 2,4 10 (У |
|
|||||
Я - текущая глубина канала проплавления; А - |
высота парового столба |
|||||
над поверхностью обрабатываемого изделия. |
|
|
|
|||
Плотность |
пара |
связана с давлением |
в |
канале |
выражением |
|
3р |
/з£г |
- скорость молекул. |
_ |
|
, |
|
р = — , где с= |
----- |
С учетом |
этих формул |
|||
сV И
выражение для плотности пара примет вид
(6.4)
где рж - плотность жидкости (для А1 рж = 2,37 г/см3); ц - масса молекулы (для А1 \х= 44,8 • КГ24 г); к = 1,38 • КГ16; Т - температура, К\
g - ускорение свободного падения; rk - радиус канала проплавления; а - поверхностное натяжение.
Расчеты по формуле (6.4) при rk = 0,05 см, Я0 = 1,5 см дают
р = 2,76-КГ6 г/см3. Поглощение электронов, рассчитанное при .этих
условиях и U = 60 кВ, равно / п = 1 • 0,997.
Плотность пара в канале проплавления не является стабильной величиной. Она изменяется по периодическому закону. При малой плотности пара пучок фокусируется на дне канала, затем происходит взрывное вскипание металла, плотность пара увеличивается на 1-2 порядка, пучок расфокусируется и падающий поток энергии рас сеивается на стенки канала.
Распределение плотности тока при прохождении электронным пучком в парах металла пути Я + А может быть описано функцией Га
усса с эффективным радиусом [148]: |
|
|
а л(Я ) = а л(0)exp ^ |
]n (H )d H , |
(6.5) |
2 |
J* |
|
|
-h |
|
где п(Н) =—-----концентрация атомов; |
тА - масса |
атома (для AI |
тл - 44,82 10 24г); а - прямое эффективное электронное сечение
рассеяние на атом, определяемое выражением
(6.6)
z 3U 2
где Ui - потенциал ионизации атома (для А1 £/, = 5,98 В).
Для ориентировочных расчетов концентрацию атомов п(Н) можно считать постоянной по глубине канала, тогда высота столба hc выбирается такой, что рассеивание электронов с постоянной концен трацией п эквивалентно рассеиванию с реальным законом изменения концентрации по высоте.
Расчет, проведенный по формулам (6.5), (6.6) при р = 2,76-10"6,
п(Н) = const, дает стп( # 0) = а п(0)*1,4. Отсюда следует, что радиус
пучка при прохождении пара в канале высотой 1,5 см увеличивается в 1,4 раза, а поглощение электронов при этом практически отсутствует. Увеличение радиуса в 1,4 раза приводит к уменьшению плотности падающего потока в 1,96 раз. Для того чтобы столб расплава периоди чески спускался на дно канала необходимо, чтобы плотность пара пе риодически становилась ниже величины, рассчитанной по формуле (6.4).
Полагаем, что в первом приближении плотность пара в канале может быть описана гармоническим законом
P = P0+PmSin9, |
(6.7) |
где ф - фаза колебания канала.
Для оценки параметров необходимо знать падающий поток энергии. Предположим, что падающий поток энергии имеет плотность q2 = 4,7 106 Вт/см2 Известно, что плотность энергии должна превы шать критическую плотность q\ , в этом случае формируется канал
проплавления. Для А1 при U= 60 кВ q2= 3 • 106Вт/см2 [148], Щ- = 1,56.
Яг
Таким образом, исходная плотность энергии превосходит критическую в 1,56 раза. Изменение плотности происходит за счет рассеивания элек тронов на парах металла. Можно рассчитать по формуле (6.5) критиче
скую плотность паров р*, при которой увеличение радиуса будет в
д/1,56 = 1,25 раза:
р* = 2,04-1 O'6.