Сварка в машиностроении.Том 1 (1041435), страница 104
Текст из файла (страница 104)
В технической литературе высказываются различные предположения о механизме образования кратера, часто диаметрально противоположные. Связано это с большими трудностями, возникающими при постановке экспериментов по выяснению механизма возникновения и устойчивого существования кратера, и, кроме этого, нет ясности в роли силовых факторов, действующих на расплавленный металл при глубинном проплавлении.
Наблюдения за процессом сварки и теоретические расчеты позволяют получить некоторые представления о процессе сварки электронным лучом с глубоким проплавлением. В начальной стадии при неподвижном луче наблюдается образование углубления в металле в виде конуса (рис. 73). Конус проплавления образуется следующим образом: по мере достижения заданной мощности и фокусирования вся энергия луча сосредоточивается в поверхностном слое свариваемого металла, толщина которого равна глубине проникновения электронов в металл. При этом площадь пятна нагрева равна площади сечения луча, и плотность энергии на по- а) ~0 Рис. 73. Образование зоны проплавления при неподвижном луче: а — распределение энергии в луче; б — форма проплавления; в — распределение энергии луча в зоне расплавления верхности металла максимальна.
Эксперименты показывают, что в начальнои стадии нагрева неподвижным лучом наблюдается интенсивный вынос жидкого металла из зоны нагрева. В металле образуется углубление в виде конуса, боковая поверхность которого значительно больше площади основания конуса, вследствие чего плотность энергии луча на его боковой поверхности уменьшается. Установившаяся плотность энергии на боковой поверхности конуса проплавления имеет такую величину, при которой размеры кратера не изменяются.
Исследования кратеров проплавления при неподвижном луче показывают, что стенки кратера имеют весьма тонкий слой жидкого металла, толщина которого для стали не превышает 0,15 мм. Процессы, происходящие в кратере, представляются весьма сложными. Интенсивная электронная бомбардировка металла на передней стенке кратера, сопровождающаяся значительным перегревом металла, высокие скорости кристаллизации металла на задней стенке кратера, обусловливающие высокие градиенты температур, наличие паров и газов в канале кратера и взаимодействие их с электронами пучка, приводящее к пульсирующему подводу энергии в кратер, сложные перемещения жидкого металла в кратере, вызывающие недостаточно качественное формирование металла шва на некоторых режимах, и ряд других явлений затрудняют изучение этого процесса.
Выяснение характера переноса металла в кратере и сил, участвующих в этом переносе, имеет большое значение для понимания процессов, происходящих прн 420 Специальные виды сварки 421 Электронно-лучевая сварка 1 — электронный луч; 2 — передняя стенка кратера; а — зона кристаллизации; 4 — путь движения жидкого металла; л — направление сварки о Р=Рз —— г' (25) электронно-лучевой сварке. Экспериментально установлено, что при движущемся луче плавление металла происходит на передней стенке кратера, после чего расплавленный металл перемещается к задней стенке, не подвергающейся нагреву электронным лучом, где он и кристаллизуется.
До последнего времени не было единства мнений в вопросе о путях перемещения жидкого металла в кратере: в литературе можновстретить мнения, что перенос металла в кратере происходит в основном через дно сварочной ванны. Результаты экспериментов показывают (рис. 74), что перенос металла в зону кристаллиаации происходит по стенкам кратера, так как при эксперименте происходило сквозное проплавление пластины и ванна 1 дна не имела. Установление факта переноса жидкого металла по стенкам кратера является весьма важным для практики электроннолучевой сварки, так как дает возможность использовать его для улучшения качества сварного соединения и повышения производительности. Важным также является выявление сил, под действием которых происходит перемещение жидкого металла в кратере.
Теоретический анализ показывает, что действием известных сил (давление потока электронов, электромагнитные силы, реакция паров металла, статическое давление паров) нельзя объяснить перемещение металла в кратере. Силы, перемещающие жидкий металл в кратере, возникают в результате неравномерного распределения температур в кратере. На передней стенке краРис.
74. Схема переноса жидкого тера, которая подвергается воздействию металла при электронно-лучевой электронного потока, температура в по- сварке: верхностном слое может достигать температуры кипения металла; на задней стенке кратера температура близка к температуре кристаллизации. Вследствие температурного градиента создаются условия, при которых металл может транспортироваться из зоны нагрева в зону кристаллизации под действием сил поверхностного натяжения. Известно, что сила поверхностного натяжения зависит от температуры.
Чем больше температура, тем меньше сила поверхностного натяжения. Поэтому при наличии градиента температур на поверхности жидкого металла появляется сила (направленная тангенциально к поверхности), величина которой определяется градиентом поверхностного натяжения Р1 —— дгаб о. Она стремится привести поверхность жидкости в движение в направлении от места с меньшим к местам с большим поверхностным натяжением; жидкий металл должен перемещаться от больших к меньшим температурам, т.
е. в нашем случае от передней к задней стзнке кратера. Расчеты показывают, что в процессе сварки за счет термокапиллярного эффекта переносится около 20оз металла. Основной перенос жидкого металла осуществляется из-за разности давлений, вызванных различным поверхностным натяжением в зоне плавления и кристаллизации, Давление под поверхностью жидкого металла определяется уравнением где ро — давление над поверхностью жидкости; г — радиус кривизны пленки в сечении, перпендикулярном оси кратера. Можно принять давление пара в кратере одинаковым по всему сечению, перпендикулярному оси кратера, рз = сопз1 и г„, = г р г. Учитывая, что Тпл > ) Т и о ( о из уравнения (25) следует, что рпл ) рк,т.
е. давление кр и пл кр под поверхностью жидкого металла на фронте плавления больше, чем на фро кристаллизации. Значит, за счет наличия градиента температур и поверхностного натяжения свободной поверхности пленки в поперечном сечении кратера металл будет перемещаться из зоны плавления в зону кристаллизации под действием разности давлений под поверхностью расплава акр — Опл ЛО ЛР=Рпл Ркр= (26) Расход металла определится выражением (27) 12. Данные о затратах энергии при различных видах сварки Вид сварки Дуговая сварка плавящимся электродом в аргоне . Дуговая сварка вольфрамовым электродом в аргоне Электронно-лучевая сварка 76 Рис. 75.
Зона проплавления при аргоно- дуговой В и электронно-лучевой сварке А 3,2 7,3 где 11 — коэффициент динамической вязкости жидкости; Ь вЂ” толщина пленки; Й вЂ” глубина проплавления. Из анализа продольных и поперечных макрошлифов швов следует, что градиент температур в кратере в плоскости движения луча и ширина шва различны на разных уровнях проплавления (по толщине пластины), поэтому, строго говоря, толщина пленки и расход расплавленного металла изменяются с изменением глубины проплавления. Характерной особенностью сварки электронным лучом является возможность получения сварных соединений при минимальных затратах энергии на расплавление металла.
Из табл, 12 следует, что при электронно-лучевой сварке требуется в 10 — 15 раз меньше энергии, чем при дуговой. На рис. 75 приведен макрошлиф, иллюстрирующий соотношение площадей зон проплавления, полученных при дуговой и электронно-лучевой сварке. Из макрошлифа следует, что площадь зоны проплавления при электронно-лучевой сварке примерно в 25 раз меньше, чем при дуговой. Из стно что в процессе сварки методами плавления основной металл, прилеве т ч к й тающий непосредственно к зоне шва, подвергается своеобразной термичес о Специальные виды сварки Электронно-лучевая сварка 423 обработке, в результате чего в зоне термического лизация и р ст .
Эт о зерна. о вызывает ухудшение фи. р ческого влияния наблюдается рекристал- О б температур на основн " р инения. со енно опасно ли д тельное воздействие высоких р р у тенитнои стали, сплавов циркония ои металл при сва ке а с угих металлов, склонных при наг еве к У снижению корр~жжной й В ысокая концентрация энергии в л че об с мннимальн " р у о еспечивает получение швов не только ьнои зонои расплавленного металла, но и соединени" в околошовной зоне не претер иненин, металл которых минимального количества тепла и з терпевает значительных изменений " вследствие ввода т пла и значительных скоростей охлаждения. сутствие значительной по протяженности зоны те мич чает недостатки возникаю р ического влияния исклюнением физико-механическ х й щие при эксплуатации конст к ру цнй, вызванные измеких сво ств металла в околошовной зоне. 75 Конструкции, выполненные проплавленными швами: а, б— — вварка герметичных переГОРодок в ТРУбы; в — сварка двух тРУб: в — сварка листов; Л вЂ” при.
ста м ваРка гоФРированной вставки к ли- г) Глубокое проплавление металла при мал " при сварке электронным лучом, обусловливает зн Отвода тепла От зоны с ар б зации малой по объему с в ки, что о еспечивает велич у ение скорости кристаллистроения металла ш у сварочнои ванны с пол че учением мелкокристаллического металла. ва, по своим свойствам мало отличающегося от основного Ввод значительно меньшего количества тепла им лучевой сварке дает в тепла, имеющего место прн электронно- по сравнению с дуговым способом сва к Образование остаточных деформаций в сварных конст к ия ловыми процессами — распределе и и хлажде ие сварного соед Из рукции увели ение инения.
Известно что в б погоннои энергии приводит к меньшению ос мации. Поэтому согласно результатам работ Г. А. Ник таких методов сва к де ормациями сварных кон р онструкцни является применение тепла, обеспечивающие рки, при которых использ ют боле у е сосредоточенные источники М минимальную зону с аспла се, р ргии на значительные расстояния сечение луча, перенос эне г швов с малой площадью расплавле Ф возможность выполнен, б енного металла обеспечивают «ен, б р ных видов сварных соединений «ения новых, более сове шен Сварка электронным лучом расширяет область использования сварных соединений с прорезными швами и электрозаклепами. Этот вид швов впервые был применен при электродуговой сварке под флюсом.
Преимуществом прорезных швов и электрозаклепок является возможность сварки конструкций, когда один из элементов конструкции недоступен для непосредственного воздействия дуги. В этом случае, используя глубокий провар, имеющий место при сварке под флюсом, можно получить сва ные соединения путем проплавления одного из элементов конструкции. На рис. 75 показаны соединения, образуемые проплавными швами. Получение глубокого проплавления при электронно-лучевой сварке дает возможность выполнять принципиально новые, более совершенные виды соединений, сварка которых обычными методами невозможна. На рис. 77 показаны конструкции, сваренные путем одновременного проплавления четырех (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
