Влияние рабочего расстояния сварочной электронной пушки на геометрию сварного шва
Экспериментально исследована геометрия электронно-лучевых проплавлений в широком диапазоне рабочих расстояний пушка–изделие. Установлена слабая корреляция между расстоянием пушка–изделие и глубиной проплавления на металлах большой толщины. Возможность существенного увеличения рабочего расстояния без...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101703 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние рабочего расстояния сварочной электронной пушки на геометрию сварного шва / О.К. Назаренко, В.И. Загорников // Автоматическая сварка. — 2010. — № 5 (685). — С. 32-35. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859797911250927616 |
|---|---|
| author | Назаренко, О.К. |
| author_facet | Назаренко, О.К. |
| citation_txt | Влияние рабочего расстояния сварочной электронной пушки на геометрию сварного шва / О.К. Назаренко, В.И. Загорников // Автоматическая сварка. — 2010. — № 5 (685). — С. 32-35. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Экспериментально исследована геометрия электронно-лучевых проплавлений в широком диапазоне рабочих расстояний пушка–изделие. Установлена слабая корреляция между расстоянием пушка–изделие и глубиной проплавления на металлах большой толщины. Возможность существенного увеличения рабочего расстояния без заметного
изменения параметров проплавления объясняется соответствующим уменьшением угла сходимости пучка в области
изделия.
Geometry of electron beam penetrations over a wide range of gun to workpiece distances was experimentally studied.
A weak correlation was established between the gun to workpiece distance and penetration depth on thick metals. The
possibility of substantially increasing the gun to workpiece distance without a marked change in the penetration parameters
is attributable to a corresponding decrease in the convergence angle of the beam within a workpiece region.
|
| first_indexed | 2025-12-02T14:12:54Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791:004.518
ВЛИЯНИЕ РАБОЧЕГО РАССТОЯНИЯ СВАРОЧНОЙ
ЭЛЕКТРОННОЙ ПУШКИ НА ГЕОМЕТРИЮ СВАРНОГО ШВА
Чл.-кор. НАН Украины О. К. НАЗАРЕНКО, В. И. ЗАГОРНИКОВ, канд. техн. наук
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Экспериментально исследована геометрия электронно-лучевых проплавлений в широком диапазоне рабочих рас-
стояний пушка–изделие. Установлена слабая корреляция между расстоянием пушка–изделие и глубиной проплав-
ления на металлах большой толщины. Возможность существенного увеличения рабочего расстояния без заметного
изменения параметров проплавления объясняется соответствующим уменьшением угла сходимости пучка в области
изделия.
К л ю ч е в ы е с л о в а : электронно-лучевая сварка, свароч-
ная пушка, рабочее расстояние, глубина шва, фокусное пят-
но, угол сходимости пучка
До настоящего времени отсутствует международ-
ный стандарт на пространственные характерис-
тики сварочного электронного пучка, несмотря на
большой интерес к вопросу взаимосвязи парамет-
ров пучка и геометрии швов [1, 2]. В требованиях
к сварочной электронной пушке достаточно часто
оговариваются размеры фокусного пятна, т. е. ми-
нимального сечения пучка в плоскости сварива-
емого изделия. Считается, что небольшое пятно
является основным условием формирования глу-
боких швов с минимальными поперечными раз-
мерами литой зоны, одновременно улучшается ка-
чество изображения зоны сварки во вторичных
электронах. Поскольку размеры фокусного пятна
прямо пропорциональны рабочему расстоянию
сварочной пушки, многие операторы стремятся
расположить ее как можно ближе к изделию, нес-
мотря на увеличение при этом вероятности элек-
трических пробоев в ускоряющем промежутке
пушки из-за попадания паров металла и газов из
сварочной ванны.
При электронно-лучевой сварке металлов ма-
лых толщин (до нескольких миллиметров), когда
осуществляется поверхностный подвод тепловой
энергии и кратер в сварочной ванне практически
отсутствует, размеры минимального сечения пуч-
ка на поверхности изделия действительно опре-
деляют размеры литой зоны при прочих одина-
ковых условиях. Однако когда шов формируется
в металле толщиной в десятки и даже сотни мил-
лиметров, размеры фокусного пятна сами по себе
уже не определяют размеры литой зоны и зна-
чительно более существенную роль играют прос-
транственные характеристики так называемой фо-
кусной глубины пучка или, другими словами, его
перешейка, по всей длине которого усредненная
удельная плотность энергии в пучке практически
постоянная. Чем протяженнее перешеек, тем легче
сформировать шов максимальной глубины с прак-
тически параллельными боковыми стенками. По-
этому справедливо утверждать, что угол наклона
боковых стенок литой зоны во многом опреде-
ляется общей конфигурацией пучка в области пе-
решейка.
Экспериментальное исследование геометрии
электронно-лучевых проплавлений в широком ди-
апазоне рабочих расстояний сварочной пушки, ре-
зультаты которого обсуждаются ниже, выполнено
в качестве этапа подготовки нормативных мате-
риалов по оборудованию и технологии электрон-
но-лучевой сварки.
Методика экспериментов и полученные ре-
зультаты. Для проведения экспериментов исполь-
зовали энергоблок ЭЛА-60 с ускоряющим напря-
жением 60 кВ. Схема электронно-оптической сис-
темы приведена на рис. 1. Пушка снабжена таб-
леточным LaB6-катодом радиусом rкат = 1,5 мм, ра-
бочая температура Tкат = 2000 К. Середина не-
магнитного зазора фокусирующей электромагнит-
ной линзы находится на расстоянии a = 120 мм
от кроссовера пучка — минимального сечения
пучка на выходе из эмиссионной системы. Внут-
ренний диаметр линзы D = 40 мм, ширина не-
магнитного зазора S = 18 мм.
Поскольку поперечные размеры пучка сущес-
твенно зависят от коэффициента сферической
аберрации линзы, оценим его с помощью следу-
ющих соотношений, где увеличение линзы M =
= b/a [3]:
Cсф
S = ⎡⎢
⎣
a
S
⎤
⎥
⎦
3
⎡⎢
⎣
1 + 1
M
⎤
⎥
⎦
p(x) ⎡⎢
⎣
1 + 1 ⁄ M
a ⁄ S
q(x) + 1⎤⎥
⎦
, (1)
x = D ⁄ S, (2)
q(x) = 0,26x – 0,25, (3)
© О. К. Назаренко, В. И. Загорников, 2010
32 5/2010
p(x) = 2,46
x + 0,47
– 0,28.
(4)
Для b = 100…600 мм расчетные значения коэф-
фициента сферической аберрации применяемой
фокусирующей линзы Ссф приведены на рис. 2.
При выполнении экспериментов использовали
пластины низкоуглеродистой стали 09Г2С толщи-
ной 65 мм и нержавеющей стали 12Х18Н10Т тол-
щиной 8 мм. Плоскость фокусировки пучка рас-
полагалась ниже поверхности пластин на глубине
соответственно около 32 и 4 мм, причем проп-
лавления выполняли несквозными, а сами плас-
тины устанавливали под углом около 10° к го-
ризонту с целью возможно более точного нахож-
дения максимальной глубины. Место расположе-
ния максимальной глубины проплавления опре-
деляли по расположению минимальной ширины
литой зоны на поверхности пластин, где прово-
дили вырезку участков для изготовления макрош-
лифов. Толстые пластины располагали на следу-
ющих расстояниях от торца пушки: 20, 100, 220
и 470 мм, тонкие — на расстояниях 45, 125, 245
и 495 мм. В каждом случае рабочим расстоянием
соответствуют значения b = 120 мм (увеличение
линзы M = 1), 220 мм (M = 1,7), 320 мм (M =
= 2,7) и 570 мм (M = 4,75). Неизменными уста-
навливались скорость сварки 5 мм/с и мощность
пучка 24 кВт для металла толщиной 65 мм, ско-
рость сварки 25 мм/с и мощность пучка 4,8 кВт
для металла толщиной 8 мм, Uуск в обоих случаях
составляло 60 кВ.
На рис. 3 приведены полученные результаты
для различных расстояний до изделия.
Обсуждение результатов. Полученные экспе-
риментальные данные однозначно указывают на
слабую корреляцию глубины проплавления и рас-
стояния до изделия. При мощности пучка 4,8 кВт
наблюдается только сравнительно небольшое
уменьшение глубины проплавления по мере уве-
личения расстояния от пушки до изделия с 45
до 495 мм.
В случае применения пучка мощностью 24 кВт
в диапазоне расстояний до изделия 200…600 мм
глубина проплавления практически постоянная.
При минимальном расстоянии до изделия 20 мм,
когда диаметр фокусного пятна минимален, глу-
бина проплавления оказалась на 25 % меньше,
чем при больших рабочих расстояниях.
Для объяснения полученных эксперименталь-
ных результатов выполним оценочные расчеты
пространственных характеристик пучка в зависи-
мости от его длины. При расчетах исходим из
того, что поперечные размеры пучка определя-
ются тепловыми скоростями электронов, сфери-
ческой аберрацией и увеличением фокусирующей
линзы. Благодаря высокой стабильности и малым
пульсациям параметров питающих устройств,
пренебрегаем влиянием хроматической аберрации
магнитной линзы на поперечные размеры пучка.
Можно также пренебречь влиянием объемного за-
ряда пучка, поскольку уже вблизи анодного от-
верстия он скомпенсирован положительно заря-
женными ионами [4].
Принимая за радиус пучка расстояние от оси
пучка до линии окружности, где плотность тока
уменьшается в e = 2,718 раз по отношению к
Рис. 1. Схема электронно-оптической системы пушки
ЭЛА-60: а, b — расстояния от середины немагнитного зазора
линзы до кроссовера и плоскости фокусировки соответствен-
но; α0, α1 — половинные углы расходимости пучка после
кроссовера и сходимости пучка выше перешейка соответс-
твенно; ОС — отклоняющая система; z — рабочее расстояние
Рис. 2. Расчетная зависимость коэффициента сферической
аберрации магнитной линзы пушки ЭЛА-60 от расстояния
немагнитный зазор – плоскость фокусировки
5/2010 33
плотности тока на оси пучка, согласно Ленгмюру
получаем
rкр = rкат
⎧
⎨
⎩
T
11600Uуск
⎫
⎬
⎭
0,5 1
α0
. (5)
Если кроссовер пучка проектируется на плос-
кость свариваемого изделия магнитной линзой,
свободной от сферической аберрации, то радиус
пучка на изделии равен
r1 = Mrкр = rкат
⎧
⎨
⎩
T
11600Uуск
⎫
⎬
⎭
0,5 1
α1
. (6)
Если электроны не имеют тепловых скоростей,
но линза характеризуется сферической аберраци-
ей, радиус пучка на изделии равен
r2 = (M + 1)4Cсфα1
3. (7)
В реальном случае радиус фокального пятна
можно представить следующим образом:
rф.п = (r1
2 + r2
2)0,5. (8)
Отсюда получено [5]
α1 = 0,87 1
M + 1
rкат
0,25(T ⁄ 11600)0,125
Cсф
0,25 Uуск
0,125 ,
(9)
rф.п = 1,33(М + 1)
rкат
0,75 Cсф
0,25 (T ⁄ 11600)0,375
Uуск
0,375 . (10)
Рис. 3. Изменение глубины проплавления и макрошлифы поперечных сечений при различных расстояниях до изделия для
стали 09Г2С (wп = 24 кВт) (а) и 12Х18Н10Т (48 кВт) (б)
34 5/2010
Результаты оценок радиуса и половинного угла
сходимости пучка в плоскости изделия, удален-
ного от пушки на различные расстояния, приве-
дены на рис. 4.
Как следует из рис. 4, при увеличении рас-
стояния от середины немагнитного зазора пушки
до изделия практически в 5 раз (от 120 до 570 мм)
радиус фокусного пятна увеличивается в 3 раза.
Однако благодаря уменьшению угла сходимости
пучка возрастает протяженность перешейка пучка
и соответственно незначительно меняется глубина
и геометрия литой зоны формируемых проплав-
лений.
Некоторое уменьшение глубины проплавления
при предельно малом рабочем расстоянии можно
объяснить тем, что значение половинного угла
сходимости пучка 10–2 рад является для условий
эксперимента критическим, поскольку протяжен-
ность перешейка оказывается недостаточной для
формирования более глубокого проплавления.
Выводы
1. Если при электронно-лучевой сварке металлов
толщиной до 3…4 мм геометрические размеры
проплавления определяются радиусом поперечно-
го сечения маломощного пучка электронов, то при
сварке металлов больших толщин пучком соот-
ветственно большей мощности глубина литой зо-
ны зависит от протяженности перешейка пучка,
которая определяется углом сходимости пучка на
изделии.
2. Протяженность перешейка пучка, формиру-
емого конкретной сварочной пушкой, незначи-
тельно изменяется в достаточно широком диапа-
зоне расстояний до изделия, поэтому глубина ли-
той зоны оказывается практически неизменной.
3. Для наиболее широко применяемых свароч-
ных пушек типа ЭЛА-60 мощностью 10…60 кВт
рекомендуемое оптимальное расстояние торец
пушки—изделие составляет 150…200 мм с уче-
том необходимости хорошего отображения зоны
стыка во вторичных электронах.
1. Menhard C., Loewer T. The electron beam geometry — defi-
nition, measurement and significance for the welding pro-
cess // Welding and Cutting. — 2009. — 8, № 3. — P. 138–
142.
2. Mladenov G., Koleva E. Evaluation and some applications of
the electron beam emittance // Proc. of 7th Intern. conf. on
beam technology, 17–19 Apr. 2007, Halle, Germany. —
P. 85–92, publ. by SLV/DVS.
3. Дер-Шварц Г. В. К расчету сферической аберрации осе-
симметричных магнитных линз // Радиотехника и элект-
роника. — 1971. — № 7. — С. 1305–1306.
4. Электронно-лучевая сварка / О. К. Назаренко, А. А. Кай-
далов, С. Н. Ковбасенко и др. / Под ред. Б. Е. Патона. —
Киев: Наук. думка, 1987. — 256 с.
5. Bas E. B., Cremosnik G., Lerch H. Beitrag zum problem der
erzeugung des elektronenstrahles fuer schmelzen // Verdam-
pfen, Schweissen und Bohren mit Elektronenstrahlen:
Schweizer Archiv fur angewandte Wissenschaft und Tech-
nik. — 1962. — S. 112–121.
Geometry of electron beam penetrations over a wide range of gun to workpiece distances was experimentally studied.
A weak correlation was established between the gun to workpiece distance and penetration depth on thick metals. The
possibility of substantially increasing the gun to workpiece distance without a marked change in the penetration parameters
is attributable to a corresponding decrease in the convergence angle of the beam within a workpiece region.
Поступила в редакцию 16.12.2009
Рис. 4. Расчетные зависимости половинного угла сходимости
(1) и радиуса фокусного пятна (2) для различных расстоя-
ний b
5/2010 35
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101703 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-02T14:12:54Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Назаренко, О.К. 2016-06-06T18:13:02Z 2016-06-06T18:13:02Z 2010 Влияние рабочего расстояния сварочной электронной пушки на геометрию сварного шва / О.К. Назаренко, В.И. Загорников // Автоматическая сварка. — 2010. — № 5 (685). — С. 32-35. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101703 621.791:004.518 Экспериментально исследована геометрия электронно-лучевых проплавлений в широком диапазоне рабочих расстояний пушка–изделие. Установлена слабая корреляция между расстоянием пушка–изделие и глубиной проплавления на металлах большой толщины. Возможность существенного увеличения рабочего расстояния без заметного изменения параметров проплавления объясняется соответствующим уменьшением угла сходимости пучка в области изделия. Geometry of electron beam penetrations over a wide range of gun to workpiece distances was experimentally studied. A weak correlation was established between the gun to workpiece distance and penetration depth on thick metals. The possibility of substantially increasing the gun to workpiece distance without a marked change in the penetration parameters is attributable to a corresponding decrease in the convergence angle of the beam within a workpiece region. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Влияние рабочего расстояния сварочной электронной пушки на геометрию сварного шва Effect of working distance of welding electron gun on weld geometry Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние рабочего расстояния сварочной электронной пушки на геометрию сварного шва Назаренко, О.К. Научно-технический раздел |
| title | Влияние рабочего расстояния сварочной электронной пушки на геометрию сварного шва |
| title_alt | Effect of working distance of welding electron gun on weld geometry |
| title_full | Влияние рабочего расстояния сварочной электронной пушки на геометрию сварного шва |
| title_fullStr | Влияние рабочего расстояния сварочной электронной пушки на геометрию сварного шва |
| title_full_unstemmed | Влияние рабочего расстояния сварочной электронной пушки на геометрию сварного шва |
| title_short | Влияние рабочего расстояния сварочной электронной пушки на геометрию сварного шва |
| title_sort | влияние рабочего расстояния сварочной электронной пушки на геометрию сварного шва |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101703 |
| work_keys_str_mv | AT nazarenkook vliânierabočegorasstoâniâsvaročnoiélektronnoipuškinageometriûsvarnogošva AT nazarenkook effectofworkingdistanceofweldingelectrongunonweldgeometry |