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...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Автоматическая сварка
Date:2010
Main Author: Назаренко, О.К.
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