Реферат: Выбор способа сварки диафрагменной лопатки паровой турбины

--PAGE_BREAK--3)                повышение жаропрочности и стойкости против локальных разрушений при эксплуатации в условиях высоких температур.
4)                обеспечение уменьшения количества закалочных структур и увеличения выделения карбидов.
Учитывая высокую склонность к закалке нержавеющих феррито-мартенситных сталей, содержащих углерода 0,1% и более, после сварке необходим высокий отпуск в интервале температур от 650 до 7000С ºС.

3.                Выбор способа сварки и его основные параметры
Параметры выбора способа сварки
При выборе способа сварки для изготовления сварной конструкции на предприятии необходимо руководствоваться следующими условиями:
– экономическая целесообразность,
– технологичность,
– наличие необходимого оборудования,
– наличие квалифицированных кадров,
– экологичность и безопасность.
Под технологичностью способа понимается возможность создавать сварное соединение, удовлетворяющего требованиям к нему, на современном оборудовании, удобном в эксплуатации и обслуживании и наиболее эффективном в экономическом отношении. Технологичность способа понятие относительное и зависит от производственных условий.
Исходя из условий, существующих на предприятии, где изготавливается диафрагменная лопатка, наиболее приемлемым является способ электронно-лучевой сварки.
Общая характеристика электронно-лучевой сварки (ЭЛС)
Электронно-лучевое воздействие на металлы, приводящее к их нагреву, плавлению и испарению, как технологическое направление в области их обработки интенсивно применяется в последнее время. Сущность процесса электронно-лучевого воздействия состоит в том, что кинетическая энергия сформированного в вакууме тем или иным способом электронного пучка (импульсного или непрерывного) превращается в тепловую в зоне обработки. Так как диапазоны мощности и концентрации энергии в луче велики, то практически возможно получение всех видов термического воздействия на материалы: нагрев до заданных температур, плавления и испарения с очень высокими скоростями.
Электронно-лучевая технология развивается в основном в трех направлениях: плавки и испарения в вакууме, сварки и прецизионной обработки.
Для сварки металлов создано оборудование трех классов: низко-, средне-, и высоковольтное, охватывающее диапазон ускоряющих напряжений 20–150 кВ. мощность установок составляет 1–120 кВт и более при максимальной концентрации энергии 105-106Вт/см2. Электронно-лучевые установки мощностью до 30 кВт позволяют решить большинство сварочных проблем.
Электронно – лучевое воздействие в диапазоне плотностей энергии 105-106Вт/см2 характеризуется феноменом «кинжального», или глубокого проплавления с соотношением глубины шва к его ширине 10:1 и более. При этом электронный луч фокусируется на площади диаметром менее 0,001 см, что позволяет получить большую удельную мощность. При использовании обычных сварочных источников теплоты (дуги, газового пламени) металл нагревают и плавят за счет распространения теплоты от поверхности в глубину, при этом форма зоны расплавления в сечении приближается к полукругу F2. при сварке электронным лучом теплота выделяется непосредственно в самом металле F1, причем наиболее интенсивно на некоторой глубине под его поверхностью. (рис. 1).

<img width=«62» height=«2» src=«dopb395960.zip» v:shapes="_x0000_s1026"><img width=«51» height=«12» src=«dopb395961.zip» v:shapes="_x0000_s1027"><img width=«51» height=«12» src=«dopb395962.zip» v:shapes="_x0000_s1028"><img width=«2» height=«50» src=«dopb395963.zip» v:shapes="_x0000_s1029"><img width=«2» height=«50» src=«dopb395963.zip» v:shapes="_x0000_s1030">1,5 мм
<img width=«340» height=«230» src=«dopb395964.zip» v:shapes="_x0000_s1039 _x0000_s1032 _x0000_s1038 _x0000_s1033 _x0000_s1037 _x0000_s1035 _x0000_s1036 _x0000_s1031 _x0000_s1034">  

F2 F1
15
<img width=«74» height=«43» src=«dopb395965.zip» v:shapes="_x0000_s1040"> <img width=«326» height=«50» src=«dopb395966.zip» v:shapes="_x0000_s1041 _x0000_s1043 _x0000_s1042">  

<img width=«27» height=«12» src=«dopb395967.zip» v:shapes="_x0000_s1044"><img width=«39» height=«12» src=«dopb395968.zip» v:shapes="_x0000_s1045"><img width=«38» height=«2» src=«dopb395969.zip» v:shapes="_x0000_s1046">0,5
Рис. 1. Кинжальное проплавление при ЭЛС; F2 и F1 – сечения швов при дуговой электроннолучевой сварке
Незначительная ширина зоны теплового воздействия дает возможность резко уменьшить деформацию заготовок. Кроме того, за счет вакуума обеспечиваются зеркальная поверхность соединения и дегазация расплавленного металла. При этом минимальная толщина свариваемых заготовок составляет 0,02 мм, максимальная – до 100 мм.
Электронный луч представляет собой сжатый поток электронов, перемещающийся с большой скоростью от катода к аноду в сильном электрическом поле. При соударении электронного потока с твердым телом более 99% кинетической энергии электронов переходит в тепловую, расходуемую на нагрев этого тела. Температура в месте соударения может достигать 5000–6000 оС. Электронный луч образуется за счет эмиссии электронов с нагретого в вакууме 133*(10-4-10-5) Па катода 1 и с помощью электростатических и электромагнитных линз 4 фокусируется на поверхности свариваемых материалов (рис. 2).

<img width=«98» height=«37» src=«dopb395970.zip» v:shapes="_x0000_s1047"><img width=«2» height=«242» src=«dopb395971.zip» v:shapes="_x0000_s1048"><img width=«146» height=«2» src=«dopb395972.zip» v:shapes="_x0000_s1049"><img width=«2» height=«242» src=«dopb395971.zip» v:shapes="_x0000_s1050">1
<img width=«66» height=«46» src=«dopb395973.zip» v:shapes="_x0000_s1051"><img width=«2» height=«296» src=«dopb395974.zip» v:shapes="_x0000_s1052"><img width=«26» height=«14» src=«dopb395975.zip» v:shapes="_x0000_s1053"><img width=«206» height=«2» src=«dopb395976.zip» v:shapes="_x0000_s1054"><img width=«50» height=«26» src=«dopb395977.zip» v:shapes="_x0000_s1055">2
<shapetype id="_x0000_t7" coordsize=«21600,21600» o:spt=«7» adj=«5400» path=«m@0,l,21600@1,21600,21600,xe»><path gradientshapeok=«t» o:connecttype=«custom» o:connectlocs="@4,0;10800,@11;@3,10800;@5,21600;10800,@12;@2,10800" textboxrect=«1800,1800,19800,19800;8100,8100,13500,13500;10800,10800,10800,10800»><shapetype id="_x0000_t8" coordsize=«21600,21600» o:spt=«8» adj=«5400» path=«m,l@0,21600@1,21600,21600,xe»><path gradientshapeok=«t» o:connecttype=«custom» o:connectlocs="@3,10800;10800,21600;@2,10800;10800,0" textboxrect=«1800,1800,19800,19800;4500,4500,17100,17100;7200,7200,14400,14400»><img width=«27» height=«26» src=«dopb395978.zip» v:shapes="_x0000_s1058 _x0000_s1057 _x0000_s1056"> <img width=«2» height=«86» src=«dopb395979.zip» v:shapes="_x0000_s1061"> <img width=«28» height=«26» src=«dopb395980.zip» v:shapes="_x0000_s1059"> <img width=«28» height=«26» src=«dopb395981.zip» v:shapes="_x0000_s1060">  

<img width=«75» height=«45» src=«dopb395982.zip» v:shapes="_x0000_s1062"><img width=«13» height=«86» src=«dopb395983.zip» v:shapes="_x0000_s1063"><img width=«15» height=«89» src=«dopb395984.zip» v:shapes="_x0000_s1064">3
<img width=«26» height=«14» src=«dopb395985.zip» v:shapes="_x0000_s1065"> <img width=«26» height=«14» src=«dopb395985.zip» v:shapes="_x0000_s1066">  

<img width=«76» height=«58» src=«dopb395986.zip» v:shapes="_x0000_s1067"><img width=«2» height=«104» src=«dopb395987.zip» v:shapes="_x0000_s1068"><img width=«134» height=«2» src=«dopb395988.zip» v:shapes="_x0000_s1069"><img width=«50» height=«2» src=«dopb395989.zip» v:shapes="_x0000_s1070">4
<img width=«37» height=«2» src=«dopb395990.zip» v:shapes="_x0000_s1075"> <img width=«26» height=«2» src=«dopb395991.zip» v:shapes="_x0000_s1074"> <img width=«14» height=«2» src=«dopb395992.zip» v:shapes="_x0000_s1073"> <img width=«22» height=«30» src=«dopb395993.zip» v:shapes="_x0000_s1072 _x0000_s1071">  

<img width=«66» height=«58» src=«dopb395994.zip» v:shapes="_x0000_s1076"><img width=«9» height=«51» src=«dopb395995.zip» v:shapes="_x0000_s1077"><img width=«9» height=«51» src=«dopb395996.zip» v:shapes="_x0000_s1078"><img width=«26» height=«26» src=«dopb395997.zip» v:shapes="_x0000_s1079"><img width=«26» height=«26» src=«dopb395997.zip» v:shapes="_x0000_s1080">5
<img width=«74» height=«66» src=«dopb395998.zip» v:shapes="_x0000_s1081"><img width=«6» height=«64» src=«dopb395999.zip» v:shapes="_x0000_s1082"><img width=«5» height=«65» src=«dopb396000.zip» v:shapes="_x0000_s1083"><img width=«14» height=«2» src=«dopb395992.zip» v:shapes="_x0000_s1084"><img width=«26» height=«2» src=«dopb395991.zip» v:shapes="_x0000_s1085"><img width=«37» height=«2» src=«dopb395990.zip» v:shapes="_x0000_s1086"><img width=«26» height=«26» src=«dopb395997.zip» v:shapes="_x0000_s1087"><img width=«50» height=«2» src=«dopb395989.zip» v:shapes="_x0000_s1088"><img width=«26» height=«26» src=«dopb395997.zip» v:shapes="_x0000_s1089">6
<img width=«62» height=«74» src=«dopb396001.zip» v:shapes="_x0000_s1093 _x0000_s1092"> <img width=«62» height=«74» src=«dopb396002.zip» v:shapes="_x0000_s1091 _x0000_s1090"> <img width=«86» height=«14» src=«dopb396003.zip» v:shapes="_x0000_s1094"> <img width=«266» height=«2» src=«dopb396004.zip» v:shapes="_x0000_s1095">  

Рис. 2. Схема установки для ЭЛС
В установках для электронно-лучевой сварки электроны эмитируются на катоде 1 электронной пушки; формируются в пучок электродом 2, расположенным непосредственно за катодом; ускоряются под действием разницы потенциалов между катодом и анодом 3, составляющей 20–150 кВ и выше, затем фокусируются в виде луча и направляются специальной отклоняющей магнитной системы 5 на обрабатываемое изделие 6. На формирующий электрод 2 подается отрицательный или нулевой по отношению к катоду потенциал. Фокусировкой достигается высокая удельная мощность (до 5*105кВт/м2 и выше). Ток электронного луча невелик (от нескольких миллиампер до единиц ампер). При перемещении заготовки под неподвижным лучом образуется сварной шов. Иногда при сварке перемещают сам луч вдоль неподвижных кромок с помощью отклоняющих систем. Отклоняющие системы используют также и для колебаний электронного луча поперек и вдоль шва, что позволяет сваривать с присадочным металлом и регулировать тепловое воздействие на металл.
Достоинства электронно-лучевой сварки (ЭЛС)
Электронный луч успешно применяется в машиностроении для сварки изделий из высоколегированных сталей, в частности из высокохромистых коррозионно-стойких сталей (12Х13). Это объясняется рядом достоинств ЭЛС при сварке этих сталей:
1.     Минимальная деформация свариваемого изделия, т. к. поток электронов внедряется в свариваемое изделие на всю глубину проплавления, что обеспечивает получение минимальной металлоемкости сварочной ванны. Это обеспечивается возможностью концентрации большой мощности в электронном луче и управления ею в широких пределах в сочетании с высоким вакуумом в рабочем объеме.
2.     Высокие физико-химические характеристики сварного соединения непосредственно после сварки позволяют исключить последующую механическую обработку.
3.     Относительно высокая погонная энергия при сильной степени ее концентрации, т.е. энергия, вводимая в участок сварного соединения за определенный промежуток времени. При этом достигается высокая скорость кристаллизации металла сварного шва и минимальное термическое воздействие сварочного нагрева на основной металл в ОШЗ (локальность сварочного нагрева).
Применительно к стали 12Х13 необходимо отметить то, что последний пункт имеет к ней особое значение. Количество d-феррита в этой стали зависит от уровня температуры нагрева. В участках ОШЗ, нагреваемых до температур близких к Тсолидуса, количество d-феррита может быть подавляющим. Такая структура характерна для участка ЗТВ примыкающего к линии сплавления. Ширина этого участка мало зависит от температуры подогрева, но возрастает с увеличением qп – погонной энергии, которая при ЭЛС велика, но в то же время одновременно уменьшается склонность стали к холодным трещинам.
Основные параметры электронного луча в непрерывном и импульсном режимах
Параметрами электронного луча, измеряемыми в процессе обработки, являются:
-                     ток луча I,
-                     ускоряющее напряжение U,
-                     ток фокусирующей системы Iф,
-                     рабочее расстояние (расстояние от центра фокусирующей системы до поверхности свариваемой детали) l,
-                     скорость перемещения электронного луча V,
-                     угол сходимости луча a.
Кроме основных параметров, существуют другие количественные показатели ЭЛС:
1. Мощность электронного луча
(Вт) q= IU.
2. При заданном рабочем расстоянии l, токе фокусировки Iф и мощности сварки можно определить диаметр электронного луча dи, следовательно, удельную мощность q2 (Вт/см2), которая является одним из определяющих параметров процесса:
q2 = IU/pd2/4.
3. Погонная энергия (кал/см)
Q = 0,24IU/V

не является определяющим параметром, так как при электронно-лучевой обработке в зависимости от величины удельной мощности q2, при одинаковой погонной энергии можно получить различную конфигурацию зоны обработки.
При воздействии в импульсном режиме средняя мощность (Вт)
qи = IUft,
где I – величина тока в импульсе, А; f – частота следования импульсов, Гц; t – длительность импульса, с.
4. Скорость обработки в импульсном режиме (см/с)
V = B (1-k)/(t-tп) = B (1-k) f,
где tп – время паузы между импульсами, с; k – коэффициент перекрытия точек (обычно k = 0,5 – 0,9); В-диаметр зоны обработки (точки).
5. Шаг точек (см) S = V(t+tп), скорость обработки
V= S/(t+tп),
6. Параметром, характеризующим соотношения длительности импульса и времени паузы в импульсном режиме, является скважность цикла
G= t/(t+tп),
7. Наиболее существенным и одновременно наиболее трудноопределяемым параметром электронного луча является его диаметр. При заданных плотностях тока эмиссии с катода, температуре катода и сферической аберрации линзовой системы пучок электронов с максимальным током может быть сфокусирован в пятно минимального диаметра.
d = S0(I/U)3/8,
где S0– постоянная электронно-оптической системы, вычисляемая эмпирически.
8. Разряжение (мм. рт. ст., Па).
9. Частота автоколебаний: f » Vсв/d.
4. Исследование влияния основных параметров сварки на форму шва и качество сварного соединения
Влияние тока электронного луча на глубину проплавления металла
С целью определения зависимости величины сварочного тока от толщины соединяемых деталей была проведена серия экспериментов. Сварку выполняли с помощью электронно-лучевой установки «Луч-4» на образцах из нержавеющей стали. Полученные зависимости при разных скоростях сварки и при общих остальных параметрах (U = 30 кВ, l= 100 мм, Iф = 100мА).
Из представленных графиков можно сделать вывод, что при увеличении тока электронного луча, глубина проплавления тоже увеличивается.
Влияние удельной мощности электронного луча на геометрию зоны проплавления
В связи с тем, что энергетический баланс процесса электронно-лучевой сварки близок к аналогичному балансу при дуговой сварке, связь параметров электронного луча с характеристиками зоны проплавления можно дать в виде уравнения для секундного объема плавления металла:

0,24 IUhиhт = rVFпрSм, (1)
где Fпр– площадь проплавления, см2; Sм = (сТпл + Lпл) – теплосодержание жидкого металла при температуре плавления, кал/г.
Из этого уравнения следует, что чем выше погонная энергия Q = 0,24 IU/V, тем больше площадь проплавления. Это действительно справедливо для процесса дуговой сварки, который в большинстве случаев осуществляется при q2<q2*. Для электронно-лучевой сварки экспериментально установлено, что обобщенный параметр – погонная энергия Q не является определяющим при количественной оценке процесса. При постоянной погонной энергии можно получить глубину проплавления и 15 и 2 мм. Этот факт следует считать естественным, так как образование кинжального проплавления при электронно-лучевой сварке определяется не только количеством введенной энергии, но, и ее плотностью.
Эффективность процесса проплавления металла электронным лучом определяется величиной теплового КПД hпр= hиhт, где hи – эффективный; hт – термический КПД. Величина эффективного КПД hи при воздействии луча с образованием канала в веществе практически приближается к единице. При оценке эффективности процесса проплавления существенную роль играет величина термического КПД.
Для использования в инженерных расчетах в уравнениях (1) должна быть учтена удельная мощность электронного луча q2.С этой целью произведены эксперименты по электронно-лучевой сварке с постоянной погонной энергией, но разной степенью фокусировки (разной удельной мощностью). Сварку выполняли с помощью электронно-лучевой установки ЭЛУ-9Б с электронной пушкой ЭП-60/10М на образцах из нержавеющей стали размером 500 х 80 х 20 мм.
В первой серии опытов образцами служили две пластины толщиной 10 мм каждая, сварку выполняли встык с зазором. Во второй серии в качестве образцов использовали пластины толщиной 20 мм.
В процессе сварки через каждые 60 мм длины шва изменяли фокусировку электронного луча на 4 мА в диапазоне токов фокусировки от 76 до 100 мА. Таким образом, концентрация мощности при постоянной погонной энергии в процессе наложения сварного шва постепенно увеличивалась, а после достижения максимума уменьшалась. Рабочее расстояние сохранялось постоянным h= 90 мм (см. табл. 3).
Анализ макрошлифов и очертаний зон проплавления показал, что при постоянном значении погонной энергии можно в широком диапазоне изменять геометрию проплавления с помощью только одного параметра режима сварки – степени фокусировки электронного луча. При этом очертание зоны проплавления изменялось от полукруглого до кинжального, а при больших отрицательных значениях степени фокусировки переходило в «клыкообразное». Опыт показал также, что максимуму глубины проплавления соответствует минимальная ширина шва. Зависимость глубины проплавления Н от степени фокусировки электронного луча DIф приведена на рис. 5. Под степенью фокусировки DIф понимают алгебраическую разность токов магнитной линзы при сварке и фокусировке на малом токе луча (2–4 мА): DIф = ±(Iф – I0) – За нулевую точку отсчета принят ток фокусировки Iф = 88 мА.
Характер кривой Н= f(DIф) (рис. 4) Н, свидетельствует, что степень фоку – мм сиповки, соответствующая максимальному проплавлению на данном режиме, зависит от тока луча: с уменьшением тока луча до величины, обеспечивающей максимальное проплавление, DIф стремится к нулю.
Таблица 3. Характеристика экспериментальных очертаний зон проплавления
    продолжение
--PAGE_BREAK--Влияние изменения рабочего расстояния пушка-деталь на геометрию зоны проплавления
Заглубление в материал фокуса электронного луча может существенно увеличить глубину отверстия. Аналогичный эффект наблюдается и при электронно-лучевой сварке с кинжальным проплавлением.
С целью определения влияния заглубления фокального пятна на геометрию зоны проплавления при экспериментах на электронно-лучевой установке ЭЛУ-9Б с электронной пушкой ЭП-60/10М на образцах из нержавеющей стали размером 500 х 80 х 20 мм сварку осуществляли с переменной рабочей дистанцией Н.
После сварки четырех швов, полученных при одинаковой погонной энергии на различных рабочих дистанциях пушки и при постоянной степени фокусировки во всех случаях DIф= 0, оказалось, что площади проплавления являются эквивалентными. Такой факт имеет большое практическое значение, так как позволяет сохранять неизменную форму проплавления на различных рабочих дистанциях электронной пушки, находящихся в расчетных (паспортных) пределах для данной электронно-оптической системы.
Влияние ускоряющего напряжения на геометрические характеристики проплавления
Экспериментальные данные (рис. 5.) показывают, что ускоряющее напряжение существенно влияет на глубину проплавления: с увеличением ускоряющего напряжения при прочих равных условиях глубина проплавления увеличивается.
Связано это с уменьшением рассеяния электронов пучка на атомах пара при повышении ускоряющего напряжения. Действительно, например, при U = 30 кВ коэффициент поглощения a = 2,4*106/U2 = 2,67*103 см2/г, а при U = 100 кВ a = 2,4*102 см2/г, т.е. уменьшается более чем на порядок. Таким образом, повышение ускоряющего напряжения обеспечивает большую кинетическую энергию электронов и увеличивает пробег электронов в парах металла.
<img width=«134» height=«271» src=«dopb396050.zip» v:shapes="_x0000_s1146"><img width=«162» height=«271» src=«dopb396051.zip» v:shapes="_x0000_s1147"><img width=«3» height=«296» src=«dopb396052.zip» v:shapes="_x0000_s1148"><img width=«2» height=«296» src=«dopb396053.zip» v:shapes="_x0000_s1149"><img width=«2» height=«302» src=«dopb396054.zip» v:shapes="_x0000_s1150"><img width=«2» height=«296» src=«dopb396053.zip» v:shapes="_x0000_s1151"><img width=«3» height=«297» src=«dopb396055.zip» v:shapes="_x0000_s1152"><img width=«3» height=«298» src=«dopb396056.zip» v:shapes="_x0000_s1153"><img width=«218» height=«2» src=«dopb396057.zip» v:shapes="_x0000_s1154">Н, мм
<img width=«6» height=«6» src=«dopb396058.zip» v:shapes="_x0000_s1155">2
<img width=«10» height=«14» src=«dopb396059.zip» v:shapes="_x0000_s1156">3
<img width=«218» height=«2» src=«dopb396060.zip» v:shapes="_x0000_s1157">24
<img width=«169» height=«130» src=«dopb396061.zip» v:shapes="_x0000_s1158"><img width=«217» height=«2» src=«dopb396062.zip» v:shapes="_x0000_s1159"><img width=«219» height=«3» src=«dopb396063.zip» v:shapes="_x0000_s1160"><img width=«217» height=«2» src=«dopb396064.zip» v:shapes="_x0000_s1161">16
<img width=«14» height=«23» src=«dopb396065.zip» v:shapes="_x0000_s1162">1
8
0 30 60 90 110 I, мА
Рис. 5. Зависимость глубины проплавления от тока луча у нержавеющей стали при V = 0,3 см/с: 1 – U = 30кВ, 2 – U = 60кВ, 3 – U = 100кВ

Эксперименты проводились на ЭЛУ при давлении в рабочей камере 5*10-5 – 1*10-<metricconverter productid=«4 мм» w:st=«on»>4 мм рт. ст.
Аналогичным образом подтвердилась зависимость глубины проплавления от мощности сварки, в которой происходит одновременное увеличение обоих параметров.
При постоянной общей и удельной мощности и радиусе электронного луча rе была получена экспериментальная зависимость глубины проплавления от скорости сварки и ускоряющего напряжения (см. рис. 6).
<img width=«2» height=«275» src=«dopb396066.zip» v:shapes="_x0000_s1163"><img width=«2» height=«280» src=«dopb396067.zip» v:shapes="_x0000_s1164"><img width=«3» height=«277» src=«dopb396068.zip» v:shapes="_x0000_s1165"><img width=«2» height=«276» src=«dopb396069.zip» v:shapes="_x0000_s1166"><img width=«2» height=«277» src=«dopb396070.zip» v:shapes="_x0000_s1167"><img width=«2» height=«276» src=«dopb396069.zip» v:shapes="_x0000_s1168"><img width=«238» height=«2» src=«dopb396071.zip» v:shapes="_x0000_s1169">Н, мм
<img width=«205» height=«201» src=«dopb396072.zip» v:shapes="_x0000_s1170">  

<img width=«237» height=«2» src=«dopb396073.zip» v:shapes="_x0000_s1171">60
<img width=«21» height=«3» src=«dopb396074.zip» v:shapes="_x0000_s1172"><img width=«234» height=«2» src=«dopb396075.zip» v:shapes="_x0000_s1173">3
<img width=«207» height=«154» src=«dopb396076.zip» v:shapes="_x0000_s1174">  

<img width=«236» height=«2» src=«dopb396077.zip» v:shapes="_x0000_s1175">40
<img width=«13» height=«8» src=«dopb396078.zip» v:shapes="_x0000_s1176">2
<img width=«235» height=«2» src=«dopb396079.zip» v:shapes="_x0000_s1177">30
<img width=«27» height=«50» src=«dopb396080.zip» v:shapes="_x0000_s1178">1
<img width=«238» height=«2» src=«dopb396081.zip» v:shapes="_x0000_s1180"> <img width=«223» height=«51» src=«dopb396082.zip» v:shapes="_x0000_s1179">  

<img width=«236» height=«2» src=«dopb396083.zip» v:shapes="_x0000_s1181">10
<img width=«237» height=«2» src=«dopb396084.zip» v:shapes="_x0000_s1182">0 0,3 0,6 0,9 Vсв, см/с
Рис. 6. Зависимость глубины проплавления от скорости сварки и ускоряющего напряжения: 1 – U = 30 кВ, 2 – U = 63 кВ, 3 – U = 100 кВ.
Все вышеперечисленные экспериментальные зависимости сохраняют свою суть при их теоретическом исследовании. На основании этих закономерностей можно написать зависимость глубины проплавления и ускоряющего напряжения:

Н @ <shapetype id="_x0000_t75" coordsize=«21600,21600» o:spt=«75» o:divferrelative=«t» path=«m@4@5l@4@11@9@11@9@5xe» filled=«f» stroked=«f»><path o:extrusionok=«f» gradientshapeok=«t» o:connecttype=«rect»><lock v:ext=«edit» aspectratio=«t»><shape id="_x0000_i1025" type="#_x0000_t75" o:ole=""><imagedata src=«154965.files/image126.wmz» o:><img width=«29» height=«24» src=«dopb396085.zip» v:shapes="_x0000_i1025">. (см. рис. 7).
h/h (30 кВ), отн. ед.
<img width=«231» height=«244» src=«dopb396086.zip» v:shapes="_x0000_s1183">2,0
1,6
1,4
1,0
<img width=«238» height=«2» src=«dopb396087.zip» v:shapes="_x0000_s1184"><img width=«235» height=«2» src=«dopb396088.zip» v:shapes="_x0000_s1185"><img width=«236» height=«2» src=«dopb396077.zip» v:shapes="_x0000_s1186"><img width=«234» height=«2» src=«dopb396075.zip» v:shapes="_x0000_s1187"><img width=«237» height=«2» src=«dopb396084.zip» v:shapes="_x0000_s1188"><img width=«2» height=«276» src=«dopb396089.zip» v:shapes="_x0000_s1189"><img width=«3» height=«277» src=«dopb396090.zip» v:shapes="_x0000_s1190"><img width=«2» height=«276» src=«dopb396091.zip» v:shapes="_x0000_s1191"><img width=«2» height=«276» src=«dopb396069.zip» v:shapes="_x0000_s1192"><img width=«2» height=«277» src=«dopb396070.zip» v:shapes="_x0000_s1193"><img width=«2» height=«279» src=«dopb396092.zip» v:shapes="_x0000_s1194"><img width=«238» height=«2» src=«dopb396093.zip» v:shapes="_x0000_s1195"><img width=«237» height=«2» src=«dopb396084.zip» v:shapes="_x0000_s1196"><img width=«236» height=«2» src=«dopb396083.zip» v:shapes="_x0000_s1197">20 40 60 80 Uуск, кВ
Рис. 7. Теоретическая зависимость глубины проплавления от ускоряющего напряжения при постоянных общей мощности и удельной мощности.
Исследование второстепенных параметров ЭЛС
Влияние параметров электронного луча на его диаметр
Экспериментально доказано, что с увеличением расстояния до объекта обработки диаметр электронного луча возрастает линейно. Это можно проследить по осциллограмме, представленной на рис. 8.

<img width=«3» height=«186» src=«dopb396094.zip» v:shapes="_x0000_s1198">  

Рис. 8. Изменение диаметра луча d, тока фокусировки Iф электронно – лучевой установки типа Луч-4 в зависимости от расстояния lот объекта обработки для случая U = 30 кВ = const; 1-I = 35; 2–60; 3–80; 4–100 mA.
Пользуясь уравнением прямой, можно написать выражение для диаметра луча: d= d+kl. Коэффициенты dиkв этом уравнении можно определить, построив соответствующие зависимости d0 = f(I), k= f(I).
Зависимость диаметра луча от тока см. на рис. 9.
<img width=«2» height=«297» src=«dopb396111.zip» v:shapes="_x0000_s1215"><img width=«287» height=«2» src=«dopb396112.zip» v:shapes="_x0000_s1216"><img width=«2» height=«299» src=«dopb396113.zip» v:shapes="_x0000_s1217"><img width=«2» height=«297» src=«dopb396114.zip» v:shapes="_x0000_s1218"><img width=«2» height=«293» src=«dopb396115.zip» v:shapes="_x0000_s1219"><img width=«2» height=«295» src=«dopb396116.zip» v:shapes="_x0000_s1220"><img width=«2» height=«295» src=«dopb396117.zip» v:shapes="_x0000_s1221"><img width=«2» height=«295» src=«dopb396118.zip» v:shapes="_x0000_s1222">мА
<img width=«263» height=«283» src=«dopb396119.zip» v:shapes="_x0000_s1223"><img width=«286» height=«2» src=«dopb396120.zip» v:shapes="_x0000_s1224">120
<img width=«284» height=«2» src=«dopb396121.zip» v:shapes="_x0000_s1225">100
<img width=«287» height=«2» src=«dopb396122.zip» v:shapes="_x0000_s1226">80
<img width=«287» height=«2» src=«dopb396123.zip» v:shapes="_x0000_s1227">60
<img width=«285» height=«2» src=«dopb396124.zip» v:shapes="_x0000_s1228">40
<img width=«287» height=«3» src=«dopb396125.zip» v:shapes="_x0000_s1229">20
Рис. 9. Зависимость диаметра луча от тока при постоянном ускоряющем напряжении U = 30 кВ (для работы в режиме сварки)

Экспериментальная проверка по глубине проплавления некоторых металлов при воздействии электронного луча, формируемого электронно-оптической системой типа Луч-4 на разных расстояниях l при одних и тех же параметрах луча, показывает, что глубина проплавления аналогично диаметру уменьшается с увеличением расстояния до объекта сварки.
Установлено, что распределение плотности тока по радиусу луча является Гауссовым:
j = jm exp(-r2/re),
где r – текущее значение радиуса луча; re – радиус луча на уровне jm/e (нормальный радиус); jm – максимальное значение плотности тока.
Глубина пробега электронов в твердом теле
Максимальную глубину пробега электронов d в твердом теле при ЭЛС чаще всего определяют по формуле Шонланда
d = 2,35*10-12U2/r.
Где U – ускоряющее напряжение, В; r – плотность, г/см3; d – глубина проникновения, см.
Экспериментально и теоретически установлено, что максимум энерговыделения по глубине пробега находится под поверхностью. На рис. 10 представлена экспериментальная зависимость изменения глубины проникновения электронов в железо от ускоряющего напряжения.

d, м
<img width=«2» height=«308» src=«dopb396126.zip» v:shapes="_x0000_s1230"><img width=«3» height=«309» src=«dopb396127.zip» v:shapes="_x0000_s1231"><img width=«222» height=«2» src=«dopb396128.zip» v:shapes="_x0000_s1232"><img width=«2» height=«309» src=«dopb396129.zip» v:shapes="_x0000_s1233"><img width=«2» height=«309» src=«dopb396130.zip» v:shapes="_x0000_s1234"><img width=«2» height=«310» src=«dopb396131.zip» v:shapes="_x0000_s1235"><img width=«2» height=«310» src=«dopb396131.zip» v:shapes="_x0000_s1236"><img width=«2» height=«310» src=«dopb396132.zip» v:shapes="_x0000_s1237"><img width=«2» height=«311» src=«dopb396133.zip» v:shapes="_x0000_s1238">10-4
<img width=«218» height=«294» src=«dopb396134.zip» v:shapes="_x0000_s1239">8
6
4
3
2
<img width=«224» height=«2» src=«dopb396135.zip» v:shapes="_x0000_s1240">10-5
8
6
4
3
<img width=«222» height=«2» src=«dopb396128.zip» v:shapes="_x0000_s1241">10-6
8
6
4
3
<img width=«223» height=«2» src=«dopb396136.zip» v:shapes="_x0000_s1242">10-7
0 20 40 60 80 100 120 U, кВ
Рис. 10. Изменение глубины проникновения электронов в железо в зависимости от ускоряющего напряжения U
  Таким образом, с увеличением ускоряющего напряжения (а следовательно, и глубины проникновения электронов) максимум температуры перемещается в глубь металла. Поэтому теоретически возможна ситуация, когда поверхность материала не успевает нагреться, хотя на глубине (в максимуме энерговыделения) достигается температура кипения. На характер распределения температурного поля в зоне электронно-лучевого нагрева существенное влияние оказывает отношение диаметра луча к глубине пробега электронов. Установлено, что, например, обработка материала (плавление и выброс) эффективна только при условии d>2d, т.е. использование очень тонких пучков электронов затруднено.
Разряжение
Одним из параметров ЭЛС является степень разряжения (мм. рт. ст., Па). В большей степени этот параметр зависит от характеристик, обеспечиваемых в ЭЛУ.
ЭЛС осуществляют чаще всего вертикальным либо горизонтальным лучом в вакуумных камерах, размеры которых зависят от габаритов свариваемых изделий. Объем камер современных установок составляет от 0,1 (и менее) до сотен кубических метров. Камера с находящейся на ней (или в ней) электронной пушкой, формирующей электронный луч, может откачиваться как до высокого (» 10-3 Па), так и до низкого (» 1 – 10 Па) вакуума, но с отдельной откачкой объема электронной пушки до 10-3 Па.
Даже в низком вакууме » 1 Па содержание кислорода в 17 раз, а азота в 10 раз меньше, чем в особо чистом аргоне, поэтому при ЭЛС защита расплавленного металла очень эффективна. В вакууме электронный луч сохраняет свою удельную мощность, т. к. в нем не происходит рассеяние электронов вследствие отсутствия атомов и молекул атмосферы.
Частота автоколебаний
Для ЭЛС характерно, что при постоянном во времени потоке энергии возникают колебания физических параметров, характеризующих систему луч – вещество, а именно: потока пара, интенсивности светового излучения, эмиссии электронов и т.п. из зоны воздействия луча. Существует критическое значение потока энергии для возбуждения колебаний: если q2 > q*2, то колебания возникают, если q2 < q*2, не возникают. Здесь q2*= Sкипrd/hнt*, где Sкип = r(сТкип + Lкип) – теплосодержание кипящего металла, Дж/см3; rd – массовая толщина слоя, г/см2, hн – эффективный КПД электронно-лучевого нагрева поверхности, t* – характерное время, зависящее от теплофизических свойств металла.
При нагреве вещества постоянным во времени потоком энергии, который больше некоторого критического значения, отмечают существенные особенности в характере изменения температуры поверхности: она не стремится к постоянному значению, но колеблется относительно некоторого среднего значения. Эта закономерность обусловлена возникновением автоколебаний температуры и плотности пара в процессе нагрева.
Регистрация характеристик автоколебаний дает новые возможности для построения систем контроля и регулирования процесса ЭЛС.
В процессе ЭЛС луч надвигается на зону металла перед передней стенкой канала и проплавляет ее на глубину Н за время t, т.е. периодически с частотой f » Vсв/d углубляется в металл (периодическое «строгание» передней стенки).
Таким образом, при формировании сварного шва наблюдаются два основных типа периодических процессов: периодическое испарение по мере углубления электронного луча в металл (с частотами порядка единиц и десятков килогерц) и колебания жидкого металла в сварочной ванне за счет периодического «строгания» передней стенки (с частотами порядка единиц и сотен герц). В литературе также отмечены плазменные колебания (с частотами порядка 106 Гц). Зависимость амплитуды колебаний от частоты для всех трех типов колебаний при ЭЛС показана на рисунке 11.

<img width=«468» height=«2» src=«dopb396137.zip» v:shapes="_x0000_s1243"><img width=«12» height=«249» src=«dopb396138.zip» v:shapes="_x0000_s1244"><img width=«2» height=«246» src=«dopb396139.zip» v:shapes="_x0000_s1245">А
<img width=«304» height=«181» src=«dopb396140.zip» v:shapes="_x0000_s1246">жидкость
пар
плазма
<img width=«2» height=«17» src=«dopb396141.zip» v:shapes="_x0000_s1247"> <img width=«2» height=«17» src=«dopb396142.zip» v:shapes="_x0000_s1248"> <img width=«2» height=«16» src=«dopb396143.zip» v:shapes="_x0000_s1250"> <img width=«2» height=«16» src=«dopb396143.zip» v:shapes="_x0000_s1249"> <img width=«472» height=«2» src=«dopb396144.zip» v:shapes="_x0000_s1251">  

101 103 105 107 f, Гц
Рис. 11. Зависимость амплитуды от частоты автоколебаний для различных процессов в канале при ЭЛС.
Специфические дефекты сварных швов при ЭЛС
Критическое изменение некоторых параметров при ЭЛС с несквозным проплавлением может привести к появлению дефектов в сварном соединении. Такими дефектами в основном являются: не заполненные металлом полости размером до 5 – 10 мм и длиной до 20 – 30 мм и периодическое несплавление корня шва.
Это объясняется тем, что давление пара в канале прямо пропорционально удельной мощности луча, а при одной удельной мощности можно получить разную глубину проплавления, т. к. чем меньше скорость, тем больше глубина проплавления. При правильном подборе удельной мощности, мощности и скорости сварки давление пара в канале отвечает условию
Р > (РG + Рs) = rgH + s/r,

где Р – давление пара в канале; РG – давление, обусловленное весом жидкого металла; Рs – давление, обусловленное поверхностным натяжением жидкого металла.
В некоторых случаях, на выходе из канала это условие может не соблюдаться, т.е. возможно захлопывание канала жидким металлом и образование полости (рис. 12).
<img width=«42» height=«12» src=«dopb396145.zip» v:shapes="_x0000_s1254"> <img width=«176» height=«236» src=«dopb396146.zip» v:shapes="_x0000_s1274 _x0000_s1264 _x0000_s1273 _x0000_s1272 _x0000_s1266 _x0000_s1261 _x0000_s1257 _x0000_s1256 _x0000_s1278 _x0000_s1253"> <img width=«176» height=«231» src=«dopb396147.zip» v:shapes="_x0000_s1271 _x0000_s1263 _x0000_s1269 _x0000_s1270 _x0000_s1267 _x0000_s1260 _x0000_s1279 _x0000_s1255 _x0000_s1280 _x0000_s1252"> <img width=«174» height=«224» src=«dopb396148.zip» v:shapes="_x0000_s1276 _x0000_s1265 _x0000_s1275 _x0000_s1268 _x0000_s1262 _x0000_s1259 _x0000_s1258 _x0000_s1277">  

<img width=«176» height=«2» src=«dopb396149.zip» v:shapes="_x0000_s1281">а б в
Рис. 12. Схема поведения канала при ЭЛС.
а – канал свободен от жидкости; б – отражение волны жидкого металла от хвостовой части ванны; в-захлопывание канала
Еще одним часто встречающимся специфическим дефектом при ЭЛС является отклонение канала проплавления от линии стыка вследствие отклонения луча магнитным полем при сварке сталей с остаточной намагниченностью. Для ликвидации этого дефекта прибегают к предварительному размагничиванию свариваемого изделия.
5. Выбор параметров режима сварки для изготовления изделия
Основные параметры ЭЛУ «Луч-4»
Для правильного подбора параметров режима сварки необходимо основываться на следующих условиях:
-                     – требуемые геометрические характеристики шва,
-                     – требуемое качество (прочностное и химическое) шва,
-                     – технологические возможности ЭЛУ.
Последний пункт является важным критерием для подбора параметров сварки, т. к. они должны входить в предел возможностей данной установки.
Рассмотрим основные параметры ЭЛС типа «Луч-4» в (табл. 5).
Табл. 5. Основные параметры ЭЛС типа «Луч-4».
Исходя из этих норм можно подбирать параметры, обеспечивающие выполнение первых двух пунктов условий (см. выше).
Подбор основных параметров ЭЛС для ЭЛУ «Луч-4»
Необходимые параметры для проведения процесса сварки:
1. Ускоряющее напряжение U.
2.                Скорость перемещения электронного луча V.
3.                Ток луча I.
4.                Рабочее расстояние (расстояние от центра фокусирующей системы до поверхности свариваемой детали) l.
5.                Ток фокусирующей системы Iф.
Выбор ускоряющего напряжения
Экспериментальные данные (рис. 6,7.) показывают, что ускоряющее напряжение существенно влияет на глубину проплавления: с увеличением ускоряющего напряжения при прочих равных условиях глубина проплавления увеличивается. Это увеличение происходит пропорционально по квадратичному закону.
Для выбора ускоряющего напряжения для сварки диафрагменной лопатки необходимо знать требуемую глубину проплавления, которая данном соединении составляет 12 – 13 мм. При этом необходимо учитывать, что сварка будет производиться на установке «Луч-4», обладающей определенными рамками по выбору данного параметра режима.
Основываясь на этих данных и используя графическую зависимость глубины проплавления от ускоряющего напряжения при постоянных общей мощности и удельной мощности выбираем Uуск = 30 кВ.
Выбор скорости перемещения электронного луча
Для определения скорости перемещения электронного луча воспользуемся экспериментальной зависимостью глубины проплавления от скорости сварки и ускоряющего напряжения (см. рис. 6).
Из предыдущего пункта известно, что ускоряющее напряжение равно 30 кВ. Следовательно, можно определить скорость сварки (рис. 13).

Н, мм<img width=«2» height=«162» src=«dopb396150.zip» v:shapes="_x0000_s1282"><img width=«2» height=«159» src=«dopb396151.zip» v:shapes="_x0000_s1283"><img width=«2» height=«161» src=«dopb396152.zip» v:shapes="_x0000_s1284"><img width=«2» height=«159» src=«dopb396153.zip» v:shapes="_x0000_s1285"><img width=«2» height=«161» src=«dopb396154.zip» v:shapes="_x0000_s1286"><img width=«2» height=«165» src=«dopb396155.zip» v:shapes="_x0000_s1287"><img width=«236» height=«2» src=«dopb396077.zip» v:shapes="_x0000_s1288">
<img width=«235» height=«2» src=«dopb396079.zip» v:shapes="_x0000_s1289">30
<img width=«238» height=«2» src=«dopb396081.zip» v:shapes="_x0000_s1291"> <img width=«223» height=«51» src=«dopb396082.zip» v:shapes="_x0000_s1290">  

<img width=«12» height=«41» src=«dopb396156.zip» v:shapes="_x0000_s1292"><img width=«57» height=«12» src=«dopb396157.zip» v:shapes="_x0000_s1293"><img width=«236» height=«2» src=«dopb396083.zip» v:shapes="_x0000_s1294">10
<img width=«237» height=«2» src=«dopb396084.zip» v:shapes="_x0000_s1295">0 0,3 0,6 0,9 Vсв, см/с
Рис. 13. Зависимость глубины проплавления от скорости сварки и ускоряющего напряжения U = 30 кВ.
Таким образом, принимаем Vсв = 0,3 см/с или равным 20 см/мин.
Выбор тока луча
В исследовательской части работы приведена зависимость величины сварочного тока от толщины соединяемых деталей из стали 12Х13 при трех разных скоростях сварки: 1 – V = 10 см/мин, 2 – V = 20 см/мин, 3 – V = 30 см/мин (рис. 3). В нашем случае, для сварки диафрагменной лопатки, используется V = 20 см/мин (рис. 14). Другие параметры сварки при этом остаются постоянными (ток фокусировки – Iф, ускоряющее напряжение – Uуск, и рабочая длина).
По результатам выбора принимаем Iсв = 100 А. Возможности установки «Луч – 4» позволяют получить такой ток, что не противоречит
3-ему условию по подбору параметров.
    продолжение
--PAGE_BREAK--