Исследование факторов, влияющих на образование дефектов сварного шва при электронно-лучевой сварке в открытой атмосфере

Исследовано влияние параметров режима сварки и свойств материала на формирование дефектов, таких как бугристость и подрезы, при вневакуумной электронно-лучевой сварке. Определено влияние отдельных параметров сварки на качество сварных швов....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2012
Hauptverfasser:	Райзген, У., Шлезер, М., Абдурахманов, А., Туричин, Г., Валдайцева, Е., Бах, Ф.В., Хассель, Т., Беньяш, А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2012
Schriftenreihe:	Автоматическая сварка
Schlagworte:	Научно-технический раздел
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101082
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Исследование факторов, влияющих на образование дефектов сварного шва при электронно-лучевой сварке в открытой атмосфере / У. Райзген, М. Шлезер, А. Абдурахманов, Г. Туричин, Е. Валдайцева, Ф.В. Бах, Т. Хассель, А. Беньяш // Автоматическая сварка. — 2012. — № 2 (706). — С. 13-20. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-101082
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1010822016-05-31T03:02:54Z Исследование факторов, влияющих на образование дефектов сварного шва при электронно-лучевой сварке в открытой атмосфере Райзген, У. Шлезер, М. Абдурахманов, А. Туричин, Г. Валдайцева, Е. Бах, Ф.В. Хассель, Т. Беньяш, А. Научно-технический раздел Исследовано влияние параметров режима сварки и свойств материала на формирование дефектов, таких как бугристость и подрезы, при вневакуумной электронно-лучевой сварке. Определено влияние отдельных параметров сварки на качество сварных швов. The effect of welding process parameters and properties of materials on formation of dynamic defects, such as humping and undercutting, in non-vacuum electron beam welding was investigated. The impact of individual welding parameters on quality of the welds was determined. 2012 Article Исследование факторов, влияющих на образование дефектов сварного шва при электронно-лучевой сварке в открытой атмосфере / У. Райзген, М. Шлезер, А. Абдурахманов, Г. Туричин, Е. Валдайцева, Ф.В. Бах, Т. Хассель, А. Беньяш // Автоматическая сварка. — 2012. — № 2 (706). — С. 13-20. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101082 621.791.72.01 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Райзген, У. Шлезер, М. Абдурахманов, А. Туричин, Г. Валдайцева, Е. Бах, Ф.В. Хассель, Т. Беньяш, А. Исследование факторов, влияющих на образование дефектов сварного шва при электронно-лучевой сварке в открытой атмосфере Автоматическая сварка
description	Исследовано влияние параметров режима сварки и свойств материала на формирование дефектов, таких как бугристость и подрезы, при вневакуумной электронно-лучевой сварке. Определено влияние отдельных параметров сварки на качество сварных швов.
format	Article
author	Райзген, У. Шлезер, М. Абдурахманов, А. Туричин, Г. Валдайцева, Е. Бах, Ф.В. Хассель, Т. Беньяш, А.
author_facet	Райзген, У. Шлезер, М. Абдурахманов, А. Туричин, Г. Валдайцева, Е. Бах, Ф.В. Хассель, Т. Беньяш, А.
author_sort	Райзген, У.
title	Исследование факторов, влияющих на образование дефектов сварного шва при электронно-лучевой сварке в открытой атмосфере
title_short	Исследование факторов, влияющих на образование дефектов сварного шва при электронно-лучевой сварке в открытой атмосфере
title_full	Исследование факторов, влияющих на образование дефектов сварного шва при электронно-лучевой сварке в открытой атмосфере
title_fullStr	Исследование факторов, влияющих на образование дефектов сварного шва при электронно-лучевой сварке в открытой атмосфере
title_full_unstemmed	Исследование факторов, влияющих на образование дефектов сварного шва при электронно-лучевой сварке в открытой атмосфере
title_sort	исследование факторов, влияющих на образование дефектов сварного шва при электронно-лучевой сварке в открытой атмосфере
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101082
citation_txt	Исследование факторов, влияющих на образование дефектов сварного шва при электронно-лучевой сварке в открытой атмосфере / У. Райзген, М. Шлезер, А. Абдурахманов, Г. Туричин, Е. Валдайцева, Ф.В. Бах, Т. Хассель, А. Беньяш // Автоматическая сварка. — 2012. — № 2 (706). — С. 13-20. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT rajzgenu issledovaniefaktorovvliâûŝihnaobrazovaniedefektovsvarnogošvapriélektronnolučevojsvarkevotkrytojatmosfere AT šlezerm issledovaniefaktorovvliâûŝihnaobrazovaniedefektovsvarnogošvapriélektronnolučevojsvarkevotkrytojatmosfere AT abdurahmanova issledovaniefaktorovvliâûŝihnaobrazovaniedefektovsvarnogošvapriélektronnolučevojsvarkevotkrytojatmosfere AT turičing issledovaniefaktorovvliâûŝihnaobrazovaniedefektovsvarnogošvapriélektronnolučevojsvarkevotkrytojatmosfere AT valdajcevae issledovaniefaktorovvliâûŝihnaobrazovaniedefektovsvarnogošvapriélektronnolučevojsvarkevotkrytojatmosfere AT bahfv issledovaniefaktorovvliâûŝihnaobrazovaniedefektovsvarnogošvapriélektronnolučevojsvarkevotkrytojatmosfere AT hasselʹt issledovaniefaktorovvliâûŝihnaobrazovaniedefektovsvarnogošvapriélektronnolučevojsvarkevotkrytojatmosfere AT benʹâša issledovaniefaktorovvliâûŝihnaobrazovaniedefektovsvarnogošvapriélektronnolučevojsvarkevotkrytojatmosfere
first_indexed	2025-07-07T10:24:31Z
last_indexed	2025-07-07T10:24:31Z
_version_	1836983383485317120
fulltext	УДК 621.791.72.01 ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ОБРАЗОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ СВАРНОГО ШВА ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ В ОТКРЫТОЙ АТМОСФЕРЕ* У. РАЙЗГЕН, проф., М. ШЛЕЗЕР, д-р-инж., А. АБДУРАХМАНОВ, инж. (Ин-т сварки и соединений, г. Аахен, Германия), Г. ТУРИЧИН, д-р техн. наук, Е. ВАЛДАЙЦЕВА, инж. (Ин-т лазерных и сварочных технологий СПбГПУ, РФ), Ф.-В. БАХ, проф., Т. ХАССЕЛЬ, д-р-инж., А. БЕНЬЯШ, инж. (Ин-т материаловедения Ганноверского ун-та им. Лейбница, Германия) Исследовано влияние параметров режима сварки и свойств материала на формирование дефектов, таких как бугристость и подрезы, при вневакуумной электронно-лучевой сварке. Определено влияние отдельных параметров сварки на качество сварных швов. К л ю ч е в ы е с л о в а : вневакуумная электронно-лучевая сварка, скорость сварки, плотность мощности, защитный газ, дефекты сварных швов, бугристось, подрезы В настоящее время современные технологии элек- тронно-лучевой сварки (ЭЛС) являются достаточ- но распространенным инструментом для обработ- ки материалов. Одним из оригинальных видов ЭЛС является ЭЛС в открытой атмосфере (non- vacuum eleсtron beam welding–NV-EBW), разра- ботанная более 50 лет назад [1] и в основном применяющаяся в массовом производстве легких конструкций [2], в частности в автомобильной промышленности при сварке выхлопных систем, деталей трансмиссий и других компонентов [3, 4]. Этот процесс используют также при произ- водстве сварных труб, при сварке широких го- рячекатаных полос и конструкционных сталей [5]. Основными преимуществами NV-EBW по срав- нению с обычной ЭЛС в вакууме являются от- сутствие необходимости создания вакуума в ра- бочей камере, высокая скорость сварки, малый рабочий цикл, хорошее перекрытие зазора свар- ных кромок лучом, высокий КПД оборудования. К недостаткам процесса можно отнести малое ра- бочее расстояние, образование рентгеновского излучения и озо- на, которые требуют защищен- ных от излучения помещений с вентиляционной системой. Благодаря большому резерву мощности тео- ретически можно достичь очень высоких скорос- тей сварки при NV-EBW тонколистовых метал- лов. Однако, как показывают работы [6, 7], ин- тенсивная динамика сварочной ванны при высо- кой скорости сварки приводит к возникновению поверхностных дефектов сварных швов, особенно к бугристости (рис. 1, a) и подрезам (рис. 1, б). Данные дефекты наблюдаются при сварке стали на скоростях более 8 м/мин, а для алюминиевых сплавов — более 15 м/мин. Эти явления огра- ничивают использование полного потенциала мощности и экономической эффективности тех- нологий NV-EBW. Экспериментальная установка. Для экспери- ментальных исследований в Институте материа- ловедения использовали установку типа NV-EBW 25-175 TU компании «PTR-Precision technology» (рис. 2, б). Максимальная мощность луча этой системы составляет 25 кВт при ускоряющем нап- ряжении Uacc = 175 кВ, максимальная скорость сварки vw = 20 м/мин. Установка может работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Угол наклона электронной пушки может варьиро- © У. Райзген, М. Шлезер, А. Абдурахманов, Г. Туричин, Е. Валдайцева, Ф.-В. Бах, Т. Хассель, А. Беньяш, 2012 Рис. 1. Динамические дефекты сварных швов: a — бугристость (vw = 10 м/мин); б — подрез (vw = 12 м/мин) * По материалам доклада, представ- ленного на V Международной конфе- ренции «Лазерные технологии в сварке и обработке материалов», 22–27 мая 2011 г., Кацивели, Крым. 2/2012 13 ваться от 0 до 90° [5]. В Институте свар- ки и соединений в Аахене для экспе- риментальных исследований использо- вали оборудование компании «Steiger- wald» (рис. 2, а). Максимальная мощ- ность электронного луча данной систе- мы составляет 30 кВт при ускоряющем напряжении Uacc = 150 кВ, токе луча Iв = 200 мА, максимально достигаемой скорости vw = 57 м/мин [4]. Исследование и моделирование поверхностной динамики сварочной ванны. Форма свободной поверхности сварочной ванны. На основании урав- нения Навье–Стокса для течения расп- лава, уравнения непрерывности течения расплава и условий баланса давлений на свободной поверхности, как показано в работе [8], было выведено уравнение, описывающее форму поверхности сварочной ван- ны: ∂3ζ ∂x3 + ⎛ ⎜ ⎝ ρv0 2 σH – 2 b2 ⎞ ⎟ ⎠ ∂ζ ∂x = – 3 2LH + 3ν ρv0 σH2. (1) Обозначения параметров представлены на рис. 3. Решив уравнение (1), можно определить пре- вышение расплава над поверхностью образца в хвосте сварочной ванны: ζ \|x = L = – 32 HL + 3 G Re G – 2H2 b2 × × ⎛ ⎜ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ L – 2H 1 – cos ⎛ ⎜ ⎝ G – 2H2 b2 ⎞ ⎟ ⎠ 1 ⁄ 2 L H ⎛ ⎜ ⎝ G – 2H2 b2 ⎞ ⎟ ⎠ 1 ⁄ 2 sin ⎛ ⎜ ⎝ G – 2H2 b2 ⎞ ⎟ ⎠ 1 ⁄ 2 L H ⎞ ⎟ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ , (2) где G = (ρv0 2) ⁄ (σ ⁄ H) — отношение скоростного на- пора потока расплава к капиллярному давлению; v0 — скорость расплава относительно твердой фа- зы, связанная с обтеканием расплавом кратера, формирующегося под лучом, и в принятом од- номерном приближении может быть оценена как ν0 = νw h H, где h — глубина кратера. Уравнение (2) позволяет оценить влияние свойств материала и геометрии сварочной ванны на превышение сварного шва. Рассмотрим случай «мелкой» и «широкой» сварочной ванны, когда G > (2H2) ⁄ b2, т. е. когда глубина проплавления меньше ширины сварочной ванны. В этом случае на поверхности расплава могут формироваться волны при ⎛⎝G – (2H2) ⁄ b2⎞⎠ L ⁄ H > 2π. При этом средняя линия поверхности снижается по направлению к хвосту ванны. В случае «глубокой» сварочной ванны, когда G < (2H2 ⁄ b2) (глубина достигает трети ши- рины и более), ситуация кардинально меняется. Снижение средней линии сменяется ее повыше- нием к концу ванны, максимальная высота ко- торой может достигать 3 2 b 2 H . Следует обратить внимание на случай, когда G ≈ (2H2 ⁄ b2). Тогда высота превышения может быть и существенно больше. Такие режимы наиболее опасны с точки зрения нестабильного формирования поверхнос- ти, но проанализировать это с использованием принятых приближений «пограничного слоя» не- возможно. Данная модель описывает форму сварочной ванны при относительно низких скоростях сварки (скорость сварки до появления бугристости и ма- лых превышений шва ζ). Для экспериментальной верификации провели сварочный эксперимент с соответствующими параметрами. На полученном сварном шве наблюдается длинноволновой про- филь сварочного валика (рис. 4). Приведенный анализ является по сути теоре- тическим описанием процесса формирования «стационарных» занижений и превышений повер- хности сварного шва, т. е. формирования подре- Рис. 2. Экспериментальные установки для ЭЛС в открытой атмосфере: a — Anlage Typ IGM G 150 K фирмы «Steigerwald»; б — 25-175 TU компании «PTR-Precision technology» Рис. 3. Обозначение параметров сечения сварочной ванны 14 2/2012 зов. Для анализа существенно нестационарных яв- лений, таких как бугристость, в уравнениях не- обходимо сохранить «нестационарные» члены с временными производными и проанализировать устойчивость «квазистационарного» поведения, описанного выше. Устойчивость поверхности сварочной ванны. Для анализа стабильности поверхности сварочной ванны использовали уравнение для локального превышения ее поверхности над поверхностью образца, выведенное на основе нестационарного уравнения Навье–Стокса, уравнения непрерыв- ности и баланса давлений: ∂2ζ ∂t2 = – σH ρ ∂4ζ ∂x4 + 2σH ρb2 ∂2ζ ∂x2 + 3σ 2ρLH ∂ζ ∂x . (3) Обозначения, входящие в уравнение (3), по- казаны на рис. 5. Анализ устойчивости решения этого уравнения по Ляпунову (устойчивости плос- кой поверхности сварочной ванны) показал, что на поверхности сварочной ванны развиваются волны, описываемые выражением ζ = ζ0e i(ωt – kx), где ω = ± Ω ± iγ — круговая частота. Частота волн задается выражением Ω = √⎯⎯σH ρ ⎡ ⎢ ⎣ ⎛ ⎜ ⎝ k4 + 2k2 b2 ⎞ ⎟ ⎠ 2 + 9k2 4L2H4 ⎤ ⎥ ⎦ 1 ⁄ 4 × × cos ⎛ ⎜ ⎝ 1 2 arctg 3b2 2LH2k(k2b2 + 2) ⎞ ⎟ ⎠ . (4) Инкремент нарастания волн γ определяется вы- ражением γ = √⎯⎯σH ρ ⎡ ⎢ ⎣ ⎛ ⎜ ⎝ k4 + 2k2 b2 ⎞ ⎟ ⎠ 2 + 9k4 4L2H4 ⎤ ⎥ ⎦ 1 ⁄ 4 × × sin ⎛ ⎜ ⎝ 1 2 arctg 3b2 2LH2k(k2b2 + 2) ⎞ ⎟ ⎠ . (5) Выражения (4) и (5) определяют условия и ско- рость роста бугров. Поскольку в решение урав- нения (3) всегда входят члены вида eγt и e–γt, то при любом знаке γ существует решение, возрас- тающее со временем. Это означает, что наличие течения Марангони на поверхности приводит к возникновению на ней колебательной неустойчи- вости, которая является причиной бугристости. Параметры бугристости, такие как расстояние между буграми и их размер, определяются вол- новым числом k (длиной возбуждающихся волн), которое в свою очередь определяет максимальное значение инкремента γ (максимальную скорость роста возмущений). Таким образом, растут бугры с таким волновым числом, которое соответствует максимальной скорости роста (бугры с маленькой скоростью также растут, но их не видно из-за того, что большие бугры поглощают маленькие). При этом в силу конечности длины сварочной ванны L необходимо выбирать из значений k = = 2πn/L, где n = 1, 2, 3, …, m. Очевидно, что существует максимальное значение k, лежащее на вещественной оси, которое и определяет парамет- ры бугристости. Анализ выражения для инкремента нарастания волн показывает, что значение k, обеспечивающее максимум инкремента γ, при сделанных допуще- ниях зависит только от длины, ширины и глубины сварочной ванны. В качестве примера проанализируем процесс развития бугристости с увеличением скорости сварки. Возможные длины волн на поверхности сварочной ванны показаны на рис. 6 в виде вер- тикальных линий (маркеров). Скорости роста этих волн определяются соответствующими значени- ями инкремента нарастания волн. С увеличением скорости сварки, ведущим к удлинению свароч- ной ванны, все маркеры смещаются по графику налево, при этом скорости роста волн разной дли- ны меняются и после перехода маркером наиболее длинной волны через максимум скорость ее роста Рис. 4. Поверхность сварного шва при скорости сварки до появления бугров (DC05 толщиной 1,5 мм, vw = 10 м/мин, Iв = = 70 мА, A = 15 мм) Рис. 5. Обозначения параметров к модели бугристости шва 2/2012 15 начинает снижаться, что при дальнейшем увели- чении скорости сварки ведет к замене длинно- волновой бугристости на коротковолновую, т. е. к кратному уменьшению расстояния между буг- рами. Сплошные вертикальные линии на рис. 6 показывают волновое число для коротких свароч- ных ванн, штриховые — для длинных ванн. В длинной сварочной ванне растут быстрее корот- кие волны, в короткой — длинные. Построенную модель можно проиллюстриро- вать реальным примером. Инкремент нарастания изменяется с увеличением длины сварочной ван- ны в соответствии с рис. 6. При экспериментах с короткой сварочной ванной (рис. 7, a) волна с λ = L находится правее максимума на графике, поэтому и растет быстрее. При длинной свароч- ной ванне волны с λ = L (рис. 7, б) смещаются в левую часть от максимума графика функции γ(k), т. е. инкремент нарастания бугров с длиной волны L ниже, чем для волн длиной L/2. Экспериментальные исследования. В соот- ветствии с изложенной выше теорией основными параметрами, влияющими на появление свароч- ных дефектов, таких как бугристость, подрез, яв- ляются длина, глубина и ширина сварочной ван- ны. Их значения определяют пороговую скорость сварки, при которой еще не наблюдаются дефек- ты, связанные с динамикой ванны. Определение критической скорости сварки при различных параметрах. Результаты экспери- ментов, проведенные на низкоуглеродистой стали DC05, показали, что с увеличением скорости свар- ки сначала появляются подрезы, а при достиже- нии определенной критической скорости для дан- ных параметров сварки формируются первые крупные бугры с нерегулярными расстояниями между ними. С повышением скорости сварки воз- растает количество бугров на длину шва, т. е. частота их появления увеличивается, расстояние между ними уменьшается и размеры самих бугров становятся меньше (рис. 8). Следующим важным параметром является ра- бочее расстояние A, которое влияет на плотность мощности в пятне нагрева. С уменьшением ра- бочего расстояния плотность мощности резко воз- растает [9]. Результаты эксперимента показывают, что с уменьшением рабочего расстояния необхо- димо снижать ток луча с целью поддержания тре- буемой глубины проплавления металла. При этом шов получается уже и порог возникновения бугристости изменяется незначительно. Определение границы возникновения бугров для различных материалов было проведено ана- логично методике, примененной для стали DC05. Исследования показали, что существует опреде- ленная зависимость критической скорости сварки от свариваемого материала (табл. 1). В то время, как порог скорости образования бугров для сталей находится в пределах 10…12 м/мин и несущественно зависит от их химичес- кого состава, при сварке алюминиевого сплава и свинца не наблюдалось бугристости даже при 20 м/мин. Очевидно, что порог скорости образования бугров зависит от физических свойс- тв самого материала и прежде всего от поверх- ностного натяжения. Из табл. 1 видно, что с умень- Рис. 6. Зависимость инкремента нарастания волн от волново- го числа (описание см. в тексте) Рис. 7. Зависимость образования бугров от скорости сварки (соответственно от длины сварочной ванны) (A = 10 мм): a — vw = 12 м/мин, Iв = 65 мА; б — vw = 15 м/мин, Iв = 5 мА 16 2/2012 шением поверхностного натяжения порог бугристости сдвигается в область больших скоростей сварки, что подтверждает сделан- ное выше заключение о ведущей роли тер- мокапиллярного эффекта при образовании бугристости в мелкой сварочной ванне. Косвенным образом это подтверждает за- висимость порога бугристости от толщины материала. Результаты экспериментов по определению влияния толщины металла на динамику сварочной ванны представлены в табл. 2. Установлено, что порог скорости образования бугров падает с увеличением толщины материала. Это может быть объяс- нено изменением механизма теплопроводности в металлическом листе при переходе от двух- к трехмерному случаю. При этом меняется дина- мика сварочной ванны, на которую, помимо по- верхностного термокапиллярного эффекта, вли- яют конвективные потоки со дна ванны к повер- хности. Поверхностно-активные вещества, такие как кислород при сварке сталей, действуют как эле- мент, понижающий силы поверхностного натя- жения, причем согласно теориии Рэлея [10] кри- тическая длина ванны увеличивается (λ > 2πR) и появление бугров можно избежать или отодви- нуть их возникновение в сторону больших ско- ростей сварки. При снижении поверхностного на- тяжения увеличивается радиус, а с ним и кри- тическая длина, т. е. ванна замерзнет раньше, чем возникнет волна. На рис. 9 показан пример вли- яния защитного газа состава Ar + 4 % O2 на фор- мирование бугристости в нахлесточном соеди- нении. Исследования показали, что применение за- щитного газа позволяет увеличить скорость свар- ки на 2 м/мин прежде, чем возникнет бугристость. Вывод о том, что эффект Марангони является решающим фактором для динамики сварочной ванны подтверждается также следующим экспе- риментом. Известно, что сера и углерод сущес- твенно влияют на поверхностное натяжение сва- рочной ванны [11]. Исходя из этого, для экспе- риментов использовали графитовый распылитель, которым была покрыта половина металлической пластины. После сварочного прохода обнаружено, что на части пластины, не покрытой графитом, образовались бугры, в то время как на обрабо- танной графитом части пластины бугры не наб- людались (рис. 10). Так как время, типичное для вневакуумной ЭЛС, очень короткое, влиянием диффузионных процессов можно пренебречь и ис- ходить из чисто поверхностных эффектов. Высокоскоростная видеосъемка сварочной ванны. В помощью высокоскоростной видеосъем- ки сварочной ванны, проведенной в рамках ис- Рис. 8. Образование бугров и подрезов при разных скоростях сварки (сталь DC05, Uacc = 150 кВ, Iв = 100 мА, A = 10 мм): a — vw = 14; б — 16; в — 18 м/мин Т а б л и ц а 1. Влияние типа материала на критическую скорость образования бугров (A = 15 мм) Материал d, мм vw, м/мин ρ, Дж/см3 Iв, мА σ, мН/м Замечания Сталь DC05 1,5 12 7,874 80 1800 Начало бугристости Сталь TRIP 700 1,5 12 7,874 75 1800 » Cu 1,5 15 8,920 68 1250 » AlMg3 1,7 20 2,660 40 865 Бугристость не достигнута Pb 1,0 20 11,34 12,5 451 » Поверхностное натяжение чистых материалов (Fe, Cu, Al, Pb). Т а б л и ц а 2. Влияние толщины материала на порог скорости образования бугров шва (A = 15 мм, расход гелия 90 мин–1) Материал d, мм Iв, мА vw, м/мин Замечания DC05 0,7 57 20 Нормальный шов DC05 1,5 80 12 Подрез, бугристость DC05 3,5 75 6 » AlMg3 1,5 40 20 Малые подрезы AlMg3 4,0 70 10 Подрез, бугристость Pb 1,0 12,5 20 Малые подрезы Pb 5,5 40 15 Подрез, бугристость 2/2012 17 следований во время процесса сварки (рис. 11), был зафиксирован поток расплава в направлении к хвосту сварочной ванны. Кроме того, можно наблюдать динамику развития отдельных бугров, их размеры и скорость роста (рис. 12). Наблюдалось, что бугры имеют определенную скорость движения по отношению к поверхности свариваемой металлической пластины. Скорость движения бугров уменьшалась по мере их роста от порядка пяти скоростей сварки до скорости сварки. Средняя скорость течения расплава в се- редине сварочной ванны составила порядка 40 м/мин по отношению к поверхности пластины. Как показывают измерения, бугры сначала растут быстро. С увеличением размеров скорость их рос- та резко убывает. Измеренные данные были на- ложены численно на экспоненциальную функцию Δγ = ae–γt. В качестве среднего значения для за- тухающего роста бугров использовали параметр γ = 90 с–1. Далее на некоторых исследуемых кри- вых наблюдается сильное отклонение от непре- рывного затухающего роста. Существуют отдель- ные бугры, которые на начальной стадии своего роста прекращают расти и рассасываются в объеме сварочной ванны. Происходит также пог- лощение малых неразвившихся бугров большими по размерам. Экспериментальное определение потоков рас- плава в сварочной ванне. Для визуализации дви- жения расплава в сварочной ванне использовали образец, который представлял собой две наложен- ные друг на друга металлические пластины тол- щиной 1 мм с тонкой никелевой полоской между ними, толщина которой составляла 100 мкм. По- Рис. 9. Влияние защитного газа в нахлесточном соединении на образование бугров (сталь S420MC толщиной 2 мм, vw = 10 м/мин, кадры позади процесса сварки): а, б — без защитного газа; в, г — с защитным газом Ar + O2 Рис. 10. Влияние поверхностно-активного вещества на динамику сварочной ванны (DC05 толщиной 1,5 мм, vw = 14 м/мин) с графитом (а) и без графита (б) Рис. 11. Динамика роста бугров (высокоскоростная видеосъемка сварочной ванны) 18 2/2012 добные эксперименты проводили ранее на толс- тых материалах [12], где наблюдались вертикаль- ные потоки жидкости в сварочной ванне. В наших экспериментах подобные вертикальные потоки не выявлены, а зафиксированы горизонтальные потоки индикаторного материала в корне шва (рис. 13). Кроме оптического, металлографического ис- следования, проведен микрозондовый энергодис- персионный анализ (рис. 14), результаты которо- го не выявили градиента в концентрации никеля в сечении бугра как в продольном, так и в попе- реченом направлении. Данные результаты представляют принципи- ально иную динамику формирования поверхности сварочной ванны и свидетельствуют о том, что движущей силой в образовании бугров при сварке тонколистовых материалов являются не верти- кальные конвекционные потоки, а поверхностные эффекты, прежде всего эффект Марангони. Выводы 1. На основе совместного исследования устойчи- вости гидродинамических и тепловых процессов в сварочной ванне разработана модель формиро- вания подрезов и бугров на поверхности швов при вневакуумной ЭЛС. Теоретический анализ и результаты моделирования показали, что причи- ной формирования подрезов являются поверхнос- Рис. 12. Динамика роста бугров сварочной ванны (видиосъемка в процессе сварки) Рис. 13. Распределение никеля в сварном шве в отраженных электронах: a — продольное; б — поперечное сечение бугра Рис. 14. Распределение никеля в бугре по горизонтали (а) и вертикали (б) 2/2012 19 тные явления, а причиной возникновения бугров — развитие неустойчивости термокапиллярного течения расплава в сварочной ванне. 2. Определены пороги скорости бугрообразо- вания и подрезов в зависимости от тока луча и рабочего расстояния. Установлено, что с увели- чением тока луча возрастает нестабильность сва- рочной ванны. С уменьшением рабочего рассто- яния увеличивается интенсивность луча, поэтому ток луча необходимо уменьшать для поддержания требуемой глубины проплавления. При этом про- филь шва становится уже и порог скорости бугро- образования изменяется незначительно. 3. Экспериментально определены пороги ско- рости образования бугров для различных мате- риалов. С увеличением толщины материала порог скорости образования бугров уменьшается. При- чиной этого является изменение условий тепло- массопереноса расплава. Установлено, что веду- щую роль играет эффект Марангони. 4. Использование поверхностно-активных ве- ществ позволяет подавить образование бугров за счет изменения коэффициента поверхностного на- тяжения. 5. Высокоскоростная видеосъемка позволила оценить скорость течения расплава в сварочной ван- не, динамику роста и размеры отдельных бугров. 6. Благодаря использованию индикаторного материала никеля в сварочной ванне были вы- явлены горизонтальные потоки и отсутствие вер- тикальных, что было также подтверждено ре- зультатами микрозондового анализа шлифов в продольных и поперечных шлифах. Данная работа проведена в рамках проекта Di.434/88-1, LA 2484/1-1 при поддержке Deutsche Forschungsgemeinschaft. 1. Introduction to electron beam technology / Ed. Bakish R. — New York; London: John Wiley & SonsInc., 1962. 2. Non vacuum electron beam welding of light sheet metals and steel sheets / Fr.-W. Bach, A. Szelagowski, R. Versemann, M. Zelt. — S. 4–10. — [2002]. — (Intern. Inst. of Welding; Doc. No. IV-823–02). 3. Powers D. E., Schumacher B. W. Using the electron beam in air to weld conventionally produced sheet metal parts // Wel- ding J. — 1989. — 68/2. — S. 48–53. 4. Dilthey U., Masny H. Hochgeschwindigkeitsschweiβen mit dem Elektronenstrahl an Atmosphaеre-Fertigung von Karos- seriekomponenten. — DVS-Berichte. Duеsseldorf: DVS- Verlag, 2005. — Vol. 237. — 549 S. 5. Вневакуумная электронно-лучевая сварка конструкцион- ных сталей / Ф.-В. Бах, А. Беньяш, К. Лау, Р. Конья // Автомат. сварка. — 2009. — № 5. — С. 29–34. 6. Albright C. E., Chiang S. High speed laser welding disconti- nuities // Proc. of the 7 th Intern. conf. on applications of la- sers and electro optics. — ICALEO’88. Santa Clara CA, 1988. — P. 207/213. 7. Wei P. S. Thermal science of weld bead defects: A rewiew // J. of Heat Transfer. — 2011. — Vol. 133. 8. Dynamic processes at high speed laser and electron beam treatment of materials / G. Turichin, E. Valdaytseva, Fr.-W. Bach, A. Beniyash // 25th Anniversary of cooperation, tran- sactions of saint-petersburg state polytechnic university and Leibniz University of Hannover. — St. Petersburg–Hanno- ver, 2010. — P. 91–101. 9. Messung der Strahlqualitaet einer Elektronenstrahlanlage in Umgebungsatmosphaere / U. Reisgen, M. Schleser, A. Ab- durakhmanov, H. Masny // Materialwissenschaft und Werks- tofftechnik. — 2010. — 41, № 1. — S. 45–52. 10. Rayleigh J. The theory of sound. — New York: Dover publ., 1945. 11. Czerner St. Schmelzbaddynamik beim Laserstrahl-Waerme- leitungsschweiβen von eisenwerkstoffen. — Diss.: Hanno- ver, 2005. 12. Sievers E-R. Schmelzbadinstabilitaeten beim Elektronstrah- schweiβen von Grobblechen // Schweiβen und Schneiden. — 2006. — 58, № 6. — P. 288–295. The effect of welding process parameters and properties of materials on formation of dynamic defects, such as humping and undercutting, in non-vacuum electron beam welding was investigated. The impact of individual welding parameters on quality of the welds was determined. Поступила в редакцию 07.07.2011 Уважаемые читатели! 20–24 февраля в пос. Свалява (Карпаты, Украина) состоится 12-й Международный научно-технический семинар «Современные проблемы производства в промыш- ленности и на транспорте» с разделами: «Упрочняющие технологии и покрытия» и «Современные технологии и оборудование в сборочном и сварочном производстве» (АТМ Украины, тел./факс: +38 (044) 430 85 00, E-mail: atmn@ism.kiev.ua). 20 2/2012

Исследование факторов, влияющих на образование дефектов сварного шва при электронно-лучевой сварке в открытой атмосфере

Institution

Ähnliche Einträge