О температуре в канале проплавления при электронно-лучевой сварке Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.791.72

О ТЕМПЕРАТУРЕ В КАНАЛЕ ПРОПЛАВЛЕНИЯ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ

© 2013 Д.Н. Трушников1, Е.С. Саломатова1, В.Я. Беленький1, Е.Г. Колева2,

Г.М. Младенов3

1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет 2 Институт электроники Болгарской академии наук, г. София 3 Технологический центр электронно-лучевых и плазменных технологий, г. София

Поступила в редакцию 01.11.2013

Описана методика экспериментальной и расчетной оценки температуры в канале проплавления при электронно-лучевой сварке, предусматривающая измерение концентрации паров над зоной взаимодействия электронного пучка с металлом путем химического анализа напыленного на подложку слоя металла. Проведено сопоставление полученных экспериментальных значений температуры с результатами расчетов с использованием модели, основанной на рассмотрении равновесия элемента стенки канала проплавления.

Ключевые слова: электронно-лучевая сварка, осцилляция электронного пучка, давление в канале проплавления

Среди методов сварки электронно-лучевая сварка (ЭЛС) занимает особое место благодаря высокой концентрации мощности в сварочном электронном пучке и способности его глубокого проникновения в металл, что обусловливает широкое применение ЭЛС при изготовлении деталей ответственных изделий из различных сталей и сплавов. Для описания процесса ЭЛС зачастую применяются упрощенные модели, в которых канал проплавления заменяется линейным источником тепла в комбинации с точечным поверхностным источником, располагающимся на поверхности свариваемого металла [1-3]. Такие модели дают удовлетворительное описание картины на некотором удалении, но абсолютно не пригодны для исследования самого парогазового канала. Отметим также, что интенсивность и распределение тепловых источников выбирается на основе конфигурации зоны проплавления на металлографических шлифах шва и что не учитывается ионизация фокуса пучка.

При ЭЛС происходит интенсивное испарение материала. Давление отдачи паров, покидающих зону плавления, прогибает поверхность

Трушников Дмитрий Николаевич, кандидат технических наук, доцент. E-mail: [email protected] Саломатова Екатерина Сергеевна, старший преподаватель. E-mail: [email protected] Беленький Владимир Яковлевич, доктор технических наук, профессор. E-mail: [email protected] Колева Елена Георгиевна, кандидат технических наук, доцент. E-mail: [email protected] Младенов Георгий Михайлович, доктор физических наук, профессор. E-mail: [email protected]

сварочной ванны, и в расплаве формируется глубокий и узкий канал проплавления, жидкие стенки которого удерживаются давлением паров [4-8]. Поэтому процессы испарения при ЭЛС представляют интерес при разработке теоретических моделей процесса формирования сварного шва [9-10]. На данный момент достигнуты заметные успехи в численном моделировании процессов электронно-лучевой и лазерной сварки [7-8,11-13], но законченные общепринятые модели, до настоящего времени, отсутствуют. Особенно следует указать на отсутствие динамических моделей описывающие процессы в канале проплавления при ЭЛС с периодическим воздействием на электронный пучок. Отметим также, что при моделировании сходной с электронно-лучевыми процессами лазерной сварки температуру в канале проплавления принимают обычно равной температуре кипения при атмосферном давлении, но ЭЛС ведется в вакууме, и данное допущение при моделировании процесса ЭЛС необоснованно. В предлагаемой работе описывается методика экспериментальной оценки температуры в канале проплавления при ЭЛС, которую можно применить для случая ЭЛС с осцилляцией электронного пучка.

Методика экспериментальной оценки температуры. Основой экспериментальной методики являлось определение температуры в канале проплавления при ЭЛС по данным о химическом составе паров, образующихся над зоной сварки. Для экспериментальной оценки состава паров на электронно-лучевой установке с энергетическим агрегатом ЭЛА-6ВЧ фирмы

«SELM[» (Украина) производились проходы осциллирующим электронным пучком по образцу из аустенитной стали 12Х18Н10Т. Вблизи зоны воздействия электронного пучка на образец (на расстоянии 15 мм) была установлена пластина из стекла. Мощность электронного пучка в экспериментах составляла 3,6 кВт (ускоряющее напряжение 60 кВ), скорость сварки - 3,2 мм/с, частота и амплитуда осцилляции пучка - 650 Гц и 1,8 мм, соответственно. Ионизация фокуса выбрана таким образом, что глубина проплавления была максимальна - порядка 7 мм. Схема эксперимента приведена на рис. 1. В процессе воздействия осциллирующего электронного пучка на образец из стали 12Х18Н10Т в режиме кинжального проплавления происходило испарение и последующее напыление на пластину из алюминиевого сплава элементов, содержащихся в этой стали. Далее проводился рентгенофлуоресцентный анализ полученного покрытия, и образца, по которому совершался проход электронным пучком. Полученные данные представлены в табл. 1, 2.

Рис. 1. Схема эксперимента по анализу испарения элементов из стали 12Х18Н10Т при воздействии электронного пучка: 1 - электронная пушка; 2 - электронный пучок; 3 - расплавленный металл; 4 - исследуемый материал; 5 -алюминиевая пластина; 6 - пары металла из зоны воздействия электронного пучка

Таблица 1. Химический состав исследуемого образца (сталь 12Х18Н10Т)

Химические элементы Мп 81 Сг Т1 № С Ее

содержание элементов, % 1,27 0,50 18,99 0,59 10,14 0,09 68,42

стандарт, % тах 2 тах 0,80 17-19 - 9-11 тах 0.12 баланс

Таблица 2. Химический состав напыленного покрытия

Химические элементы Ее Сг Мп А1 №

содержание элементов, % 33,36 24,94 34,81 2,85 1,891

Для определения количества легирующих элементов, испарившихся из стали 12Х18Н10Т при воздействии электронного осциллирующего электронного пучка, из содержания элементов напыленного на пластину слоя вычиталось содержание элементов химического

состава пластины. Результаты расчета представлены в табл. 3. Таким образом, в процессе электронно-лучевого воздействия на образец из стали 12Х18Н10Т происходит интенсивное испарение железа, хрома и марганца.

Таблица 3. Количество легирующих элементов, испаренных их стали 12Х18Н10Т

Химические элементы Ее Сг Мп №

содержание элементов, % 33,08 24,82 34,41 1,891

Далее, для оценки температуры в канале проплавления, образуемом в металле электронным пучком, полученные экспериментальные данные сопоставлялись с результатами термодинамического расчета. При проведении расчетов содержание каждого химического элемента в парогазовой фазе канала проплавления С; определялось с учетом химического состава металла образца (см. табл. 2) по формуле:

С, = Р

Р общ

(1)

где общее давление пара Робщ в канале является суммой парциальных давлений паров элементов сплава (Р,) и освобожденных газов:

р =у р

общ / , ,

Парциальное давление пара /-того элемента (Р) определялось через парциальное давление насыщенного пара /-того элемента над чистым элементом Р° и активность элемента в сплаве ai по выражению

где ДНисп^ - энтальпия испарения /-того элемента; Я - постоянная газовая; В - постоянная (для определенного интервала температур).

Активность элементов в сплаве ai определялась по формуле:

P = P0 • a

(3)

a = xt • y

(5)

Термодинамические расчеты парциального давления насыщенного пара ьтого элемента над чистым элементом было осуществлен по уравнения Клапейрона-Клаузиуса [9,10]:

lg P0 =-

АЯ„

2.3 • RT

+ B

(4)

где Х/ - атомная доля /-того элемента; у / - коэффициент активности /-того элемента в сплаве.

Все расчеты проводились в пакете Mаthcаd. Результаты расчетов для парциальных давлений паров в канале проплавления по приведенным выше формулам представлены в виде графиков на рис. 2. Из графиков видно, что давление паров в канале в основном определяется давлениями трех элементов - железа, хрома и марганца.

Рис. 2. Изменение давление паров в канале с ростом температуры для стали 12Х18Н10Т: PFe - давление паров железа; PCr - давление паров хрома; Рм - давление паров марганца; PNl - давление паров никеля; Робщ - общее давление паров

Рис. 3. Зависимость концентрация железа, марганца и хрома в канале для стали 12Х18Н10Т от температуры

Для определения температуры парогазовой фазы в канале проплавления результаты расчетов сопоставлялись с данными, полученными при экспериментальных исследованиях. На рис. 3 представлены результаты расчетов химического состава парогазовой фазы в зоне ЭЛС (представлены результаты только для железа, хрома и

марганца, т.к. содержанием остальных элементов можно пренебречь) и концентрации химических элементов, полученные при рентгенофлуорес-центном анализе при экспериментальных исследованиях (горизонтальные линии). Значения температуры парогазовой фазы в канале про-плавления определялись по равенству расчетных

и экспериментальных значении концентрации элементов и составили: 2590 К (для Бе), 2610 К (для Сг) и 2730 К (для Мп). Как видно из полученных данных, расхождение значении температур незначительно (около 5%) и его можно объяснить неточностями используемой методики. На точность оценки температуры также влияли разброс сведения о значениях энтальпии испарения различных элементов (табл. 4), с которыми связаны результаты расчетов концентрации паров элементов.

Таблица 4. Различные значения энтальпий испарения для химических элементов, входящих в состав стали 12Х18Н10Т

Значения энтальпии АН,

Химический кДж/моль

элемент данные по данные по данные по

[14] [15] [16]

Бе 352,0 340,2 351,0

473,0 383,3 439,0

Мп 220,0 220,5 219,7

N1 374,0 374,8 371,8

Сг 340,0 341,8 348,8

можно рассчитать с использованием модели, основанной на предположение о равновесия элементов стенки канала проплавления, при котором обеспечивается равенство давления паров в канале и суммарного давления гидростатических сил и сил поверхностного натяжения [2, 1213]:

Р = рк + — г

(6)

где р - плотность материала; к - глубина канала проплавления; а - коэффициент поверхностного натяжения материала; г - радиус канала.

Поверхностное натяжение и плотность материала в первую очередь зависят от температуры. С повышение температуры плотность вещества и коэффициент поверхностного натяжения снижаются. Поэтому важным является точное определение этих параметров для заданных значений температуры. Коэффициент поверхностного натяжения расплава стали 12Х18Н10Т определим по формуле, предложенной в работе

[19]:

Необходимо отметить, что температура в канале проплавления непостоянна по глубине и испытывает флуктуации по времени. При осцилляции электронного пучка зона максимального энерговыделения совершает возвратно-поступательное движение от поверхности вглубь канала и обратно [17-18], в связи с чем температура какого-либо выделенного элемента поверхности канала проплавления становится периодической функцией. В соответствии с этим, описанная методика позволяет оценить лишь некоторую эффективную по времени и глубине канала про-плавления температуру.

Расчет распределения температуры по глубине канала проплавления. Распределение температуры в канале проплавления при ЭЛС

— =—Ре - 2000 • 2 (¥ • X )

(7)

где аРе - поверхностное натяжение чистого железа, Дж/м2; Х - атомная доля /-го компонента в сплаве; ¥ - параметр, характеризующий капиллярную активность легирующих элементов. При температуре 16000С значения ¥, для большинства элементов, входящих в состав стали 12Х18Н10Т, имеются в справочной литературе [10], а для определения ¥ при других значениях температуры используется следующее выражение:

1873

¥Т = (¥1873 ) ~

(8)

Таблица 5. Значения параметра, характеризующего капиллярную активность легирующих элементов (Б;) и атомные доли компонентов (Х;) в стали 12Х18Н10Т

Легирующий элемент С 81 Мп № Сг

2,0 2,2 5,0 0,7 2,5

Х; 4,1510-3 9,8810-3 0,013 0,095 0,202

Из уравнений (7) и (8) получаем выражение для расчета поверхностного натяжения для стали 12Х18Н10Т для заданного значения температуры

—°тт = 1800 - 2000 •

1873

1873

1873

1873

1873

¥2 т • X 2 + ¥3 т • Х3 + ¥4 т • Х4 + ¥5 т • Х5 + ¥б т • X 6

мДж

м

(9)

На рис. 4 представлен график зависимости коэффициента поверхностного натяжения расплава стали 12Х18Н10Т от температуры, полученный с использованием выражения (9).

Рис. 4. График зависимости поверхностного натяжения стали 12Х18Н10Т

от изменения температуры

Канал проплавления при ЭЛС имеет достаточно сложную, меняющуюся со временем форму. Аппроксимируем форму канала усеченным конусом с полусферическим дном (рис. 5) и выполним расчеты для глубины проплавления И=7 мм. Величину максимального радиуса канала (в верхней его части) в первом приближении примем равным радиусу пучка электронов ^=гп=0,3 мм. Анализ корневых дефектов - пиков проплавления, формирующихся при ЭЛС остро-сфокусированным электронным пучком, показывает, что в корневой части канала его радиус на порядок меньше указанной величины. Примем радиус кривизны канала в корневой части 0,03 мм. Значения плотности стали 12Х18Н10Т в зависимости от температуры представлены в табл. 6. Результаты расчетов зависимости давления пара в канале проплавления от температуры,

полученные с использованием уравнения (6) и данных табл. 6, представлены на рис. 6.

Е.

Рис. 5. Схематичное изображение парогазового канала в жидком металле при ЭЛС

Таблица 6. Значение плотности стали 12Х18Н10Т с ростом температуры

Температура, К 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600

плотность р, кг/м3 7020 6970 6930 6880 6840 6790 6750

2>10 Зх1(Г 3.5*10"

Температура, К

Рис. 6. График зависимости давления паров от роста температуры: Робщ - общее давление пара в канале; Ргид - суммарное давление гидростатических сил и сил поверхностного натяжения на поверхности жидкой ванны: Р гид тах - на поверхности канала, Р гид тт - на дне канала

Равенство давления паров в канале и давления в жидкой фазе определяет температуру на заданной глубине в канале проплавления. Для стали 12Х18Н10Т при заданных условиях интегральная температура на поверхности канала равна 2365 К, а на дне равна 2780 К. Аналогично, можно рассчитать температуру стенок канала и давление паров на произвольной глубине, для чего в формулу (6) вместо глубины парогазового канала И подставляется глубина г, измеряемая относительно поверхности свариваемого изделия (рис. 7, 8) и соответствующий этой глубине радиус кривизны канала проплавления.

2900

Й

О)

н 2300

2200

0.0018 0.0035 0.00?* 0,007

Глубина канала проплавления м

Рис. 7. Зависимость температуры от глубины канала проплавления при ЭЛС стали 12Х18Н10Т с учетом изменения глубины и радиуса канала

1) 60000

ч

I 50000 а с

| 40000

И й

£ и

п 30000

т

о

20000

к

О)

Н

юооо

ч -

8

и 0

0.0018

Глубина канала проплавления (г), м

Рис. 8. График зависимости давления паров в канале при ЭЛС стали 12Х18Н10Т с учетом изменения радиуса канала

Результаты показывают, что температура в канале проплавления существенно зависит от глубины и составляет на дне канала проплавле-ния 2800 К, а на поверхности - 2400 К. Полученные данные удовлетворительно согласуются с результатами работы [12] и с результатами, полученными с использования экспериментальной методики, описанной выше. Средняя температура стенок канала, рассчитанная по методике, основанной на оценке равновесия элемента стенки

канала проплавления, имеет величину около 2600 К, а температура, определенная экспериментально по анализу испарения компонентов стали 12Х18Н10Т, составила 2660 К.

Выводы:

1. Предложен метод экспериментальной оценки температуры в области взаимодействия электронного пучка со стенками канала про-плавления при ЭЛС. Метод основан на измерении концентрации паров над зоной сварки с использованием химического анализа пленки, напыленной на установленную вблизи зоны сварки подложку.

2. Проведено сравнение полученных путем экспериментальной оценки значений температур в канале проплавления с данными, полученными в результате расчетов с применением модели, основанной на рассмотрении равновесия элемента стенки канала проплавления, при котором обеспечивается равенство давления паров в канале и суммарного давления гидростатических сил и сил поверхностного натяжения. Определенные экспериментально значения температуры в канале хорошо согласовываются с расчетными значениями температуры стенки канала про-плавления.

3. При ЭЛС стали 12Х18Н10Т при глубине парогазового канала 7 мм температура на дне канала составляет величину порядка 2800 К, а давление 50000 Па. С уменьшением глубины в канале проплавления температура стенок и давление парогазовой фазы в канале уменьшаются.

4. Полученные результаты в дальнейшем могут быть использованы для расчета интенсивности процессов испарения в канале проплавления при ЭЛС, что позволит определить соответствующие расходы тепловой энергии и учесть этот фактор при численном решении связанной тепловой и гидродинамический задачи.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ-Урал №11-08-96016, РФФИ №13-08-00397Л и при финансовой поддержке Министерства образования Пермского края.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Ерофеев, В.А. Особенности использования эквивалентного источника теплоты при учете деформаций и напряжений в процессе электронно-лучевой сварки / В.А. Ерофеев, Р.В. Логвинов, В.М. Несте-ренков // Сварка и диагностика. 2010. № 4. С. 22-26.

2. Язовских, В.М. Модель глубокого проплавления при электронно-лучевой свакре // Сварочное производство. 2005. № 8. С. 16-20.

3. Страхова, ЕА. Численная модель процесса электронно-лучевой сварки с экспериментальной проверкой / ЕА. Страхова, В.А. Ерофеев, ВА. Судник,

B.П. Дуликов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2008. № 2.

C. 218-225.

4. Муpавьева, Т.П. Особенности структуры и свойств сварных соединений из толстолистовых сталей, выполненных электронно-лучевой сваркой / Т.П. Муpавьева, В.К. Дpагунов, А.П. Слива, А.Л. Гон-чаpов // Сварочное производство. 2010. № 6. С. 3842.

5. Kaplan, A.F.H. Analysis of the keyhole and weld роо1 dynamics by imaging evaluation and photodiode monitoring / A.F.H. Kaplan, P. Norman, I. Eriksson // Proceedings of LAMP2009 - the 5th International Congress on Laser Advanced Materials Processing. 2009. P. 1-6.

6. Аскарьян, Г.А. Давление при испарении вещества в луче-радиации / Г.А. Аскарьян, Е.М. Морозов // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 962. Т.43. Вып. 6. С. 2319-2320.

7. Cho, W.-I. Numerical simulation of molten poo1 dynamics in high power disk laser welding / W.-I. Cho, S.-J. Na, C. Thomy, F. Vollertsen // Journal of Materials Processing Technology. 2012. 212. P. 262-275.

8. Sudnik, W. Numerical simulation of weld poo1 geometry in laser beam welding / W. Sudnik, W. Erofeew, D. Radaj, S. Breitschwerdt // Journal of Physics D: Applied Physics. 2000. Т. 33. № 6. P. 662-671.

9. Язовских, В.М. Термодинамическая оценка связи температуры испарения с давлением пара в канале проплавления при электронно-лучевой сварке / В.М. Язовских, В.В. Уточкин // Физика и химия обработки материалов. 1977. № 2. С. 73.

10. Лебедев, Б.Д. Расчеты в теории сварочных процессов: науч. пособие. - К.: НМК ВО, 1992. 320 с.

11. Туричин, Г.А. Моделирование динамического поведения сварочной ванны при лазерной и гибридной

сварке с глубоким проплавлением / Г.А. Туричин, ИА. Цибульский, М.В. Кузнецов и др. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2010. № 110. С. 175-181.

12. Ray, B.R. Heat Transfer and Fluid Flow during Electron Beam Welding of 304L Stainless Steel Alloy / B.R. Ray, T.A. Palmer, J. W. Elmer, T. Debroy // Welding Journal. Mach 2009, Vol. 88. P. 54-s - 61-s.

13. Лопота, ВА. Компьютерная система моделирования электронно-лучевой и лазерной сварки / В.А. Лопота, Г.А. Туричин, ЕА. Валдайцева и др. // Автоматическая сварка. 2006. № 4. С. 36-39.

14. Туркдоган, Е.Т. Физическая химия высокотемпературных процессов: справочник. - М.: Металлургия, 1985. 360 с.

15. Petrucci, R.H. General Chemistry: Principles & Modern Applications. 9th ed. / R.H. Petrucci, W.S. Har-wood, F.G. Herring, J.D. Madur. - Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall, 2007. 474.

16. Трутников, Д.Н. Экспериментальное исследование формирования сигнала вторичного тока в плазме по параметрам при электронно-лучевой сварке с осцилляцией пучка / Д.Н. Трутников, В.Я. Беленький // Сварочное производство. 2012. № 10. С. 9-13.

17. Trushnikov, D. Plasma Charge Current for Controlling and Monitoring Electron Beam Welding with Beam Oscillation / D. Trushnikov, V. Belenkiy, V. Shchavlev et al. // Sensors.2012. Vol. 12-12. P. 17433-17445.

18. Попель, С.И. Расчет поверхностного натяжения жидкостей по избыточному изохорно-изотермному потенциалу I. Молекулярные жидкости / С.И. Попель, В.В. Павлов, О.А. Есин // Журнал физической химии. 1963. Т. 37. №3. С. 622-627.

ABOUT THE TEMPERATURE IN FOUNDERING CHANNEL AT ELECTRON BEAM WELDING

© 2013 D.N. Trushnikov1, E.S. Salomatova1, V.Ya. Belenkiy1, E.G. Koleva2,

G.M. Mladenov3

1 Perm National Research Polytechnical University 2 Institute of Electronics of Bulgarian Academy of Sciences, Sofia 3 Technological Centers of Electron Beam and Plasma Technologies, Sofia

The method of experimental and calculated assessment of temperature in the foundering channel at electron beam welding, providing measurement of vapors concentration over a zone of interaction of electron stream with metal by a chemical analysis of metal layer raised dust on a substrate is described. Comparison of the received experimental values of temperature to results of calculations using the model based on consideration of equilibrium of a wall element of the foundering channel is carried out.

Key words: electron beam welding, oscillation of electron stream, pressure in the foundering channel

Dmitriy Trushnikov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor E-mail: [email protected] Ekaterina Salomatova, Senior Teacher. E-mail: [email protected]

Vladimir Belenkiy, Doctor of Technical Sciences, Professor. E-mail: [email protected]

Elena Koleva, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. E-mail: [email protected] Georgiy Mladenov, Doctor of Physics, Professor. E-mail: gmmladenov@abv. bg