Колебания поверхности металла сварочной ванны

Эффективность импульсного воздействия электронного луча на сварочную ванну определяется, в первую очередь, частотой этого воздействия. Очевидно, наибольший эффект будет при совпадении частоты импульсного воздействия электронного луча с собственной частотой колебаний расплавленного металла в сварочной ванне.

Колебания в сварочной ванне происходят под действием двух сил: поверхностного натяжения и инерции. В случае, если поверхность ванны отклонилась от своего равновесного положения, то под действием силы поверхностного натяжения поверхность движется к своему равновесному положению, а из-за проявления силы инерции (определяемой плотностью металла) ванна проходит мимо своего равновесного положения; таким образом происходят колебания поверхности ванны относительно ее равновесного положения.

Оценим величину частоты этих колебаний: она зависит от размеров ванны. При оценке частоты будем учитывать два характерных размера ванны: ее ширинуВ и диаметр d_kпарогазового канала в ванне.

Сначала проведем оценку частоты колебаний ванны, не учитывая того, что в ней имеется парогазовый канал. Для упрощения будем считать, что сварочная ванна имеет цилиндрическую форму: радиус цилиндра R= В/2, а глубина его h.

В [1] показано, что первая (основная) частота колебаний жидкости в цилиндрическом сосуде, под действием силы поверхностного натяжения, определяется выражением:

PR

здесь:

 ω₁- циклическая частота; ω =2πf,где f- частота колебаний ванны;

σ - величина поверхностного натяжения металла ванны;

ρ - плотность;

k₁- собственное число краевой задачи о колебаниях поверхности, оно равно нулю функции I₁’ (k), где I₁ - функция Бесселя первого рода первого порядка;

k₁ = 1,841;

h₁- безразмерная глубина ванны: h₁= h/R.

При электроннолучевой сварке обычно глубина намного больше ширины, т.е. h₁>>1. При этом гиперболический тангенс

th (k₁*h₁) ≈1

 

 

В результате получаем выражение для частоты / колебаний сварочной ванны в зависимости от ее ширины В:

                 

Следует отметить, что вязкость расплавленного металла не входит в полученное выражение, так как, в первом приближении, не влияет на величину частоты колебаний, а определяет их затухание.

Проведем численные оценки. Например, на стали (ρ=7800 кг/м³, σ=1,5 Н/м) при ширине сварочной ванныВ = 5...10 мм получаем значения для частоты колебаний ванны в пределах:f= 44...16 Гц.

Колебания сварочной ванны проявляются в образовании «чешуек» на поверхности усиления шва. Количество N«чешуек» на единице длины шва определяется выражением:

N=1/s

где s= V_CB/f- длина одной «чешуйки». Проведенные оценки находятся в хорошем соответствии с наблюдаемой на практике «чешуйчатостью» электроннолучевых сварных швов [2].

Оценим теперь частоту колебаний металла сварочной ванны около поверхности канала проплавления.

Как известно, во время сварки электронным лучом в сварочной ванне на всю ее глубину существует парогазовый канал, по которому проходит электронный луч. Энергия от электронного луча передается в сварочную ванну через поверхность этого парогазового канала.

Под действием силы поверхностного натяжения поверхность канала стремится сжаться, «схлопнуться». С другой стороны, против силы поверхностного натяжения действует давление паров свариваемого металла; в результате устанавливается равновесное положение поверхности канала. Относительно этого равновесного положения происходят колебания поверхности канала. В первом приближении, можно принять, что давление паров в канале постоянно, (так как система находится в равновесии), и амплитуда колебаний мала; при этом, как и ранее, учитываются сила поверхностного натяжения (возвращающая сила) и сила инерции (определяемая плотностью металла).

Колебания поверхности канала в этом случае определяются следующим выражением [3]:

        β ² = ;

здесь: β - аналог частоты колебаний, в данном случае - инкремент нарастания волны на поверхности канала; величина 1/β показывает, за какое время амплитуда волны возрастет в е = 2,72 раза;

r_k- радиус канала, r_k = d_k/2, где d_k- диаметр парогазового канала в сварочной ванне;

k- волновое число, определяет длину волны, развивающуюся на поверхности канала;

К₀, K₁- функции Бесселя третьего рода, нулевого и первого порядка, соответственно.

Рассмотрение приведенного выражения показывает, что на поверхности канала наиболее быстро развиваются волны, для которых р принимает максимальное значение. Анализ этого выражения на максимум (из условияdβ/d(kr_k)=0) дает kr_k= 0,484 (можно воспользоваться пакетом Mathcad, см. [4].)

В результате получаем выражение для частоты р колебаний поверхности парогазового канала в зависимости от его диаметра:

Численные оценки для ЭЛС стали дают: при диаметре парогазового канала d_k=1,5...2,5 мм частота колебаний его поверхности β= 550...250 Гц.

Колебания поверхности канала проплавления проявляются в пульсациях парового потока, истекающего из канала; такие же колебания имеются в ионном токе, который улавливается коллектором, расположенным над ванной.

Следует отметить, что приведенные оценки характеризуют диапазон частот колебаний, существующих в сварочной ванне. На практике эти колебания имеют широкий спектр в диапазоне десятки-сотни герц.

Основываясь на проведенных оценках собственных частот колебаний, существующих в сварочной ванне, можно обосновать диапазон частот импульсного воздействия электронного луча на сварочную ванну.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: