автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка теории и специальных средств управления парогазовыми потоками в процессе электронно-лучевой сварки

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЕ ГОСУДАРСТВЕННЫ! ТЕХШ5ЧЕСККЯ УНИВЕРСИТЕТ

Р Г Б ОД на рукописи

1 1 СЕН :ЗП5

Токарев Владимир Омарович

РАЗРАБОТКА ТЕОРИИ И СПЕЦИАЛЬНЫХ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ ПАРОГАЗОВЫМИ ПОТОКАМИ В ПРОЦЕССЕ ЭЛЕКТРОИНО-ЛУЧЕЕОЛ СВАРКИ

Специальность 05. оз. Об - Технология и иаьины

сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Саикт-петербугг - 199Э

Работ» шолвева г Косковсков гссшрстегввов предиркяпк "ESO ТИШАВ".

0íH5I3jSb3líE ОППОБеВТи:

- ACXTDP ШВИЧССХИ вз?К| проícccop И.В. Ошалев!

- ¿oktdf тапячеыш наук» bpoíecccp А>В- Розанов

- дсктор teiha4etkbi hs'jkt с«в.с. В.В« Слелцог!

Еедзигь праддатяг. ESO "ШШ1Г

Заката состоится "¿W" / О 1995 г • ва заседшх свсцшкзкровапвэго совета Д.С63>"3.]7 Санкт-Петерб^гсксго технического звиверситета во адрес?! 195251 Сгнкт-ПетеръзрГ!

ПолмтЕ1ввческаЯ( 29, ияхорп^С) а?д> 52«

С диссертзииЕ* вшз озкакояшсз в №давевтальной бгб-лготеке унаверстга.

Otíhbb ва aítopeíepst) завереввие печатью. вросаи вислать i др9.т зхзелвлзрзз по ютеукарзввоьз адресу вз иаз зчевого секретаре сзецяалвзвроваввцЕО, совета^

Автореферат разослав "лу" ü.ty 1995 г.

Зченыя секретарь

свЕЦва/вгкрогвйвогс совета Д.С63.38-17

'ЬКЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

■ктуадьность работы. Исключительно ваяную роль в любом одственном процессе играет технологический процесс, чиваюший высокое качество и снижение себестоимости виной продукции. Это касается и электрокно-лучеиой сварки цветных металлов и их сплавов. Этот процесс, как извест-провождается обильным испарениен элементов свариваемого ала. которые осаждаются на стенках вакуумных камер, на аенон изделии и проникают во внутренний объен сварочной онно-дучевой пушки <ЭЛШ. вызывая электрические пробои, самый непровары в сварной соединении, что. в конечном приводит к повторный подваркан и к повышению стоимости аеной "ролукпии.

еобходино отметить. . что электронно-лучевые установки нашли иирокое прш..'нение в раз™ .них областях, народного тва. несмотря на то, что электронно-лучево« нагрев про-тся в условиях вакуума и для его создания треблотся спе-ие вакуунные насосы и каперы.

аиита ЭЛП от электрических пробоев во время сварочного са является одной из актуальных проблей современной энно-лучевоя сварки цветных металлов и их сплавов, эздание универсальной технологии сварочного процесса. . ч^аилей высокое качество сварного соединения, как в ях высокого, так и в условиях промежуточного рахууна. ся также одной нз актуальных научных проблей. как в ка-ране. так и за рубежом.

?шение проблемы получения качеств*- ного сварного соеди-в условиях промежуточного (низкого) закууна позволит к стоимость выпускаемой продукт - в два. в три раза, а значительно повысить производительность труда за счет •ния времени откачки сварочных камер и упрощения вакуун-:тен.

шако, до сих вор не разработана теория управления паро-1И потоками, которые оказывают сушественное влияние на <е ; .ельной мощности электронного пучка до значений по-$ а от входных данных, а в некоторых случаях эти потери >льно выше.

«вение этих проблем позволит расширить технологические юсти Э/К и будет способствовать ее внедрению во многие >дственные ?оиессы.

Цель работы. Заключается в разработке теории и специалъ ш средой- управления- парогазовыми потоками в процессе ЭЛС эбеспечивакадих высокое качество сварного соединения« как условиях высокого« так и в условиях промежуточного вакуума•

Методы исследования» Экспериментальные исследования про №сса ЭЛС алюминиевых и титановых сплавов производились н члоских и кольцевых образцах толщиной от5 до 80 мм при приме «ении сварочных пуиек.КЭП-2М и ЭЛА 60/60 с максимальным уско эяшим напряжением до 60 кВ. Качество Формирования ивов опре целялось изучением продольных и>поперечных иакроимиФов, , уль гразвуковой дефектоскопией« Структурные исследования проводи иись с .онощью оптического микроскопа« Твердость различны участков соединений'определялась на твердомере ШТГ-З» Нехани веские свойства сварных соединений и основного металла оцени запись по данным испытаний на ударную вязкость и статическо эастяжение. Измерения температуры парового потока испаряюще гося материала производились с помочью инфракрасного пирометр 'Иф-ТОР"• фиксация взаимодействия электронного пучка с низко гемпературнс .V плазмой, производилась с помочь» скоростной ки юсьемки с частотой 2500 кадров в секунду? «затеи фотографи эованиемо телевизионного экрана»

Начиная новизна.

1. Теоретически обосновано и экспериментально подтвержде «о преобразование перемещения элементов парогазового потока и зварочной ванны во вращательное движение вокруг пучка элект эонно-лучевойпумки.

2. Впервые в мировой практике ЭЛС теоретически обоснован 4 практически'осуществлено торможение движения элементов паро газового потока между сварочной аанной и ЭЛП*

3. Впервые в мировой практике ЭЛС теоретически обоснован я практически осуществлена защита электронного пучка от йн генсивного взаимодействия с низкотемпературной плазмой в уело виях промежуточного вакуума.

4> Теоретически обоснованы критериальные условия, выпол пение которых гарантирует защиту термокатодного уе свароч ной п'лики от продуктов испаряющегося материала во время ЭЛС*

г

практическая ценность работы. На основании разработанной ■еории управления парогазовыни потокани и низкотемпературной лазмой созданы специальные устройства зашиты термокатода сва-очной электронно-лучевой пушки, стенок вакуумных камер и из-елия от продуктов испаряющегося материала во время ЭЛС, а акже разработана новая Конструкция диффузионного насоса для ткачки внутреннего объема сварочных пушек, которая по своим ехническин характеристикам превосходит нногие зарубежные ана-оги.

Разработанная теория позволила создать технологию ЭЛС с омошью специальных средств, обеспечивающую высокое качество варного соединения как в условиях высокого, так и в условиях ронежуточного (низкого) вакууна. Разработаны на уровне нежду-ародных заявок и патентов изобретения, которые позволили овысить стабильность формирования сварного, шва в условиях ронежуточного вакууна.

Впервые в нировой практике Э/1С удалось осуществить изго-овление деталей из испаряющегося материала, . что представляет громный технический интерес для специалистов, работающих в бласти получения чистых элементов, входящих в состав различ-ых сплавов.

Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден овый принцип удержания во взвешенном состоянии в условиях ва-ууна низкотемпературной плазны, который может быть использо-ан в физике плазны.

Реализация работ в промышленности. Разработанная новая ехнология ЭЛС в высокой и в промежуточном вакууме внедрена на осьми промышленных предприятиях страны с годовын эконони-еским эффектом более десяти ниллионов рублей (по денан 1992 ода).

Апробапия работ, основные результата диссертационной ра-оты докладывались на всесоюзной конференции "Современные роблены технологии машиностроения (Носква, ИВТУ ин. Н. Э. Бау-ана. 1986). на Всесоюзной конференции по сварке цветных ме-аллов (Тольятти, сентябрь, 1986), на Межотраслевой научной онФереннии (Москва. 1986), на всесоюзной конференции "Совре-

ненные проблемы технологии машиностроения" (Москва. МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1968), на XI всесоюзной конференции "Электронно-лучевая сварка в машиностроении (Николаев. 1.989), на объединенной сессии научного и координационного Совета по сварке Академии наук Украинской ССР (институт электросварки им. е. о. Патона. Киев, 1989). на всесоюзной конференции тяжелого машиностроения СССР (Москва.,- 1990), на заседании семинара /шдп ("Научные достижения в сварке и пайки) и кафедры "Оборудование и технология сварочного производства" (Санкт-Петербург, Государственный технический университет, ноябрь, 1990), на всесоюзной конференции "Электронно-лучевая сварка в машиностроении". (Николаев, 1991).

Результаты работы демонстрировались на международных ярмарках в,Италии, Гернании, Голландии. Сингапуре, России, на ВДНХ СССР, где были отмечены золотой медалью, а также в 1994 году в Брюсселе, где были отмечены золотой и серебряной медалями.

публикации, по теме диссертации опубликовано девятнадцать научных трудов, получены две международные заявки и двадцать шесть авторских свидетельств.

структура и объен работ. Диссертация состоит из введения, девяти глав, выводов по каждой главе, общих выводов по работе, основных итогов, рекомендаций. Работа содержит 176 страниц машинописного текста, 117 рисунков и 25 таблиц* список использованной литературы содержит 172 наименования.

На защиту выносятся: Теория и принципиально новые конструкции устройств управления парогазовыни потоками в процессе электроннолучевой сварки цветных металлов и их сплавов, в совокупности представляющих сварочный модуль, состоящий из сварочной электроннолучевой пушки, устройства защиты тернока-тода от продуктов испаряющегося материала во время Э/Ю и малогабаритного высоковакуумного насоса, обеспечивающего высокий вакуум во внутреннем обьене сварочной пушки.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Глава 1. Глава первая посвяшена обзору состояния оборудования. применяемого при сварке неталлов и их сплавов в условиях вакуума. Рассматривается энергонеханический конплекс, который состоит из гернетичного вакуумного объема, устройства для

монтажа и перемещения свариваемого изделия, .сварочной электроннолучевой пушки, источника питания и откачных средств. В :остав комплекса также входят сварочные манипуляторы, системы таблюдения, механизмы подачи присадочного натериала, вспомогательные устройства и механизмы, а также системы управления электрооборудованием. Отмечается, что во время сварочного процесса. особенно при сварке алюминия и его сплавов, происходит обильное испарение свариваемого материала, который осаждается 1а стенках сварочной канеры. на поверхности свариваемого изде-тия. а также проникает во внутренний объем сварочной электрон-юдучевой пушки, вызывая электрические пробои.

Отнечается, что имеется в этой области сварки научно-технический задел, в разработке которого принимали участие отечественные ученые, такие как в. В. Вашенко, в. К. Лебедев, о. К. 1азаренко и другие.

Рассмотрены известные способы и устройства, которые 1Спользуют в нашей стране и за рубежом для зашиты сварочной таки и стенок вакуумных камер от продуктов испаряющегося материала во время эле. Отнечается, что до настоящего вренени в шровой практике элс не удалось разработать научные принципы. : поношью которых можно было бы решить вышеуказанную актуальною техническую задачу, имеется огромный ряд всевозможных тех-1ических приемов, с помощью которых осуществляет зашиту катода :варочной пушки, либо защиту стенок вакуумных камер от продуктов испаряющегося материала во время ЭЛС.

Приводятся экспериментальные исследования, подтверждаюсь. что во время ЭЛС происходит разрушение катода и снижение >го имитирующей способности, а также и срока эксплуатации. От-(очеко, что во время сварки алюминиевых сплавов происходит •бальная металлизация поверхности катода парами испаряющегося (атермала, что приводит к преждевременному разрушению катода и ; повышению себестоимости выпускаемой продукции.

рассмотрены многочисленные модели отечественных и зару-¡ежных насосов, которые используются для откачки вакуунных ка-!ер. так как особое значение имеет во вреня сварочного процесса среда, которая окружает сварочную ванну. Она оказывает :ушественное влияние на качество сварного соединения.

Глава 2. Рассмотрены теоретические основы парового и ион-юго потоков при электроннолучевой сварке неталлов в условиях *акуума. Показано, что при сварке неталллов с низкой темпера-

турой плавления, к которым относится алюниний и его сплавы, создается плотный металлизированный паровой поток, который устремляется к рабочей поверхности катода, образуя в поверхностной слое катода легкоплавкие эвтектики. Постепенно нарушается эмиссионная способность катода. Отиечено, что в последнее вреня нашли широкое прненение лантано-боридные катоды, которые обладают высокими эмиссионными свойствами при рабочей температуре катода, равной збоо градусам Цельсия при плотности тока Ю А/кв. см.

Ионная бомбардировка катода совместно с паровым потокон приводят к нарушению Формирования электронного пучка в прико-Юдной области, а также к нарушению расходимости угла. Перечисленные Физические Факторы являются причиной уменьшения срока службы катода, который резко отличается от теоретического. Паровой поток, который образуется во вреня сварочного процесса, оседает и на внутренних стенках вакуумных камер. При вскрытии камер конденсат взаимодействует с влажным воздухом и с мелкодисперсной пылью, а затеи в период Форвакуумной откачки ношный турбулентный поток срывает его со стенок камеры и транспортирует в шелевой зазор между свариваеными деталяни. Поэтому необходима очистка стенок от осевшего конденсанта. эта операция очень трудоемкая и требует дополнительных потерь рабочего времени. Все вышеуказанные Физические факторы влияют на качество выпускаемой продукции.

глава з. Рассмотрены конструктивные особенности устройства зашиты от продуктов испаряющегося материала во вреня Э/1С. Теоретически обоснована принципиальная схема устройства зашиты тернокатода сварочной пушки, представленной на рис. 1.

Рис.1. схема рабочей части устройства зашиты ЭЛП.

1 - свариваемые детали; 2 - коническая насадка; 3 - конический корпус; 4- критическая точка; 5 - коническое обратное сопло; 6 -цилиндрический корпус; 7 - боковое отверстие; 8 - электронный луч.

Устройство зашиты ЭЛП с поношыо специального лучепровода в хонуте крепится к торцевой части сварочной пушки и устанавливается над свариваеныни деталями. Была составлена специальная программа и сделаны соответсвуюшие расчеты, которые позволили все основные технические параметры устройства зашита ЭЛП свести в табл. 1.

Основные технические параметры устройства зашиты элп.

Таблица 1

N 1л о* <*2 Ч г.

п/п на град. мм им им мм нн нн

1 до 100 го 30 22 44 20 92 48

2 100-150 го 30 22 48 24 96 48

3 150-200 го 30 22 52 28 100 48

4 200-250 го 30 22 56 32 104 48

5 200-300 го 30 22 60 36 108 48

б 300-400 го 35 гг 64 40 112 48

7 400-450 го 37 гг 68 44 116 48

в 450-500 20 40 22 72 48 120 46

9 500-600 20 40 22 76 52 124 48

10 600-700 го 40 22 80 56 128 48

11 700-1000 го 40 22 84 60 132 48

Как видно из таблицы 1. основные ге^етрические и установочные параметры выбираются в зависимости от абсолютной величины сварочного тока.

Глава 4. В процессе ЭЛС в условиях промежуточного вакууна происходит обильное образование низкотемпературной плазмы, которая вступает во взаимодействие с электронным пучком, вызывая изненение удельной мощности пучка. Разработанная теория управления парогазовыми потоками во время сварочного процесса позволила четко определить основные критериальные условия, выполнение которых обязательно для процесса Формирования обьенно-пульсируюшего "сгустка" над сварочной ванной во внутренней полости конической насадки устройства защиты ЭЛП.

Первое условие.

Число Кнудсена меньше единицы в ограниченной объеме парогазового потока.

где </х- длина свободного пробега;

-Св- характерный размер области

второе условие.

во внутренней полости "сгустка", расположенного вокруг электронного пучка, образуется полость с ниникальноя плот-' ностыо эленентов низкотемпературной плазмы, при прохождении которой удельная мощность электронного пучка снижается незначительно.

третье условие.

В процессе движения парогазового потока внутри конической ловушки отсутствует внешний теплообнен и внутреннее тепловыделение. Такое движение парогазового потока, как известно, называется изоэнтропическим.

Четвертое условие.

Для парогазового потока, двигающегося в пристенной области внутреннего объема устройства зашиты, приенлены все основные уравнения газодинамики.

Пятое условие.

о.зч< к в0 ^ а/г ^ 34°

25° 4 $ < 64°.

где И - число Маха на скачке уплотнения во внутренней

тва зашиты элп от продуктов испаряющегося материала во время элс.

Р - угол скачка уплотнения во внутреннем объеме диффузора зашиты ЭЛП от продуктов испаряющегося материала во время ЭЛС.

Ы.

3.

объеме устройства зашиты ЭЛП;

угол при вершине усеченного лучепровода устройс-

Ввиду того, что устройство зашиты элп от напыления представляет собой инструкцию, состоящую из диффузора с внутренним лучепроводон и с внешней конической ловушкой, то для расчета основных параметров парогазового потока необходимо вычисление следующих термодинамических параметров: отношение давлений <Р?/Р, ), отношение плотностей потока < Рк/^ ). отношение тенператур (Т^ /т1 ) и числа Маха на скачке уплотнения -м4, так как скорость вылета никрочастиц из сварочной ванны достигает величины Юг - 10 см/ с.

Р, Ж-/ Г

Р, ~ Х + *

А- А__4—г+() «»

где К

А

Н,

Р

показатель изоэнтропы;

давление, плотность и температура до скачка уплотнения;

давление, плотность и температура за скачк уплотнения;

число Маха до и после скачка уплотнеия; угол скачка уплотнения.

Так как внутренний лучепровод устройства зашиты ЭЛП выполнен со - стороны сварочной ванны в виде усеченного клина с внутренниин отверстием для прохождения электронного пучка (см. рис. 2). то необходимо матенатически выразить зависимость значения угла при вершине клина от величины угла ^ .

т

на рис. з графически показана зависимость угла скачка уплотнения от угла отклонения потока для К - 1.4.

Графики (см. рис. 3), построенные по уравнению (5). показывают, что каждому углу -тг теоретически соответствуют два положения скачка - при меньшем и при большем значении $ . Предельные значения углов лежат на линии ав. Обтекание паровым потоком лучепровода устройства зашиты ЭЛП показано на рис. 2.

Как видно из рис. 2. передний скачок уплотнения - 6 образуется на вершине - 5 конического элемента - 2. Перед нин происходит торможение.парового потока, который из сварочной ванны всасывается во внутренний объем диФФузорэ устройства зашиты ЭЛП. Далее рассмотрены основные термодинамические функции, £ (I.) ) ^(К) • характеризующие термодинамическое состояние набегающего газового потока.

1 - цилиндрическая часть внутреннего лучепровода устройства зашиты; 2 - усеченный конический участок лучепровода; 3 -торцевая поверхность лучепровода; 4 - сквозное отверстие;5 - вершина конического элемента; б - передний скачок уплотнения; 7 - задний скачок скачок уплотнения; 8 - пульсирующий "сгусток" низкотемпературной плазмы; 9 - коническая ловушка; Ю -электронный пучок; ( и ^г - приведенные скорости).

Рис. 2. Обтекание паровым потокон лучепровода устройства зашиты ЭЛП:

Функция 'с'(х) представляет собой отношение температуры движущегося газового"потока в произвольной сечении к температуре изо-энтропного заторможенного потока.

х) (6)

График Функции для различных значений к представлен на рис. ч. функция £получена путем преобразования уравнения Бер нулли и уравнения иэоэнтропного процесса и равна отношению плотности Уг движущегося газового потока к плотности изо-энтропно заторноженного газа: /

' " ГЛ\ Pr.fl 'I (7)

График Функции ¿"(а) для Различных значений К представлен на рис. 5.

М?зтг'</г-1

им^-вт*)

Рис. 3.

Зависимость угла скачка от угла отклонения потока для разных значений числа Маха.

Кривая £ (ь) имеет точку^перегиба. координаты которой зависят от величины К.

\ -Ж±П'

;

У

с - \т=г 19)

пер- I 3-х: у

функция^"[х) получена аналогично £(ь) и представляет собой отношение давления движущегося газа к давлению изоэнтроп-но заторноженного газа в тон же сечении. ^

(10)

50 ,Л

Рис. ч. график Функции

ч>у

13

рис. 5. График функции

график ФункцииС5Т(л) для Различных значений К представлен н:

рис. f>.

О 0.2 0,+ 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 5,2 2,4 2,6 2,8

Щ- i*' (1- -р- ) =та) • ш)

Рис. 6. График Функции 1(a)

График Функции показывает, что при изменении^

в пределах: Офункция меняется в диапазоне: 5= о.

Необходимо отметить, что как только парогазовый поток попадает в створ конической насадки 2 (сн. Рис. 1). то сразу прямолинейное движение элементов потока преобразуется во вращательное за счет врашательного нонента, который создают отверстия в дилиндрическон корпусе б (см. Рис. 1), а также за "счет перепада давления между сварочной ванной и внутренним объемом диффузора от бб, 5 до б, 65 Па. Кроме этого, вращению способствует температурный градиент между жидким неталлом сварочной ванны и холодный корпусом устройства зашиты и движение изделия или сварочной пушки. Сами же отверстия в цилиндрическом корпусе выполнены с разными площадями, что и способствует образованию врашательного нонента. закручивающего паровой поток, у которого в пристенной области корпуса устройства создается вязкостный режим движения с внутренним давлением до но Па. При этом,с удаленней от стенки,давление понижается до 6.65 Па, т. е. в растворе корпуса устройства зашиты действуют известные законы газодинамики.

Глава 5. Разработанная теория управления парогазовым потоком во время ЭЛС позволила создать малогабаритные высокова-куунные насосы для откачки ЭЛП. Исследования проводились в области разработки отдельных элементов насосов, конструкция которых оказывает непосредственное влияние на формирование обратного потока паров рабочей жидкости в откачиваемый объем. Сформирован новый научный подход к решению этой сложной технической задачи. На базе теории движения и торножения парогазового потока во время ЭЛС разработана новая конструкция диффузионного паромасляного насоса конккурентно-способного с турбо-молекулярными насосами, применяемыми в нировой практике для откачки ЭЛП. Разработанная конструкция насоса позволяет существенно повысить быстроту, действия насоса за счет создания минимального градиента тенператур нежду первой и последней ступенями струй насоса, а также за счет снижения тепловых потерь при контакте потока пара со стенкани паропровода. Для предотвращения миграции паров рабочей жидкости в откачиваемый объем на зонтике насоса закреплено "ложное" сопло (маслоотражатель). обеспечивающее создание над нин другого "зонтика", отражающего и тормозящего движение нолекул пара в откачиваемый объем. Разработанная конструкция насоса защищена тремя авторскими свидетельствами и одной международной заявкой. В таблице 2 приведены основные технические характеристики разработанного насоса нарки "Сонет" и Фирмы "А1Ка1е1" (франция).

Основные технические характеристики высоковакуунных насосов

Таблица 2

Н Основные Размер- казанский "А1Ка1е1" -соггт"

п/п характеры- ность завод франция Россия

стнки * Н 100/350

1 2 3 4 5 6

1 Предельное остаточное давление

па

-5 6. 6. 10

6. 65. 10

-5

1. 3. 10

2 Быстрота . л/с действия,по

ВОЗДУХУ

3 Диапазон па рабочих давлений

4 Обратный кг/нин. поток ни

>60

зоо

а. б, 6. ю'5

з. 6. з, 6. ю"'

5. ю

5. ю

Н

275 (ВН-1) 330 (ВМ-5)

6. 6. 10" 5

3, 6. 10"

2, 5. 10

5 наибольшее выпускное давление

Па

26, 6

80

40

6 Рабочая жидкость

БН-1 ВН- 5

"БАЫТОУАС-З" (7. Ю-» НН РТ. ст. )

ВН-1

гВ

(5. 10 нм РТ. ст) ВН-5 (5. 10 НН РТ. ст. )

Г.-3

7 МОЩНОСТЬ электронагревателя

Вт

500

500

300-330

8 количество рабочей жидкости

80

100

120

9 время выхода на рабочий режим

мин.

12

12

8

10 Рабочее напря- В жение электронагревателя

220

220

Расход охлаж- л/ч даюией воды

35

(не ненее)

60

15

12 Масса

кг

7

9

10. 5

Разработанная новая конструкция насоса, по сравнению с известными зарубежными аналогами, позволила снизить потребление электроэнергии принерно в два раза, а потребление воды до четырех раз. На рис. 7 показан промышленный образец нового высоковакуумного насоса.

Испытания насоса показали, что маслоотражатель насоса играет существенную роль в момент запуска насоса. Обратный паровой поток снижается на два порядка. Затем режим работы насоса стабилизируется и переходит в молекулярный.

Глава б. Большой объем экспериментальных исследований подтвердил основные положения разработанной теории управления парогазовыми потоками во время элс в условиях высокого и промежуточного вакуума. Необходимо отметить, что обрабатываемый материал в условиях высокого и промежуточного вакуума был один и тот же, и поэтону выражение отношения удельных мощностей определялось известными Формулани:

Уа'Гз2/. . I <С3.ъ (11)

% 0,№Тв ^т V Тъ:г/п )

— У а^.Ув

где 1СъМв\ - время задержки испарения в высоком и про_ межуточном вакууме;

т*

!&,- температура поверхности металла, при которой начинается интенсивное испарение, ° С; Лт- коэффициент теплопроводности, Вт/(м. град); (X - коэффициент температуропроводности, м"2 /с; длительность импульса, с.

&

Рис.7. Обший вид промышленного образца высоковакуунного

насоса "Сонет" с устройством зашиты. При постоянных параметрах пучка: , > фокусировке изменялось только давление в сварочной канере. первоначально исследования проводились без устройства зашиты, а затем с устройством зашиты ЭЛП. Исследования показали, что

при ЭЛС без устройства зашиты при переходе с высокого в промежуточный вакуум происходит значительное уменьшение удельной мощности электронного пучка, что составляет от 12 до 18 у. 4от исходных значений. Давление в камере изменялось от 1.33. Ю"Па до б, 65 Па. При применении устройства зашиты элп потери удельной мощности пучка составляли не более 2 '/.. необходимо ответить. что изучение влияния давления остаточных газов на положение Фокальной плоскости пучкфоказали. что существенного влияния отмечено не было. Результаты экспериментальных исследований приведены в таблице 3.

Влияние давления в сварочной камере на положение Фокальной плоскости пучка.

Таблица 3

Номер серии опытов

Давление в сварочной камере

р-- 1. зз. ю

па

___ /'

(-IV,)

'С*

р = ь, бе ~~~ 7 ~

Па

' С_'' С7~

Ч.Уп '(ЗУл

1 1,9 1.8 2. 8 2, 2 1. 8 3, 0

2 0, 5 0. 8 2. 3 0, 7 1. 2 3, 0

3 1.2 1. 3 О и > 2 1. 1 1. 3 2, о

4 1, й 2. 1 4, 5 3. 0 3, 0 6. 0

5 1, 6 1. 6 < 7 2, 4 2, 5 г. 5

Глава 7. Особое внимание при исследованиях процесса Формирования обьенно-пульсируюшего "сгустка" низкотемпературной плазмы было обращено на процесс конденсации элементов парового потока на стенках устройства зашиты ЭЛП, а также на защиту тернокатода сварочной пушки от продуктов испаряюшегося материала. В лабораторных и в промышленных условиях были проведены обширные оценочные испытания работоспособности устройства зашиты Э/1П. Результаты приведены в таблице 4.

Испытания устройства зашиты показали высокую и эффективную работоспособность устройства зашиты ЭЛП от напыления. Напыление на стенках вакуунных камер уменьшилось в 45 раз, а на торцевой поверхности ЭЛП в 36 раз.

Глава д. исследовались различные конструктивные варианты устройства зашита ЭЛЛ. Исследования проводились на установке "ЭЛУ-4" и "КАФА-270" в диапазоне рабочих давлений от 1.33. до б. 65 па. Сваривались детали из следующих натериалов: АМгб, АМГ61, 1201, вт-б и стали 12Х18Н9Т. Скорость сварки варьировалась от 25 до 55 м/ч. Для наблюдения за сварочный проиессон использовалась скоростная киносьемка. Затем с экрана телевизора производились сьенки процесса Формирования обьенно-пульси-руюшего "сгустка* низкотемпературной плазны. на рис. 8 показан процесс Формирования и удержания "сгустка" низкотемпературной плазны вовЗвешенном состоянии во внутреннем объеме устройства зашиты ЭЛП.

Обобщенные результаты взвешивания эленентов устройства зашиты при сварке деталей из сплава АМгб (1 м шва)

Таблица 4

N Элемент Масса Процент от касса Процент

п/п устрой- задержанных нассы за- продук- от полно

ства продуктов держанных тов ис- нассы

испарения продуктов парения продукто

г испарения г испарени

1 Верхняя 0.0192 крышка

2 диффузор

2а Верхняя 0,0452 половина

26 Нижняя 0,0642 половина

3 Ловушка 0,0058

ВСЕГО 0. 1344

14.2 13.6

33, 7 О. 148 31

47.7 43,4

4.4 4

100 У- 0, 148 92 У.

Исследования также показали надежную защиту термокатодного узла элп -;от продуктов испарявшегося материала'.'' во. время элс в условиях высокого и промежуточного вакуума, на рис,.о' зафиксирована:-лантаноборидные таблетки после работы без устройства зашиты элп и с устройством зашиты.

НАЧАЛО ПРОЦЕССА

шаг-

1 = 250^. А

■ЗСИЭО^А

ШЩ

т&т

Щ

СГ=200 и/. Д

£ ¡*

X = 300 06 А

Х = 35дл А

Рис. 8. Процесс Формирования и удержания "сгустка"

низкотемпературной плазмы зо внутреннем объеме устройства зашиты ЭЛП.

Рис. 9 . Рабочие поверхности таблеток после .сварочного процесса: - 1 - без устройства зашиты; 2-е устройством зашиты ЭЛП.

Практически при работе ЭЛП без устройства зашиты вся рабочая поверхность таблетки поражена продуктами испарившегося материала. При работе с устройством зашиты поражение рабочей поверхности таблетки продуктами испарившегося материала отсутствует. Сварочные режимы идентичные. Материал АМгб.

Глава 9. исследование технологических особенностей сварочного процесса в условиях промежуточного вакуума'были проведены на промышленной установке "КАФА-270" при давлении в сварочной камере б, 65 Па. Необходимо отнетить. что эта установка выполнена из бетона по техническому проекту института им. Е. о. Патона. На рис. <0 показано поперечное сечение сварного шва. выполненного из сплава АМГ61 без использования устройства зашиты элп.

для сравнительной оценки работоспособности устройства зашиты ЭЛП на одной детали были проведены исследования без устройства и с устройством. После каждого прохода деталь "охлаждалась до комнатной температуры, чтобы исключить побочные нежелательные эффекты. Результаты испытаний показаны на рис 11.

* •.л-тГ^" ^• V.-

- .-¡г.-' • --"Г "-*4- ^'.* " '->,

. - ; с; -г^-Л 4 . «•¿«к."!-.- " v-' ^ '

•.•• • •*•• •:• . • • ■ --••с: •• •

.- ^г-.^к-- * • .. ■ •

Рис. Ю. Форма поперечного сечения шва. выполненного на сплаве АМгЫ при '(/ци. - б О кВ;

55 н/ч:

7л И& мА (толщина детали 30 нн)

Изучение и испытание полученных швов показали, что устройство зашита элп гарантирует не только снижение потерь удельной мощности пучка, но и высокое качество сварного соединения. Кроне того, с помошью устройства возможно освоение новой технологии получения деталей из продуктов' испаряющегося материала, так как осуществляется сепарация испаряющегося материала на отдельные фракции. На рис. 12 показаны детали, полученные в результате испарения материала во время сварки' деталей из сплава АНгб..

Как показали лабораторные исследования, полученная деталь состоит из чистого магния.

Все основные технические параметры устройства зашита после экспериментальных исследований математически обработаны и сведены в табличную форму, (см. таблицу 5).

Рис. и . Форма поперечных сечений швов, полученных с устройством и без устройства зашиты элп:

1 - Форма поперечного сечения шва. полученного в

промежуточном вакууне без использования устройства зашиты ЭЛП;

2 - форна поперечного сечения, полученного с

применением устройства зашиты элп.

Рис. 12, Две детали конической Формы, полученные в результате обработки электронный пучком алюминиевого сплава днгб.

основные рабочие паранетры устройства' зашиты эм.

Таблица 5

N % <?/ & Л к 4

п/п на мм град мм нм нм нн нн

1 до юо 32 20 102 30 22 54 48

2 100-150 32 20 106 34 22 58 48

3 150-200 32 20 110 : 36 22 62 48

4 200-250 35 24 114 42 гг' 66 48

5 250-300 35 24 118 46 " 221 70 48

6 300-400 37 24 122 '50 гг 74 48

7 400-450 42 26 126 54 22 78 48

8 450-500 42 26 130 58 22 82 48

9 500-600 45 28 134 62 22 86 48

10 600-700 45 35 138 66 22 90 48

11 700-1000 55 45 142 70 22 94 48

Общие выводы и результаты работы.

1. Обзор состояния технологии и оборудования, применяемых в мировой практике в электроннолучевой сварке цветных металлов и. их сплавов, показал, что разработка теории управления движением парогазового потока, источником которого является сварочная ванна, в настоящее время актуальна не только в нашей стране. но и за рубежом, так как решение этой научной проблемы привело в конечном итоге к повышению качества сварного соединения и к снижению себестоимости выпускаемой продукции.

2. подтверждено, что в процессе электроннолучевой сварки цветных металлов и их сплавов образуется плотный поток испаря-

4

ююегося материала, который движется со скоростью ю -10 сн/с, при этом элементы потока осаждаются на стенках вакуумной камеры, что. в конечной итоге, приводит к снижению качества сварного соединения за счет срыва конденсата со стенок камеры нопшыни турбулентными потоками и транспортировки конденсата в шелевую разделку между свариваемыми деталями.

3. Установлено, что если на пути движения парогазового потока установить препятствие, выполненное в форме усеченного конуса, то, в зависимости от скорости движения потока, поток задолго до встречи с препятствием чувствует его вершину и при встрече с ней образует так называемую головную ударную волну.

которая Фиксируется на некоторой расстоянии от торцевой поверхности конуса и заставляет поток при встрече с ней огибать ее. I.

4. Установлено, что во время обработки вешества концентрированным источником нагрева в условиях вакуума, в момент вскипания от зоны нагрева распространяется волна сжатия и

вслед за ней движется испаряющийся натериал со скорость» по-А 5

рядка 10 П - Ю см/с. Если на пути движения потока установить диффузор, выполненный в виде сопла лаваля, а внутри его. строго по оси, расположить лучепровод с отверстием, один конец которого выполнен в Форме усеченного конуса и обращен к обрабатываемому веществу, то на некоторой расстоянии перед лобовой частью усеченного конуса образуется объенно-пульсируши:! "сгусток" низкотемпературной плазмы.

5. Установлено, что низкотемпературная плазна. образуемая, в канале проплавления вещества, во время выброса парового потока из канала проплавления, транспортируется паровим потоком во внутренний объем конической ловушки, в которой она отделяется от парового потока и начинает свое вращение вокруг электронного пучка.

6. Установлено, что образуемый "сгусток" низкотемпературной плазмы во внутреннем объеме конической ловушки удерживается в таком состоянии на протяжении всего сварочного процесса и разрушается только после завершения обработки материала электронным пучком.

7. Установлено, что во время сварочного процесса практически отсутствует теплообмен нежду массой вращающегося "сгустка"* и стенками конической ловушки устройства зашиты от напыления Э/Ш.

В. теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены основные критериальные условия, гарантирующие Формирование объемно-пульсирующего "сгустка" во внутреннем объеме конической ловушки устройства зашиты от продуктов испаряющегося материала, а именно:

о, з.< н 4 з в" 4 4 зч"

V О

25 4 < Ь4

где И - число Маха на скачке уплотнения во внутреннем объеме устройства зашиты от напыления; ^ - угол при вершине усеченного лучепровода устройства зашиты от напыления;

р) - угол скачка уплотнения во внутреннем объеме диффузорц устройства защиты от напыления.

9. теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что для каждого предельного значения числа Маха парового потока, источником которого является сварочная ванна, существует некоторое предельное значение угла при вершине лучепрово-да устройства зашиты от напыления, которое выражается уравнением, связывающее углыи ^/3 через значения числа маха набегающего потока:

где К - показатель иэоэнтропы.

10. Установлено, что применение устройства зашиты терно-катода сварочной пушки в условиях промежуточного вакуума позволяет снизить потерн удельной мощности электронного пучка от 16 до 1-2/. не более, и тен самым гарантировать высокое качество сварного соединения.

11. Разработанная теория управления движением и торноже-ниеи парового потока во время элс подтверждена при конструировании и испытаниях высоковакуумных насосов нового типа, гарантирующих торможение и конденсаяию обратного потока паров рабочей жидкости в откачиваемый обьен на внутренних стенках высоковакуумного насоса.

12. По сравнению с известными лучшими аналогами зарубежных Фирн, разработанный налогабаритный высоковакуунный насос для откачки ЭЛЛ,более экономичен, так как потребляет электроэнергию в два раза неньше.

13. Подтверждено, что в условиях промежуточного вакуума потери удельной мощности электронного пучка зависят от величины ускоряющего напряжения и тен неньше. чен выше ускоряющее напряжение.

14. Установлено, что устройство зашиты тернокатода ЭЛП компенсирует потери удельной мощности электронного пучка за счет зашиты пучка от взаимодействия с низкотемпературной плаз-ной и с остаточными газани в сварочной канере.

15. Теоретически обосновано и экспериментально установлено неизвестное ранее явление взаинодейстия в условиях вакууна неустановившейся термической плазмы и парового потока, образованных плавлением твердого натериала электронным пучком, заключающееся в тон. что при столкновении с вешеством, расположенный на пути движения потока, под действием электронного пучка, проходящего через вещество, поток сначала закручивается и уплотняется. • а затен элененты парогазового потока конденсируются на внутренней стенке устройства, выполненного в виде сопла лаваля.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

А

1. A.C. 1333508 СССР. МКИ В23 к 15/00. Электронно-лучевая установка.

2. Токарев В. о. . Алексеев и. В. . гудков a.b. Причины возникновения и некоторые способы устранения дефекта типа пористость при э/ic. Сборник" докладов Всесоюзной конференции, современные проблены технологии машиностроения. М: МВТУ им. н.э. Баумана, инв. fî 59. 1966.

3. Токарев В. О. ■ Алексеев И. В. . Гудков А. В. Дефект типа пористость при ЭЛС. причины возникновения и способы устранения. Сборник докладов статей Всесоюзной конференции по сварке цветных металлов. Тольятти, сентябрь. 1986.

Токарев В. о. , Новиков О. М. и др. Анализ влияния направления потока откачки из внутреннего объема установки ЭЛС на качество сварного шва и на возможность образования дефекта типа пористость. Москва, отчет по теме H 0-618-85. инв. К 03d'.'i. 1986.

5. Токарев В. О.. Гудков A.B. и др. Разрабобтка и исследование средств запиты сварного шва, стенок вакуумной камери :: сварочной электроннолучевой пушки от продуктов испарения металлов во время сварочного процесса. Отчет по договору 868-86, Москва, инв. к 03961. 1986, 22 с.

6. Токарев В. О. , Новиков о. м. , Гудков а. В. . значение вакуумной гигиены для электронно-лучевой сварки. Тезисы докладов межотраслевой научной конференции, совещаний, семинаров, косх-ва, ВИМИ, 1986, с. 3-4.

7. Токарев В. о. Зависимость качества сварного шва от направления откачки из внутреннего объема электронно-лучевой установки. Научно-технический сборник "Технология машиностроения", серия XIII, выпуск 5, инв. H 13332. 1987.

8. A.C. 1409436 СССР, МКИ4В23 К 15/00. устройство закиты катодного узла электроннолучевой сварочной пушки.

9. Токарев В. о. методические руководства к лабораторным работам по курсу "Сварка и пайка в производстве изделий" издательство МВТУ им. Н.Э. Баумана. Москва, 1988, и с.

10. Токарев в. о. , Алексеев и. В. Теоретичексие основы и исследования в-области зашиты от продуктов напыления при элс. Сборник докладов Всесоюзной конференции. М. : МВТУ, 1968, 96 с.

и. Токарев В. о. Экспериментальные исследования процесса напыления при элс катодного узла сварочной пушки и разработка эффективного метода зашиты, из-во ГОЬТИ-2. выпуск Я ю. '/.кв. м 082. 1988, С. 1-3-18.

12. A.C. 1651448 СССР. НКИ B23 к 15/00. Способ электронно-лучевой сварки.

13. Токарев В. о.. Новиков о. н„ и др. исследование, разработка и опробование конструктивных и технологических решений, направленных на повышение качества и работоспособности сварных соединений, отчет по тене К 26-379-68. Тон 2, 1988. 149 с.

14. Международная заявка, мхи4 вгз к 15/00. PCT/SU 89/00275 (01. И.69). Устройство зашиты катода электроннолучевой сварочной пушки и стенок вакуумной камеры от напыления.

15. Токарев В. О.. Казаков В. А. Комплекс конструк-торско-технических решений по электроннолучевой сварке в специальной машиностроении. Сборник докладов XI Всесоюзной конференции: электроннолучевая сварка в машиностроении. Николаев. 1989. с. 67-68.

16. Токарев В.О., Гудков A.B., Островский O.E. Разработка оборудования нового поколения э/!С. Объединенная сессия научного и координационного Совета по сварке. Академия наук Украинской СССР. Институт электросварки им. Е. О. Патона. Киев. 1989. С. 5-6.

17. Токарев В. О. Создание безмасляного вакууна в электроннолучевых установках с помощью криоадсорбционного насоса, оснашекного сорбционныни пластинани. из-во вими. Москва, инв. N 89-03. 1989. О. 15 п. л.

18. A.C. 1346337 СССР. НКИ В 23 к 15/00. Способ устранения дефекта сварного шва.

19. A.C. 1598345 СССР. НКИ4В 23 К 15/00. УСТРОЙСТВО ДЛЯ совмещения луча с плоскостью стыка.

20. международная заявка. MKH3F04F9/02. PCT/SU 90/00157 (15.06.90). Диффузионный насос.

21. Токарев В. О. технология и оборудование электроннолучевой сварки цилиндрических изделий и корпусных узлов, доклад на Всесоюзной конференции тяжелого машиностроения СССР. Из-во ЦИИТ ЭИТЯХМАЯ. 1990. с. 4-5.

22. A.C. 1628360 СССР. МКИ4В 23 К 15/00. Способ определ-ния местоположения фокальной плоскости электронного пучка и устройство для его осуществления.

23. A.C. 1646155 СССР. НКИ4В 23 к 15/00. Способ электронно-лучевой сварки.

24. A.C. 1646157 СССР. НКИ4В 23 к 15/00. Способ сварки высококондентрированнын лучевым источником энергии.

25. A.c. 1646158 СССР. МКй^В 23 к 15/00. Способ сварки высококондентрированнын источником нагрева.

30. A.C. 1691010 СССР, МКИ^В 23 К 15/00. Способ электрон-

4

31. A.C. 169361 СССР. МКИ В 23 К 15/00. способ электрон-

4

32. Патент РФ 1722745. НКИ В 23 к 15/00. Устройство для

26. Токарев В. О. . Новиков О. R. Влияние конструк-торско-технологических Факторов на гернетичность сварных соединений неповоротных стыков тонкостенных трубопроводов. Н. . Сварочное производство, 1990. к 9, с. 12-13.

27. A.C. 1646160 СССР, НКИ^В 23 К 15/00. Способ электронно-лучевой сварки с присадочным неталлом.

28. патент РФ 1668743, MKH5F 04 F 9/00. Вакуунный пароструйный насос.

29. Патент РФ 1683246, МКИ1 в 23 к 15/00. Способ лучевой сварки и устройство для его осуществления.

30. A.C. 1691 но-лучевой сварки.

31. A.C. 16< но-лучевой сварки.

32. Патент р<] электронно-лучевой сварки.

зз: Патент РФ 1764409. нки^в 23 к 15/00. Устройство зашиты катода электронно-лучевой пушки и стенок вакуунной камеры от напыления.

34. Патент РФ 1767236, НКИ F 04 F 9/оо. Вакуумный паро-насляный насос.

35. Патент РФ 1779511. НКИ В 23 к 15/00. Способ электронно-лучевой сварки.

36. Патент РФ 1789761, KKHJF 04 F 9/00. Вакуумный пароструйный насос.

4

37. патент РФ 1823319. нки в 23 к 15/00. устройство зашиты электронно-лучевой сварочной пушки и стенок вакуунной камеры от напыления.

38. патент РФ 182973&, НКИ В 23 К 15/00. Катодный узел.

39. Токарев в. о. , казаков В. А. . Алексеев и. в. Электронно-лучевая сварка алюминиевых сплавов в низком вакууне. М: сварочное производство, 1992, н Ю, с. 2-3.

40. Токарев в. О. Разработка энергосберегающей конструкции диффузора-эжектора электронно-лучевой пушки с динамической коррекцией теплообмена со сварочной ванной в условиях низкого вакуума. Москва, отчет по договору Н 337-92, 1992. 19 с.

41. заявка 92-001258 Россия, ИКИ^В 23 К 15/00, п/р от 13,06.93. Способ зашиты электронного пучка от взаимодействия с низкотемпературной плазмой и устройство для его осуществления.

42. заявка 92-001596/29, РФ. нки'в 23 К 15/00. п/р о выдаче патента от 09.11.93. вакуумный пароструйный насос.

43. Заявка 9£-001253/03 Р*. МКК'Б 23 К 15/00. п/р о зчаа-¡е патента от 19.11.93. способ и устройство для электронно-лу-1евой сварки.

44. заявка 92-012178/06 ?<», МХЙ В 23 К 15/00. П/Р о ?ыда-1е патента от 25.02.94. Устг-ойстзо для электрснко-лучевой : варки.

45. '-'аярка 92-005924/25 МХИ 3 23 X ¡5/00. П/Р о шла-1е патента от 21.09.94. Плазменное устройство.

46. Токарор Б. о. Рысоковакуупные пароструйные насосы. И. . ж "АСПЕКТ" Космическая энциклопедия. Ковке научные техноло-■ии в технике. Пои ред. акад. АТ^Г», д. т. н. . профессора К. С. Сасаека, 1994, тон 3. с. 25-2Т.

Токарев В. 3. , Островский О. Е. Устройство зашиты тер-<окатода сварочной пушки от продуктов испаряшегося материала зо время олс. ".. : чи "АСПЕКТ": Космическая энцихлспег.из Новые ручные технологии в технике, ясд редакцией акад. АТКРФ, 1. т. н. , профессора к. с. X. ;аева, 1994, .н 4, с. 25-91.

з««i*

/99fr

Тг//>. jtûOf«s

ЦНИНТЗИлсгпром. 10706). Moot«, ул. Э-» Pora, 7.

Опытяо-псикпхфкчсскос пр«*прк*тке ЦНННТЭНлсшром», II7W5, Моема, ул. Вааалоа*. 09