Evaporation of a substance from the surface of a high-strength aluminum alloy during electron beam welding.pdf Введение В космическом приборостроении одними из важных характеристик изделий являются массогабаритные - особенно элементов точной механики, таких как гироскопические системы космических аппаратов. При их сборке используется электронно-лучевая сварка, которая предполагает интенсивное тепловое воздействие на свариваемые детали в условиях вакуума. В результате нагретый до высокой температуры металл интенсивно испаряется из зоны сварочного шва и осаждается на стенках вакуумной камеры. При проектировании и изготовлении подобных изделий необходимо иметь методику оценки изменения их массы вследствие испарения металла в пространство вакуумной камеры с учетом параметров пучка и теплофизических свойств свариваемых материалов. Компьютерное моделирование позволяет значительно ускорить разработку новых технологий и внедрение их в производство. В данной работе представлена разработанная методика расчета испарившейся массы корпуса гироскопа при сварке его электронным лучом. Выполнена экспериментальная проверка модели. Показано, что в ряде случаев испарением можно управлять, изменяя параметры электронного пучка и режимы сварки. При изготовлении корпуса гироскопа используется разработанный Всероссийским институтом авиационных материалов высокотехнологичный алюминиевый сплав 1370 системы Al-Mg-Si-Cu. Его преимущества - высокая коррозионная стойкость, удовлетворительная пластичность как при горячей, так и при холодной деформации, значительная прочность и большое сопротивление к многоцикловой усталости. Это позволяет изготавливать из него корпуса с толщиной стенки всего 0.5-1.2 мм, которые имеют существенно меньшую массу, чем из традиционных алюминиевых сплавов. Однако подобные материалы относятся к трудносвариваемым, поэтому при производстве изделий из них применяется электронно-лучевая сварка [1, 2], которая выполняется при низком давлении газовой среды и высокой температуре. При этом происходит активное испарение атомов с поверхности изделия, что может привести к существенному уменьшению его массы. Для прогнозирования эксплуатационных характеристик прибора на этапе разработки конструкторской документации необходимо знать, как изменяются масса и химический состав его комплектующих изделий в процессе производства [3]. При выполнении подобных расчетов учитывались физические характеристики сплава, указанные в технических условиях [4]. Цель настоящей работы - исследовать закономерности испарения вещества с поверхности высокопрочного алюминиевого сплава при электронно-лучевой сварке. Для этого необходимо построить математическую модель, описывающую тепловые процессы в твердом теле при электронно-лучевой сварке, определить масштабы испарения и его влияние на массовые характеристики изделия, разработать методику прогнозирования количества испарившегося вещества на единицу длины шва, выполнить экспериментальную проверку предлагаемой модели. Методика расчета Электронно-лучевая сварка предполагает значительное энерговыделение в поверхностном слое толщиной порядка длины пробега электронов. Известно, что для того, чтобы избежать возникновения горячих трещин в сварном шве, электронно-лучевую сварку алюминиевых сплавов необходимо выполнять на больших скоростях (10-50 мм/с), при этом мощность пучка должна составлять от 100 до 1000 Вт [5]. При оптимизации технологии электронно-лучевой сварки корпуса гироскопа важно иметь представление о физико-химических явлениях, которые приводят к изменению свойств обрабатываемой поверхности. Моделирование тепловых процессов будем выполнять путем решения параболического уравнения теплопроводности. При этом примем следующие допущения. Во-первых, начальная энергия электронов E0 при первом контакте с облучаемой поверхностью равна произведению ускоряющего напряжения U на заряд электрона e, причем пучок будем считать монохроматическим. Предлагаемая модель позволяет использовать реальный спектр электронов, но в данной задаче это упрощение не очень сильно влияет на результат. Во-вторых, область на поверхности обрабатываемого материала, которая подвергается облучению (назовем ее следом пучка), имеет форму круга радиусом r. В-третьих, интенсивность испарения вещества с поверхности сильно зависит от r и может быть распределена по сечению пучка не равномерно, а в соответствии с распределением плотности тока j(x). Тогда наиболее вероятным является нормальное распределение тока в пучке [6]: , (1) где x - расстояние от центра поперечного сечения пучка до расчетной точки вдоль направления его движения; Jmax = I/(2 r2) - плотность тока в центре; I - суммарный ток пучка, падающего на изделие (мишень). Наконец, в-четвертых, будем считать, что пучок движется по поверхности равномерно и прямолинейно (рис. 1). Рис. 1. Схема движения пучка с центром в точке XС по поверхности свариваемых деталей со скоростью Vx Для определения количества вещества, испарившегося с поверхности под действием сфокусированного сканирующего пучка, необходимо решить задачу пространственно-временного распределения поля температур [6]: , (2) где Е(x,z,t) - тепловая составляющая внутренней энергии вещества мишени; v(x,T) - скорость движения фронта испарения; W(x,z,t) - функция, описывающая энерговыделение электронов при их торможении в мишени. В свою очередь, скорость движения фронта испарения зависит от температуры поверхности и вычисляется по уравнению Герца - Кнудсена [7] , (3) где - коэффициент испарения; m и p(T) - масса молекулы (атома) и давление насыщенного пара испаряемого вещества при температуре поверхности T; k - постоянная Больцмана; P - гидростатическое давление паров перед поверхностью испарения. Запись уравнения теплопроводности с использованием функции Е(x,z,t) связана с тем, что в этом случае облегчается учет затрат тепла на фазовые переходы. Начальные условия: T(x,z,0) = T0. (4) Граничные условия на поверхности, где есть испарение: . (5) Здесь и - плотность и коэффициент теплопроводности мишени; L(T) - удельная теплота испарения. Необходимо принять во внимание, что на обратной стороне мишени и ее боковых поверхностях теплообмен отсутствует (точнее, им можно пренебречь по сравнению с основными тепловыми потоками). Тогда граничные условия можно записать так: , (6) где zкон - координата границы расчетной области по глубине мишени, расположенная намного глубже фронта распространения тепла; x1, x2 - начало и конец расчетной области. Решая уравнение (2), вычисляем скорость перемещения границы раздела фаз и отсюда извлекаем информацию о количестве испаренного вещества в любой момент времени. Функция энерговыделения W(x,z,t), создаваемого пучком, движущимся по поверхности вдоль оси ОХ, может быть представлена следующим образом: , (7) где G(z) - средние линейные потери энергии тормозящихся электронов в облучаемом веществе; XC(t) - координата центра пучка в момент времени . Средние линейные потери энергии рассчитывались методом аналитической аппроксимации Макарова [8], который учитывает отражение частиц и энергии пучка от облучаемой поверхности. Так как одно из приведенных допущений состоит в том, что пучок движется прямолинейно, с постоянной скоростью, и при этом его ток, радиус следа и начальная энергия электронов не изменяются, то относительно оси движения пучка формируется стационарное поле температур и задача становится стационарной. Энергия, уносимая со свариваемой поверхности за счет теплового излучения, ничтожно мала, поэтому в расчетах не учитывалась. Не принимаются во внимание и температурные зависимости теплофизических констант, незначительно влияющие на результаты. Результаты расчета и их обсуждение Расчеты показывают, что для установления стационарного поля температур с момента начала облучения поверхности необходимо время ≈ 4r/V. Распределение температуры на поверхности имеет максимум, который расположен рядом с центром следа пучка. Фронт распространения температур опережает центр следа пучка на расстояние, большее радиуса r. Это связано с попаданием на поверхность частиц из области |x-XC| > r, так как в поперечном сечении пучка плотность тока распределена по нормальному закону. Рассчитаны поля температур вдоль траектории движения электронного пучка по поверхности свариваемых деталей из алюминиевого сплава 1370 в момент установления стационарного поля температур (XC - координата центра следа на поверхности мишени (рис. 2)). Параметры взаимодействия пучка с поверхностью мишени были выбраны, исходя из характеристик оборудования, использованного при экспериментальной проверке результатов расчетов. Радиус пучка был выбран равным r = 125 мкм, скорость его движения Vx = 25 мм/с, начальная энергия электронов E0 = 28 кэВ, мощность принималась равной 80-1400 Вт. Высокие температуры на поверхности (3000-5000 К) свидетельствуют о перегреве жидкой фазы. Это состояние нестабильно: температура быстро понижается с прекращением облучения поверхности. Рис. 2. Распределение температуры на поверхности изделия вдоль траектории движения электронного пучка с мощностью: 1 - 140 Вт; 2 - 700 Вт; 3 - 980 Вт Пространственно-временное изменение поля температур T(x,z,t) и кинетика испарения взаимосвязаны. Для расчетов параметров испарения необходимо знать полный ток пучка I, ускоряющее напряжение E0, радиус следа пучка r и скорость его движения вдоль поверхности Vx. Эти характеристики определяют плотность энергии, которую получает каждый элемент мишени, лежащий на траектории пучка. В результате расчетов получена зависимость толщины испарившегося слоя сплава 1370 (за одни проход), облучаемого сканирующим электронным пучком с начальной энергией электронов E0 = 28 кэВ, от плотности тока (рис. 3) и скорости сканирования (рис. 4) в центре следа. Рис. 3. Зависимость толщины испарившегося слоя Zev от плотности тока J при скорости сканирования: 1 - 15 мм/с; 2 - 25 мм/с; 3 - 35 мм/с; 4 - 45 мм/с Рис. 4. Зависимость толщины испарившегося слоя Zev от скорости сканирования электронного пучка вдоль поверхности изделия Vx с плотностью тока: 1 - 153 А/см2; 2 - 255 А/см2; 3 - 357 А/см2; 4 - 458 А/см2 Расчеты показали, что при постоянной скорости сканирования толщина испарившегося слоя Zev линейно растет с увеличением плотности тока пучка. Такая зависимость свойственна облучению поверхности сканирующими остросфокусированными пучками заряженных частиц [6], когда эффект экранирования поверхности парами является незначительным. Полученные данные использованы при расчете удельной массы испарившегося вещества за один проход электронного пучка на единицу длины сварного шва. Удельная масса испарившегося вещества линейно увеличивается с ростом плотности тока сварки и уменьшается с увеличением скорости сканирования электронного пучка (рис. 5). Эта зависимость позволяет определить потери массы изделия при электронно-лучевой сварке. Рис. 5. Зависимость удельной массы испарившегося вещества от плотности тока сварки при различных скоростях сканирования электронного пучка: 1 - 15 мм/с; 2 - 25 мм/с; 3 - 35 мм/с; 4 - 45 мм/с Уменьшение массы, видимо, происходит за счет испарения преимущественно легкоплавких элементов, содержащихся в сплаве 1370, в частности цинка и магния [4]. Испарение вещества происходит в результате поглощения энергии пучка и определяется теплофизическими константами каждого элемента, входящего в состав мишени. Так как сплав 1370 имеет сложный химический состав, а скорость сканирования велика и продолжительность воздействия пучка на каждую точку поверхности составляет примерно 10-2 с, то испарение начинается с элементов, имеющих наименьшую теплоту испарения, т.е. цинка и магния. При этом испарение компонентов, имеющих более высокую теплоту испарения, будет практически отсутствовать. В этом случае удельная масса испаренного вещества, нагреваемого пучком с учетом переноса тепла вдоль поверхности, может быть оценена путем интегрирования потока частиц паровой фазы, вычисленного с помощью уравнения (3). Следует отметить, что изменение химического состава шва может привести к изменению его физических свойств, например твердости и пластичности. Экспериментальная проверка результатов расчетов Для проверки расчетных данных были проведены эксперименты по измерению потери массы образцов из сплава 1370 при электронно-лучевой сварке на установке ЭЛС-0.5-6, оснащенной электронной пушкой с плазменным катодом. Подобные пушки используются в технологиях термической обработки материалов, таких как сварка и наплавка в вакууме, и зарекомендовали себя с положительной стороны [9]. Установка оборудована современными источниками питания, блоком формирования пучка и позволяет получать электроны в широком диапазоне энергии, что делает ее универсальным инструментом в производстве ракетно-космической техники. Исследованы параметры сварки: ускоряющее напряжение 20-30 кВ, ток пучка 15-35 мА, скорость сканирования 15-45 мм/с, плотность мощности около (0.8-2.0)•106 Вт/см2. В процессе работы оценивались механические характеристики сварного шва, его герметичность и потеря массы изделия. Эксперименты по выбору оптимальных режимов сварки показали, что шов обладает требуемыми функциональными характеристиками, если ускоряющее напряжение лежит в интервале 27-29 кВ, ток пучка составляет 20-30 мА, скорость сканирования - на уровне 20-30 мм/с, плотность мощности - около (1.1-1.8)•106 Вт/см2. Например, сварка корпуса гироскопа из листа сплава 1370 толщиной 1.1 мм, выполняемая со скоростью перемещения пучка около 25 мм/с, ускоряющим напряжением 28 кВ, плотностью мощности 1.4•106 Вт/см2, позволяет получить сварной шов, соответствующий всем требованиям по герметичности и прочности. Контрольное взвешивание показало, что при этом масса испаряемого вещества с поверхности шва длиной 1 м составляет 168 мг (рис. 6). Рис. 6. Расчетные (-) и экспериментальные (•) данные об удельной массе испарившегося вещества в зависимости от плотности тока сварки при скорости сканирования 25 мм/с Проведенные исследования показывают существенное изменение массы гироскопа в процессе производства, что необходимо учитывать при его проектировании. Кроме изменения массогабаритных характеристик изделия, испарение может привести к изменению режима сварки вследствие увеличения давления в вакуумной камере и уменьшения длины свободного пробега электронов, что потребует применения более производительных вакуумных систем. Возможное изменение химического состава сварного шва потребует более детального изучения его физических свойств для подтверждения прочностных характеристик изделия. Заключение Исследовано методами моделирования испарение атомов из шва и расположенной рядом с ним горячей зоны соединяемых деталей при электронно-лучевой сварке изделий из высокопрочного алюминиевого сплава типа 1370. Предложена оригинальная физическая модель для прогнозирования пространственного распределения температур и характеристик потерь массы изделий в зависимости от условий сварки, на основе которой построена математическая модель. Для верификации модели проведены экспериментальные исследования этих процессов. Сопоставлены результаты расчетов и экспериментов. Изучена структура области фазовых превращений. Установлено, что интенсивность испарения почти линейно зависит от плотности тока пучка и скорости его сканирования. Эксперименты показали, что испарение носит активный характер и может существенным образом повлиять на состав сварного соединения (испаряются преимущественно легкие элементы), а следовательно, и на его механические характеристики. Полученные результаты позволили сделать следующие выводы. 1. Допущения, сделанные при построении модели, несущественно влияют на результаты расчетов. 2. Фронт распространения поля температур опережает центр следа пучка. 3. Представленная математическая модель позволяет рассчитать испарившуюся массу материала изделия при сварке электронным лучом и регулировать ее, изменяя параметры электронного пучка. 4. Потери энергии пучка в парах невелики, а зависимость толщины испарившегося слоя от плотности тока пучка при электронно-лучевой сварке алюминиевого сплава 1370 близка к линейной.

Скачать электронную версию публикации