1499

271

зывается меньше, чем при расположении фокуса пучка под поверхностью образца. Наблюдается также уменьшение чувствительности глубины Н к мощности Р при более высоких значениях мощности и низких значениях скорости сварки v, а также уменьшение зависимости глубины Н от скорости сварки v при более низких значениях мощности (Р < 6 кВт) и высоких значениях скоростей сварки (v > 60 см/мин). При v = 0,5 м/мин самые глубокие швы Н > 25 мм оказываются при расположении фокуса электронного пучка над поверхностью образца (они оказываются и самыми узкими швами, у которых B = 1,5 мм).

Ширина швов В (P,v) уменьшается с уменьшением мощности пучка Р и с увеличением скорости сварки v (см. рис. 2.70), причем существует оптимальная область значений P и v, при которых образуются сварные швы малой ширины.

Из функции Н (v,dZ), представленной на рис. 2.79, можно увидеть, что при малых скоростях сварки v положение фокуса электронного пучка является важным фактором, влияющим на глубину сварного шва Н, в то время как при больших скоростях сварки и расположении фокуса пучка над поверхностью металла формируются швы малой глубины.

272

симость термического КПД ηТ от мощности пучка Р. Величина термического КПД ηТ определяется выражением (2.16). При низких значениях мощности электронного пучка (до 5–6 кВт) для получения максимальных значений термического КПД η Т фокус электронного пучка должен находиться ниже поверхности свариваемого металла (от ∆ Z= − 8 мм до ∆ Z= − 70 мм). При мощности пучка 6–9 кВт для эффективного нагрева зоны проплавления положение фокуса пучка уже не так критично.

Видно, что максимум η Т достигается при расположении фокуса электронного пучка на 8 мм ниже поверхности металла при малых значениях мощности и над поверхностью металла при высоких значениях мощности пучка, причем в обоих случаях скорость сварки должна быть высокой. Для сравнения: достижение максимума зависимости Н(P) реализуется при малых скоростях сварки и невысоких значениях мощности пучка,

275

т.е. существуют отличия в характере изменения η Т и Н в зависимости от мощности электронного пучка. При мощности пучка Р = 6 кВт и P = 9,3 кВт η Т слабо зависит от положения фокуса пучка.

Контурные диаграммы, представляющие собой зависимость глубины сварного шва, зоны термического влияния H и ширины в верхней части BЗТВ от параметров процесса (Р, ∆Z, v) при ЭЛС стали 45, представлены на рис. 2.84 и рис. 2.85. Зона термического влияния становится более узкой и более глубокой при расположении фокуса пучка на несколько миллиметров ниже поверхности металла при v = 1,5 см/с и Р = 4,5…7,0 кВт. Самые глубокие и узкие зоны проплавления получаются при меньших скоростях сварки, при этом для выбранной мощности пучка положение фокуса находится значительно ниже поверхности образца (∆ Z= − 70 мм).

276

2.5.3. Обеспечение воспроизводимости параметров сварных швовприЭЛСвпроизводственных условиях

В производственных условиях часто имееют место отклонения условий процесса ЭЛС от заданных, что является результатом неточной установки параметров режима при многократном его повторении и изменениях в геометрических параметрах электронно-оптической системы электронной пушки. Это приводит к отклонениям характеристик полученных сварных швов.

С целью уменьшения отклонения параметров сварных швов от заданных и улучшения их качества можно использовать регрессионные модели для выбора параметров процесса. В работе [65] предложено использовать расчетные уравнения регрессии для оценки получения заданных параметров сварных швов в производственных условиях. При этом используются две модели: модель среднего значения и модель вариации параметра. Эти две модели можно использовать для выбора параметров режима ЭЛС, при которых обеспечивается поддержание параметров сварного шва на уровне, близком к заданному значению, и минимизация отклонений от этого значения. На рис. 2.86 представлены кривые контура глубины сварного шва H, а на рис. 2.87 контурная диаграмма для ширины шва В. Модели построены применительно к ЭЛС нержавеющей стали в производственных условиях. Для оценки моделей используются пределы допусков, приведенные в табл. 2.4. Из контурных диаграмм видно, что для получения минимального разброса по глубине сварного шва следует выбрать режим сварки с мощностью Р = 7,5 кВт и скоростью сварки 13 мм/с, так как отклонения глубины шва при этом режиме минимальны. Для ширины сварного шва минимальные отклонения находятся примерно в этой же области режимов сварки (Р = 6,5…7,5 кВт и v = 9…13 мм/с). Таким образом, данный подход обеспечивает воспроизводимость характеристик сварных швов с минимальными отклонениями геометрических параметров.

277

Использование регрессионного анализа позволило корректно спрогнозировать качество 94 % из рассмотренных швов (95 % – для группы 1 и 89,5 % для группы 2).

Регрессионная модель для стали 45 имеет следующий вид:

D = −0,177 − 0,341x1 − 0,113x2 + 0,562x3 −1,188x4 + 0, 495x12 + +0, 260x22 + 0,314x32 +1,097x1 x4 − 0,368x22 x3 − 0,383x12 x3 +

+0,553x12 x4 − 0, 271x12 x2 x4 + 0,379x1x32 −1,867x1x3 x4 +

(2.17)

+1,803x1 x42 + 0,677x22 x4 + 0,320x12 x2 x3 − 0,586x12 x32 + +2,037x12 x3 x4 − 2,083x12 x42 − 0, 232x1 x22 x3 − 0,742x1 x3 x42 − −1,890x22 x3 x4 +1,886x22 x42 − 0,310x2 x3 x42 .

Величина D = 0,5 принята в качестве границы между областями режимов, при которых формируются дефектные сварные швы (D > 0,5), и режимов, обеспечивающих формирование сварных швов без дефектов (D < 0,5). Для более детального прогноза по сварным швам группы 2 (швы без дефектов) граница между этими двумя областями должна быть выбрана равной D = 0,4 (в этом случае процент корректных предсказаний составляет

87,7 %, а для группы 1 – 83,9 %).

Регрессионное уравненние (2.17) может быть использовано при оптимизации процесса ЭЛС со специфическими требованиями к нахождению индивидуального оптимума и компромиссных решений.

На рис. 2.88 представлен результат оценки режимов сварки для получения максимального значения глубины шва H, которое составило H = 43,65 мм при P = 8,4 кВт, v = 20 см/мин, ∆ Z= − 29,5 мм и Zs = 146,5 мм. В качестве критерия отсутствия дефектов было принято D < 0,5. Серая зона на диаграмме определяет все режимы ЭЛС, при которых дефекты в сварных швах не ожидаются. Можно предположить, что при ЭЛС с мощностью электронного пучка больше 6,5 кВт канал в сварочной ванне более широкий и реже заполняется жидким металлом таким образом, что в корне канала формируются газовые полости.

279