Испарение и перенос атомов на границе раздела фаз в сплаве 1370 при электронно-лучевой сварке

Актуальность темы. Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) нашла
широкое применение в машиностроительной промышленности и, в
частности, в космическом приборостроении. Она обладает значительными
преимуществами как эффективное средство для соединения деталей
практически из любых металлических материалов. Источник энергии в виде
пучка ускоренных электронов сконцентрирован в малом пространстве
(диаметр его составляет десятые или даже сотые доли миллиметра),
генерируется и транспортируется в вакууме и это создаѐт благоприятные
условия для прецизионной сварки без влияния неблагоприятных факторов
газовой атмосферы.
Особенно эффективной подобная сварка бывает, если требуется
большая плотность мощности пучка (106 – 109 Вт/см2), например, при
соединении тугоплавких материалов. Такая концентрация энергии
достигается специальными методами и устройствами фокусировки пучка и
делает возможным производить сварку с недостижимыми для других
методов параметрами (например, возможно отношение ширины к глубине
проплавления 1:50). Глубокое проплавление свариваемых изделий при
низких значениях погонной энергии (расход еѐ для ЭЛС на единицу длины
шва) приводит к повышенной скорости кристаллизации малой по объѐму
сварочной ванны. Это, в свою очередь, делает мелкодисперсной структуру
шва, создаѐт особые условия для миграции легирующих атомов на границе
раздела фаз на периферии сварочной ванны, влияет на режим испарения еѐ
поверхности [1].
Размеры, конфигурация и механизм формирования шва при ЭЛС
определяются характеристиками парового канала, которые в свою очередь
зависят от мощности, эффективного радиуса, угла сходимости луча, скорости
его сканирования, теплофизических свойств материала. Можно утверждать,
что явления переноса атомов оказывают значительное влияние на
элементный состав шва и его прочностные свойства.
Несмотря на очевидную значимость механизмов переноса атомов как в
паровой, так и в жидкой фазах сварочной ванны для состава и механических
свойств шва, эти вопросы изучены пока недостаточно.
Объектом исследования служили процессы тепломассопереноса и
механические свойства швов при ЭЛС алюминиевого сплава 1370, широко
распространѐнного в космическом приборостроении.
Цель работы состоит в исследовании взаимодействия пучка
ускоренных электронов со сплавом 1370 в режиме ЭЛС, а также явлений
переноса атомов в паровой и жидкой фазах. В соответствии ней в
диссертационной работе рассмотрены следующие задачи:
– поглощение энергии пучка электронов сплавом 1370 при сварке,
радиационный разогрев, диссипации энергии пучка;
– построение модели теплопереноса; получение пространственно-
временного распределения поля температур, глубины проплавления,
скорости охлаждения в зависимости от параметров пучка;
– изучение самодиффузии алюминия и миграции атомов легирующих
элементов в сварочной ванне;
– испарение атомов из сварочной ванны;
– элементный состав и механические свойства шва;
– экономические аспекты работы;
– вопросы социальной ответственности.
Методы исследования. Для достижения поставленной цели были
использованы методы математического моделирования процессов
диссипации энергии.
Личный вклад автора заключается в сборе и обработке материалов
исследований, выполнении работ по математическому моделированию
диссипации энергии электронного пучка.
Научная новизна работы состоит в том, что решена задача об эмиссии
атомов с поверхности сплава при ЭЛС в режиме испарения и миграции в
результате диффузии в расплаве. Сделана оценка влияния этих процессов на
состав шва и его механические свойства (микротвѐрдость).
Практическая значимость. Проверено качество математической
модели диссипации энергии пучка, получены полезные данные о состоянии
поля температур вокруг сварочной ванны.
1. Радиационный разогрев, фазовые превращения и перенос
атомов в металлических материалах при воздействии пучка ускоренных
электронов (обзор)