Испарение и перенос атомов на границе раздела фаз в сплаве 1370 при электронно-лучевой сварке
В работе исследованы процессы тепломассопереноса в сплаве 1370 при воздействии остросфокусированного электронного пучка. Выполненные расчеты позволяют определить время существования жидкой фазы, глубину и ширину проплавления, скорости охлаждения, рассчитать испарившуюся массу материала изделия при сварке электронным лучом. Результаты работы актуальны для исследования потери массы легкоиспаряющихся металлических материалов и прогнозирования химического состава сварных соединений.
Введение ……………………………………………………………………………………………………… 14
1. Радиационный разогрев, фазовые превращения и перенос атомов в
металлических материалах при воздействии пучка ускоренных электронов
(обзор) …………………………………………………………………………………………………………. 17
1.1 Особенности взаимодействия пучков ускоренных электронов с
веществом…………………………………………………………………………17
1.2 Основные свойства электронно-лучевой сварки………………………………… 19
1.3 Тепловые процессы в веществе при облучении пучками электронов …. 21
1.4 Роль испарения и сегрегационных явлений в формировании физических
и механических свойств шва……………………………………………………………………… 25
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ……………………………………….. 30
2.1 Исследуемый сплав 1370 (АД37) системы Al-Mg-Si-Cu ……………………….. 30
2.2 Оборудование для электронно-лучевой сварки …………………………………….. 31
2.3. Взвешивание образцов ………………………………………………………………………. 35
2.4. Измерение твердости по методу Виккерса………………………………………….. 36
2.5 Метод энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии ………………… 37
3. Поле температур и фазовые превращения при сканировании пучка
электронов по поверхности твѐрдого тела ……………………………………………………. 38
3.1. Модельные представления о процессе диссипации энергии пучка ………. 38
3.2 Уравнение теплопроводности, начальные и граничные условия, условие
на границе раздела фаз, функция энерговыделения, исходные данные ………. 41
3.3 Расчѐт пространственного распределения поля температур в зоне
расплава ……………………………………………………………………………………………………. 44
Выводы …………………………………………………………………………………………………….. 52
4. Результаты исследования образцов сплава 1370 ……………………………………….. 53
4.1. Исследование механических характеристик ………………………………………… 53
4.2. Результаты металлографического исследования ………………………………….. 54
Заключение ………………………………………………………………………………………………. 56
5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение …… 57
5.1 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения ……………………………………………. 57
5.2. SWOT-анализ ……………………………………………………………………………………… 58
5.3. Планирование научно-исследовательских работ …………………………………. 61
5.3.1. Разработка графика проведения научного исследования ………………… 61
5.4. Бюджет научного исследования ………………………………………………………….. 65
5.5. Организационная структура проекта …………………………………………………… 69
5.6. Матрица ответственности …………………………………………………………………… 70
5.7. Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования ………………………. 71
6. Социальная ответственность……………………………………………………………………. 75
6.1 Анализ вредных факторов производственной среды …………………………….. 76
6.1.1. Микроклимат ………………………………………………………………………………… 77
6.1.2. Расчет искусственной освещенности рабочего места…………………….. 79
6.1.3 Ионизирующее излучение в рабочей зоне ………………………………………. 83
6.2 Анализ выявленных вредных факторов производственной среды…………. 85
6.2.1. Электробезопасность …………………………………………………………………….. 85
6.2.2 Пожарная и взрывная безопасность ……………………………………………….. 88
6.3. Охрана окружающей среды ………………………………………………………………… 91
6.4. Защита в чрезвычайных ситуациях ……………………………………………………… 92
6.5. Правовые вопросы обеспечения безопасности …………………………………….. 93
Выводы ……………………………………………………………………………………………………….. 93
Список литературы ……………………………………………………………………………………… 95
Приложение А …………………………………………………………………………………………… 101
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)
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (1033 отзыва)
4.9 (20 отзывов)
4.2 (13 отзывов)
4.9 (826 отзывов)
4.2 (5 отзывов)
5 (158 отзывов)
4.2 (6 отзывов)
4.8 (37 отзывов)
4.8 (30 отзывов)
