Термический коэффициент полезного действия при электронно-лучевой обработке конструкционных материалов
Ключевые слова:
скорость сварки, электронно-лучевая сварка, глубокое проплавление, теплофизические свойства, термический КПД
Аннотация
Приведены результаты исследований взаимосвязи термического коэффициента полезного действия (КПД) процесса электронно-лучевой сварки (ЭЛС) с теплофизическими свойствами материала и скоростью сварки.
Термический КПД получен расчетно-экспериментальным способом на основе измерения площадей проплавления и оценки энергетических затрат на плавление при известных параметрах режимов сварки. Исследование выполнено на серии микрошлифов сварных соединений титанового сплава 5В, стали 40Х13, дюралюмина Д16, бронзы БрХ1Цр и молибдена ЦМ2А. Показано, что при ЭЛС с глубоким проплавлением КПД возрастает с увеличением скорости сварки и уменьшением температуропроводности свариваемого материала, причем его экспериментальная зависимость от скорости сварки хорошо аппроксимируется логарифмической кривой.
Так, при ЭЛС с увеличением скорости сварки с 20 до 120 м/ч он возрастает для титанового сплава 5В — с 54 до 67%, для стали 40Х13 — с 46 до 63%, для дюралюмина Д16 — с 18 до 40%. Термический КПД бронзы (при скорости ЭЛС 30 м/ч) и молибдена ЦМ2А (при скорости 20 м/ч) составил в среднем 15%. Построение зависимости КПД от безразмерного параметра vd/2a показало, что термический КПД для всех материалов может быть аппроксимирован единой логарифмической зависимостью.
Предложено эмпирическое соотношение, позволяющее установить термический КПД в зависимости от скорости сварки и температуропроводности материала.
Литература
1. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. М.: Машиностроение, 1985.
2. Зуев И.В., Углов А.А., Янчук Л.М. О связи параметров режима сварки с геометрией шва // Сварочное производство. 1974. № 2. С. 7—9.
3. Зуев И.В. Обработка материалов концентрированными потоками энергии. М.: Изд-во МЭИ, 1998.
4. Мякишев Ю.В., Богословская М.К. Тепловая эффективность формирования шва при электронно-лучевой и трехфазной сварках // Вестник МЭИ. 2016. № 2. С. 12—14.
5. Зуев И.В., Родякина Р.В., Волков Д.Е. Методика расчета режимов ЭЛС с учетом экспериментальных значений термического КПД // Сварочное производство. 1996. № 2. С. 27—29.
6. Зуев И.В., Родякина Р.В. Тепловая эффективность процесса электронно-лучевого нагрева // Доклады АН. 1994. Т. 339. № 3. С. 316—318.
7. Зуев И.В., Буруис Д., Родякина Р.В. Термический КПД электроннолучевой сварки // Концентрированные потоки энергии в обработке и соединении материалов: Тезисы докл. Всесоюз. науч. конф. Пенза, 1991. С. 4.
8. Родякина Р.В. Экспериментальное и расчетное определение оптимальной области параметров режима процесса электроннолучевой сварки на основе минимума тепловложения: дис. … канд. техн. наук. М.: Изд-во МЭИ, 1996.
9. Арутюнян Р.В., Большов Л.А., Васильев А.Д. О предельных значениях теплового коэффициента полезного действия при глубоком проплавлении металлов излучением // Доклады АН СССР. 1989. Т. 307. № 5. С. 1115—1118.
10. Арутюнян Р.В., Большов Л.А., Васильев А.Д., Малюта Д.Д., Себрант А.Ю. Воздействие лазерного излучения на материалы. М.: Наука, 1989.
11. Зуев И.В. Родякина Р.В. Пиголкин Г.М. Определение тепловой эффективности электронно-лучевой сварки по величине работы формирования шва // Сварочное производство. 1997. № 7. С. 12—18.
12. Березовский Б.М. Термический КПД процесса проплавления металла поверхностной сварочной дугой // Автоматическая сварка. 1979. № 10. С. 18—21.
13. Dragunov V.K. e. a. Analytical Methods of Electron Beam Power Evaluation for Electron-beam Welding with Deep Penetration // IOP Conference Series: Materials Sci. and Eng. 2019. V. 681 (1). P. 012011
14. Цвиккер У. Титан и его сплавы. М.: Металлургия, 1979.
15. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах. М.: Металлургия, 1989.
16. Зубченко А.С. и др. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 2003.
17. Selected Values of the Thermodynamic Properties of the Elements. Ohio: Metals park, 1983.
18. Казанцев Е.И. Промышленные печи. М.: Металлургия, 1975.
19. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. М.: Атомиздат, 1978.
20. Бабичев А.П. и др. Физические величины. М.: Энергоатомиздат, 1991.
21. Неровный В.М., Коновалов А.В., Якушин Б.Ф., Макаров Э.Л., Куркин А.С. Теория сварочных процессов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016.
22. Терентьев Е.В. Повышение качества формирования сварных соединений при электронно-лучевой сварке неповоротных стыков со сквозным проплавлением: дис. … канд. техн. наук. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014.
23. Ластовиря В.Н., Крылов К.А., Леонов А.В. О зависимости потерь мощности на излучение из пароплазменного кратера при электронно-лучевой сварке от параметров его формы // Электронно-лучевая сварка и смежные технологии: Материалы III Междунар. конф. М.: Изд-во МЭИ, 2020. С. 74—82.
---
Для цитирования: Терентьев Е.В., Драгунов В.К., Слива А.П., Гончаров А.Л. Санталова Ю.В., Яхонтов А.И. Термический коэффициент полезного действия при электронно-лучевой обработке конструкционных материалов // Вестник МЭИ. 2020. № 6. С. 60—66. DOI: 10.24160/1993-6982-2020-6-60-66.
---
Работа выполнена при поддержке: Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (в рамках государственного задания № FSWF-2020-0023)
#
1. Rykalin N.N., Uglov A.A., Zuev I.V., Kokora A.N. Lazernaya i Elektronno-luchevaya Obrabotka Materialov. M.: Mashinostroenie, 1985. (in Russian).
2. Zuev I.V., Uglov A.A., Yаnchuk L.M. O Svyazi Parametrov Rezhima Svarki s Geometriey Shva. Svarochnoe Proizvodstvo. 1974;2:7—9. (in Russian).
3. Zuev I.V. Obrabotka Materialov Kontsentrirovannymi Potokami Energii. M.: Izd-vo MEI, 1998. (in Russian).
4. Myakishev Yu.V., Bogoslovskaya M.K. Teplovaya Effektivnost' Formirovaniya Shva pri Elektronno-luchevoy i Trekhfaznoy Svarkakh. Vestnik MEI. 2016; 2:12—14. (in Russian).
5. Zuev I.V., Rodyakina R.V., Volkov D.E. Metodika Rascheta Rezhimov ELS s Uchetom Eksperimental'nykh Znacheniy Termicheskogo KPD. Svarochnoe Proizvodstvo. 1996;2:27—29. (in Russian).
6. Zuev I.V., Rodyakina R.V. Teplovaya Effektivnost' Protsessa Elektronno-luchevogo Nagreva. Doklady AN. 1994;339;3:316—318. (in Russian).
7. Zuev I.V., Buruis D., Rodyakina R.V. Termicheskiy KPD Elektronnoluchevoy Svarki. Kontsentrirovannye Potoki Energii v Obrabotke i Soedinenii Materialov: Tezisy Dokl. Vsesoyuz. Nauch. konf. Penza, 1991:4. (in Russian).
8. Rodyakina R.V. Eksperimental'noe i Raschetnoe Opredelenie Optimal'noy Oblasti Parametrov Rezhima Protsessa Elektronnoluchevoy Svarki na Osnove Minimuma Teplovlozheniya: Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. M.: Izd-vo MEI, 1996. (in Russian).
9. Arutyunyan R.V., Bol'shov L.A., Vasil'ev A.D. O Predel'nykh Znacheniyakh Teplovogo Koeffitsienta Poleznogo Deystviya pri Glubokom Proplavlenii Metallov Izlucheniem. Doklady AN SSSR. 1989;307;5:1115—1118. (in Russian).
10. Arutyunyan R.V., Bol'shov L.A., Vasil'ev A.D., Malyuta D.D., Sebrant A.Yu. Vozdeystvie Lazernogo Izlucheniya na Materialy. M.: Nauka, 1989. (in Russian).
11. Zuev I.V. Rodyakina R.V. Pigolkin G.M. Opredelenie Teplovoy Effektivnosti Elektronno-luchevoy Svarki po Velichine Raboty Formirovaniya Shva. Svarochnoe Proizvodstvo. 1997;7:12—18. (in Russian).
12. Berezovskiy B.M. Termicheskiy KPD Protsessa Proplavleniya Metalla Poverkhnostnoy Svarochnoy Dugoy. Avtomaticheskaya Svarka. 1979;10:18—21. (in Russian).
13. Dragunov V.K. e. a. Analytical Methods of Electron Beam Power Evaluation for Electron-beam Welding with Deep Penetration. IOP Conference Series: Materials Sci. and Eng. 2019;681 (1):012011
14. Tsvikker U. Titan i Ego Splavy. M.: Metallurgiya, 1979. (in Russian).
15. Zinov'ev V.E. Teplofizicheskie Svoystva Metallov pri Vysokikh Temperaturakh. M.: Metallurgiya, 1989. (in Russian).
16. Zubchenko A.S. i dr. Marochnik Staley i Splavov. M.: Mashinostroenie, 2003. (in Russian).
17. Selected Values of the Thermodynamic Properties of the Elements. Ohio: Metals park, 1983.
18. Kazantsev E.I. Promyshlennye Pechi. M.: Metallurgiya, 1975. (in Russian).
19. Chirkin V.S. Teplofizicheskie Svoystva Materialov Yadernoy Tekhniki. M.: Atomizdat, 1978. (in Russian).
20. Babichev A.P. i dr. Fizicheskie Velichiny. M.: Energoatomizdat, 1991. (in Russian).
21. Nerovnyy V.M., Konovalov A.V., Yakushin B.F., Makarov E.L., Kurkin A.S. Teoriya Svarochnykh Protsessov. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2016. (in Russian).
22. Terent'ev E.V. Povyshenie Kachestva Formirovaniya Svarnykh Soedineniy pri Elektronno-luchevoy Svarke Nepovorotnykh Stykov so Skvoznym Proplavleniem: Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2014. (in Russian).
23. Lastovirya V.N., Krylov K.A., Leonov A.V. O Zavisimosti Poter' Moshchnosti na Izluchenie iz Paroplazmennogo Kratera pri Elektronno-luchevoy Svarke ot Parametrov Ego Formy. Elektronno-luchevaya Svarka i Smezhnye Tekhnologii: Materialy III Mezhdunar. Konf. M.: Izd-vo MEI, 2020:74—82. (in Russian).
---
For citation: Terent'ev E.V., Dragunov V.K., Sliva A.P., Goncharov A.L., Santalova Yu.V., Yakhontov A.I. Thermal efficiency in electron beam processing of structural materials. Bulletin of MPEI. 2020;6:60—66. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2020-6-60-66.
---
The work is executed at support: Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (as Part of a State Task No. FSWF-2020-0023)
2. Зуев И.В., Углов А.А., Янчук Л.М. О связи параметров режима сварки с геометрией шва // Сварочное производство. 1974. № 2. С. 7—9.
3. Зуев И.В. Обработка материалов концентрированными потоками энергии. М.: Изд-во МЭИ, 1998.
4. Мякишев Ю.В., Богословская М.К. Тепловая эффективность формирования шва при электронно-лучевой и трехфазной сварках // Вестник МЭИ. 2016. № 2. С. 12—14.
5. Зуев И.В., Родякина Р.В., Волков Д.Е. Методика расчета режимов ЭЛС с учетом экспериментальных значений термического КПД // Сварочное производство. 1996. № 2. С. 27—29.
6. Зуев И.В., Родякина Р.В. Тепловая эффективность процесса электронно-лучевого нагрева // Доклады АН. 1994. Т. 339. № 3. С. 316—318.
7. Зуев И.В., Буруис Д., Родякина Р.В. Термический КПД электроннолучевой сварки // Концентрированные потоки энергии в обработке и соединении материалов: Тезисы докл. Всесоюз. науч. конф. Пенза, 1991. С. 4.
8. Родякина Р.В. Экспериментальное и расчетное определение оптимальной области параметров режима процесса электроннолучевой сварки на основе минимума тепловложения: дис. … канд. техн. наук. М.: Изд-во МЭИ, 1996.
9. Арутюнян Р.В., Большов Л.А., Васильев А.Д. О предельных значениях теплового коэффициента полезного действия при глубоком проплавлении металлов излучением // Доклады АН СССР. 1989. Т. 307. № 5. С. 1115—1118.
10. Арутюнян Р.В., Большов Л.А., Васильев А.Д., Малюта Д.Д., Себрант А.Ю. Воздействие лазерного излучения на материалы. М.: Наука, 1989.
11. Зуев И.В. Родякина Р.В. Пиголкин Г.М. Определение тепловой эффективности электронно-лучевой сварки по величине работы формирования шва // Сварочное производство. 1997. № 7. С. 12—18.
12. Березовский Б.М. Термический КПД процесса проплавления металла поверхностной сварочной дугой // Автоматическая сварка. 1979. № 10. С. 18—21.
13. Dragunov V.K. e. a. Analytical Methods of Electron Beam Power Evaluation for Electron-beam Welding with Deep Penetration // IOP Conference Series: Materials Sci. and Eng. 2019. V. 681 (1). P. 012011
14. Цвиккер У. Титан и его сплавы. М.: Металлургия, 1979.
15. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах. М.: Металлургия, 1989.
16. Зубченко А.С. и др. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 2003.
17. Selected Values of the Thermodynamic Properties of the Elements. Ohio: Metals park, 1983.
18. Казанцев Е.И. Промышленные печи. М.: Металлургия, 1975.
19. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. М.: Атомиздат, 1978.
20. Бабичев А.П. и др. Физические величины. М.: Энергоатомиздат, 1991.
21. Неровный В.М., Коновалов А.В., Якушин Б.Ф., Макаров Э.Л., Куркин А.С. Теория сварочных процессов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016.
22. Терентьев Е.В. Повышение качества формирования сварных соединений при электронно-лучевой сварке неповоротных стыков со сквозным проплавлением: дис. … канд. техн. наук. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014.
23. Ластовиря В.Н., Крылов К.А., Леонов А.В. О зависимости потерь мощности на излучение из пароплазменного кратера при электронно-лучевой сварке от параметров его формы // Электронно-лучевая сварка и смежные технологии: Материалы III Междунар. конф. М.: Изд-во МЭИ, 2020. С. 74—82.
---
Для цитирования: Терентьев Е.В., Драгунов В.К., Слива А.П., Гончаров А.Л. Санталова Ю.В., Яхонтов А.И. Термический коэффициент полезного действия при электронно-лучевой обработке конструкционных материалов // Вестник МЭИ. 2020. № 6. С. 60—66. DOI: 10.24160/1993-6982-2020-6-60-66.
---
Работа выполнена при поддержке: Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (в рамках государственного задания № FSWF-2020-0023)
#
1. Rykalin N.N., Uglov A.A., Zuev I.V., Kokora A.N. Lazernaya i Elektronno-luchevaya Obrabotka Materialov. M.: Mashinostroenie, 1985. (in Russian).
2. Zuev I.V., Uglov A.A., Yаnchuk L.M. O Svyazi Parametrov Rezhima Svarki s Geometriey Shva. Svarochnoe Proizvodstvo. 1974;2:7—9. (in Russian).
3. Zuev I.V. Obrabotka Materialov Kontsentrirovannymi Potokami Energii. M.: Izd-vo MEI, 1998. (in Russian).
4. Myakishev Yu.V., Bogoslovskaya M.K. Teplovaya Effektivnost' Formirovaniya Shva pri Elektronno-luchevoy i Trekhfaznoy Svarkakh. Vestnik MEI. 2016; 2:12—14. (in Russian).
5. Zuev I.V., Rodyakina R.V., Volkov D.E. Metodika Rascheta Rezhimov ELS s Uchetom Eksperimental'nykh Znacheniy Termicheskogo KPD. Svarochnoe Proizvodstvo. 1996;2:27—29. (in Russian).
6. Zuev I.V., Rodyakina R.V. Teplovaya Effektivnost' Protsessa Elektronno-luchevogo Nagreva. Doklady AN. 1994;339;3:316—318. (in Russian).
7. Zuev I.V., Buruis D., Rodyakina R.V. Termicheskiy KPD Elektronnoluchevoy Svarki. Kontsentrirovannye Potoki Energii v Obrabotke i Soedinenii Materialov: Tezisy Dokl. Vsesoyuz. Nauch. konf. Penza, 1991:4. (in Russian).
8. Rodyakina R.V. Eksperimental'noe i Raschetnoe Opredelenie Optimal'noy Oblasti Parametrov Rezhima Protsessa Elektronnoluchevoy Svarki na Osnove Minimuma Teplovlozheniya: Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. M.: Izd-vo MEI, 1996. (in Russian).
9. Arutyunyan R.V., Bol'shov L.A., Vasil'ev A.D. O Predel'nykh Znacheniyakh Teplovogo Koeffitsienta Poleznogo Deystviya pri Glubokom Proplavlenii Metallov Izlucheniem. Doklady AN SSSR. 1989;307;5:1115—1118. (in Russian).
10. Arutyunyan R.V., Bol'shov L.A., Vasil'ev A.D., Malyuta D.D., Sebrant A.Yu. Vozdeystvie Lazernogo Izlucheniya na Materialy. M.: Nauka, 1989. (in Russian).
11. Zuev I.V. Rodyakina R.V. Pigolkin G.M. Opredelenie Teplovoy Effektivnosti Elektronno-luchevoy Svarki po Velichine Raboty Formirovaniya Shva. Svarochnoe Proizvodstvo. 1997;7:12—18. (in Russian).
12. Berezovskiy B.M. Termicheskiy KPD Protsessa Proplavleniya Metalla Poverkhnostnoy Svarochnoy Dugoy. Avtomaticheskaya Svarka. 1979;10:18—21. (in Russian).
13. Dragunov V.K. e. a. Analytical Methods of Electron Beam Power Evaluation for Electron-beam Welding with Deep Penetration. IOP Conference Series: Materials Sci. and Eng. 2019;681 (1):012011
14. Tsvikker U. Titan i Ego Splavy. M.: Metallurgiya, 1979. (in Russian).
15. Zinov'ev V.E. Teplofizicheskie Svoystva Metallov pri Vysokikh Temperaturakh. M.: Metallurgiya, 1989. (in Russian).
16. Zubchenko A.S. i dr. Marochnik Staley i Splavov. M.: Mashinostroenie, 2003. (in Russian).
17. Selected Values of the Thermodynamic Properties of the Elements. Ohio: Metals park, 1983.
18. Kazantsev E.I. Promyshlennye Pechi. M.: Metallurgiya, 1975. (in Russian).
19. Chirkin V.S. Teplofizicheskie Svoystva Materialov Yadernoy Tekhniki. M.: Atomizdat, 1978. (in Russian).
20. Babichev A.P. i dr. Fizicheskie Velichiny. M.: Energoatomizdat, 1991. (in Russian).
21. Nerovnyy V.M., Konovalov A.V., Yakushin B.F., Makarov E.L., Kurkin A.S. Teoriya Svarochnykh Protsessov. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2016. (in Russian).
22. Terent'ev E.V. Povyshenie Kachestva Formirovaniya Svarnykh Soedineniy pri Elektronno-luchevoy Svarke Nepovorotnykh Stykov so Skvoznym Proplavleniem: Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2014. (in Russian).
23. Lastovirya V.N., Krylov K.A., Leonov A.V. O Zavisimosti Poter' Moshchnosti na Izluchenie iz Paroplazmennogo Kratera pri Elektronno-luchevoy Svarke ot Parametrov Ego Formy. Elektronno-luchevaya Svarka i Smezhnye Tekhnologii: Materialy III Mezhdunar. Konf. M.: Izd-vo MEI, 2020:74—82. (in Russian).
---
For citation: Terent'ev E.V., Dragunov V.K., Sliva A.P., Goncharov A.L., Santalova Yu.V., Yakhontov A.I. Thermal efficiency in electron beam processing of structural materials. Bulletin of MPEI. 2020;6:60—66. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2020-6-60-66.
---
The work is executed at support: Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (as Part of a State Task No. FSWF-2020-0023)
Опубликован
2020-10-08
Выпуск
Раздел
Электротехнические материалы и изделия (05.09.02)
