Thermal efficiency in electron beam processing of structural materials
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2020-6-60-66Keywords:
electron beam welding, deep penetration, welding speed, thermophysical properties, thermal efficiencyAbstract
The results of studying the interrelation that links the electron beam welding (EBW) thermal efficiency, thermophysical properties of the material, and welding speed are presented. Thermal efficiency was determined by a combined experimental and computational method based on measuring the penetration areas and evaluating the energy expenditure for melting with the known welding mode parameters. The study was carried out on a series of microsections prepared from welded joints of 5V titanium alloy, grade 40Kh13 steel, D16 duralumin, BrKh1Tsr bronze, and TsM2A molybdenum. It is shown that in EBW with deep penetration, its thermal efficiency increases with increasing the welding speed and decreasing the welded material thermal diffusivity. The experimental dependence of the thermal efficiency on the welding speed is approximated with sufficient accuracy by a logarithmic curve. Thus, in increasing the EBW speed from 20 to 120 m/h, the thermal efficiency increases from 54% to 67% for 5V titanium alloy, from 46% to 63% for 40Kh13 steel, and from 18% to 40% for D16 duralumin. The thermal efficiency in welding bronze (at an EBW speed of 30 m/h) and in welding TsMA molybdenum (at a speed of 20 m/h) was 15% on the average. An analysis of the thermal efficiency curve versus the dimensionless parameter vd/2a has shown that the thermal efficiency for all materials can be approximated by a single logarithmic dependence. An empirical relationship is proposed, using which the welding thermal efficiency can be determined as a function of welding speed and material thermal diffusivity.
References
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)
Downloads
Published
2020-10-08
Issue
Section
Electrical Materials and Products (05.09.02)
