THEORETICAL ESTIMATION OFOPERATION PRESSURE OF HIGH-VOLTAGE GLOW DISCHARGEGUNS FORAPPLYING INELECTRON-BEAM TECHNOLOGY OFMETAL PRODUCTS WELDING

Аннотация

In the article a comparative analysis of methods for analytical and numerical calculation of the depth of a welding seam of metal products, during its welding in the soft vacuum by an electron beam, which is formed by high-voltage glow discharge guns, is provided. It is shown, that although the analytical method of calculation is simple and convenient, but, in the case of its use, the calculated dependences correctly reflect the dynamics of changing of the welding depth only in the case of low pressures and high acceleration voltage. In this case, the problem of ensuring the accuracy and adequacy of analytical calculations by using the simple relations is primarily due to the fact that the dependence of the electron beam diameter at the focus on its current isn’t taken into account. The proposed numerical calculation method allows to estimate the weld depth in a much wider range of operating pressures of the electron gun. To calculate the depth of the seam, the well-known simple analytical dependences were used, which allows to calculate the depth of metal penetration in the seam depending on its thermodynamic properties, as well as on the geometry and energy parameters of the electron beam. Accelerating voltage, beam current and focal diameter were considered as beam parameters. To providing analytical and numerical estimates was separately took into account the existing analytical dependences of the electron beam focal diameter on its current, as well as the dependence of the current of high-voltage glow discharge electron guns on the pressure in discharge chamber. Numerical calculations were carried out through the analysis of the functional dependence, which included the depth of the weld and the gas pressure in the discharge chamber of the gun as explicit parameters, and through the search for the zero value of this function by solving the corresponding nonlinear equation. Analysis of the behavior of the function in a given range of values of pressure and depth of the weld showed that such a formulation of the problem is quite correct by the mathematical point of view. The results of testing of analytical and numerical calculations for the dependence of the welding seam depth on the helium pressure in the discharge chamber of the gun, obtained for titanium products, have been presented and analyzed in the article.

У статті проведений порівняльний аналіз методів аналітичного та чисельного розрахунку глибини зварювального шва металевих виробів за умови здійснення зварювання у низькому вакуумі електронним пучком, який формується гарматою високовольтного тліючого розряду. Показано, що хоча аналітичний метод розрахунку є простим та зручним, але, у разі його використання, розрахункові залежності правильно відображають динаміку зміни глибини шва лише у разі малих тисків та високої прискорювальної напруги. У даному випадку проблема забезпечення точності та адекватності аналітичних розрахунків за простими співвідношеннями насамперед пов’язана з тим, що не враховується залежність діаметра електронного пучка в фокусі від його струму.  Запропонований чисельний метод розрахунку дозволяє оцінювати глибину шва в значно більш широкому діапазоні робочих тисків електронної гармати. Для розрахунку глибини зварювального шва були використані відомі прості аналітичні залежності, які дозволяють обчислити глибину проплавлення металу залежно від його термодинамічних властивостей, а також геометричних та енергетичних параметрів електронного пучка. Як параметри пучка розглядалися прискорювальна напруга, струм пучка та його фокальний діаметр. Для проведення аналітичних та чисельних оцінок були окремо враховані існуючи аналітичні залежності фокального діаметру електронного пучка від його струму, а також залежність струму електронної гармати високовольтного тліючого розряду від тиску у розрядній камері. Чисельні розрахунки проводились через аналіз функціональної залежності, в яку входили глибина зварювального шва та тиск газу у розрядній камері гармати  як явні параметри, та через пошук нульового значення цієї функції шляхом розв’язування відповідного нелінійного рівняння. Аналіз поведінки функції у заданому інтервалі значень тиску та глибини зварювального шва показав, що така постановка задачі є цілком коректною з математичної точки зору. У статті наведені результати тестових аналітичних та чисельних розрахунків залежності глибини зварювального шва від тиску гелію в розрядній камері гармати, отримані для виробів із титану, та проведений аналіз отриманих розрахункових результатів.