Prediction of the Partial Penetration Depth on 15-5PH Materials during Electron Beam Welding
Kamal Frikach, Jamie White, Jeff Houtz
We report in this paper a systematic study for partial penetration of the electron beam welding and its correlation with the beam power as a combination of beam voltage and current, welding speed and working distance. The experimental tests are performed using 15-5 PH stainless steel material at constant welding speed (24 in/min).
The tests are conducted on a 160 kV, 40 mA CVE Electron Beam Welder. To ensure beam quality, the electron beam is probed at different working distances as a function of accelerating voltage and beam current using MK2 modified Faraday Cup that is designed for electron beam diagnosis. The beam focus current that corresponds to the maximum beam density profile at sharp focus is determined accurately. By analyzing the energy density distribution of a given power density profile, a direct measurement of the beam diameter is performed accurately for each beam configuration. The measured beam diameter is used to predict the penetration depth.
The obtained experimental data for beam penetration depth are presented in terms of normalized beam power q/pkT versus dimensionless beam diameter vb/4a, where b is the diameter of the sharply focused electron beam. The show good agreement with the theoretical predictions using combination of the moving line source and the solution for a cylindrical cavity.
В тази работа е представено систематично изследване на частичното проникване при електроннолъчево заваряване и неговата корелация с мощността на лъча, като комбинация на ускоряващото напрежение и тока на лъча, скоростта на заваряване и работното разстояние. Експериментите са направени с 15-5 PH неръждаема стомана при неизменна скорост на заваряване (24 in/min). Тестовете са направени при 160 kV, 40 mA CVE електроннолъчева инсталация. За обезпечаване на качество на снопа, е измерен профилът на електронния лъч при различни работни разстояния, като функция на ускоряващото напрежение и тока на лъча, използвайки МК2 модифициран Фарадеев цилиндър конструиран за диагностика на лъча. Тока на фокусиращата система, който отговаря на максималния профил на лъча при остър фокус, е определен точно. Анализирайки разпределението на енергийната плътност на даден профил на плътността на мощност, директното измерване на диаметъра на лъча се постига точно, за всяка конфигурация на снопа. Измереният диаметър на снопа се използва при прогнозирането на дълбочината на проникване. Получените експериментални данни са представени в единиците на нормализираната мощност на лъча q/pkT, в зависимост от безразмерния диаметър на лъча vb/4a, където b е диаметъра на остро-фокусирания електронен сноп. Показано е добро съответствие с теоретичното предсказване, при използване на движещ се линеен източник и решението за цилиндрична празнота (кратер).
Cite this article as:
Frikach K., White J., Houtz J. Prediction of the partial penetration depth on 15-5PH materials during electron beam welding. Journal – Electrotechnica & Electronica (Е+Е), Vol. 49 (5-6), 2014, pp. 108-114, ISSN: 0861-4717 (Print), 2603-5421 (Online)
