Эффективность процесса воздействия луча существенно повышается при углублении зоны обработки в материал с образованием канала. Время нагрева и выброса порции вещества мало (~10-6—10-5 с), поэтому процесс сверления канала носит периодический (квазистационарный) характер с частотами ~105—106 Гц.

Так как выброс вещества идет со дна канала, опускающегося в материал с некоторой скоростью, максимальные температура и давление пара находятся у дна канала и падают по его высоте. У выхода из канала температура и давление минимальны.

Взаимодействие электронного пучка с продуктами выброса (смесью пара и конденсата) в объеме канала приводит к тому, что непрерывно действующий пучок электронов периодически рассеивается на стенках канала. Концентрация мощности луча в момент его рассеивания на стенки падает на 1—2 порядка (пропорционально площади внутренней поверхности канала), поэтому такой «размазанный» по стенкам источник обеспечивает практически только плавление стенок. Таким образом, когда канал свободен от паров обрабатываемого материала, электронный луч без потерь достигает его дна, происходит испарение вещества со дна канала. Когда канал заполнен паром, электронный луч рассеивается и передает энергию стенкам, образуя жидкую фазу.

С учетом времени периодической экранировки частота выброса вещества несколько уменьшается, но по-прежнему остается высокой (—101—105 Гц). Углубление канала происходит до тех пор, пока давление пара в нем больше суммарного давления поверхностного натяжения и давления, обусловленного столбом жидкой фазы стенок канала. Наименьшее давление пара во всех случаях имеет место у выхода из канала. Поэтому, как только давление пара становится меньше давления поверхностного натяжения и веса жидкой фазы, канал в верхней части может смыкаться. Если не прерывать действие луча, то смыкание будет иметь периодический характер с частотами порядка 10—100 Гц. Смыкание канала сверху является причиной специфического дефекта — наличия полостей в объеме проплавления. Таким образом, непрерывный процесс электронно-лучевого воздействия переходит в зоне обработки в колебательный процесс с высокими частотами, обусловленными газодинамическими процессами, и низкими частотами, являющимися следствием гидродинамических явлений.

Прямое подтверждение рассмотренной картины процесса получено экспериментально при воздействии электронного луча в импульсном режиме при длительности импульса, достаточной для осуществления микровзрыва. Время паузы было выбрано таким, чтобы продукты выброса успели эвакуироваться из канала и луч не рассеивался на стенки канала с образованием жидкой фазы. В результате вместо проплавления были получены отверстия глубиной до 60 мм и диаметром до 2 мм (в нержавеющей стали и алюминии).

Следовательно, реализация многообразия термических воздействий электронного луча (от плавки до сверления) зависит от скорости введения энергии. Аналогичная картина быстропротекающмх явлений, связанных с высокими скоростями ввода энергии в материал, в некоторой степени имеет место во многих процессах, уже хорошо изученных или изученных в достаточной степени,   например,   при  лазерном  воздействии,   электрическом взрыве проводников, электроискровой обработке,   воздействии   плазменной   и   электрической  дуги,  взрывных  процессах   и т. п. Поэтому технологические электронные пучки в настоящем курсовом проекте рассмотрены в сравнении их с другими источниками теплоты, исходя из того, что одним из основных характерных признаков любого источника  является концентрация энергии.

Электронно-лучевая обработка материалов

Особенности образования отверстий   при  электронно-лучевой обработке:

Термическая размерная обработка, как правило, предназначена для изменения химического состава или структуры обрабатываемого материала, получения отверстий заданного диаметра или пазов заданной ширины, глубины и профиля сечения.

Результат размерной обработки зависит от поведения материала при повышении температуры. В результате термической размерной обработки происходят следующие явления:

фазовые превращения в твердом состоянии, появляющиеся, например, при закалке соответствующих сталей;

сублимация — удаление материала при выполнении отверстий, пазов, резании, гравировании алмаза, графита, кварцевого стекла;

разложение твердого материала на летучие компоненты и унос мате-риала при резании синтетических материалов, керамики, бумаги;

разложение с образованием, по крайней мере, одного твердого компонента и удаление материала при резании, сверлении, гравировании арсенида галлия, фосфида галлия;

плавление материалов при микросварке металлов, полировании ме-таллов и полупроводниковых материалов (кремний, германий), нанесении рисок оплавлением (кремний, германий, керамика, ферриты), легировании полупроводников путем вплавления лигатур при изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем;

испарение — удаление материала при сверлении, резании, гравировании металлов, диэлектриков, синтетических материалов.

Обрабатываемость    материала в основном зависит от его теплофизи-ческих свойств и удельной мощности пучка электронов. Чтобы избежать избытка жидкой фазы, добиться максимальной производительности за счет реализации резононсных режимов нагрева, обработку ведут в импульсных режимах. При этом возможны следующие технические варианты обработки: моноимпульсная, многоимпульсная, с быстрым отклонением луча.

Выброс жидкой фазы при обработке. Экспериментальные данные различ-ных исследователей по измерению удельной работы разрушения показывают, что практически для всех металлов больше энергии плавления, но меньше энергии превращения в пар.

В продуктах выброса находится значительное количество жидкой фазы . Затраты введенной энергии, приводящие к удалению вещества при обработке и при сварке с «кинжальным» проплавлением , например, сталей только на 10—20 % превышают затраты на плавление. Это приводит к малому различию в энергетических балансах процессов получения отверстий и проплавления и существенно упрощает их тепловые расчеты.

Причины  преждевременного вскипания вещества, приводящего к   выносу жидкой фазы в основном можно свести к двум моментам:

-                     вскипанию за счет гетерогенных центров зарождения паровой фазы,

-                       вследствие перегрева. В первом случае факторами, облегчающими вскипание, являются: пузырьки растворенного в металле газа, объем которого может превышать объем основного металла в десятки и даже сотни раз;  неидеальность контактов; локальные пульсации температуры, например вследствие неоднородности временной структуры импульса энергии, приводящие к генерации внутрь материала волн сжатия и разрежения как и при ультразвуковых колебаниях.          

Объяснить причины вскипания при перегреве затруднительно из-за сложности физики процесса. Перегрев может возникать вследствие того, что нагрев и плавление металла в зоне действия луча происходят в условиях сжатия материала давлением отдачи паров. Так как разгрузка в распла-вленном объеме после прекращения действия импульса энергии проис-ходит за время 10~3—10~4 с, т. е. со скоростью распространения волн напряжения (скоростью звука), то металл практически мгновенно заметно перегревается, что равносильно быстрому избыточному тепловыделе-нию в локальном объеме.

Согласно другой точке зрения, перегрев связан с наличием в зоне дей-ствия луча двух слоев с разным характерным временем изменения темпе-ратуры. Если при колебаниях интенсивности нагрева внутренние слои жидкой фазы попадают в условия перегрева, то происходит вскипание, так как, одновременно является временем релаксации давления отдачи.

Вскипание и вынос жидкой фазы могут быть связаны с периодическими (вследствие экранировки) колебаниями давления отдачи паров при поверхностном испарении, которые приводят к генерации в жидком объеме металла механических колебаний, стимулирующих рост равновесных пузырьков растворенного газа.

Сварка электронным лучом

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) основана на использовании для нагрева энергии электронного луча.

Сущность данного процесса состоит в использовании кинетической энергии электронов, движущихся в высоком вакууме с большой скоростью. При бомбардировке электронами поверхности металла подавляющая часть кинетической энергии электронов превращается в теплоту, которая используется для расплавления металла.

Для сварки необходимо получить свободные электроны, сконцентрировать их и сообщить им большую скорость с целью увеличения их энергии, которая должна превратиться в теплоту при торможении в свариваемом металле. Получение свободных электронов достигается применением раскаленного металлического катода, эмитирующего (испускающего) электроны. Ускорение электронов обеспечивается электрическим полем с высокой разностью потенциалов между катодом и анодом. Фокусировка - концентрация электронов - достигается использованием кольцевых магнитных полей. Резкое торможение электронного потока происходит автоматически при внедрении электронов в металл. Электронный луч, используемый для сварки, создается в специальном приборе - электронной пушке.

Электронная пушка представляет собой устройство, с помощью которого получают узкие электронные пучки с большой      плотностью     энергии      (см. рис.2).

Рис. 2. Схема устройства электронно-лучевой пушки.

(1), Пушка имеет катод (1), который размещен внутри прикатодного электрода (2). На некотором удалении от катода находится ускоряющий электрод - анод (3) с отверстием.

 Прикатодный и ускоряющий электроды имеют форму, обеспечивающую такое строение электрического поля между ними, которое фокусирует электроны в пучок с диаметром, равным диаметру отверстия в аноде. Положительный потенциал ускоряющего электрода может достигать нескольких десятков тысяч вольт, поэтому электроды, эмитированные катодом, на пути к аноду приобретают значительную скорость и, соответственно, кинетическую энергию. После ускоряющего электрода электроны движутся равномерно. Питание пушки электрической энергией осуществляется от высоковольтного источника постоянного тока. Электроны имеют одинаковый заряд, поэтому они отталкиваются друг от друга, вследствие чего диаметр пучка увеличивается, а плотность энергии в пучке уменьшается.

Для увеличения плотности энергии в луче после выхода электродов из анода электроны фокусируются магнитным полем в специальной магнитной линзе (4). Сфокусированные в плотный пучок летящие электроны ударяются с большой скоростью о поверхность изделия (6), при этом кинетическая энергия электронов, вследствие торможения в веществе, превращается в теплоту, нагревая металл до высоких температур.

Для перемещения луча по свариваемому изделию на пути электронов помещают магнитную отклоняющую систему (5), позволяющую направлять электронный луч точно по сварочному стыку.

Для обеспечения беспрепятственного движения электронов от катода к аноду и далее к изделию, для тепловой и химической изоляции катода, а также для предотвращения возможности дугового разряда между электродами в установке создается высокий вакуум не ниже 1,3.10~2 Па (1.10-4 мм рт. ст.), обеспечиваемый вакуумной системой установки.

Работа, затраченная электрическим полем на перемещение заряда из одной точки в другую, равна произведению величины заряда  на разность потенциалов между этими двумя точками. Эта работа затрачивается на сообщение электрону кинетической энергии.

Таким образом энергия электронов может достигать больших значений и зависит от разности потенциалов разгоняющего поля; в настоящее время эксплуатируются электронно-лучевые установки с ускоряющим напряжением в электронно-лучевой пушке до 200 кВ.

Физическая картина внешних явлений, сопровождающих действие электронов на металл, состоит из рентгеновского излучения, теплоизлучеия, возникновения отраженных, вторичных электронов, испарения металла в виде атомов и ионов металла. Схема данных явлений изображена на рис.3.

Вторичные электроны делятся на три группы: упруго отраженные электроны, энергия которых примерно равна падающим; электроны, отраженные в результате неупругого соударения и имеющие более или менее большие потери; собственно вторичные электроны, энергия которых не превышает 50 эВ.

Рис.3 Фйзическая картина явлений, сопровождающих проникновение электронов в веществе:

1 - атомы металла,

2 - ионы,

3 - пучок электронов,

4 -рентгеновское излучение,

5 - отраженные и вторичные электроны,

6 - тепловое и световое излучение

  Характерные значения параметров сварочных электронных лучей:

- минимальный радиус пучков 0,1... 1 мм;

Рис.4. Типичная форма сварного шва при ЭЛС

 - энергия 10...200 кэВ;

-                     мощность - до 120 кВт.

Плотность энергии в источнике нагрева является одной из основных характеристик источника и определяет его эффективный коэффициент использования тепла, форму провара, размеры зоны термического влияния, сварочные деформации и поводки. Электронный луч – наиболее эффективный источник нагрева металла при сварке, поскольку плотность энергии в луче превышает плотность энергии электрической сварочной дуги более чем на три порядка.

Ниже приведены сравнительные данные по максимальной плотности энергии (Рmах) и минимальной площади пятна нагрева (Smіn) для различных видов сварки:

Вид сварки                  Smіn, ММ2          Рmах, кВт/ММ2

Газовая                             1                          0,5

Электродуговая             0,1                        1,0

ЭЛС и лазерная            10'5                         5-103

При сварке электронным пучком формируется узкий и глубокий шов. Глубина проплавления достигает 200...400 мм, а отношение глубины проплавления к средней ширине шва составляет 20..30 (см. рис.4).

Столь глубокое проникновение электронов в металл объясняется образованием канала в сварочной ванне практически на всю ее глубину. Основным фактором, вызывающим образование канала в жидком металле, является давление отдачи пара при испарении. В связи с этим канал в сварочной ванне часто называют пародинамическим.

   Технологические возможности и преимущества электронно-лучевой сварки состоят в следующем:

•При ЭЛС возможно соединение за один проход металлов и сплавов толщиной в наиболее широком среди других методов сварки диапазоне - от 0,1 до 400 мм.

•Благодаря высокой концентрации энергии в луче, минимальному вводу тепла и высокой скорости охлаждения, зона термического влияния при ЭЛС имеет существенно меньшую протяженность, а снижение свойств в ней относительно небольшое. Особое значение это имеет для аустенитной стали, сплавов циркония, молибдена и других металлов, склонных при нагреве к значительному росту зерна и снижению коррозионной стойкости.

•Глубокое проплавление металла при малой погонной энёргии, имеющее место при ЭЛС, обусловливает значительно большую скорость отвода тепла от зоны сварки, что обеспечивает увеличение скорости кристаллизации малой по объему сварочной ванны с получением мелкокристаллического строения металла шва, по своим свойствам мало отличающегося от основного металла.

•Ввод значительно меньшего количества тепла при ЭЛС, особенно на импульсном режиме, по сравнению с дуговой сваркой дает возможность во много раз уменьшить деформации изделий.

•Большая концентрация энергии в малом поперечном сечении луча и возможность переноса энергии лучом на значительное расстояние от катода дают возможность использовать электронный луч при сварке в узкую щель, когда методы дуговой сварки не могут быть использованы.

•При ЭЛС рабочее расстояние "электронная пушка -изделие" можно изменять в значительных пределах без существенного изменения параметров шва. Рабочее расстояние выбирается в пределах 50-120 мм для низковольт-ных пушек и 50-500 мм - для высоковольтных. При этом изменение рабочего расстояния в процессе сварки на 1...5 мм не оказывает существенного влияния на качество соединения.

•Эффективная защита металла от взаимодействия с газами в процессе сварки, осуществляемой в высоком вакууме.

Страницы: 1, 2, 3