книги / Основы электронно-лучевой обработки материалов

Из теории возмущений [20] известно, что на основе внутрен­ них и внешних разложений могут быть построены составные раз­

ложения, которые пригодны для описания данного поля, на­ пример температур или скоростей во всей области определения аргументов задачи, если внутреннее и внешнее разложения имеют общую часть. Для построения составных разложений применяют два метода: аддитивный и мультипликативный. Мультипликатив­ ное разложение строят как произведение членов внутреннего и

На рис. 93—96 представлены зависимости параметров испаре­ ния, построенные по приведенным соотношениям.

Рассмотрим теперь влияние отвода теплоты в радиальном направлении на процесс формирования отверстия. Для цилиндри­ ческого отверстия при R = Ъв нулевом приближении распределе­

ние температурного поля имеет вид

162

в-г/г*

лоты в радиальном направлении можно пренебречь и использовать полученное одномерное решение для расчета процесса образовавания отверстий.

Более подробный анализ влияния пространственной тепло­ проводности на процесс формирования отверстия при воздействии поверхностного источника теплоты приведен в работе [95], где при рассмотрении лазерного воздействия также предполага­ ется, что вынос материала из зоны обработки обусловлен только поверхностным испарением.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЫБРОСА ЖИДКОЙ ФАЗЫ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Вопрос о характере выброса вещества из канала (отверстия) при воздействии концентрированных потоков энергии и, в част­ ности, электронного луча является одним из проблематичных.

Экспериментальные данные различных исследователей по из­ мерению удельной работы разрушения у — Е/т (где Е — вве-

денная энергия, т — выброшенная масса) показывают, что прак­ тически для всех металлов величина у больше энергии плавления,

но меньше энергии превращения в пар.

Данные, приведенные на рис. 97, свидетельствуют о наличии значительного количества жидкой фазы в продуктах выброса. По существу, затраты введенной энергии, приводящие к выносу вещества при обработке и при сварке с кинжальным проплавле­ нием [219], например сталей, только на 10—20% превышают за­ траты на плавление. Это приводит к малому различию в энергети­ ческих 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 и вскипанию 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 [41 ], неидеальность контактов, локальные пульсации температуры, например вследствие неодно­ родности временной структуры импульса энергии, приводящие к генерации внутрь материала волн сжатия и разрежения по ана­ логии с ультразвуковыми колебаниями.

Объяснение причин вскипания при перегреве наталкивается на более серьезные трудности ввиду сложности физики процесса. Перегрев может возникать вследствие того, что нагрев и плавле­ ние металла в зоне воздействия луча происходят в условиях сжа­ тия материала давлением отдачи паров. Так как разгрузка в рас­ плавленном объеме после прекращения импульса энергии происхо­ дит за время 10"8—10"9 с, т. е. со скоростью распространения волн напряжения (скоростью звука), то металл практически мгновенно оказывается в условиях заметного перегрева, что равносильно быстрому избыточному тепловыделению в локальном объеме.

Согласно другой точке зрения, перегрев связан с наличием в зоне воздействия луча двух; слоев с разным характерным временем изменения температуры. В слое б, где происходит поглощение энергии, время релаксации тс = 82/а, а в зоне расплава h, примы-

164

кающей к слою б, это время %t = h2/a, т, е. т, > т~. Если при ко­ лебаниях интенсивности энергии внутренние слои жидкой фазы попадают в условия перегрева, то происходит вскипание, так как тi одновременно является временем релаксации давления отдачи.

Вскипание и вынос жидкой фазы могут быть связаны с перио­ дическими вследствие экранировки колебаниями давления отдачи паров при поверхностном испарении, которые приводят к генера­ ции в жидком объеме металла механических колебаний, стиму­ лирующих рост равновесных пузырьков растворенного газа [117].

Энерговыделение происходит на дне углубления (канала) в слое толщиной б. Для алюминия при плотности потока энергии цг — = М О 5 Вт/см2, используемой в экспериментах, и 6 = 3*10' 4 см2

пирается», т. е. рассеивается на стенки канала. Оценка по формуле Бете, а также по соотношению (46) показывает, что

когда поток энергии начинает полностью проходить на дно канала

Таким образом, в процессе воздействия электронного луча в те­ чение импульса t = М О " 3 с имеет место экранировка в нашем эксперименте с частотой f ~ 7-103 Гц, которая приводит к пуль­ сирующему воздействию давления отдачи паров на слон жидкого металла.

Обычно металлы содержат в себе растворенные газы в количе­ стве до 20 см3 на 100 г [41]. Например, исходная концентрация

Можно полагать, что в процессе плавления металла в нем обра­ зуются пузырьки газа, находящиеся в равновесном состоянии.

Появление пузырьков газа в расплаве еще не говорит о возмож­ ности объемного парообразования (вскипания). Однако наличие в процессе электронно-лучевого воздействия пульсирующего да­ вления отдачи вследствие периодической экранировки луча должно приводить к генерации волн сжатия в объеме жидкой фазы и, как следствие, к стимулированному образованию зачаточ­ ных очагов кипения [110, 1561. Генерация волн сжатия в некото­

165

плоской, так как диаметр луча много больше равновесного ра­

С учетом давления в волне сжатия Ар условие равновесия дефор­

где гу и г 2 — ортогональные радиусы сплющенного пузырька. После прохождения волны сжатия, т. е. после снятия давления,

область пузырька с гх может расшириться до г0, оставаясь при этом в равновесии. Область с радиусом г 2 > гх оказывается в си­ туации, когда (о/г2) < рП, что приводит к неизбежному расшире­ нию пузырька.

> 2 кг/см3, что имеет место при сварке и обработке в диапазоне q2 — 105” 106 Вт/см2.

Таким образом, пульсации давления отдачи могут приводить

кстимулированному расширению пузырьков газа, растворенных

вжидком металле, и объемному парообразованию.

Определим скорость выброса. При получении отверстий в алю­ минии по режиму, приведенному на стр. 165, за один импульс мо­ жет быть удален слой металла б = 200 мкм, что соответствует объему Vy = 7*10~4 см3.

При содержании водорода в алюминии 0,69 см3 на 100 г коли­ чество газа в расплаве v 2 = 1,2* 10**5 см3. При условии, что для полного удаления жидкой фазы объем газа должен возрасти до объема расплава, увеличение объема газа составит v x!v%= 60.

т

достаточно, чтобы каждый пузырек расширился до г* ~ 4* 10“^ см. Скорость движения фазовой границы v при испарении в пузырек

Данная оценка сделана для одного импульса отдачи. Если учесть, что за время импульса луча t в жидкий объем генерируется, как показано выше, несколько колебаний, то вероятность выброса уве­ личивается. Таким образом, периодическое поверхностное испаре­ ние при воздействии электронного луча вследствие его экранировки может приводить к генерации в жидком объеме металла механиче­ ских колебаний, стимулирующих рост равновесных пузырьков растворенного газа, и, как следствие, к вскипанию и выносу жидкой фазы.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА ОТВЕРСТИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ

Рассматриваемые здесь представления о процессе электронно­ лучевого воздействия позволяют определять геометрические харак­ теристики отверстия (канала) исходя из теплофизических и гидро­ динамических явлений в зоне обработки. Электронно-лучевое воздействие в определенном смысле эквивалентно действию луча лазера, если плотности потока оказываются близкими. Поэтому можно воспользоваться результатами, полученными при анализе процессов формирования отверстия лазерным излучением в ва­ кууме [34]. Однако возможны и другие подходы, в которых обра­ зование полости в металле можно рассмотреть, учитывая упругопластическое течение металла.

Схематизируем задачу определения диаметра канала при дей­ ствии на материалы электронного луча с высокой плотностью энергии [57, 205]. Для этого предположим, что зона максимума энерговыделения расположена на некоторой глубине под поверх­ ностью материала. Тогда в грубом приближении задача может быть рассмотрена по аналогии со взрывом на выброс локального за­ ряда взрывчатого вещества (ВВ). Существенную роль в этом слу­ чае играет учет силы тяжести.

Выброшенную массу и параметры образующейся воронки рас­ считывают по следующей схеме. Сначала рассчитывают энергию, которая тратиться на преодоление силы тяжести при взрыве за­ ряда на глубине /г0, когда воронка, образованная после взрыва, представляет собой конус с основанием R 0 (рис. 99). Максималь­ ный радиус воронки R с учетом влияния свободной поверхности, у которой возникает волна разгрузки, для случая электронно­ лучевого воздействия можно принять равным радиусу электрон­ ного луча R Jl.

167

откуда косинус угла раствора воронки

h0 c o s Фо = ~ ~ •

Расширение продуктов взрыва в случае точечного источника энерговыделения приводит к образованию в материале сферы ра­ диусом

решетки материала.

Величину Rxможно получить также, рассматривая образование в металле полостей со сферической симметрией при взрыве, сопро­ вождающемся большими упр> го-пластическими деформациями. Если полная внутренняя энергия взрыва, расходуемая на образо­

поэтому в дальнейших оценках это изменение не учитываем.

168

Рассмотрим результаты расчетов по приведенным соотноше­

луча на материалы выполняется не во всех случаях. При высоких ускоряющих напряжениях и очень малых диаметрах электронного луча выброс массы не происходит, хотя взрывное вскипание под поверхностью материала может иметь место. Для нержавеющей

Увеличение диаметра электронного луча при постоянной глу­ бине проникновения электронов и сохранении удельной мощности приводит к тому, что в зону воздействия вводится все большая энергия, которая приводит соответственно к увеличению радиуса испаренной массы. Когда начинает выполняться условие cos ср0 < < 1, радиус испаренной массы становится равным примерно вели­ чине пробега электронов или превышает ее (см. табл. 26). Это означает, что в процессе расширения полость практически всегда достигает поверхности, и выброс продуктов расширения происхо­ дит через отверстие, приблизительно равное диаметру полости.

Расчет диаметра полости, образующейся при взрывном вски­ пании, по соотношениям (270) и (271) дает одинаковые результаты с разницей не более 5% (см. табл. 26). Диаметр канала, через ко­ торый электронный луч проникает в материал, и его глубина от единичного взрыва, как это следует из расчетных данных, опреде­ ляются диаметром полости. Полученные результаты показывают, что задача о выбросе массы при взрывном вскипании вещества в процессе электронно-лучевого воздействия сводится к задаче о сосредоточенном ударе по конденсированному газу [49].

Решение для сосредоточенного удара по газу с показателем адиабаты у = 1,205 (газ при высоких температурах, когда суще­ ственны процессы диссоциации и ионизации) дает удаление из по­ лости только 1,6% массы, охваченной ударной волной. При этом отношение высоты цилиндра (полости) к диаметру hid = 1,05. Плотность газа в сечении отверстия р = 0,0187ро-

Таким образом, при высоких ускоряющих напряжениях и малых диаметрах электронного луча (например, при электронно­ лучевой обработке нержавеющей стали при U = 150 кВ и d < < 50 мкм) выброса массы за счет механических факторов, анало­ гичных взрыву локального заряда ВВ, не происходит. Увеличе­ ние диаметра луча приводит к возникновению взрывного вскипа­ ния с образованием полости, через которую электроны проникают в глубь материала.

Снижение ускоряющего напряжения приводит к перемещению максимума энерговыделения к поверхности. В этом случае возмож­ ны как процессы взрывного типа, так и процессы поверхностного испарения в зависимости от удельной мощности электронного луча.

169

Таолииа 26

^ Изменение диаметра канала d* и отношения h0/R л <фи/г„ - 0,756 в зависимости от диаметра электронного луча для нержавеющей