книги / Основы электронно-лучевой обработки материалов

Глава 1

ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ

ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА Б НЕПРЕРЫВНОМ И ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМАХ

Параметрами электронного луча, измеряемыми в процессе

от центра фокусирующей системы до поверхности свариваемой детали) /, скорость перемещения электронного луча о.

можно определить диаметр электронного луча d и, следовательно, удельную мощность q % (Вт/см2), которая является одним из определяющих параметров процесса:

не является определяющим параметром, так как при электронно­ лучевой обработке в зависимости от величины удельной мощности q2 при одинаковой погонной энергии можно получить различную конфигурацию зоны обработки.

При воздействии в импульсном режиме средняя мощность (Вт)

<?и = I V f t ,

где I — величина тока в импульсе, A; f — частота следования импульсов, Гц; %~ длительность импульса, с.

Скорость обработки в импульсном режиме (см/с)

В( 1 -М

V =

(т 4~ тп)

где тп— время паузы между импульсами, с; k — коэффициент перекрытия точек (обычно k — 0,5ч-0,9); В — диаметр зоны обработки (точки).

13

Параметром, характеризующим соотношения длительности импульса и времени паузы в импульсном ре­ жиме, является скважность цикла

тока и ускоряющего напряжения для режимов резки и сварки, рассчитанные по формуле (1).

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА МЕТОДОМ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ЗОНДА

Существует много различных способов экспериментального определения диаметра электронного луча. Наиболее простым является метод вращающегося зонда [61, 106]. Сущность метода состоит в том, что тонкий вращающийся зонд, пересекая элект-

14

Рис. 5. Зависимость диаметра луча d и удельной мощности q2 от ускоряющего напряжения при различных значениях мощности q [208]:

ронный луч перпендикулярно его оси, отбирает на себя часть тока. По кривой зондового тока можно судить о диаметре луча d:

d = 2лг ~ ----- б,

где г — расстояние от оси вращения зонда до оси пучка; т и Т — соответственно длительность импульса зондового тока и период вращения зонда; б — диаметр зонда.

Метод вращающегося зонда является модификацией метода вибрирующего зонда. Относительная простота метода и возмож­ ность рассеяния большой мощности на зонде позволяют приме­ нить его для исследования мощных электронных пучков (в нашем случае до 2 кВт).

Схема включения зонда в цепь луча электронно-лучевой уста­ новки типа А.306.05 показана на рис. 6 [61]. В качестве зонда используют вольфрамовую проволоку диаметром 0,1 мм. Кусок проволоки длиной 5—7 мм крепят к металлическому стержню диаметром 3 мм, который насаживают с помощью муфты на вал электродвигателя постоянного тока Д5-А (напряжение питания 5 В, ток 200 мА, источник питания стабилизированный). Время одного оборота двигателя (устанавливают по экрану осцилло-

15

импульс зондовой характеристики может удержаться на экране осциллографа в течение нескольких минут. При фотографирова­ нии используют пленку чувствительностью 130 ед. Выдержка времени 1/30 с при полностью открытом объективе.

При неизменном ускоряющем напряжении U = 20 кВ сни­

мают зондовые характеристики в постоянном режиме для токов луча 10, 20, 40, 60, 80 и 100 мА на расстояниях зонда от центра фокусирующей системы I = 35, 45, 55, 65, 85, 105 и 125 мм. В про­

цессе измерений регистрируют параметры: ток луча, ускоряющее напряжение, ток фокусировки по приборам на установке (класс точности 1), амплитуду зондовой характеристики, ее длитель­ ность (по экрану осциллографа С-1-29, точность измерений 5%), величину расстояния от зонда до центра фокусирующей системы (с точностью до 1 мм).

При обработке зондовых характеристик данные для крайних

больших ошибок в эксперименте. В процессе измерения диаметр зонда может уменьшаться ■вследствие нагрева до высоких темпе­ ратур (~2500° G), что приводит к несимметрии зондовой харак­ теристики и по£влейию систематической■ошибки. При обработке

16

экспериментальных данных эту ошибку не учитывают, рассмат­ ривают только первую (входящую в луч) половину зондовой ха­ рактеристики. Существенное (до 30%) изменение диаметра зонда наблюдается, как правило, после проведения с помощью него 30—40 опытов, после чего устанавливают новый зонд с иден­ тичными характер истинами.

В процессе экспериментов не учитывают также величину возможного угла отклонения зонда от его оси вследствие малого —0,015) отношения диаметра зонда к его длине при достаточно высокой скорости вращения (33 об/с). Такой прогиб зонда может привести к искажению распределения тока зондовой характери­

Изображения зондовых характеристик, полученные на фото­ пленке, увеличивают в 5 раз. На увеличенное изображение на­ кладывают сетку с произвольно выбранным шагом (пересчет показал, что шаг Аг = 1,76 *10”3 см) и затем снимают значения амплитуды характеристики по мере удаления ее от оси. Поэтому кривые зондовых характеристик для пересчета на распределение по радиусу заданы различным количеством точек. В тех случаях, когда минимальное значение плотности тока на полученной кри­ вой более 5% амплитуды, добавляют еще одну точку, ордината которой равняется 5% максимального значения плотности тока. Для кривых с минимумом ордината дополнительной точки со­ ставляет 5% от значения плотности тока по оси этих кривых.

Пересчет зондового тока (распределение по хорде) на рас­ пределение по радиусу производили на ЭВМ Минск-22 по мето­ дике, изложенной в работе [55] (решение уравнения Абеля чис­ ленным методом). Часть кривых пересчитывали с целью про­ верки с использованием коэффициентов Пирса [87]. Разница в расчетах с ЭВМ составляла примерно 5%.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ТОКА ПО СЕЧЕНИЮ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА

На рис. 7 представлены зондовые характеристики, получен­ ные экспериментально при разных токах луча и на различных расстояниях от зонда до центра фокусирующей системы. На рис. 8 показано радиальное распределение плотности тока, полученное численным методом из экспериментальных зондовых характери­ стик [55]. Полученные распределения отчетливо показывают, что с уменьшением расстояния до центра фокусирующей системы уменьшается диаметр поперечного сечения электронного луча и распределение становится более острым. Для каждого конк­ ретного расстояния до центра фокусирующей системы наиболее острое распределение плотности наблюдается для малых токов. С увеличением тока увеличивается* диаметр поперечного сечения электронного луча п ришредетение' плотности «равмазывается».

17

Рис 7. Распределение тока J3 зондовой характеристики (по хорде) в зависимости от изменения тока луча и расстояния I до центра фокусирующей системы

Характер кривых плотности тока близок к кривым нормального распределения.

Как видно из рис. 7, зондовые характеристики такого минимума не имеют. Характер распределения плотности тока гто сечению луча в полученных экспериментальных кривых, в том числе и с минимумом по оси, оценивался по нескольким первым централь­ ным моментам методом разложения произвольной функции в ряд Чебышева—Эрмита.

18

Рис. 8. Распределение плотности тока по сечению электронного луча в зависимости от тока луча для различных расстояний до центра фокусирующей системы:

Центральный момент р,г распределения плотности тока f(x), отнесенный к центру тяжести распределения (или к оси сим­ метрии),

"Ь °°

^ f ( x ) x ndx.

Нулевой член распределения представляет собой площадь,

19

где ср<") ( “5") — функция нормального распределения и ее про­ изводные, а Нп — полиномы Чебышева—Эрмита, то коэффи­

Параметры распределения плотности тока, полученные рас­ четным путем, приведены в табл. 1.

В большинстве случаев коэффициент сосредоточенности уменьшается с увеличением тока для данного расстояния /. Ве­ личина коэффициента сосредоточенности с уменьшением I при одном и том же токе увеличивается. Рассчитанные значения диаметра электронного луча на уровне 5% максимальной плот­ ности тока коррелируются с полученными ниже значениями диаметра электронного луча на уровне 50% амплитуды зондовой характеристики.

Точность эксперимента оценивают сравнением общего тока луча, при котором снята зондовая характеристика, с объемом, описанным кривой плотности тока, полученной из данной зондо­

20