книги / Основы электронно-лучевой обработки материалов

ствует плотности частиц п = 5,8 -1019 см“3 и давлению р = 20 кгс/см2. Определим плотность пара, при которой начинается рассея­ ние- В принципе для этого можно было ры использовать соотно­ шение (42), но мы воспользуемся уравнением (43) — для того, чтобы уточнить физический смысл коэффициента поглощения а. 1Ашгатлъное количество атомов пара ъ объеме канала, в т о ­ рые на разных уровнях полностью перекрывают сечение канала,

где N — число валентных электронов; t/f, Оi — потенциалы воз­ буждения (ионизации) водорода и атомов; Е — энергия электро­

нов; fi = 0,8■+■1,3 — постоянная; = 0,7-*-3,0— постоянная; а„ —: радиус первой орбиты атома водорода; обычно при оценках

fi = h — 1; яао = 0,88-10“16 см2.

Масса пара в объеме канала составляет pHndl/4. Одновре­ менно с учетом формулы (47) она равна ndl Aj AaN 0, где А 0 — атомный вес, N 0— число Авогадро. Приравнивая указанные

выражения, найдем плотность пара, при которой начинается рас­

= 1 см) величина р = 4,5-10“5 г/см3, что соответствует п — 1 х

случая воздействия на кварцевое стекло по трем независимым оценкам получено значение концентраций пара в канале в преде­ лах (0,5— 1,0) ДО18 см'3 [101]. Для случая проплавления алюми­ ния и меди расчетным путем установлено изменение давления пара в диапазоне Д2—0,7 кгс/см2 [121].

61

Таким образом, из приведенных оценок и результатов ряда работ следует, что после вскипания давление пара над поверх­ ностью, и тем более в канале, достаточно велико. Это неизбежно приводит к рассеянию электронного луча в течение некоторого промежутка времени, после чего фокусировка луча восстанавли­ вается. Следовательно, непрерывное воздействие луча на зону об­ работки периодически прерывается по мере увеличения плотности пара до р > р*. Рассмотрим временной баланс такого процесса.

Если считать, что процесс углубления канала происходит посредством периодического выброса слоя вещества толщиной 6 (здесь б определяются глубиной проникновения электронов), то время рассеяния

где d — диаметр луча, см; ип—-скорость разлета частиц пара,

см/с.

Время испарения слоя б определяют по формуле (38). Время процесса образования канала есть суммарное время элементар­ ных циклов, каждый из которых включает испарение слоя и по­ следующую экранировку:

Результаты, полученные по этому выражению, показывают, что в общем балансе времени t на процесс «чистого» испарения

вистым: периодически испаряется слой толщиной —б, а в про­ межутках электронный луч рассеивается на стенки канала (с уде­ льной мощностью <jf 2 на 1—2 порядка ниже первоначальной) и образует жидкую фазу.

Из выражений (51) и (52) следует, что по мере углубления канала время рассеяния увеличивается, т.е. частота элементарных циклов вскипания—рассеяния падает. Расчеты для алюминия при названных выше параметрах воздействия дают частоту пуль­ саций в начале процесса f = 5,8* 103 Гц и к концу процесса (Н =

=1,3 см) / = 2,5* 102 Гц.

Рассмотрим еще один важный для практики эффект, связанный

сполучением сквозного проплавления (реза). В этом случае ка­ нал имеет два выхода (рис. 35). Условия рассеяния изменяются, так как пар разлетается в двух направлениях, то время'рассеяния

62

Рис. 35. Схема истечения пара (обозначено стрелками) из глубокого (а) и сквоз­ ного (б) канала

уменьшается. Для сквозного проплавления при значениях верх­ него d x и нижнего d2 диаметров канала выражение (52) примет

вид

Если dx — d%(сквозное проплавление с параллельными стен­

ками), то мощность, затрачиваемая на образование жидкой фазы, уменьшается вдвое. При этом, естественно, количество жидкой фазы пропорционально уменьшается. Чаще всего d2 < dx, поэ­

тому мощность электронного луча в режиме сквозного проплавле­ ния в некоторых случаях уменьшают на 20—40%. При d2 = 0

выражение (53) переходит в (52).

На основании формул (45) и (49) для величины коэффициента поглощения а можно получить следующее выражение:

( 5 4 )

Ао

где о, определяемое по формуле (48), в основном зависит от энер­ гии электронов. Однако а существенно зависит также и от угла сходимости электронного пучка, с учетом этого [177]

где Z — порядковый номер элемента; б и о — коэффициенты, зависящие от энергии пучка и угла сходимости.

Расчеты по формулам (48) и (55) показывают (табл. 11), что разница достигает примерно одного порядка. Учет угла сходи­ мости необходим при сравнении воздействия пучков, которые формируются в короткофокусных (большие углы сходимости — до 10°) и длиннофокусных (малых углы — до 2—3°) электронных пушках. Электронный луч с большим углом сходимости при про­ чих равных условиях обеспечит меньшую глубину проплавления, чем пучок с малым углом сходимости.

63

КИНЕТИКА ФОРМИРОВАНИЯ КАНАЛА

Рассмотрим результаты экспериментального исследования ки­ нетики формирования канала, проведенного на установке типа А.306.05 при U = 20 кВ, / = 5-^250 мА в режиме одиночного

импульса длительностью от 50 мс до 5 с (рис. 36). Исследуемый металлический образец диаметром 30 мм и высотой 30 мм устана­ вливают в рабочей камере на изолятор и через сопротивление R 2 соединяют с землей. В цепь источника включают сопротивление R и

и с помощью осциллографа С1-37 (в ряде экспериментов К-105) одновременно регистрируется в процессе импульса величина то­ ка / м, проходящего через мишень, и / п в источнике. Изображение осциллограмм на экране осциллографа С1-37 фотографируется

64

J ,M A

Рис* 37. Характер изменения формы импульсов тока длительностью 100 мс, проходящего в источнике (штриховая линия) и через мишень из исследуемых ма­ териалов при увеличении тока луча (результаты обработки осциллограммы)

ходит постоянный ток, а в остальное время импульса (t — А^) ток, проходящий через мишень, носит прерывистый (пульсиру­

t = 1с. Ток / м в течение времени А /х не изменяется, затем начи­ нает уменьшаться, колеблясь с возрастающей частотой. Спустя некоторое время ток / м начинает возрастать и достигает примерно постоянной величины / м ^ (0,8-7-0,95) / п. Высокочастотные коле­ бания при этом сменяются низкочастотными.

Анализ зависимости, приведенной на рис. 38, показывает, что в изменении формы импульса проходящего через мишень тока наблюдаются четыре стадии: 1 — постоянный ток в течение вре­ мени А гд; 2 — пульсирующий ток с возрастающей частотой, уменьшающейся по амплитуде в течение At2\ 3 — пульсирующий ток с возрастающей частотой и возрастающей средней амплитудой в течение Д^3; 4 — пульсирующий низкочастотный ток с постоян­ ной средней амплитудой в течение остального времени импульса

Д*4- Установлено, что пульсирующий характер тока, проходящего

через мишень, является следствием нескольких типов колебаний. В течение периода At2 (рис. 38) в основном имеют место колебания

66

К моменту начала периода Atx все эти колебания пропадают и остаются низкочастотные в диапазоне 6—50 Гц. Одновременная независимая регистрация тока, проходящего через мишень, и характера изменения давления в камере в районе сварочной ванны ионизационным манометром типа ЛМ-2 дает одинаковый результат изменения частоты колебаний. При этом максимуму тока мишени периодически соответствует минимум давления в районе обработки.

-f Д/З и за полное время импульса t (геометрия этих зон представ­ лена на рис. 38), позволяет представить кинетику формирования кинжального проплавления в следующем виде. В течение време­ ни Atx происходит нагрев образца и отвод теплоты от зоны воздей­ ствия вследствие теплопроводности. Для большинства исследо­ ванных металлов в конце периода A tx начинается плавление (ис­

и отраженными электронами. Доля вторичной эмиссии с увеличе­ нием тока в импульсе, т. е. с увеличением скорости нагрева, па­ дает.

Период A t2 характеризуется появлением интенсивной термо­ эмиссии из ванны. Ток термоэлектронов имеет направление, про­ тивоположное первичному. Поэтому ток /м, проходящий через ми­ шень, представляет алгебраическую сумму токов / м = /п — / в, где / в — ток эмиссии из образца отраженных вторичных и термо­ электронов.

Выше отмечено, что к концу периода A tx металл, как правило, расплавлен. В течение периода At2 температура расплавленного металла растет, соответственно увеличивается и ток термоэмис­ сии. Частота колебаний тока в период Afa* как Уже отмечалось, составляет 50 Гц с наложением частоты 300 Гц. Можно предполо­ жить, что колебания с частотой 300 Гц являются результатом нестабильностей ускоряющего напряжения (источник питания шестифазный по схеме Ларионова). Действительно, стабилизация ускоряющего напряжения в пределах 1—2% позволяет убрать гармонику с частотой колебаний 300 Гц. Причиной появления гар­ моники с частотой колебаний 50 Гц являются, по-видимому, пуль­ сации в других источниках питания.

Начало периода A t3 с этого момента является моментом пере­ хода к интенсивному парообразованию. В этот момент начинается вынос массы из ванны за счет периодического испарения слоев, толщина которых одного порядка с длиной пробега электронов. Поверхность ванны при этом опускается с некоторой скоростью в глубь металла. Вторичное излучение из ванны начинает погло­ щаться стенками ванны (канала). Поэтому, начиная с этого момента

/Л? Л*:

а — нержавеющая сталь толщиной 15 мм, время сверления 1 с; б — алюминиевый сплав толщиной 60 мм, время сверления 5 с

(см. рис, 38), ток, проходящий через мишень, увеличивается. К концу периода At3 глубина канала достигает такой величины, при которой стенки поглощают практически все вторичное излу­ чение. Ток, проходящий через мишень, приближается к величине первичного. Этот факт подтверждается данными работы [45 ].

Таким образом, период Л£3 есть «чистое» время образования канала. Далее, в течение периода Л^4 углубление канала не про­ исходит. Пульсации тока с частотой 6—50 Гц, характерные для этого периода, являются следствием периодического смыкания жидких стенок канала в верхней его части.

Серией экспериментов подтверждены представления о преры­ вистом процессе образования канала вследствие периодического рассеяния луча. При этом исходили из того, что процесс непре­ рывного воздействия электронного луча на материал (например, воздействие в экспериментах в течение t = 1 с) в какой-то мере аналогичен импульсному воздействию с длительностью импульса ти (время испарения элементарного слоя, толщина которого имеет

68

один порядок с длиной пробега электронов на дне канала) и вре­ менем паузы тр (в паузе не происходит углубления канала, а то­ лько образование жидкой фазы за счет рассеяния луча). Если от непрерывного воздействия перейти к импульсному с временем им­ пульса tH = ти и длительностью паузы tn — тв, то вместо про­ плавления на глубину Я за период t должно образоваться отверс­ тие на глубину Я 0 > Я. В этом случае луч включается только на время испарения и затем выключается, чтобы не происходило образования избытка жидкой фазы вследствие рассеяния луча на продуктах выброса. Исходя из величин высокочастотных пуль­

q2 ^ 105 Вт/см3 получены отверстия диаметром 2 мм и глубиной от 15 до 60 мм в нержавеющей стали и алюминии (рис. 40). Отвер­ стия получены также в других металлах и сплавах, в том числе в молибдене на глубину до 5 мм.

Таким образом, как расчеты, так и прямые эксперименты показывают, что процесс формирования глубокого проплавления имеет пульсирующий характер. При воздействии на «мягких» режимах (без образования канала) пульсации связаны в основном

спричинами, зависящими от аппаратуры, нестабильности в источ­ никах питания. Частота пульсации тока в этом составляет 50 Гц

сналожением частоты 300 Гц. При воздействии на «жестких» ре­ жимах (с образованием канала) частота пульсации определяется величиной удельной мощности и в экспериментах составляла (0,5— 1,2) • 103 Гц. Высокочастотная пульсация тока является следствием периодического рассеяния (экранировки) луча в процессе углуб­ ления канала. Образовавшийся канал вследствие непрекращающегося притока энергии периодически смыкается в верхней своей части, т. е. пульсирует с частотой 6—50 Гц. Использование импульсного электронного луча с учетом естественной пульсации процесса открывает широкие возможности для управления про­ цессом электронно-лучевого воздействия.

Определим энергию образования канала. Углубление канала,

т.е. увеличение его глубины, происходит дискретно в соответствии с частотой отдельных микровыбросов вещества (если не рассматри­ вать поверхностного испарения, доля которого может быть раз­ личной в зависимости от глубины проплавления). Увеличение диа­ метра канала происходит квазинепрерывно вследствие смыва

69

где А — удельная энергия каналообразования; с — удельная теп­ лоемкость; Т* — средняя температура нагрева вещества. Мак­ симальное значение А & р (LHcn + сТ*).

Между диаметром канала d K и глубиной h существует опреде­ ленная связь; с увеличением глубины канала увеличивается и его диаметр. Точная зависимость между указанными параметрами неизвестна, однако в первом приближении связь диаметра с глу­ биной можно аппроксимировать линейной зависимостью

мерность зависимости соответствует самоподобию процесса, кото­

сеяния 12 *. t = t 1 + f2. В течение времени f2 образец поглощает энергию той же мощности, что и в течение t l9 хотя вследствие рас­ сеяния луча на стенки канала увеличения глубины канала не происходит.

Поэтому величина энергии, введенной в образец для получе­

Для грубых оценок без учета расширения канала в процессе взаимодействия при А ^ LHcn связь параметров неподвижного относительно образца электронного луча с глубиной проплавления материала имеет вид

E t = W t - j- nd2H pL11cn ( l + ' 2р*^*1и~ ) *

Для случая воздействия на алюминий при q2 = 3,3* 10s Вт/см3,

70