книги / Основы электронно-лучевой обработки материалов

Рис. 46. Изменение энергии пер- Рис. 47. Потери энергии электронного луча винных электронов при их про- при взаимодействии с плазмой никновении в плазму с плотно­ стью частиц 1021 смг%[19]

Минимальная плотность плазмы, в которой пучок начнет воз­ буждать колебания,

где v — скорость электронов; г — радиус пучка. При v = 1010 см/с и г = 0,05 см П 2 ^ 4 '1 0 13 см"3.

Образование плазмы с плотностью п<х > п* приведет к рас­ сеянию пучка и потерям энергии (рис. 47). Торможение электро­ нов пучка и передача энергии на плазменные колебания приводит к «размытой» передаче энергии стенкам канала не только элек­ тронами пучка, но и плазмой. Это вызывает уменьшение кон­ центрации пара и соответственно плазмы. Параметры пучка восстанавливаются, процесс повторяется.

Таким сбразом, рассмотрение процесса взаимодействия элект­ ронного луча с плазмой приводит к необходимости рассматри­ вать непрерывнодействующий луч как «квазиимпульсный» вслед­ ствие периодической расфокусировки его при взаимодействии с плазмой [101 ].

Помимо нейтрального и ионизированного пара, а также ка­ пель конденсата из зоны обработки навстречу лучу идет поток отраженных, вторичных и термоэлектронов. Энергия термоэлек­ тронов мала (<50 эВ), но количество их может в десятки раз пре­ вышать число падающих первичных электронов. При воздействии луча на диэлектрики происходит значительная вторичная эмис­ сия (коэффициент вторичной эмиссии для большинства диэлектри­ ков г] = 1-г-2, а для щелочно-галоидных монокристаллов г] = = 10—г-15). Поэтому для понимания механизма электронно-луче­ вого воздействия представляет интерес оценка вероятности взаи­ модействия медленных электронов в зоне обработки с первичным пучком электронов.

Минимальное количество медленных электронов, необходимое для экранировки (рассеяния) луча по порядку величины п х ^

81

^ S/cr, где 5 — сечение луча, см2; а — сечение, в котором проис­ ходит взаимодействие, см2.

Первичные электроны со скоростью v x проходят слой вещества толщиной б (глубина пробега) и рождают соответственно г\1 втори­ чных электронов (здесь г\ — коэффициент вторичной эмиссии, / — ток луча, выраженный числом электронов в единицу времени, с”1). Вторичные электроны со скоростью v 2 уходят из слоя б. Так как время т2 = б/н2 много больше времени х х = б/ох, количество рожденных в слое вторичных электронов за период т2 п 2 = г]/т2 (т2/тх).

Тогда условие рассеяния электронов первичного пучка на вторичных можно выразить как г\1х2 (х2/хх) > (S/o). Из этого выражения получим критическое значение тока луча, при котором начинается существенное взаимодействие с медленными электро­ нами:

(здесь т] — коэффициент ионизации) и вышеназванных значениях

Таким образом, взаимодействие электронного луча со вторич­ ными электронами в диапазоне концентраций мощности q2 =

— 105-ь 106 Вт/см2 (сварка и обработка) не существенно и начинает играть роль при q2 > 108 Вт/см2.

Из выражения (75) можно определить также и критические параметры электронного луча, при которых начинается существен­ ное взаимодействие с паром или плазмой в зоне обработки.

работки при взаимодействии пучка с паром. Если степень иони­

щественно взаимодействие с нейтральным паром, которое начи­ нается уже при сравнительно умеренных плотностях потока (при q2 > 1 -105 Вт/см2).

82

Глава 3

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЗОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА НА МАТЕРИАЛЫ

ПОВЕДЕНИЕ КАНАЛА В ЖИДКОЙ ФАЗЕ В ПРОЦЕССЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Узкий и глубокий канал в жидком металле, появляющийся при воздействии электронного луча с q2 > q2— несомненно крайне интересное физическое явление. Для практических целей важность изучения этого явления связана с возможностью пред­ сказания некоторых технологических характеристик процесса глубокого проплавления: химического состава сварного шва, особенно при сварке разнородных материалов, зависящего от интенсивного перемешивания жидкого металла; дефектов форми­ рования сварного шва (газовых полостей и колебаний глубины проплавления по длине) эффективности процесса нагрева, зави­ сящей от геометрической формы канала (цилиндр, конус

и т. Д .) .

Рассмотрим особенности поведения канала в жидкой металли­ ческой фазе. Образование канала в жидком металле при воз­ действии электронного луча подтверждено экспериментами [213]. Во время сварки с несквозным проплавлением алюминия и нер­ жавеющей стали через образец пропускали пульсирующий поток рентгеновских лучей при напряжении около 600 кВ и фиксиро­ вали на рентгеновской пленке картину процесса проплавления. Установлено, что проплавление на большую глубину происходит с образованием в веществе канала, который периодически смыка­ ется, заполняясь жидким металлом (рис. 48). Смыкание канала начинается преимущественно в верхней его части. Это объясня­ ется отражением волны, образовавшейся при входе луча в жидко­ сть, от преграды (стенки канала) по аналогии с падением в жид­ кость твердого тела (снаряда ) [213]. Частота смыкания канала зависит от времени проникновения луча на заданную глубину, т. е. от его удельной мощности, для нержавеющей стали эта ча­

скоростной киносъемки (2500 кадр/с) в нержавеющей стали (не­

84

Ряд исследователей моделировали процесс образования канала

исделали попытку перейти к описанию реального канала в жидком металле с помощью критериев подобия.

Установлено, что с помощью стеклянного наконечника с от­ верстием диаметром 0,254 мм при давлении воздуха около 0,42 кге/мм2, струей воздуха можно получить впадину в ртути глуби­ ной 6,2 мм и диаметром около 1,6 мм. Гидростатическое давление столбика ртути в этом случае 10 гс/см2 [2081-

При моделировании процесса образования канала в прозрач­ ных жидкостях (вода, глицерин, вазелиновое масло) воздействием струи воздуха, перемещающейся с наложением синусоидальных колебаний, установлено, что при больших скоростях движения ка­ нала может происходить периодическое инерционное загибание его нижней части в сторону, противоположную направлению дви­ жения [23, 1331. Загибание тем сильнее, чем выше скорость пе­

ремещения. Д ля алюминия критической скоростью, по достиже­ нии которой начинаются колебания нижней части канала, явля­ ется скорость > 1 , 1 см. Из экспериментов по моделированию следует, что периодический срыв нижней части канала может явиться причиной дефекта проплавления — колебаний глубины шва по его длине на больших скоростях сварки.

При наблюдении за процессом прохождения электронного

мощью скоростной киносъемки установлено, что при воздействии в непрерывном режиме в масле формируется узкий канал с кар­ тиной свечения, характерной для газового разряда высокого дав­ ления. При воздействии четырьмя импульсами при / = 250 Гц канал оказывается соответственно перемкнутым по длине в че­ тырех точках. Время существования канала /к много больше дли­ тельности импульса. При т = 800 мкс, tK= 28 мс, т. е. оно в 35 раз больше времени импульса. Время схлопывания tc ^ т #=« 1 • 10~3 с. Выброс масла из канала наблюдается лишь при схлопывании канала [128].

Скорость углубления канала, составляющая в начальный мо­

85

Результаты многочисленных экспериментов показывают, что картина образования канала в жидком металле представляется весьма сложной. Канал, образованный неподвижным электронным лучом, пульсирует, периодически смыкается в верхней части. Картина движущегося канала еще более сложна. Имеющиеся в ли­ тературе данные о перемешивании металла в зоне образования канала [104, 105, 118, 209, 210] говорят об очень больших ско­ ростях движения жидкого металла, которые могут быть, ло-види- мому, только в случае турбулентного движения жидкости.

Для более ясного представления процесса образования и су­ ществования канала необходимо выделить задачи, решение ко­ торых позволит улучшить понимание гидродинамических явлений в зоне электронно-лучевого воздействия. Эти задачи следующие: а) определение величины деформации (пробега) поверхности жид­ кой фазы при действии на нее непрерывного или импульсного давления (паров); б) определение времени смыкания канала под действием гравитационных и капиллярных сил; в) рассмотрение баланса сил, действующих в канале, и условий, приводящих к его смыканию.

ДЕФОРМАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

При формулировании задачи о нахождении формы и величины углубления в жидкой фазе, образованной действием электронного луча, примем, что источник теплоты по поверхности распреде­ лен по закону Гаусса и пренебрежем объемным характером вы­ деления энергии, предполагая, что глубина проникновения источ­ ника мала по сравнению с размерами зоны плавления. Тогда за­ дачу о деформации жидкой фазы источником локального давления, приложенным в некоторой области, можно сформулировать в виде системы уравнений Навье—Стокса [146]:

вектор поверхностных сил.

Система уравнений энергии, неразрывности и сохранения массы, а также (77) дает полное описание явлений деформации поверх­ ности жидкой фазы. Ввиду сложности решения указанной системы уравнений ограничимся анализом возможного установившегося процесса, когда v = const, и уравнение (77) существенно упро­ щается.

Проектируя уравнение (77) на направление нормали к поверх­ ности жидкой фазы при наличии осевой симметрии и обозначая

86

Рис. 50. Зависимость диаметра расплавленной зоны от тока луча (моноимпульс t ~ const):

/ — алюминий; 2 — нержавеющая сталь; 3 — вольфрам

Рис. 49. Зависимость глубины капала в модельной жидкости от давления струи газа [5J

через Z (г) профиль деформированнощвнешним давлением поверх­ ности, получим

где a2 = 2cr/pg— капиллярная постоянная; a — поверхностное натяжение.

В уравнении (78) не учтена температурная зависимость вхо­ дящих в него постоянных. Его решение с учетом различных зна­ чений постоянных и заданной зависимости поверхностных сил от Z и г может быть получено численным способом. При этом необходимо учитывать, что переход от предельно малых к пре­ дельно большим деформациям в реальных условиях может про­ исходить скачком, так как по мере прогиба жидкости поверхност­ ное натяжение растет до момента, когда углубление становится равным его радиусу [5]. При дальнейшем углублении канала радиус кривизны его не меняется, но возрастает гидростатическое давление.

Переход от малых деформаций к большим, как видно из рис. 49, происходит скачком [5, 6].

Экспериментами установлено, что при достижении критиче­ ской удельной мощности ql диаметр ванны жидкого металла из­ меняется скачкообразно (рис. 50), что связано, на наш взгляд, с переходом от малых к большим деформациям жидкости.

Рассмотрим теперь аналитические решения для предельных случаев, которые допускает уравнение (78).

87

В общем виде при наличии деформации поверхностные силы Fs являются функциями г и Z. Если поверхностные силы, вызываю­ щие деформацию, обусловлены давлением отдачи вследствие испа­ рения вещества при его нагреве поверхностным источником, то

где А (г, Z) — некоторая функция, зависящая от свойств ма­ териала и степени деформации поверхности; Т (г, Z) — распреде­ ление температуры на деформированной поверхности жидкости.

Решение уравнения (79) для функции Fs (r, Z) произвольного вида имеет вид

считая, что она не зависит от г9 то решение уравнения (79) будет иметь вид

^ - п р и г < | б |

Знак минус в решении (82) связан с выбором системы коор­ динат.

Таким образом, для задания давления в функции, которая постоянна на участке конечного радиуса б, величина деформации поверхности должна носить ступенчатый характер. Это противо­ речит реальным условиям непрерывности производных от функ­ ции, описывающей деформацию поверхности, и принятому при­

ближению Z '2 С 1 • Поэтому решение уравнения (79) запишем в виде

где С1— константа, определяемая из граничного условия.

88

При г < 2а, где а ^ 0,5 см, для типичных металлов можно считать, что У4 (/72а)4 С 1, и ограничиться двумя членами ряда (83). Тогда

и максимальная величина деформации

. Fs [Л2

“Рё 1+ и2 ’

где jx = 8/(2а). Для случая, когда Fs = КГ3 кгс/см2, р = 10 г/см3,

ченности; зависимостью Fs от Z в этом случае пренебрегаем. Для частного случая выражения (84) уравнение (79) допускает

точное решение:

Из выражения (85) следует, что при б > а не существует ста­ ционарного решения, поскольку k становится комплексной ве­ личиной. Физически это означает, что при больших радиусах зоны деформации капиллярные явления становятся несуществен­ ными. При 8 = а получаем величину прогиба жидкой ванны:

Z = - F 0/(pg).

Уравнение (86) неявно определяет форму поверхности жидкой

фазы как функции г. С точностью до величины — 1/Z'2 уравнение (86) определяет максимальную величину деформации и может быть использовано для оценки глубины проплавления. Соотношение

89

для определения предельной глубины канала h может быть за­ писано в виде (в этом случае г = б)

Определение глубины канала h по уравнению (87) требует знания в явном виде функции F (г, Z), т. е. закономерности рас­ сеяния энергии источника тепла при прохождении его через слой испаренного вещества в канале с учетом взаимодействия с па­

формулируют следующим образом. Пусть имеется цилиндрический объем несжимаемой жидкости У, в котором мгновенно образуется цилиндрический канал радиусом R 0 и глубиной Н 0. Уравнения Навье—Стокса, неразрывности и сохранения массы в цилиндри­

где р — плотность; vr и vz — радиальная и осевая компоненты скорости жидкости соответственно; Кг и Kz — радиальная и осе­ вая составляющие объемной силы, действующей на жидкость; fi — динамическая вязкость.

90