Сварка в машиностроении.Том 1 (1041435), страница 102
Текст из файла (страница 102)
2 (18) и, (оз — о') о — еЦ 2 пгео — = еУ. 2 (14) Рис. 65. Движение электрона в ускоряющем электрическом поле (15) (19) Рв= /„У, из одной точки в другую, равна произведению величины заряда на разность потенциалов между этими двумя точками: А =еУ=е (У4 — У,), (11) где У вЂ” разность потенциалов между точками 1 и 2 (рис, 65). Эта работа затрачивается на сообщение электрону кинетической энергии (12) 2 где о и ор — скорости движения электрона в точках 1 и 2. Сумма кинетической и потенциальной энергий электронов при их движении в электрических полях остается постоянной, то из формул (12) и (10) получаем Если начальная скорость электрона Уг оа= О, то Из выражения (14) следует, что энергия электронов определяется массой и скоростью частицы. Энергия электронов может достигать больших значений и зависит от разности потенциалов разгоняющего поля. Скорость электрона, выраженная через потенциал разгоняющего поля У, равна Подставляя в формулу (15) значение заряда и массы электрона, можно получить приближенное выражение для расчета скорости электрона о — 600 )/ (/ км/с, (16) где У вЂ” разность потенциалов, В.
Таким образом, скорость, приобретаемая электроном при движении в ускоряющем поле, зависит только от пройденной разности потенциала. Из формулы(16) видно, что скорости электронов даже при сравнительно небольшой разности потенциалов получаются значительными. Например, прн У = 10 000 В скорость электронов составляет о = 60 000 км/с. При такой большой скорости электронов все процессы, связанные с движением электронов, протекают очень быстро. Выбором величины и направления начальной скорости электронов, а также величины и направления напряженности электрического поля может заставить электроны двигаться по заранее рассчитанной траектории.
Это дает возможность управлять движением электронов, получать требуемые энергию электронов и плотность в пучке и т. п. Влияние магнитного поля на движущийся электрон аналогично действию поля на проводник с током. Сила, действующая на электрон, движущийся в магнитном поле, определяется нз выражения Р = Вео з(п гх (17) где В, — магнитная индукция; ц — угол между направлением тока к мзгнитцай СКЛйкрй ЛИНИЕЙ ПОЛК, Из выражения (17) следует, что электрон, двнжугцийся вдоль силовых линий магнитного поля (а = 0), пе испытывает никакого воздействия поля (Р = = В оз1п 0 = 0) и продолжает перемещаться с заданной ему начальной скоростью.
Если вектор начальной скорости электрона перпендикулярен вектору магнитной индукции, т. е. и = и/2 (рис. 66, а), то сила, действующая на электрон У Направление этой силы определяется по правилу левой руки. Сила Р всегда перпендикулярна направлению мгновенной скорости электрона о и направлению магнитных силовых линий поля. В соответствии со вторым законом Ньютона эта сила сообщает электрону с массой и, ускорение, равное В,о/пг,. Поскольку ускорение перпендикулярно скорости о, то электрон под действием этого нормаль. ного (центростремительного) ускорения будет двигаться по окружности, перпендикулярной силовым линиям поля.
Начальная скорость электрона может быть и Рис. 66. Траектория электрона в магнитном поле не перпендикулярна магнитной индукции, т. е. а ( и/2 (рис. 66, б). Тогда траекторию движения электрона определяют две составляющие начальной скорости: нормальная о и касательная о,. Первая направлена перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, а вторая параллельно им. Под действием нормальной составляющей электрон движется по окружности, а под действием касательной— перемещается вдоль силовых линий поля. В результате действия двух составляющих траектория движения электрона принимает вид спирали, Возможность изменения траектории движения электрона с помощью магнитного поля используется для фокусировки и управления магнитным потоком.
Электроны, двигаясь в электрическом поле, могут накопить значительную кинетическую энергию. При достижении электроном поверхности металлического анода скорость электронов резко уменьшается вследствие столкновения их с атомами металла.
При таких столкновениях кинетическая энергия электронов передается атомам вещества, подвергающегося бомбардировке. Эффект передачи энергии электронов веществу проявляется увеличением температуры вещества. Если на анод попадает М электронов в секунду, то выделяющаяся на аноде мощность в виде тепла равна Произведение Ме в уравнении (19) представляет собой количество электри. чества в кулонах, попадающее в 1 с на анод, т. е.
величину тока й импе)гах. Поэтому Мощнцсть, выделяющаяся на аноде, 415 Электронно-лучевая сварка 414 Специальные виды сварки Нагрев анода электронной бомбардировкой является во многих случаях нежелательным явлением и лишь в последнее время этот эффект начал использоваться как положительный фактор при различных технологических процессах, связанных с термическим воздействием (сварке, плавке, обработке, напылении пленок и т.
п.), что значительно расширило область применения электронного луча. Установлено, что электроны, обладающие определенной энергией, могут проникать в вещество. Толщина слоя вещества, пройдя который, электрон полностью теряет скорость, определяет его пробег. Пробеги электронов в металлах, при сравнительно небольших энергиях электронов (10 — 82 кВ), были изучены Б.
Шенландом. Согласно Шенланду пробег электронов выражается зависимостью 5 2,1.10-1ау' (21) р где 5 — пробег электронов, см; (7 — разгоняющее напряжение, В; р — плотность вещества, г(сма. Расчеты, произведенные по формуле (21), показывают, что электроны в зависимости от разгоняющего напряжения и свойств металла могут проникать на глубину нескольких десятков и даже сотен микрон. Глубина проникновения электронов Вакддн в металл невелика, но учет ее позволяет объяснить некоторые эффекты, связанные с особенностями электронного нагрева при те у~ Вещеоабо сварке. Изучение адсорбции монохроматического потока электронов показывает, что проникающий в вещество электрон испытыРис.
67. Путь электрона в ве- вает многократное рассеяние и теряет энерществе гию в результате многочисленных соударе- ний с ядрами атомов и электронами решетки. В результате этих столкновений меняется скорость и направление движения электронов, проникающих в вещество (рис. 67). Электроны растрачивают основную долю энергии в конце пробега. Таким образом, в отличие от других методов сварки нагревом посредством теплопередачи через поверхность металла, электронный нагрев осуществляется в самом веществе.
При этом электроны теряют свою энергию неравномерно в направлении пробега. Вследствие этого наиболее интенсивное тепловыделение наблюдается на некоторой глубине. Особенности электронного нагрева, связанного с выделением тепла в слое вещества, можно определить, рассматривая дифференциальное уравнение теплопроводности с источником тепла в самом металле: д1(х; т) дЧ(х; т) + 1 (22) ср где 1 — температура среды; х — расстояние от поверхности; т — время; а — коэффициент температуропроводности; с — теплоемкость металла; р — плотность металла; В' (х; т) — интенсивность источника — количество тепла, выделяющегося в единицу времени в единице объема в данной точке металла.
Количество выделенной электроном энергии можно аппроксимировать зависимостью В' (х) = — ' =Савах, с((п; Е) с(х (23) где и — число электронов, проходящих через единицу поперечного сечения поверх- ности анода в 1 с; Š— средняя энергия электрона в данной точке; Ср — постоян- 11дя) 11 — козффнцие11т, характеризующий цоглощецне энергии в металле. Дифференциальное уравнение нагрева поверхностного слоя металла электронным лучом дг(х; т) дат(х; т) Со дх дха ср =а ' + — еь". (24) Математическое исследование решения уравнения (24) показывает, что с увеличением продолжительности импульса слой с максимальной температурой сдвигается к поверхности металла в результате теплопроводности (рис.
68), и при определенной продолжительности импульса на поверхности металла будет максимальная температура. Физическая картина внешних явлений, сопровождающих действие электронов на металл, состоит из рентгеновского излучения, теплоизлучения, возникновения отраженных вторичных электронов, испарения металла в виде атомов и ионов металла и может быть изображена следующим образом (рис. 69). Вторичные электроны делятся на три группы: упругоотраженные электроны, !'!1 11! !! !! ! !!!! !! ! ! ! 7'еолоот йод Рис. 69. Физическая картина явлений, сопровождающих проникновение электронов в веществе: т — молекулы металла; у — ионы;  — луч; 4 — рентгеновское излучение; Š— отраженные и вторичиые электроны;  — тепловое и световое излучение Рис.
68, Изменение температуры в слое вещества с увеличением времени импульса та ) т1, ха с ха энергия которых примерно равна падающим; электроны, отраженные в результате неупругого соударения н имеющие более нли менее большие потери; собственно вторичные электроны, энергия которых не превышает 50 эВ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
