Сварка в машиностроении.Том 1 (1041435), страница 103
Текст из файла (страница 103)
Энергия отраженных электронов в среднем составляет 70% от энергии первичных. Если отношение числа рассеянных электронов к числу падающих обозначить Р, то потери энергии пучка на рассеянных электронах составит Е = 0,7 р'. Величина р колеблется в пределах 0,1 — 0,45 в зависимости от порядкового номера элемента.
Сварка электронным лучом в вакууме. Сущность процесса сварки электронным лучом в вакууме состоит в использовании кинетической энергии электронов, быстро движущихся в глубоком вакууме. При бомбардировке электронами поверхности металла подавляющая часть кинетической энергии электронов превращается в тепло, которое и используется для расплавления металла.
При использовании этого источника тепла для сварки необходимо получить свободные электроны, сконцентрировать и сообщить им большую скорость с целью увеличения их энергии, которая должна превратиться в тепло при торможении электронов в свариваемом металле. Получение свободных электронов достигается применением раскаленного металлического катода, эмиттирующего электроны, Ускорение электронов обеспечивается электрическим полем с высоким потенциалом между катодом и анодом. 416 417 Специальные виды сварки Электронно-лучевая сварка Фокусировка — концентрация электронов — достигается использованием магнитных полей.
Резкое торможение электронного потока происходит автоматически при внедрении электронов в металл. Электронный луч, используемый для целей сварки, получается в специальном приборе — электронной пушке. Принципиальная схема установки для сварки электронным лучом показана на рис. 70. Электронная пушка представляет собой устройство, с помощью которого получают узкие электронные пучки с большой плотностью энергии.
Пушка имеет 1 катод 1, который может нагреваться до высоких температур. Катод размещается внутри прикатодного электрода 2. На некотором уда- 1 ленни от катода находится ускоряющий г' электрод 1анод) 8 с отверстием. Прикатодный и ускоряющий электроды имеют форму, обеспечивающую такое строение электри- 5 ческого поля ме1кду ними, которое фокусирует электроны в пучок с диаметром, равным диаметру отверстия в аноде. Положительный потенциал ускоряющего электрода может э достигать нескольких десятков тысяч вольт, поэтому электроны, эмиттированные катодом на пути к аноду, приобретают значительную скорость и энергию.
После ускоряющего электрода электроны движутся равномерно. Пушка получает питание электрической энер- 5 гней от высоковольтного источника постоянного тока. Электроны, имея одинаковый заряд, отталкиваются друг от друга, вследствие чего диаметр пучка увеличивается, а плотность энергии в пучке уменьшается.
Для увеличения плотности энергии в луче, после выхода электронов из первого анода, они фокусируются магнитным полем в магнитной линзе 4 в плотный пучок н ударяются с большой скоростью о малую, резко ограниченную площадку на изделии 6, при этом кинетическая энергия электронов, вследствие торможения в веществе, превращается Рис 70 Схема стано и дл в тепло, нагРеваЯ металл до высоких темпе- хема установки для Для перемещения луча по свариваемому изделию на пути электронов устанавливается магнитная отклоняющая система б, позволяющая устанавливать электронный луч точно по линии сварки. Для обеспечения свободного движения электронов от катода к аноду н далее к изделию, для тепловой и химической изоляции катода, а также для предотвращения возможности возникновения дугового разряда между электродами, в установке создается глубокий вакуум порядка 1 10 а мм рт.
ст., который обеспечивается насосной системой установки. Движение электронов в вакууме не сопровождается световыми эффектами и поэтому луч не виден, но его действие на вещество можно наблюдать по нагреву места бомбардировки, свечению люминофоров и т. п. Плотность энергии в источнике нагрева является одной из основных характеристик источника и определяет его эффективный коэффициент использования тепла, форму провара, размеры зоны термического влияния и другие параметры. Электронный поток является наиболее эффективным источником тепла при сварке, поскольку плотность энергии в луче превышает плотность энергии элект- рической сварочной дуги более чем на два порядка. На рнс.
71 показан график, характеризующий различные источники тепла. По оси абсцисс приведены диаметры эффективных пятен нагрева, которые характеризуют возможность использования источника тепла для сварки микроизделий. По оси ординат отложена максимальная плотность энергии, которая может быть достигнута в источнике тепла. Наклонными линиями показана мощность источника, которая изменяется от нескольких до сотен киловатт.
Из графика следует, что электронный луч как источник тепла обладает свойствами, которые дают возможность использовать его для самых слабых нагревов и как источник, сосредоточенность которого на два порядка выше, чем у сварочной дуги. Электронный луч также может быть сосредоточен на очень малой площади, что дает возможность использовать его для сварки изделий микроэлектроники.
11. Плотность энергии различных источников тепла и минимальная площадь пятна нагрева ю ю ю Ю о чз Ю и ю Мощность электронного луча может достигать очень больших величин, что Рис. 71. Плотность энергии д и делает его перспективным для использова- диаметр дв пятна нагрева для ния при сварке больших толщин (200 — Различных источников теплоты: 500 мм). ГП вЂ” газовое пламя; ДСП вЂ” дуга.
В табл. 11 приведены сравнительные вая плазма; Сд — сварочная дуга; ЗЛ вЂ” влектрокяый луч; ОКà — опданные полученных минимальных площадей вский кван овый генератор пятен нагрева и наибольшей плотности энергии электронного луча. Плотность энергии в электронном луче интенсивностью 5.10" Всемв достигает 500000 кВт!смз, т. е. на 1 см' с помощью электронного луча может быть сосредоточена энергия мощной современной турбины. При нагреве электронным лучом за очень короткий промежуток времени в пятне могут быть получены весьма высокие температуры. Результаты расчета показывают, что в слое металла, подвергающегося электронной бомбардировке, при толщине слоя, равной пробегу электрона, должна была бы устанавливаться температура порядка 1О' — 10з 'С в течение 1 с.
В реальных условиях такие температуры в металле, подвергаемом электронной бомбардировке, существовать не могут вследствие испарения металла на поверхности, на что расходуется значительная часть энергии, и интенсивного перемешивания расплавленного металла газами и парами, выделяющимися прн нагревании. Эти процессы приводят к выравниванию температуры.
Применительно к сварочным целям интенсивность энергии в электронном потоке должна иметь свой оптимум, так как при очень высокой сосредоточенности источника тепла процесс сопровождается не только плавлением, но и интенсивным испарением металла, вследствие чего осуществляется процесс резания металла. 419 Эгектронно лучевая сварка 418 Специальные виды сварки е2 Рис. 72. Макрошлиф свар- ного соединения По этому принципу построены электронные пушки, предназначенные для сверления и фрезерования, при этом металл удаляется с обрабатываемой поверхности за счет мгновенного испарения.
Высокая интенсивность сварочных источников тепла обеспечивает возможность осуществления сварки электронным лучом любых металлов. Выбор интенсивности энергии в электронных пучках, используемых для целей сварки, определяется рядом факторов: свойствами металла (температура плавления, теплопроводность и др.), его толщиной, формой сварного соединения и т. д При сварке более тугоплавких и теплопроводных металлов и сварке больших толщин целесообразно применять электронный луч с более высокой плотностью энергии. При сварке легкоплавких и легкоиспаряющихся металлов и сварке малых толщин целесообразно использование лучей с относительно малой плотностью энергии, а в ряде случаев с импульсным процессом нагрева. На рис.
72, а показаны макрошлифы, на которых видно изменение формы и размеров зоны проплавления при сварке электронным лучом различной мощности при разгоняющем напряжении 70 кВ. При использовании электронного луча, обладающего большой плотностью энергии, обнаруживается ярко выраженное направленное тепловое воздействие.
Зона расплавления в металле вытягивается преимущественно в направлении действия электронного луча. При дальнейшем повышении мощности зона проплавления принимает форму конуса с отношением глубины шва Ь к ширине проплавления 6, достигающим 10 — 15. На рис. 72, б показан макрошлиф поперечного сечения соединения из стали различных марок, выполненного электронно-лучевой сваркой. Важным преимуществом сварки электронным лучом является возможность получения узкой и глубокой зоны проплавления. Однако процесс образования глубокого кратера н условия его устойчивого существования в процессе сварки еще полностью не выяснены.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
