К.В. Фролов - Технологии, оборудование и системы (1062200), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Преобразование энергии электронного пучка в основном происходит в обьеме ~2 )г = — И, 4 где Ы - диаметр фокусното пятна или диаметр пучка в зоне его действия; И - глубина проникновения электронного пучка в вещество. При квазнадиабатическом преобразовании энергии нагрев ограничен этим объемом. Скорость роста температуры и допустимое превьппение ее над исходной можно рассчитать, исходя из характеристик материала и параметров лучка.
По окончании воздействия пучка температура вследствие отдачи теплоты в окружающую среду выравнивается. Этот процесс в основном заканчивается через некоторое время. Заметно лротревается при этом лишь область, непосредственно окружающая обьем рассеяния электронов. По толщине этот слой сравним с И, а по ширине — с а( Для точного определения температурного поля и изменения температуры в обрабатываемом изделии во времени требуется решить уравнение теплопроводности применительно к конкретным условиям.
Известно, что максимальная температура всегда доститается в поверхностном слое, ограниченном глубиной проникновения электронного пучка. При этом воздействие пучка на данный участок может быль непрерывным илн импульсным. С увеличением длительности пауз возрастает разность между максимумами температуры на поверхности и максимумами ее на глубине. Отношение традиента температуры фронта тепловой волны, распространяющейся в изделии, к максимальной температуре вне области с глубиной проникновения И тем выше, чем меньше время воздействия пучка 1 и, следовательно, чем меньше толщина натреваемого слоя.
Охлаждение по окончании действия пучка за счет теплопроводности у данното материала происходит тем быстрее, чем тоньше нагретый слой. Для выравнивания температуры по всему образцу по окончании действия пучка требуется время 1 » Р,„/(4а), где П,„- характерный размер изделии; а = 2. / (рс)- температуропроводносп*. мдтоды 65 / = Кч / а', 3 Заа. заэ Плаааенве. Важную роль при производстве материалов израет плавление.
Свойства выплавляемых материалов зависят как от нх состава, так и от содерзкания в ннх примесей. Для Рафинирования материалов часто применяют вакуумный электронно-лучевой переплав. Рафинирование происходит вследствие фракционной дистнлляции, обе этажи ванна, флотации и кошуляции. Вместе с тем электронно-лучевья плавка является высокоэффективным методом получения слнпсов тутоплавкнх и химически активных материалов. При давлении в технологической камере 10 - 10З Па из расплава удаляются в основном водород, оксид утлерода, азот. Избежать реакции с материалом тигля позволяют водоохлаждаемые тнтли. При формировании слитка используют перемещение по поверхности расплава электронного пучка для того, чтобы охлаждение ето шло по заданному закону.
Простота управления электронным пучком позволяет не только регулировать с высокой точностью тепловой баланс при плавлении, но и контролировать ход процесса, регистрируя вторичные излучения, возбуждаемые электронным пучком, которые позволяют следить за уровнем расплава, скоростью расплавления и остывання, изменениями химического состава и др. Это позволяет комплексно решать вопрооы технологии плавления материалов и формирования слитков.
Локальный переплав, опкиг н закалка. Однородность химического состава, твердосп и прочность материала тесно связаны с ето кристаллическим строением, которое зависит от способа получения материалов и условий кристаллизации. Напряжения, пояюшющнеся в детали после ее изготовления, сказывавпся при эксплуатации (часто прочность детали снижается по сравнению с раочетной).
Во многих случаях локальные переплав нлн закалка участков деталей с помощью электронных пучков позволяют получить значительное улучшение свойств материала и повысить тем самым эксплуатационные свойства детали. Прн обработке материала методом локального расплавленна кратковременно ныреваются до температуры выше точки плавления очень малые участки. Последующее охлаждение за счет отдачи теплоты посредством теплопроводности в соседние, оставшиеся холодными области приводит к чрезвычайно высоким скоростям кристаллизации. Образуется структура, в значительной степени совершенно отличная от тех, которые получаются при нормальных процессах кристюпщзации, существенно расширяются границы растворимости для твердых растворов.
Морфология интерметаллическнх соединений может измениться таким образом, что первоначально хрулхие машриалы становятся пластичными. Кроме того, досппается значительное измельчение микроструктуры и разрушение сегрегаций, благодаря чему существенно улучшается химическая однородность, например сталей. Быстрое нарастание температуры и чрезвычайно короткое по сравнению о друтими способами закалки время пребывания локальной зоны в»атретом состоянии приводит у закалнваемых отелей к образованию особо мелкозернистого аустенита и тем самым — мартенснта с очень высокой твердостью. Эффект закюии имеет место и при облагораживающем переплаве закаливаемьо4 материалов.
Прн закалке без плавления время нагревания составляет около 10 з — 10 4 с, при облатораживающем переплаве - 10 з — 1,0 с. При переплаве быстрорежушей стали с последующим отжитом растворяютоя карбидные включения, возникшие при выплавке такой стали, и образуется очень мелкозернистая дендрнтная структура. В результате твердость повышается на 20 % но сравнению с той, которую можно достичь при обычной технологии. Подобный эффект имеет место и лри облагораживающем переплаве друтих сталей.
Чрезвычайно резко выражен эффект облагорюкивания прн переплаве серого чутуна, когда происходит наложение отбелнвающето застывания и образование мартен сита при быстром охлаждении. Для вынолнення перечисленных операций используются высоковольтные (до неоколькнх киловольт) установки с удельной мощностью пучка 104 - 104 Вт / смт. Термообработка листового материала (фолын) нли кремниевых пластин может оказаться необходимой для получения чистой обезшженной поверхности и разозрева до темпершуры, необходимой для технологическото процесса нанесения покрьпня путем конденсации, повьппення пластичности материала нли ето очистки. При термообработке с целью поверхностното обезтажнвания требуется разотреть поверхнооп материала по крайней мере до 200 'С. При таких температурах с поверхности удаляются эдсорбированные на ней тазы и пары, в особенности водяной пар.
Размеры поверхности обычно больше диаметра пучка. Поэтому ее нагревают, сканируя лучок по поверхности. Для пучка с тауссовым распределением плотности тока равномерность температуры нетрезв может быль получена при частоте сканирования пучка где К д 1,5; ч — скорость сканирования, м/с; 4т - диаметр лучка, м. Время воздействия пучка на материал главным образом влияет на профиль распределения температуры по ето толщине. Поэтому Глава 2.1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА г д Ф / (2ХУ/), 1 Р, = — ЬзчрсАТ, ч (2.1.1) "вг/1О (/г необходимо, чтобы длительность воздейсппи лучка за период отклонения где ! - Расстояние между крайними точками опогонения, и.
Мощность элекгронного пучка, потребляемая для термообработкн материала, где а - КПД преобразования энергии электронного пучка в теплоту; Ь, х - соответственно ширина и толщина материала, м; ч - скорость перемещения материала, м/а; р - плотность материала, кг / мз; с - средняя удельная теллоемкость (Дж / (кг К)) материала в рабочем интервале температуры АТ (К). Сварка. Электронно-лучевая сварка позволяет получать сварные соединения а отношениями глубины шва к его ширине, намного большими единицы, чего невозможно добиться другими способами сварки а оплавлением.
Элекгронный пучок позволяет вести сварку туголлавких материалов и таких комбинаций материалов и деталей, которые не поддаются сварке иными способамн. Сварка в вакууме позволяет сваривать детали из химически активных материалов. Кроме того, локальный переплав кромах авариваемьи деталей часто обеспечивает очень высокую надежность сварки за счет рафинирования материала. Можно аваршнпь детали, не нарушая структуру остальной части материала, сваривать очень тонкие листовые материалы (в том числе сильфоны). Электронным пучком можно сваривать детали, например, в местах, труднодоступных дзя электродной сварки„или в аовсем недоступных местах - с обратной стороны, т.е. насквозь (при выаоких ускоряющих нацряжениях). Поэтому электронно-лучевая сварка незаменима в электронном машиностроении.
Легкость управлении энергетическими и другими характеристиками пучка позволяют вьшолюпь сварку одного изделия в разных режимах. Автоматизация сварки обеспечивает удерхиние свариваемого пучка всеща на стыке свариваемых деталей и сигнализировать о дефектах сварки, если такие появляются. При электронно-лучевой аварке не вся мощность пучка расходуеюя на процесс сварки. Существенные потери ее связаны с отражением электронов. Доля мощности, отводимой с потоком пара, в общем случае соспаляет 0,5 - 2,0 %, т.к. количеспо испаряющегося материала не велико. Потери на отражение электронов зависят от атомного номера материала и угла падения пучка на свариваемые поверхности.
Сварной шов обычно характеризуется глубиной, шириной и их отношением. В общем случае задача сварки состоит в том, чтобы д|и данного материала и при заданной скорости сварки добиться требуемой глубины проплавлении шва. Отсюда вытекает необходимость выбора таких параметров электронного пучка, которые обеспечили бы выполнение всех этих условий. Глубину про плавления можно определить по формуле х 1+ 1,2. 10 Х~ — + — ) -6 1 1 (,а0а га/ где Ьв - глубина проплавлення, и; Г/- ускоряющее напражение, В; 1 — сила тока пучка, А; а~ - диаметр фокусного пятна на детали, м; у - скоросп аварки, м/с; с — удельная тепло- емкость, Дж / (кгК); р - плотность материала, кг/мз; Т, - разность температуры плавления и температуры окружающей среды, К; Х - теплопроводность, Вт / (мК); а - температуропРоводносп, мг/с; 11з — знтальпиа плавлениЯ, Д /мз В выражении (2.1.1) не учитывается взаимодействие электронного пучка а паром в капилляре, образующемся при проплавлении материала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
