Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 26
Текст из файла (страница 26)
При увеличении давления происходит пробой между катодом и анодом электронной пушки, что может привести к выходу из строя высоковольтного выпрямителя. Для фокусировки электронного пучка в электронной пушке обычно используется система диафрагм и магнитных линз. Маг- 138 тиая линза 5 представляет собой соленоид с магнитопроводом, здающий специальное магнитное поле, которое при взаимодействии с электроном изменяет его траекторию и искривляет ее в направлении к оси системы.
При этом можно добиться «сходимости» электронного пучка на достаточно малой площади поверхности и в фокусе 7 электронный пучок может обладать весьма высо- 8 2 кой плотностью мощности (до 5 10 Вт/см ). По достигаемой плотности мощности электронный пучок уступает только лазерному лучу.
Такой плотности мощности достаточно для осуществления целого ряда технологических процессов, причем в результате изменения фокусировки плотность мощности может быть плавно изменена до минимальных значений. В конструкцию электронной пушки обычно входит также отклоняющая система б, служащая для перемещения электронного пучка по обрабатываемой поверхности вследствие его взаимодействия с поперечным магнитным полем, создаваемым отклоняющей системой.
Обычно для этой цели электронная пушка имеет две пары отклоняющих катушек, обеспечивающих перемещение пучка по двум взаимно перпендикулярным направлениям. При питании отклоняющих катушек током определенной частоты и амплитуды можно получить практически любую траекторию перемещения электронного пучка по обрабатываемой поверхности, что широко используется в электронно-лучевой технологии.
Электронная пушка обычно выполняется в виде одного функционального блока, который или неподвижно крепится к вакуумной камере, или перемешается внутри камеры при помощи специальных механизмов. Обрабатываемое изделие 8 помещают в вакуумную камеру, снабженную загрузочными крышками и иллюминаторами для наблюдения за процессами обработки (9 — сварной шов). При большой протяженности зоны обработки изделие обычно перемещается или вращается в вакуумной камере при помощи специальных механизмов. Для малой обрабатываемой площади (обычно менее 50х 50 мм) обычно достаточно перемещения луча, а изделие может оставаться неподвижным.
3.1.2. Основные физические характеристики электронного пучка Электрон как устойчивая материальная частица может быть сравнительно просто выделен различными физическими способами, что и обусловило его широкое использование в различных областях науки и техники. 139 (3.1) Е=еЕ, — 19 где е = 1,6 1О Кл — заряд электрона; Š— напряженность электрического поля, В/м. При движении электрона в электрическом поле между точками с разностью потенциалов (/ он приобретает энергию А = е(/. (3.2) Это приращение энергии электрона происходит вследствие его ускорения полем — увеличения его кинетической энергии, т. е.
ел (ю — о) 2 (3.3) где т — масса электрона, кг; и, по — конечная и начальная скоро- сти электрона, м/с. Принимая по — — О, получим 'не~ г е(/= е 2 (3.4) т. е. энергия электрона зависит от его массы и скорости. В реальных условиях, когда масса электрона постоянна, единственный путь увеличения его энергии — повышение скорости его движения, что и реализуется в электронной пушке.
Из формулы (3.4) можно получить выражение для скорости движения электрона при прохождении между точками с разностью потенциалов (/: (3.5) 140 Наиболее простой способ получения электронов — нагрев твердых тел (чаше всего металлов), которые при этом начинают испускать термоэлектроны. Для сообщения электронам необходимой энергии и формирования из них потока частиц, несущих определенную энергию, могут использоваться различные методы. Самый простой из них и наиболее распространенный — ускорение электронов с помошью электрического поля, создаваемого в электронной пушке между катодом и анодом, в котором на электрон действует сила Подставляя в это выражение значения заряда и массы электрона, находим соотношение между ускоряющим напряжением и скоростью электрона: и = 5,93.10 /(7. (3.6) Однако если по формуле (3.6) определить скорость электрона, 6 ускоренного разностью потенциалов порядка 1О В, то получим 8 значение, превышаюшее скорость света с = 3 !О м/с, что противоречит основному положению теории относительности.
Поэтому для вычисления скоростей быстрых (релятивистких) электронов нужно использовать выражение — 31 где то — масса покоя электрона, равная 9,! 10 кг. В реальных условиях ускоряющее напряжение (/ составляет 15...200 кВ, что позволяет разгонять электроны до значительных скоростей. Выбор ускоряющего напряжения при электронно-лучевой обработке материала в существенной мере зависит от ее назначения. С одной стороны, чем выше это напряжение, тем большую энергию можно сообшить электронам и тем эффективнее будет воздействие электронного пучка на обрабатываемый материал. С другой стороны, увеличение напряжения приводит к резкому повышению уровня рентгеновского излучения, сопутствующего электронно-лучевой обработке, усложнению и удорожанию оборудования и необходимости выполнения специальных требований техники безопасности.
В связи с этим в электронно-лучевой технологии в настоящее время применяется следуюшее разделение оборудования по значению ускоряющего напряжения. 1. Низковольтные системы с ускоряюшим напряжением от 15 до 30 кВ и небольшой мощностью (до 15 кВт). Эти системы, наиболее простые по конструкции и в эксплуатации, применяются в основном для сварки различных материалов толщиной до 30 мм. 2. Высоковольтные системы с ускоряющим напряжением 120...180 кВ и мошностью 1...120 кВт наиболее сложны в изготовлении и эксплуатации. Такие системы мощностью до 3 кВт применяются для проведения прецизионной размерной обработки и микросварки, а мощностью свыше 60 кВт — как правило, для сварки крупногабаритных изделий. !41 3.
Системы с промежуточными значениями ускоряющего напряжения (50...80 кВ) и мощности (15...60 кВт) применяются в тех случаях, когда необходимо увеличить глубину проплавления до 60 мм и более в зависимости от обрабатываемого материала. Важная особенность использования электронного пучка — возможность управления им при помощи электростатических и магнитных полей. Наибольшее распространение на практике получили магнитные системы фокусировки и управления перемещением электронного пучка. На движущийся в магнитном поле электрон действует сила Лоренца (3.7) Е = Воыпа, где  — магнитная индукция; а — угол между направлением движения электрона и магнитной силовой линией поля. Сила Лоренца не изменяет составляюшую скорости электрона вдоль направления поля (г" = О, если а=О), но изменяет направление составляющей скорости электрона, перепендикулярной силовым линиям поля, заставляя электрон двигаться в магнитном поле по окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной силовым линиям поля.
Суммарная траектория движения электрона при а~О и а ~ 90' представляет собой пространственную спираль — винтовую линию, ось которой параллельна В, радиус зависит от скоро- т,п) сти электрона и напряженности магнитного поля г = — ' — ~, шаг е В) 2кт,о сова равен Ве Создавая при помощи специальной магнитной системы (магнитной линзы) по оси электронного пучка магнитное поле с силовыми линиями определенной формы, можно обеспечить сходимость траекторий электронов в одной точке (фокусировку) и изменять ее в широких пределах. При этом изменяется концентрация энергии на обрабатываемом изделии, что представляет значительный интерес с технологической точки зрения.
Для перемешения электронного пучка по обрабатываемой поверхности обычно используют его взаимодействие со скрещенными поперечными магнитными полями, создаваемыми отклоняющей системой. Малая инерционность электронов позволяет ! Л е киу (3.8) где и — концентрация газа на пути движения электронов; г — газо- кинетический радиус взаимодействия молекул газа. Значения средней длины свободного пробега электрона в воздухе (при 300 К) для разных значений давления р приведены ниже: р, Па....................,........ 1,01 !О 133 1,ЗЗ 1,3. 1О Л,мм.........,........,......
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
