УП ФОИЭС (841336), страница 24
Текст из файла (страница 24)
При этом электронная пушка перемещается непосредственно по свариваемому изделию, ход пучка в атмосфере составляет не более 10 мм. Применяемое ускоряющее напряжение составляет 150…200 кВ,а в зону между пушкой и свариваемой поверхностью подают защитный газ (гелий илиаргон).3.1.3. Взаимодействие электронного пучка с веществомПри падении электронного пучка на обрабатываемую поверхность кинетическаяэнергия электронов в результате их взаимодействия с атомами вещества обрабатываемой поверхности превращается в другие виды энергии.Максимальное значение плотности мощности q2m луча в зоне его воздействияна вещество может достигать 107…108 Вт/cм2, что позволяет проводить размернуюобработку материалов путем их локального испарения в месте воздействия пучка наизделие.
По мере уменьшения q2m (это сравнительно просто можно осуществитьрасфокусировкой пучка) возможно проведение термических процессов (плавки, сварки, нагрева в вакууме), а так же нетермических процессов - стерилизации, полимеризации и т. п.Достигая обрабатываемой поверхности, электроны пучка внедряются в вещество, испытывая торможение и проходя при этом некоторый путь. Длина этогопути, изученная Шонландом, определяется по формулеδ = 2,35 ⋅ 10 −12 U 2 / ρ ,(3.9)где ρ — плотность вещества, г/см3; δ – глубина проникания электрона в вещество, см;U – ускоряющее напряжение, В.Реальная глубина проникновения электрона в вещество в соответствии с формулой (3.9) обычно не превышает нескольких десятков микрометров, но ею нельзя пренебрегать при учете взаимодействия электронов с веществом, особенно при большихзначениях плотности мощности в электронном пучке.
Проходя сквозь вещество, электроны взаимодействуют с кристаллической структурой или отдельными частицами вещества. При этом вследствие обмена энергией увеличивается амплитуда колебанийсоставляющих вещество частиц, изменяются параметры его кристаллической решетки,повышается температура вещества. Достаточно большая энергия, сообщенная электронами атомам, может привести даже к разрыву связей между отдельными атомами.При торможении электрона в веществе кроме выделения тепловой энергии рядом происходит еще ряд различных явлений.
Суммарное выделение энергии приэлектронной бомбардировке поверхности расходуется на следующие основные процессы:1) собственно нагрев поверхности, используемый в технологических целях;2) тормозное рентгеновское излучение, возникающее при электронной бомбардировке материалов;3) вторичная электронная эмиссия, отражение электронов и термоэлектроннаяэмиссия с обрабатываемой поверхности;4) побочные явления, сопровождающиеся потерями энергии.Следует отметить, что электронный пучок имеет максимальный коэффициентпоглощения энергии в обрабатываемом веществе, достигающей 80…95 % от пол-102ной мощности источника и является одним из самых эффективных источниковэнергии для сварки.Нагрев обрабатываемого материала электронным пучком осуществляется врезультате выделения тепловой энергии в поверхностных слоях вещества и дальнейшей теплопередачи ее во внутренние слои.
Высокая интенсивность вводаэнергии в вещество при электронно-лучевой обработке приводит к развитию значительных поверхностных температур, уровень которых может превышать точкукипения даже самых тугоплавких материалов.3.1.4. Применение электронно-лучевых процессов при сваркеЭлектронно-лучевая сварка является одним из самых распространенных технологических применений электронного пучка. Поскольку сварка — процесс, связанныйс локальным плавлением и последующей кристаллизацией расплавленного металла,ширина зоны расплавленного металла имеет при сварке важное значение. Кристаллизация металла в сварочной ванне в значительной мере определяет свойства металла шва и изменение ширины зоны проплавления при сварке становится важнымфактором воздействия на свойства сварного соединения.
Кроме того, от объема расплавленного металла зависят деформации и напряжения, возникающие после сваркив сварных конструкциях, что также требует регулирования объема сварочной ванны.Сварка электронным пучком позволяет, применяя фокусировку изменять ширину сварочной ванны. Как следует из рис. 3.2, а, б. приотносительно небольших плотностях мощности электронного пучка (102…103 Вт/см2)форма проплавления имеет такой же характер, как для традиционных процессов газовойи дуговой сварки.
По мере увеличения плотности мощности электронного луча (105…106Рис. 3.2. Изменение характераВт/см2) наряду с процессами плавления начи- проплавленияприувеличениинается интенсивное испарение металла с по- плотности мощности электронноговерхности сварочной ванны. Это приводит к пучка:а – минимальная плотность мощнодеформации жидкого металла под действием сти; б – средняя плотность мощнореакции паров, углублению сварочной ванны и сти; в – большая плотность мощнополучению швов с глубоким проплавлением сти, при которой наблюдается заметное испарение металлапри соотношении глубины шва к его ширинедо 10:1 и более (рис. 3.2, в).
По чисто внешним признакам такое проплавление частоназывают кинжальным; швы с кинжальным проплавлением дают ряд преимуществ посравнению со сварными швами традиционной формы (полусферической). Кинжальное проплавление дает возможность за один проход сварить без разделки кромокдетали толщиной до 50…100 мм, в то время как при дуговой сварке для этой целинеобходима разделка кромок и несколько десятков проходов. Глубокое проплавлениепозволяет получать сварные соединения принципиально новой формы, не доступныедля других способов сварки плавлением.103Возможность получения при электронно-лучевой сварке ванны расплавленногометалла малого объема позволяет резко снизить сварочные деформации и сваривать конструкции из уже окончательно обработанных деталей и узлов с минимальнойпоследующей размерной обработкой или вовсе без нее.
При этом возможна такжесварка изделий в термообработанном состоянии (например, после закалки), так какзона разупрочнения получается достаточно малой, что не сказывается на общей работоспособности изделия в целом. По такому принципу сваривают блоки шестеренкоробок передач автомобилей и станков, шевронные шестерни силовых передач –это значительно снижает трудоемкость их изготовления.При электронно-лучевой сварке возможно получение швов малых размеров иэти «прецизионные» швы широко используются в конструкциях различных радиоэлектронных схем и устройств, где сварку часто приходится вести с применениеммикроскопа.Наконец, вакуум как защитная среда при сварке для целого ряда химически активных и тугоплавких металлов (вольфрам, молибден, тантал, цирконий, титан и др.)и сплавов обеспечивает значительно более высокие показатели свойств сварногошва, чем сварка в инертных газах (Аг и Не).
Поэтому целый ряд сварных конструкцийиз этих материал изготовляют исключительно при помощи электронно-лучевой сварки.3.2. Фотонно-лучевые источникиПрактическое применение волновой теории света и усовершенствования технологии изготовления оптических линз, стекол и зеркал позволили создать целый рядразнообразных оптических приборов. Была установлена принципиальная возможность фокусировки светового потока на относительно небольших поверхностях иконцентрации энергии, достаточной для разогрева и плавления различных материалов. В качестве источника светового излучения использовали Солнце.Устройства для технологического использования солнечной энергии в земныхусловиях имеют до сих пор сугубо экспериментальный характер, так как они требуютнепрерывного слежения за перемещающимся относительно Земли Солнцем и зависят от состояния атмосферы. Вместе с тем возможности использования «даровой»солнечной энергии, плотность мощности которой составляет в среднем около 400Вт/м2, стимулируют развитие различных способов ее преобразования в другие видыэнергии (прежде всего тепловую и электрическую).Создание лазеров позволило широко применять их в различных исследованиях,для передачи информации, для связи и измерения расстояний с большой точностью.Особое место занимает «лазерная технология» как группа процессов, использующихмощное излучение лазера для нагрева, плавления, испарения, сварки и резки материалов.
Это направление начало развиваться с 60-х годов ХХ в. и в настоящее времялазер рассматривают как один из наиболее перспективных лучевых источников энергии.В некоторых областях технологического применения с лазером конкурируютэлектронный луч и полихроматические источники света, что связано, прежде всего, с104более простым в изготовлении и эксплуатации оборудованием для осуществленияпроцессов, в которых используются эти источники.3.2.1. Полихроматический светОбычное световое излучение часто называют полихроматическим светом, таккак оно состоит из целого ряда электромагнитных волн состоит различной длины,лежащих в видимой области оптического диапазона спектра электромагнитного излучения. Этот диапазон условно делится на различные области, границы которых приведены в табл.
3.1.Таблица 3.1. Длины волн оптического диапазонаспектра электромагнитного излученияОбласть оптического диапазонаИнфракраснаяВидимая:краснаяоранжеваяжелтаязеленаяголубаясиняяфиолетоваяУльтрафиолетоваяДлина волны, мкм.750-0,760,76-0,620,62-0,590,59-0,560,56-0,500,50-0,480,48-0,450,45-0,400,40-0,005Полихроматическое излучение обычно возникает в результате нагрева тел,когда возбуждаются составляющие их атомы и электроны. При переходе с дальнихорбит на ближние они излучают электромагнитные колебания в области оптического диапазона. Это излучение существует в виде отдельных квантов, причем энергия кванта равнаε = hv,(3.10)где h = 6,625·10-34 Дж·с — постоянная Планка; v — частота колебаний, является одной из основных характеристик кванта света – фотона.В обычных условиях атомы вещества излучают одновременно кванты различной энергии, так как переход электронов с одних орбит на другие не носит организованного характера, что и приводит к полихроматичности излучения.
В зависимости оттемпературы тела изменяется его энергетическая светимость (она по закону Стефана—Больцмана пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры телаR = σT 4 ) и по мере увеличения температуры спектральный максимум излучениясдвигается в сторону более коротковолновой части спектра.Поскольку применение энергии света для тех или иных технологических процессов связано с фокусировкой луча, полихроматичность играет в данном случае отрицательную роль.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
