Кинжальное» проплавление. Электронно-лучевая сварка.

Различают две основных группы методов электронно-лучевой обработки: поверхностные и объемные. Начиная с некоторой удельной энергии первичного электронного пучка Р_е ~ 10⁶ Вт/см², скорость выделения тепла все больше превышает скорость ее отвода за счет теплопроводности, теплового излучения и испарения вещества с поверхности, что приводит к возрастанию температуры облученного участка.

В результате свойства материала меняются и уже нельзя пользоваться закономерностями, установленными для маломощных потоков. В этом случае процесс проникновения электронов в образец имеет определённые характерные особенности:

1) максимальная глубина проникновения электронов зависит от удельной мощности пучка и от времени облучения. Эта глубина может в 1000 раз превышать траекторный пробег электронов. В месте облучения на поверхности твердого тела образуется лунка.

2) плотность вещества в зоне обработки становится меньше, чем вне ее, а сама форма лунки имеет не сферическую, а «кинжальную» (коническую) форму, сильно вытянутую в направлении первичного пучка.

3) при облучении листового материала толщиной до нескольких сантиметров через несколько мкс после включения электронного пучка с обратной стороны места облучения появляется ток электронов, прошедших сквозь лист (сквозной ток). Энергия электронов на выходе почти не отличается от начальной, даже тогда, когда не происходит проплавление.

При достаточно высоких Р_е температура в зоне выделения максимальной мощности повышается до температуры плавления и в приповерхностной области начинает образовываться ванночка расплава (лунка).

Рис.2.4. Ванна расплава при обработке электронным лучом

На поверхности расплава при этом действуют следующие силы: давление электронного пучка F_e, которое прогибает ванну расплава и вытесняет расплав из зоны расплава, F_r − реактивное давление (реактивная отдача испаряющихся с поверхности атомов вещества, F_r тоже вытесняет расплав из кратера ванны расплава. Этим силам противодействуют силы: поверхностного натяжения – Fs и силы F_h гидростатического давления столба расплава, вытесненного из кратера.

Форма кратера, т.е. его глубина h_k и радиус кратера R_k, будут определяться балансом действующих сил

F_e + F_r = F_S + F_h, (2.38)

где F_e = j₁m_e ν_e/е = 1,06

Е₁ – энергия электронов;

ν_e – скорость электронов.

Р_е – удельная мощность электронов, поглощаемой в единице объема,

F_r = V_исп∙V_ср =

V_исп – скорость испарения вещества,

V_ср – средняя тепловая скорость испаряющихся атомов,

P_s – упругость паров (давление) при температуре расплава,

F_s = ,

F_h = ,

- коэффициент поверхностного натяжения,

- удельный вес материала.

Поскольку экспоненциально возрастает с ростом , то F_r зависит от значительно сильнее, чем F_e. При сравнительно малых P суммах давлений

< (2.39)

и заметного искривления лунки не происходит. С ростом удельной мощности электронного пучка F_s оказывается недостаточным, чтобы удержать поверхность и начинается образовываться кратер (лунка).

По мере увеличения мощности пучка кратер должен углубляться, а радиус

Рис.2.4. Форма кратера при больших мощностях излучения

его кривизны – уменьшаться. При и изменение кривизны поверхности прекращается. При этом возрастанию давления противостоит только увеличение F_h и углубление кратера происходит быстрее.

Рис.2.5. Форма капилляра при кинжальном проплавлении

В результате образуется капилляр с жидкими стенками (Рис.2.5). При этом в капилляре устанавливается давление пара, близкое по значению к , что способствует удержанию жидких стенок в вертикальном положении. Так происходит проплавление веществ с большой плотностью. В легких материалах возможно образование пузырей на значительной глубине и, как результат, вспучивание вышерасположенных слоёв материала.

При экстремально больших значениях P_e скорость нагрева становится на- столько большой, что расплавившейся материал полностью испаряется еще до того, как он сможет быть выброшен из зоны обработки. Время пребывания вещества в расплавленном состоянии не превышает в этом случае долей миллисекунды. Такая форма удаления материала называется квазисублимацией. Надо отметить, что образование парового канала радикально изменяет пространственное распределение поглощенной в образце мощности.

При этом нужно учитывать, что

1) при наличии парового капилляра электроны в твердом теле основную часть пути проходят в паре, т.е. в среде с малой плотностью г/см . Это приводит к уменьшению удельных потерь энергии и возрастанию глубины проникновения электронов.

2) основная тепловая нагрузка приходится на одного капилляра. Кроме того, ионизация частиц пара электронами приводит к фокусировке пучка вследствии компенсации его пространственного заряда положительными ионами. Это способствует развитию "кинжальной" формы канала.

3) при глубине практически все обратно рассеянные электроны поглощаются стенками канала и доля уносимой энергии W_ή стремится к нулю. Тепловая нагрузка на стенки капилляра возрастает и за счет первичных электронов, испытавших в капилляре рассеяние на частицах пар.

Дата добавления: 2015-10-24