ТСП 11. I источники энергии для сварки глава физические основы и классификация сварочных процессов

• Название: I источники энергии для сварки глава физические основы и классификация сварочных процессов
• Анкор: ТСП 11.doc
• Дата: 16.12.2017
• Размер: 4.1 Mb.
• Имя файла: ТСП 11.doc
• Тип: Документы; #11651
• страница: 10 из 12

Глава 3. ТЕРМИЧЕСКИЕ НЕДУГОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
3.1. Электронно-лучевые источники
Развитие электронной техники позволило получать мощные электронные пучки, энергии которых достаточно для осуществле­ния различных технологических процессов. Это послужило осно­ванием для создания целой технологической отрасли, получившей название электронно-лучевой технологии.

В последнее время электронно-лучевая технология сформиро­валась как самостоятельное направление в области обработки ма­териалов, обладающее широкими технологическими возмож­ностями в самых различных областях науки и техники.

Электронный пучок как технологический инструмент позволя­ет осуществлять нагрев, плавку и испарение практически всех ма­териалов, сварку и размерную обработку, нанесение покрытий и запись информации. Такая универсальность электронного пучка дает возможность использовать одно и то же оборудование для различных технологических целей и совмещать в одном цикле об­работки различные технологические процессы.
3.1.1. Формирование электронного пучка
Формирование электронного пучка для технологических целей можно представить как процесс, состоящий из следующих основ­ных стадий:

1)получение свободных электронов;

2)ускорение электронов электростатическим или электромаг­нитным полем и формирование направленного потока электронов;

3) изменение поперечного сечения направленного потока электронов для формирования электронного пучка (чаще всего для его фокусировки на обрабатываемой поверхности);

4) отклонение электронного пучка и обеспечение требуемой траектории перемещения его сечения, попадающего на обрабатываемую поверхность
(фокального пятна);

5) собственно взаимодействие электронного пучка с обрабатывае-мой поверхностью для осуществле­ния требуемого технологического
процесса.

Для формирования электронного пучка и управления им применяется ряд специальных устройств, назы­ваемых электронными пушками. Функциональная схема такого уст­ройства приведена на рис. 3.1.

Источником электронов в элек­тронных пушках обычно служит термоэмиссионный катод 1, который вы­полняется из вольфрама, тантала или гексаборида лантана LаВ₆, об­ладающих высокими эмиссионными характеристиками. В зависимо­сти от материала катода его рабочая температура может достигать 2400...2800 К. Подогрев катода чаще всего осуществляется при по­мощи накаливаемого электрическим током элемента, причем в неко­торых случаях сам этот элемент может выполнять функции катода (катод прямого накала). Катод размещается внутри прикатодного электрода 2. На некотором расстоянии от катода находится анод 3, выполненный в виде массивной детали с отверстием по оси. Между катодом и анодом от специального высоковольтного источника пи­тания прикладывается ускоряющее напряжение U_yc = 30... 150 кВ, причем анод обычно соединяется с корпусом установки, а катодный узел крепится на высоковольтном изоляторе. Вследствие разности потенциалов между катодом и анодом электроны ускоряются до значительных скоростей, большая часть их проходит через отверстие в аноде и затем продолжает в заанодном пространстве движение по инерции. Мощность потока электронов регулируется изменением его тока (при постоянном ускоряющем напряжении) путем подачи отрицательного (по отношению к катоду) напряжения U_ф на управ­ляющий (прикатодный) электрод 2 в электронно-оптической системе сварочной электронной пушки.

Этот поток электронов обладает еще сравнительно невысоки­ми удельными энергетическими показателями, и для формирова­ния из него электронного пучка 4 с необходимыми характеристи­ками обычно требуется дополнительная операция - фокусировка. Для полной реализации возможности фокусировки и формирова­ния электронного пучка минимальных размеров (0,2...2,0 мм) при значительной мощности до 100 кВт нужно выполнить такие усло­вия формирования, чтобы погрешность электронной оптики, рас­талкивание электронов в пучке, их тепловое движение и рассеяние в газах и парах металлов не препятствовали собиранию электронов пучка в малом объеме.

В рабочем пространстве электронной пушки необходим ваку­ум, так как при большом числе молекул остаточных газов они препятствуют свободному прохождению электронов взаимными столкновениями. Кроме того, условия работы термоэмиссионного катода также требуют защиты его от взаимодействия с атмосфер­ными газами. Рабочий вакуум в электронной пушке должен быть не хуже 10^-3 ...10^-4 Па. 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. Магнитная линза 5 представляет собой соленоид с магнитопроводом, создающий 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 высокой плотностью мощности (до 5 •10⁸ Вт/см²). 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 6, 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 перемеща­ется 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 50 х 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.

Наиболее простой способ получения электронов - нагрев твер­дых тел (чаще 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 помощью электрического поля, создаваемого в электрон­ной пушке между катодом и анодом, в котором на электрон дейст­вует сила

(3.1)

где е = 1,6 •10^-19Кл - заряд электрона; Е - напряженность элек­трического поля, В/м.

При движении электрона в электрическом поле между точками с разностью потенциалов U он приобретает энергию

(3.2)

Это приращение энергии электрона происходит вследствие его ускорения полем - увеличения его кинетической энергии, т. е.

(3.3)

где m_е - масса электрона, кг; v_, v₀ - конечная и начальная скоро­сти электрона, м/с. Принимая v₀ = 0, получим

(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 U:

(3.5)

Подставляя в это выражение значения заряда и массы элек­трона, находим соотношение между ускоряющим напряжением и скоростью электрона:

(3.6)

Однако если по формуле (3.6) определить скорость электрона, ускоренного разностью потенциалов порядка 10⁶ В, то получим значение, превышающее скорость света с = 3 • 10⁸ м/с, что проти­воречит основному положению теории относительности. Поэтому для вычисления скоростей быстрых (релятивистких) электронов нужно использовать выражение

где m₀ - масса покоя электрона, равная 9,1 • 10^-31кг. В реальных условиях ускоряющее напряжение U 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 сообщить 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 следующее разделение оборудования по значению ускоряющего напряжения.

1.Низковольтные системы с ускоряющим 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 мощностью 1...120 кВт наиболее сложны в изго-­
товлении 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.

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)

где В - магнитная индукция; а - угол между направлением дви­жения электрона и магнитной силовой линией поля. Сила Лорен­ца не изменяет составляющую скорости электрона вдоль направ­ления поля (F = 0, если α= 0), 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 α ≠ 0 и α ≠ 90° представляет собой пространственную спираль - винто­вую линию, ось которой параллельна В¯, радиус зависит от скоро­сти электрона и напряженности магнитного поля шаг равен

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 перемещения электронного пучка по обрабатываемой по­верхности обычно используют его взаимодействие со скрещен­ными поперечными магнитными полями, создаваемыми откло­няющей системой. Малая инерционность электронов позволяет обеспечить широкий диапазон скоростей перемещения электрон­ного пучка по обрабатываемой поверхности при практически лю­бой форме траектории.

Необходимое условие существования электронного пучка - создание вакуума на пути движения электронов, так как в про­тивном случае в результате соударения с молекулами атмосфер­ных газов электроны отдают им свою энергию и пучок рассеивает­ся. Средняя длина свободного пробега электрона в газе опреде­ляется выражением

(3.8)

где п - концентрация газа на пути движения электронов; r- газо­кинетический 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 • 10⁵ 133 1,33 1,3 • 10 ^-2

Λ, мм 3,5• 10^-4 2,6 • 10^-1 26,6 2660

Таким образом, исходя из конструктивных особенностей уста­новок, максимально допустимым давлением в камере для электронно-лучевых установок следует считать 5 • 10^-2 Па. В реальных условиях давление стараются довести до 5 • 10^-3 или 5 • 10^-4 Па, так как при ухудшении вакуума в электронной пушке резко увеличи­вается число ионизированных электронами ионов остаточных га­зов и это может привести к пробою промежутка между анодом и катодом электронной пушки. При повышении давления в камере до 1... 10 Па рассеяние электронного пучка становится существен­ным в пространстве его дрейфа и это ограничивает возможную длину пучка.

Очевидно, что выводить электронный пучок из вакуума в об­ласть с более высоким давлением имеет смысл только в том слу­чае, если длина свободного пробега электронов в этой области предельно мала. Такие электронные пушки с выводом электронно­го пучка в атмосферу иногда применяют для сварки. 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 или аргон).
3.1.3. Взаимодействие электронного пучка с веществом
При падении электронного пучка на обрабатываемую поверх­ность кинетическая энергия электронов в результате их взаимо­действия с атомами вещества обрабатываемой поверхности пре­вращается в другие виды энергии.

Максимальное значение плотности мощности q_2m электронно­го пучка в зоне его воздействия на вещество может достигать 10⁷ ...10⁸ Вт/см , что позволяет проводить размерную обработку материалов путем их локального испарения в месте воздействия пучка на изделие. По мере уменьшения q_2m (это сравнительно просто можно осуществить расфокусировкой пучка) возможно проведение термических процессов (плавки, сварки, нагрева в ва­кууме), а также нетермических процессов - стерилизации, поли­меризации и т. п.

Достигая обрабатываемой поверхности, электроны пучка внед­ряются в вещество, испытывая торможение и проходя при этом некоторый путь. Длина этого пути, изученная Шонландом, опре­деляется по формуле

(3.9)

где δ - глубина проникания электрона в вещество, см; U - ускоряющее напряжение, В; р - плотность вещества, г/см³ .

Реальная глубина проникания 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 больших значениях плотности мощности в электронном пучке. Проходя сквозь веще­ство, электроны взаимодействуют с кристаллической структурой или отдельными частицами вещества. При этом вследствие обмена энергией увеличивается амплитуда колебаний составляющих 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 происходит еще ряд различных явлений. Суммар­ное выделение энергии при электронной 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
термоэлектронная эмиссия с обрабатываемой поверхности;

4)побочные явления, сопровождающиеся потерями энергии.

Следует отметить, что электронный пучок имеет максималь­ный коэффициент поглощения энергии в обрабатываемом вещест­ве, достигающий 80...95 % полной мощности источника и являет­ся одним из самых эффективных источников энергии для сварки.

Нагрев обрабатываемого материала электронным пучком осу­ществляется в результате выделения тепловой энергии в поверх­ностных слоях вещества и дальнейшей передачи теплоты в его внутренние слои. Высокая интенсивность ввода энергии в вещест­во при электронно-лучевой обработке приводит к развитию значи­тельных поверхностных температур, уровень которых может пре­вышать точку кипения даже самых тугоплавких материалов.