книги / Основы электронно-лучевой обработки материалов
..pdfРис. |
34. |
Схема рассеяния потока электронов слоеЖ пара: |
|
|
|||||||
/ — электронный луч; 2 — частицы пара; 3 — изменений траек |
|
|
|||||||||
тории |
электронов |
вследствие рассеяния |
|
|
|
|
|||||
Оценки для случая |
воздействия |
на |
алю |
у |
/ . |
||||||
|
|||||||||||
миний |
при |
q2 = |
3,3* 10е |
Вт/см2, |
<72 = |
|
К - |
||||
== 1,8-10° Вт/см2 дают для |
канала |
глубиной |
|
||||||||
|
|
||||||||||
Я = |
1 см и диаметром dK= |
0,5 мм величину |
|
X |
|||||||
р* = |
3-10"4 г/см3 |
или |
п = |
6,7 -1018 см"3, при |
|
||||||
Т = 2,5 -103 |
К |
это |
соответствует |
давлению |
|
ч |
|||||
пара р = 2,3 |
кгс/см2. Ослабление потока в е |
|
|||||||||
раз, когда на |
поверхность действует |
q2 < <72\ |
|
|
|||||||
имеет место при р = |
2,6•10_3 г/см3, что соответ |
|
|
ствует плотности частиц п = 5,8 -1019 см“3 и давлению р = 20 кгс/см2. Определим плотность пара, при которой начинается рассея ние- В принципе для этого можно было ры использовать соотно шение (42), но мы воспользуемся уравнением (43) — для того, чтобы уточнить физический смысл коэффициента поглощения а. 1Ашгатлъное количество атомов пара ъ объеме канала, в т о рые на разных уровнях полностью перекрывают сечение канала,
п = |
nd2/4a. |
|
(47) |
Сечение столкновения определяют |
по формуле [145] |
|
|
a = 2fi6Nnd(-%L)fi |
-{е! ^ |
1п (1,25/2В Д ), |
(48) |
где N — число валентных электронов; t/f, Оi — потенциалы воз буждения (ионизации) водорода и атомов; Е — энергия электро
нов; fi = 0,8■+■1,3 — постоянная; = 0,7-*-3,0— постоянная; а„ —: радиус первой орбиты атома водорода; обычно при оценках
fi = h — 1; яао = 0,88-10“16 см2.
Масса пара в объеме канала составляет pHndl/4. Одновре менно с учетом формулы (47) она равна ndl Aj AaN 0, где А 0 — атомный вес, N 0— число Авогадро. Приравнивая указанные
выражения, найдем плотность пара, при которой начинается рас
сеяние: |
(49) |
р = Д/<гЯЛ/0. |
|
Для алюминия (при Е = 30 кВ, Ut = 6 эВ, а |
10~18 см2, Н = |
= 1 см) величина р = 4,5-10“5 г/см3, что соответствует п — 1 х
X Ю18 см-3 |
и р = 0,35 |
кгс/см2. |
(Я = 1 см) в паровой |
При Е = |
100 кэВ и р |
= 2,5-10"5 г/см3 |
|
фазе электронный пучок |
теряет менее 1% |
энергии [209]. Для |
случая воздействия на кварцевое стекло по трем независимым оценкам получено значение концентраций пара в канале в преде лах (0,5— 1,0) ДО18 см'3 [101]. Для случая проплавления алюми ния и меди расчетным путем установлено изменение давления пара в диапазоне Д2—0,7 кгс/см2 [121].
61
Таким образом, из приведенных оценок и результатов ряда работ следует, что после вскипания давление пара над поверх ностью, и тем более в канале, достаточно велико. Это неизбежно приводит к рассеянию электронного луча в течение некоторого промежутка времени, после чего фокусировка луча восстанавли вается. Следовательно, непрерывное воздействие луча на зону об работки периодически прерывается по мере увеличения плотности пара до р > р*. Рассмотрим временной баланс такого процесса.
Если считать, что процесс углубления канала происходит посредством периодического выброса слоя вещества толщиной 6 (здесь б определяются глубиной проникновения электронов), то время рассеяния
тр = рб d2/p*urid|, |
(50) |
где d — диаметр луча, см; ип—-скорость разлета частиц пара,
см/с.
Время испарения слоя б определяют по формуле (38). Время процесса образования канала есть суммарное время элементар ных циклов, каждый из которых включает испарение слоя и по следующую экранировку:
t |
п (ти |
Тр) = /и -f™/р* |
(51) |
Параметр п = HIб; тогда с учетом выражения |
(46) |
||
I „ |
Р^нспЯ , |
рЯ2 d2a |
(52) |
|
q2 |
' |
|
|
|
Результаты, полученные по этому выражению, показывают, что в общем балансе времени t на процесс «чистого» испарения
уходит только |
5— 10% времени, тогда |
как рассеяние занимает |
все остальное |
время £р^ (90 —95%). |
канала является преры |
Таким образом, процесс углубления |
вистым: периодически испаряется слой толщиной —б, а в про межутках электронный луч рассеивается на стенки канала (с уде льной мощностью <jf 2 на 1—2 порядка ниже первоначальной) и образует жидкую фазу.
Из выражений (51) и (52) следует, что по мере углубления канала время рассеяния увеличивается, т.е. частота элементарных циклов вскипания—рассеяния падает. Расчеты для алюминия при названных выше параметрах воздействия дают частоту пуль саций в начале процесса f = 5,8* 103 Гц и к концу процесса (Н =
=1,3 см) / = 2,5* 102 Гц.
Рассмотрим еще один важный для практики эффект, связанный
сполучением сквозного проплавления (реза). В этом случае ка нал имеет два выхода (рис. 35). Условия рассеяния изменяются, так как пар разлетается в двух направлениях, то время'рассеяния
62
Рис. 35. Схема истечения пара (обозначено стрелками) из глубокого (а) и сквоз ного (б) канала
уменьшается. Для сквозного проплавления при значениях верх него d x и нижнего d2 диаметров канала выражение (52) примет
вид
pLHLnH |
,_________рЯ2 d2a,______ |
(53) |
|
Я2 |
vn(d\ + 4)ln(q2/q*2) |
||
|
Если dx — d%(сквозное проплавление с параллельными стен
ками), то мощность, затрачиваемая на образование жидкой фазы, уменьшается вдвое. При этом, естественно, количество жидкой фазы пропорционально уменьшается. Чаще всего d2 < dx, поэ
тому мощность электронного луча в режиме сквозного проплавле ния в некоторых случаях уменьшают на 20—40%. При d2 = 0
выражение (53) переходит в (52).
На основании формул (45) и (49) для величины коэффициента поглощения а можно получить следующее выражение:
( 5 4 )
Ао
где о, определяемое по формуле (48), в основном зависит от энер гии электронов. Однако а существенно зависит также и от угла сходимости электронного пучка, с учетом этого [177]
а = 2,303-4- Za, |
(55) |
где Z — порядковый номер элемента; б и о — коэффициенты, зависящие от энергии пучка и угла сходимости.
Расчеты по формулам (48) и (55) показывают (табл. 11), что разница достигает примерно одного порядка. Учет угла сходи мости необходим при сравнении воздействия пучков, которые формируются в короткофокусных (большие углы сходимости — до 10°) и длиннофокусных (малых углы — до 2—3°) электронных пушках. Электронный луч с большим углом сходимости при про чих равных условиях обеспечит меньшую глубину проплавления, чем пучок с малым углом сходимости.
63
|
|
Таблица 1 |
|
Сечение рассеяния электрона атомом алюминия |
|
|
Сечение рассеяния о, см2 |
|
U, кВ |
по формуле (48) без учета угла |
по формуле (55) с учетом угл |
|
сходимости |
сходимости |
|
1 |
|
30 |
6 ,Ь к г 13 |
3 ,5 - 10-10 |
60 |
3 ,3 - 10-18 |
2 ,5 - К П » |
100 |
2 ,1 - К Г18 |
1,2- 1(П» |
КИНЕТИКА ФОРМИРОВАНИЯ КАНАЛА
Рассмотрим результаты экспериментального исследования ки нетики формирования канала, проведенного на установке типа А.306.05 при U = 20 кВ, / = 5-^250 мА в режиме одиночного
импульса длительностью от 50 мс до 5 с (рис. 36). Исследуемый металлический образец диаметром 30 мм и высотой 30 мм устана вливают в рабочей камере на изолятор и через сопротивление R 2 соединяют с землей. В цепь источника включают сопротивление R и
и с помощью осциллографа С1-37 (в ряде экспериментов К-105) одновременно регистрируется в процессе импульса величина то ка / м, проходящего через мишень, и / п в источнике. Изображение осциллограмм на экране осциллографа С1-37 фотографируется
либо |
переносится на кальку. Осциллограммы импульсов |
токов |
|||||||||
/ м и / п |
при увеличении тока пучка от 5 до 250 мА |
при |
V = |
||||||||
|
|
|
|
=20 KB=const зарегистрированы для W, |
|||||||
|
|
|
|
Mo, Ti, |
Zr, |
Ni, Си, А1 и нержавеющей |
|||||
|
|
|
|
стали. |
рис. |
37 |
показан |
зарегистри |
|||
|
|
|
|
На |
|||||||
|
|
|
|
рованный на осциллографе С1-37 ха |
|||||||
|
|
|
|
рактер |
изменения |
формы |
импульсов |
||||
|
|
|
|
тока длительностью |
100 мс в источнике |
||||||
|
|
|
|
(штриховая линия) |
и через |
мишень из |
|||||
|
|
|
|
исследуемых металлов при увеличении |
|||||||
|
|
|
|
тока луча (сплошная линия). Перво |
|||||||
|
|
|
|
начально увеличение тока луча не при |
|||||||
|
|
|
|
водит к каким-либо принципиальным |
|||||||
|
|
|
|
изменениям |
формы |
импульса, |
кроме |
||||
|
|
|
|
медленного |
возрастания |
|
отношения |
||||
|
|
|
|
/ м//п. Однако по достижении |
некоторой |
||||||
Рис. 36. Схема измерения па |
критической |
величины тока |
луча /„, |
||||||||
раметров |
процесса |
формиро |
зависящей от теплофизических свойств |
||||||||
вания |
канала на |
установке |
металла, начинается деформация формы |
||||||||
типа |
А .306.05: |
|
|||||||||
J — фокусирующая |
система; |
импульса тока, |
проходящего |
через |
|||||||
2 ~~ электронный луч; 3 — кол |
мишень. |
При |
этом |
в течение некото |
|||||||
лектор; 4 — изделие; 5 — источ |
рого времени Дt 1 |
через |
мишень |
про- |
|||||||
ник питания; 6 — осциллограф |
64
J ,M A
Рис* 37. Характер изменения формы импульсов тока длительностью 100 мс, проходящего в источнике (штриховая линия) и через мишень из исследуемых ма териалов при увеличении тока луча (результаты обработки осциллограммы)
3 Н. Н. Рыкалнн и др. |
G5 |
Рис. 38. Типичная диаграмма тока,
проходящего через мишень, при |
дли |
|
тельности включения |
луча t = |
1 с |
(a) w геометрия зон |
проплавления |
в нержавеющей стали, соответст вующая импульсам длительностью A tx, A t2, A tz и At± (б)
Pwc. 59. Изменение частоты колебаний на участке А/3 диаграммы рис. 38 с увеличением тока луча для разных материалов:
J |
— ТЦ 2 — нержавеющая сталь; |
3 — Nr, |
4 |
— Zr; 5 — Al; 6' — Mo; 7 — Си; |
8 — W |
ходит постоянный ток, а в остальное время импульса (t — А^) ток, проходящий через мишень, носит прерывистый (пульсиру
ющий) |
характер. Время At x с увеличением |
тока луча |
умень |
||
шается, |
тогда как |
частота |
колебаний тока |
мишени в |
течение |
времени |
(* — |
увеличивается. |
|
|
|
На рис. 38 представлена кривая изменения во времени тока, |
|||||
проходящего через |
мишень, |
при длительности включения луча |
t = 1с. Ток / м в течение времени А /х не изменяется, затем начи нает уменьшаться, колеблясь с возрастающей частотой. Спустя некоторое время ток / м начинает возрастать и достигает примерно постоянной величины / м ^ (0,8-7-0,95) / п. Высокочастотные коле бания при этом сменяются низкочастотными.
Анализ зависимости, приведенной на рис. 38, показывает, что в изменении формы импульса проходящего через мишень тока наблюдаются четыре стадии: 1 — постоянный ток в течение вре мени А гд; 2 — пульсирующий ток с возрастающей частотой, уменьшающейся по амплитуде в течение At2\ 3 — пульсирующий ток с возрастающей частотой и возрастающей средней амплитудой в течение Д^3; 4 — пульсирующий низкочастотный ток с постоян ной средней амплитудой в течение остального времени импульса
Д*4- Установлено, что пульсирующий характер тока, проходящего
через мишень, является следствием нескольких типов колебаний. В течение периода At2 (рис. 38) в основном имеют место колебания
66
с частотой 50 Гц, |
на которые накладываются частоты 300 |
Гц. |
В течение периода |
Л/3 характер колебаний усложняется, так как |
|
на частоты 50 и 300 Гц накладываются частоты до 103 Гц (рис. |
39). |
К моменту начала периода Atx все эти колебания пропадают и остаются низкочастотные в диапазоне 6—50 Гц. Одновременная независимая регистрация тока, проходящего через мишень, и характера изменения давления в камере в районе сварочной ванны ионизационным манометром типа ЛМ-2 дает одинаковый результат изменения частоты колебаний. При этом максимуму тока мишени периодически соответствует минимум давления в районе обработки.
Анализ формы зон проплавления в нержавеющей стали, |
полу |
|
ченных соответственно за время A tx\ A tx + A |
A tx + |
At%+ |
-f Д/З и за полное время импульса t (геометрия этих зон представ лена на рис. 38), позволяет представить кинетику формирования кинжального проплавления в следующем виде. В течение време ни Atx происходит нагрев образца и отвод теплоты от зоны воздей ствия вследствие теплопроводности. Для большинства исследо ванных металлов в конце периода A tx начинается плавление (ис
ключение |
составили молибден и вольфрам). Эмиссия из ванны |
в течение |
этого времени обусловлена в основном вторичными |
и отраженными электронами. Доля вторичной эмиссии с увеличе нием тока в импульсе, т. е. с увеличением скорости нагрева, па дает.
Период A t2 характеризуется появлением интенсивной термо эмиссии из ванны. Ток термоэлектронов имеет направление, про тивоположное первичному. Поэтому ток /м, проходящий через ми шень, представляет алгебраическую сумму токов / м = /п — / в, где / в — ток эмиссии из образца отраженных вторичных и термо электронов.
Выше отмечено, что к концу периода A tx металл, как правило, расплавлен. В течение периода At2 температура расплавленного металла растет, соответственно увеличивается и ток термоэмис сии. Частота колебаний тока в период Afa* как Уже отмечалось, составляет 50 Гц с наложением частоты 300 Гц. Можно предполо жить, что колебания с частотой 300 Гц являются результатом нестабильностей ускоряющего напряжения (источник питания шестифазный по схеме Ларионова). Действительно, стабилизация ускоряющего напряжения в пределах 1—2% позволяет убрать гармонику с частотой колебаний 300 Гц. Причиной появления гар моники с частотой колебаний 50 Гц являются, по-видимому, пуль сации в других источниках питания.
Начало периода A t3 с этого момента является моментом пере хода к интенсивному парообразованию. В этот момент начинается вынос массы из ванны за счет периодического испарения слоев, толщина которых одного порядка с длиной пробега электронов. Поверхность ванны при этом опускается с некоторой скоростью в глубь металла. Вторичное излучение из ванны начинает погло щаться стенками ванны (канала). Поэтому, начиная с этого момента
3* |
67 |
Рис. 40. |
Виды отверстий, полу- |
||
ценных на режиме |
V = 20 |
кВ; |
|
1 = 150 |
м А ; t = |
1 мс; |
/ = |
/Л? Л*:
а — нержавеющая сталь толщиной 15 мм, время сверления 1 с; б — алюминиевый сплав толщиной 60 мм, время сверления 5 с
(см. рис, 38), ток, проходящий через мишень, увеличивается. К концу периода At3 глубина канала достигает такой величины, при которой стенки поглощают практически все вторичное излу чение. Ток, проходящий через мишень, приближается к величине первичного. Этот факт подтверждается данными работы [45 ].
Таким образом, период Л£3 есть «чистое» время образования канала. Далее, в течение периода Л^4 углубление канала не про исходит. Пульсации тока с частотой 6—50 Гц, характерные для этого периода, являются следствием периодического смыкания жидких стенок канала в верхней его части.
Серией экспериментов подтверждены представления о преры вистом процессе образования канала вследствие периодического рассеяния луча. При этом исходили из того, что процесс непре рывного воздействия электронного луча на материал (например, воздействие в экспериментах в течение t = 1 с) в какой-то мере аналогичен импульсному воздействию с длительностью импульса ти (время испарения элементарного слоя, толщина которого имеет
68
один порядок с длиной пробега электронов на дне канала) и вре менем паузы тр (в паузе не происходит углубления канала, а то лько образование жидкой фазы за счет рассеяния луча). Если от непрерывного воздействия перейти к импульсному с временем им пульса tH = ти и длительностью паузы tn — тв, то вместо про плавления на глубину Я за период t должно образоваться отверс тие на глубину Я 0 > Я. В этом случае луч включается только на время испарения и затем выключается, чтобы не происходило образования избытка жидкой фазы вследствие рассеяния луча на продуктах выброса. Исходя из величин высокочастотных пуль
саций тока через мишень в течение периода At3 (см. |
рис. |
58) |
при |
|
режиме |
= 1 • 10“3 с, f = 100 Гц при U = 20 кВ, |
/ = |
150 |
мА, |
q2 ^ 105 Вт/см3 получены отверстия диаметром 2 мм и глубиной от 15 до 60 мм в нержавеющей стали и алюминии (рис. 40). Отвер стия получены также в других металлах и сплавах, в том числе в молибдене на глубину до 5 мм.
Таким образом, как расчеты, так и прямые эксперименты показывают, что процесс формирования глубокого проплавления имеет пульсирующий характер. При воздействии на «мягких» режимах (без образования канала) пульсации связаны в основном
спричинами, зависящими от аппаратуры, нестабильности в источ никах питания. Частота пульсации тока в этом составляет 50 Гц
сналожением частоты 300 Гц. При воздействии на «жестких» ре жимах (с образованием канала) частота пульсации определяется величиной удельной мощности и в экспериментах составляла (0,5— 1,2) • 103 Гц. Высокочастотная пульсация тока является следствием периодического рассеяния (экранировки) луча в процессе углуб ления канала. Образовавшийся канал вследствие непрекращающегося притока энергии периодически смыкается в верхней своей части, т. е. пульсирует с частотой 6—50 Гц. Использование импульсного электронного луча с учетом естественной пульсации процесса открывает широкие возможности для управления про цессом электронно-лучевого воздействия.
Определим энергию образования канала. Углубление канала,
т.е. увеличение его глубины, происходит дискретно в соответствии с частотой отдельных микровыбросов вещества (если не рассматри вать поверхностного испарения, доля которого может быть раз личной в зависимости от глубины проплавления). Увеличение диа метра канала происходит квазинепрерывно вследствие смыва
расплавленного металла со стенок кратера продуктами выброса |
|
и испарения, поднимающимися со дна лунки. Процесс расширения |
|
канала |
в какой-то степени аналогичен процессу плавления-вымы |
вания |
боковых стенок кратера при разрушении металлов лучом |
лазера [34, |
160]. |
объ |
Энергию |
dEK образования элементарного углубления в |
|
еме металла можно определить с помощью соотношения |
158, |
|
205] |
dEK= l/4nAdZ(h)dht |
(56) |
|
69
где А — удельная энергия каналообразования; с — удельная теп лоемкость; Т* — средняя температура нагрева вещества. Мак симальное значение А & р (LHcn + сТ*).
Между диаметром канала d K и глубиной h существует опреде ленная связь; с увеличением глубины канала увеличивается и его диаметр. Точная зависимость между указанными параметрами неизвестна, однако в первом приближении связь диаметра с глу биной можно аппроксимировать линейной зависимостью
dK= bhy |
(57) |
где b — параметр, определяемый экспериментально. |
Законо |
мерность зависимости соответствует самоподобию процесса, кото
рый наблюдается для ряда режимов |
обработки металлов |
[34, |
||
90, |
160]. |
|
из зависимости (57), в соот |
|
|
Подставив значение dK, полученное |
|||
ношение (56) и |
проинтегрировав его, |
получим |
|
|
|
|
£ к ==(1/12|лЬ*ЯМ, |
(58) |
|
где |
Н — полная |
глубина канала. |
|
|
|
Как показано выше, общее время воздействия луча можно |
|||
представить как |
суммарное время «чистого» испарения t x и рас |
сеяния 12 *. t = t 1 + f2. В течение времени f2 образец поглощает энергию той же мощности, что и в течение t l9 хотя вследствие рас сеяния луча на стенки канала увеличения глубины канала не происходит.
Поэтому величина энергии, введенной в образец для получе
ния |
проплавления глубиной |
Я, |
|
|
|
Et ■= £ к ~LJA~ = -W пШЗА w ■ |
(5 9 ) |
||
Используя выражения (46), (49) и (52) при условии |
d = dK, |
|||
из |
соотношения (59) |
получим |
|
|
|
£« = |
^ |
’№>(1 |
(60) |
Для грубых оценок без учета расширения канала в процессе взаимодействия при А ^ LHcn связь параметров неподвижного относительно образца электронного луча с глубиной проплавления материала имеет вид
E t = W t - j- nd2H pL11cn ( l + ' 2р*^*1и~ ) *
Для случая воздействия на алюминий при q2 = 3,3* 10s Вт/см3,
q = |
6,5 • 103 |
Вт, d = 0,5 мм, р* = 3 *10"4 г/см3, vn & 1 *105 см/с, |
|
Ьисп |
=2,2*103 кал/г затраты энергии на формирование канала |
||
глубиной Я |
= 1 см составляют согласно выражению (61) |
Е = |
|
= 480 кал. Время сверления канала составляет при этом t ^ |
0,3 с, |
||
что |
хорошо |
совпадает с экспериментальными значениями |
[196]. |
70