ТЕОРИЯ сварочных процессов

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.

Внутри кристалла каждый атом удерживается симметрично направ­ленными силами связи. На свобод­ной поверхности кристалла или жидкости атом неуравновешен вследствие того, что со стороны ок­ружающей среды связь отсутствует или заметно ослаблена. Это вызыва­ет повышение энергии поверхност­ного слоя кристалла wn. Если необ­ходимая атому энергия, для переме­щения внутри тела равна wq (см. Рис. 1.2. Потенциальный барь - рис. 1.2), то для выхода в окружаю - ер для системы атомов у по - щую среду она равна wn, причем

Wq. Поэтому для соединения

границе твердой и жидкой фаз ДВуХ монокристаллов в один требу - (iб) в начальный период их ется введение извне деформацион-

контакта «

ной или тепловой энергии, превы­шающей граничную энергию wT.

Внешняя деформационная энергия будет затрачиваться на пре­одоление сил отталкивания, возникающих между сближаемыми поверхностными атомами. Когда расстояния между ними будут равны межатомному расстоянию в кристаллической решетке, воз­никнут квантовые процессы взаимодействия электронных оболо­чек атомов. После этого общая энергия системы начнет снижаться до уровня, соответствующего энергии атомов в решетке целого кристалла, и появится «выигрыш» энергии, равный избыточной энергии поверхностных атомов кристаллов до их соединения - энергии активации.

Тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам при по­вышении температуры, увеличивает вероятность развития кванто­вых процессов электронного взаимодействия в соединении.

Стадийность процесса сварки. Результаты исследований и теоретический анализ показывают, что сварку и пайку можно от­нести к классу так называемых топохимических* реакций, которые отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ (рис. 1.3), характер­ной только для микроучастков соединяемых поверхностей.

Топохимические реакции - это химические реакции с участием твердых

тел.

На первой стадии (А) развивается фи­зический контакт, т. е. осуществляется сближение соединяемых веществ на рас­стояния, требуемые для межатомного взаимодействия. При этом энергетические уровни связи соответствуют уровням, ха­рактерным для физической адсорбции = 0,04...0,4 кДж/моль). На второй стадии (Б) - стадии химического вза­имодействия (схватывания) - заканчива­ется процесс образования прочного соединения. Схватывание - бездиффузи - онный процесс и в принципе может про­исходить при любых температурах, если возможна микропластическая деформа­ция.

На практике получение монолитных соединений осложняется тем, что свари­ваемые поверхности имеют:

- микронеровности - 10 м даже при тщательной обработке (поэтому при совмещении поверхностей контакт возможен лишь в отдельных точках);

- загрязнения, так как на любой поверхности твердого тела ад­сорбируются атомы внешней среды.

Для монолитного соединения материалов при сварке необхо­димо обеспечить контакт по большей части стыкуемых поверхно­стей и их активацию.

Энергия активации. Активация поверхности заключается в том, что поверхностным атомам твердого тела сообщается некото­рая энергия, необходимая:

- для разрыва старых связей между атомами тела и атомами внешней среды, обусловленных физико-химическим состоянием поверхности;

- для повышения энергии поверхностных атомов до уровня по­тенциального барьера, при котором возможно образование новых химических связей, т. е. схватывание.

В общем случае энергия активации может быть сообщена в форме теплоты (термическая активация), упругопластической де­формации (механическая активация), электронного, ионного и Других видов облучения (радиационная активация).

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

F = eE, (3.1)

-19

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

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

A = eU. (3.2)

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

еи^А°2-4)' (ЗЛ)

где те - масса электрона, кг; v, г0 - конечная и начальная скоро­сти электрона, м/с. Принимая Vq = 0, получим

eU=^f, (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:

t> = J— • (3-5)

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

v = 5,93-Ю5 л/и. (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-Ю8 м/с, что проти­воречит основному положению теории относительности. Поэтому для вычисления скоростей быстрых (релятивистких) электронов нужно использовать выражение

V 2

ЩС

где то - масса покоя электрона, равная 9,1-10 31 кг. 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 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.

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

F-Bv sin а, (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 а = 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 а*0 и

а *90° представляет собой пространственную спираль - винто­вую линию, ось которой параллельна В, радиус зависит от скоро­

сти электрона и напряженности магнитного поля

2nmpvcosa равен -

Be

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

Ле=-Ц-, (3.8)

ппг

где п - концентрация газа на пути движения электронов; г - газо­кинетический радиус взаимодействия молекул газа.

Значения средней длины свободного пробега электрона в воз­духе (при 300 К) для разных значений давленияр приведены ниже:

р, Па................................ 1,01 105 133 1,33 1,3 ■ 10-2

Л, мм................................ 3,5 10^ 2,6- 10~‘ 26,6 2660

Таким образом, исходя из конструктивных особенностей уста­новок, максимально допустимым давлением в камере для элек-

_2

тронно-лучевых установок следует считать 5-Ю Па. В реальных

-3 -4

условиях давление стараются довести до 5 • 10 или 5-Ю 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).

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 qim электронно­го пучка в зоне его воздействия на вещество может достигать 7 8 2

10 ...10 Вт/см, что позволяет проводить размерную обработку материалов путем их локального испарения в месте воздействия пучка на изделие. По мере уменьшения qim (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

5 = 2,3510_12гу2/р, (3.9)

где 8 - глубина проникания электрона в вещество, см; U - ускоряющее напряжение, В; р - плотность вещества, г/см.

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.