Электронно-лучевая сварка
Введение, сущность процесса
На современном этапе развития физики широкое и разностороннее применение находит использование энергии электронов.
Электрон представляет собой элементарную частицу, имеющую отрицательный заряд.
масса электрона me = 9,109´10-31 кг,
заряд электрона e = 1,602´10-19 Кл.
Электрон, являясь наименьшей устойчивой заряженной элементарной частицей материи, может быть наиболее простым способом получен в свободном состоянии. Наиболее часто для получения свободных электронов используют термоэлектронные катоды-металлы.
Величина тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры катода, работы выхода и свойств поверхности и определяется уравнением Ричардсона-Дэшмана:
je = AT2 ´ e-eYо / KT
где je - плотность тока эмиссии, А/см2 ;
А - эмиссионная постоянная, зависящая от свойств излучаемой поверхности, обычно А = 40¸70 А/см2 К2;
Т - абсолютная температура катода, К;
е - основание натурального логарифма;
еYо - работа выхода электрона из металла, Дж;
К = 1,38 ´ 10-23 Дж/К - постоянная Больцмана.
Свободные электроны под действием электрических или магнитных полей могут перемещаться. Так как электроны обладают самой малой инертной массой из всех элементарных частиц, имеющих заряд, то электрону могут быть сообщены большие ускорения. При этом энергия электронов может достигать больших значений и зависит от разности потенциалов разгоняющего поля.
Скорость движения электрона, выраженная через потенциал разгоняющего поля U равна:
V = Ö 2e U / me ,
подставив значения массы и заряда электрона получим:
V = 600 Ö U , км/с
Из формулы видно, что скорости электронов даже при сравнительно небольших напряжениях (разности потенциалов) достигает больших величин.
Например, U = 10000 В - Vэлектрона = 60000 км/с
1. Регулируя величину и направление начальной скорости электронов, величину и направление напряженности электрического поля, можно получить движение электронов по заранее рассчитанной траектории.
Это позволяет управлять движением электронов, получать требуемые значения энергии, плотность электронов в пучке и т.д.
Электроны, двигаясь в электрическом поле, могут накопить значительную кинетическую энергию. При достижении электроном поверхности металлического анода скорость электронов резко уменьшается вследствие столкновения их с атомами металла. При таких столкновениях кинетическая энергия электронов передается атомам вещества, подвергающихся бомбардировке. Эффект передачи энергии электронов веществу проявляется увеличением температуры вещества.
Выделяющаяся на аноде мощность в виде теплоты ровна:
Ра = N ´ e ´ U , где N ´ e = Ja , поэтому Ра = Ja ´ U
Исследованиями установлено, что электроны, обладающие определенной энергией, могут проникать вглубь металла при его бомбардировке. Толщина поверхностного слоя вещества, в котором происходит полная потеря энергии электрона в результате многочисленных соударений с ядрами металла и электронами решетки, определяют его пробег.
При сравнительно небольших энергиях электронов (10¸80 кэВ) пробег электронов определится зависимостью согласно формуле Шенланду:
d = 2,6 ´ 10-12 ´ U2 / r , см,
где U - разгоняющее напряжение, В;
r - плотность вещества, г/см3.
В результате соударений меняется скорость и направление движения электронов, проникающих в металл. Электроны растрачивают основную энергию в конце пробега, после проникновения в металл.
Рис. 1. Путь электрона в веществе.
Таким образом, в отличие от обычных, широко применяемых источников тепла, производящих нагрев путем теплопередачи через поверхность металла, высвобождение энергии при ЭЛС происходит в самом веществе, причем наиболее интенсивно тепловыделение происходит на некоторой глубине. Изменение величины потери энергии электрона, рассчитанное на единицу длины пути вдоль его пробега, можно представить в виде кривой (рис. 2.).
Рис. 2. Изменение величины потери энергии Ер, рассчитанное на единицу длины пути, для первичного электрона вдоль его пробега.
При небольших значениях удельной мощности в электронном луче на жидкий металл сварочной ванны не воздействуют сколько-нибудь значительные внешние силы, в связи с чем сварной шов формируется без прожогов даже при сварке металла толщиной 0,1¸0,2 мм.
Давление потока электронов на сварочную ванну невелико и составляет около десятых долей грамма на квадратный сантиметр (г/см2)
р = j ´ 0,035 Ö Uускор. , Н/м2 ,
где р - давление электронов, Н/м2;
j - плотность тока в пучке, А/см2;
Uускор. - ускоряющее напряжение, кВ.
Физическая картина внешних явлений, сопровождающих воздействие электронов на металл, состоит из:
* рентгеновского излучения,
* теплоизлучения,
* возникновения вторичных электронов,
* испарения металла в виде атомов, ионов металла
и может быть изображена в виде следующей схемы (рис. 3):
Рис. 3. Физическая картина явлений, сопровождающих проникновение электронов в вещество.
Сущность ЭЛС в вакууме
1. Сущность ЭЛС в вакууме состоит в использовании кинетической энергии электронов, быстродвижущихся в глубоком вакууме.
2. При бомбардировке электронами поверхности металла подавляющая часть кинетической энергии электронов превращается в теплоту, которая используется для расплавления металла.
3.1. Получение свободных электронов достигается применением раскаленного металлического катода эмиссирующего электроны.
3.2. Ускорение свободных электронов обеспечивается электрическим полем с высокой разностью потенциалов между анодом и катодом.
3.3. Фокусировка электронов достигается использованием магнитных полей.
4. Электронный луч, используемый для сварки, создается в специальном приборе - электронной пушке.
Электронная пушка (рис.4) представляет собой устройство, с помощью которого получают узкие электронные пучки с большой плотностью энергии.
Для обеспечения свободного движения электронов от катода к аноду, а также для предотвращения возможности возникновения дугового разряда между электродами в установке создается глубокий вакуум порядка 10-4 мм.рт.ст (133 ´ 10-4 Н/м2)
Рис. 4. Принципиальная схема электронной пушки
В ИЭС разработан типаж электронно-лучевых сварочных пушек, распространяющийся на электронно-лучевые пушки с ускоряющим напряжением 15¸240 кВ, предназначенные преимущественно для сварки. В типаж включены электрические пушки, снабженные эмиттером в виде таблетки из татнала или гексаборида лантала с электростатической фокусировкой, электромагнитным отклонением электронного луча.
Таблица 1.
Дата добавления: 2016-03-27; просмотров: 1042;