Теоретические основы. Энергия электронов.

Электроны применяют в технике для возбуждения свечения люминофоров, нанесенных на экран электронно-лучевых трубок катодных осцил­лографов и телевизоров. Эффекты, вызываемые электронами при бомбардировке вещества, используются в электронных микроскопах, электронных умножителях, рентгеновских трубках, масспектрографах и во многих других устройствах и при­борах.

Электрон представляет собой элементарную электрически заряженную частицу, имеющую отрицательный заряд е = 1,602-10~¹⁹ К; массу  = 9,109х х10~^Э1кг; радиус= 2,82-10~¹⁵м; удельный заряд = 1,759-10¹¹ к/кг. Число электронов в атоме зависит от типа вещества и равно его атомному номеру в перио­дической системе элементов Д. И. Менделеева.

      Известно, что величина тока эмиссии в наибольшей степени зависит от температуры катода. Однако при увеличении температуры резко возрастает скорость испарения материала катода и сокращается срок его службы. Свободные электроны под действием электрических или магнитных полей могут перемещаться. Поскольку электроны обладают самой малой инертной массой из всех масс элементарных частиц, обладающих зарядом, то электрону можно сообщить большие ускорения.

      Если электрон поместить в однородное электрическое поле напряженностью Е, созданное между двумя параллельными пластинами достаточно большой протяженности, то на электрон будет действовать сила, равная произведению величины заряда на напряженность поля в месте нахождения заряда:                              F= — eE.            (2.1)

 

Знак минус показывает, что вследствие отрицательного заряда электрона сила направление, противоположное направлению вектора напряженности элект­рического поля. Работа, затраченная электрическим полем на перемещение заряда,где U — разность потенциалов между точками 1 и 2 (рис. 2.1). Эта работа затрачи­вается из одной точки в другую, равна произведению величины заряда на разность потен­циалов между этими двумя точками:          A=eU=e(U_t—U2),                                                     (2.2)

на сообщение электрону кинетической энергии.

     Сумма кинетической и потенциальной энергий электронов при их движении в электрических полях остается постоянной.

 

 

 

 

Рисунок 2.1 - Движение электрона в ускоряющем электрическом поле

Известно, что энергия электронов определяется массой и скоростью частицы. Энергия электро­нов может достигать больших значений и зависит от разности потенциалов раз­гоняющего поля. Скорость электрона, выраженная через потенциал разгоняю­щего поля U, равна                                                                       ( 2.3)

 

 

 

               

 

 

Рисунок 2.2 -Траектория электрона в магнитном поле

Подставляя в формулу (2.3) значение заряда и массы электрона, можно полу­чить приближенное выражение для расчета скорости электрона, которая будет завесить от разности потенциалов.

Таким образом, скорость, приобретаемая электроном при движении в уско­ряющем поле, зависит только от пройденной разности потенциала. Скорости электронов даже при сравнительно небольшой разности потен­циалов получаются значительными. Например, при (7=10 000 В скорость элект­ронов составляет v = 60 000 км/с. При такой большой скорости электронов все процессы, связанные с движением электронов, протекают очень быстро.

  Выбором величины и направления начальной скорости электронов, а также величины и направления напряженности электрического поля может заставить электроны двигаться по заранее рассчитанной траектории. Это дает возможность управлять движением электронов, получать требуемые энергию электронов и плот­ность в пучке и т. п. Влияние магнитного поля на движущийся электрон анало­гично действию поля на проводник с током.

Сила, действующая на электрон, движущийся в магнитном поле, определяется В_е — магнитной индукцией; а — углом между направлением тока и магнитной силовой линией поля.

   Нагрев анода электронной бомбардировкой является во многих случаях
нежелательным явлением и лишь в последнее время этот эффект начал использоваться как положительный фактор при различных технологических процессах, связанных с термическим воздействием (сварке, плавке, обработке, напылении пленок и т. п.), что значительно расширило область применения электронного луча.

Установлено, что электроны, обладающие определенной энергией, могут проникать в вещество. Толщина слоя вещества, пройдя который, электрон полностью теряет скорость, определяет его пробег. Пробеги электронов в металлах, при сравнительно небольших энергиях электронов (10—82 кВ), были изучены. Б. Шенландом.

   Расчеты показывают, что электроны в зави­симости от разгоняющего напряжения и свойств металла могут проникать на глу­бину нескольких десятков и даже сотен мик­рон.  Изучение адсорбции монохроматического потока электронов показывает, что про­никающий в вещество электрон испыты­вает многократное рассеяние и теряет энер­гию в результате многочисленных соударе­ний с ядрами атомов и электронами решетки.

 Рисунок 2.3 - Путь движения электронов в веществе

В результате этих столкновений меняется скорость и направление движения электронов, проникающих в вещество (рис. 2.3).

         Электроны растрачивают основную долю энергии в конце пробега. Таким образом, в отличие от других методов сварки нагревом посредством теплопере­дачи через поверхность металла, электронный нагрев осуществляется в самом веществе. При этом электроны теряют свою энергию неравномерно в направле­нии пробега. Вследствие этого наиболее интенсивное тепловыделение наблюдается на некоторой глубине.

Особенности электронного нагрева, связанного с выделением тепла в слое вещества, можно определить, рассматривая дифференциальное уравнение тепло­проводности с источником тепла в самом металле.

Фокусировка — концентрация электронов — достигается использованием магнитных полей. Резкое торможение электронного потока происходит автоматически при внедрении электронов в металл.

Электронный луч, используемый для целей сварки, получается в специальном приборе — электронной пушке.

       Принципиальная схема установки для сварки электронным лучом показана на рис.2.3. Электронная пушка представляет собой устройство, с помощью кото­рого получают узкие электронные пучки с большой плотностью энергии. Пушка имеет катод /, который может нагреваться до вы­соких температур. Катод размещается внутри прикатодного электрода.

Математическое исследование решения уравнения показывает, что с уве­личением продолжительности импульса слой с максимальной температурой сдви­гается к поверхности металла в результате теплопроводности (рис. 2.4), и при опре­деленной продолжительности импульса на поверхности металла будет максималь­ная температура.

Физическая картина внешних явлений, сопровождающих действие электронов на металл, состоит из рентгеновского излучения, теплоизлучения, возникновения отраженных вторичных электронов, испарения металла в виде атомов и ионов металла, будет изображена сле­дующим образом (рис. 2.5).

Вторичные электроны делятся на три группы: упругоотраженные электроны,                                         

 

Рисунок 2.4-  Изменение температуры в слое вещества с увеличением времени импульса т₂ > т₁.

                              

 

    Рисунок 2.5 - Физическая картина явлений, сопровождающих проникновение электронов в веществе; 1 — молекулы металла; 2 — ноны; 3 — луч; 4 — рентгеновское излучение; 5 — отраженные и вторичные электро­ны; 6 — тепловое и световое излучение энергия которых примерно равна падающим; электроны, отраженные в результате неупругого соударения и имеющие более или менее большие потери; собственно вторичные электроны, энергия которых не превышает 50 эВ.

Энергия отраженных электронов в среднем составляет 70% от энергии пер­вичных. Отношение числа рассеянных электронов к числу падающих обозна­чить р, потери энергии пучка на рассеянных электронах составит Е_р = 0,7 р. Величина р колеблется в пределах 0,1—0,45 в зависимости от порядкового номера элемента.

 

Сварка электронным лучом в вакууме и сварка электрон­ным лучом

Сущность процесса сварки электрон­ным лучом в вакууме состоит в использовании кинетической энергии электронов, быстро движущихся в глубоком вакууме. При бомбардировке электронами поверх­ности металла подавляющая часть кинетической энергии электронов превращается в тепло, которое и используется для расплавления металла.

При использовании этого источника тепла для сварки необходимо получить свободные электроны, сконцентрировать и сообщить им большую скорость с целью увеличения их энергии, которая должна превратиться в тепло при торможении электронов в свариваемом металле.

Получение свободных электронов достигается применением раскаленного металлического катода, эмигрирующего электроны. Ускорение электронов обес­печивается электрическим полем с высоким потенциалом между катодом и анодом.

 

 

Рисунок 2.6 - Принципиальная схема установки для сварки электронным лучом

На некотором уда­лении   от катода находится ускоряющей электрод (анод) 3 с отверстием. Прикатодный и ускоряющий электроды имеют фор­му, обеспечивающую такое строение электри­ческого поля между ними, которое фокуси­рует электроны в пучок с диаметром, равным диаметру отверстия в аноде. Положительный потенциал ускоряющего электрода может достигать нескольких десятков тысяч вольт, поэтому электроны, приобретают значительную скорость и энергию. После ускоряющего электрода электроны движутся равномерно. Пушка получает питание электрической энер­гией от высоковольтного источника постоянного тока. Электроны, имея одинаковый за­ряд, отталкиваются друг от друга, вследствие чего диаметр пучка увеличивается, а плот­ность энергии в пучке уменьшается.

Для увеличения плотности энергии в луче, после выхода электронов из первого анода, они фокусируются магнитным полем в маг­нитной линзе 4 в

плотный пучок и ударяются с большой скоростью о малую, резко ограни­ченную площадку на изделии 6, при этом кинетическая энергия электронов, вслед­ствие торможения в веществе, превращается в тепло, нагревая металл до высоких темпе­ратур.

Для перемещения луча по свариваемому изделию на пути электронов устанавливаете» магнитная отклоняющая система 5, позволяющая устанавливать электрон­ный луч точно по линии сварки.

Для обеспечения свободного движения электронов от катода к аноду и далее к изделию, для тепловой и химической изоляции катода, а также для предотвра­щения возможности возникновения дугового разряда между электродами, в уста­новке создается глубокий вакуум, который обеспечи­вается насосной системой установки. Движение электронов в вакууме не дает светового эффекта и поэтому луч не виден, но его действие на вещество можно наблюдать по нагреву места бомбардировки, свечению люминофоров. Плотность энергии нагрева является одной из основных характеристик источника и определяет его эффективный коэффициент использования тепла, форму провара, размеры зоны термического влияния и другие параметры. Электронный поток является наиболее эффективным источником тепла при сварке, поскольку плотность энергии в луче превышает плотность энергии электрической сварочной дуги более чем на два порядка. На рис. 7 показан график, характеризующий различные источники тепла. По оси абсцисс приведены диаметры эффективных пятен нагрева, которые характеризуют возможность использования источника тепла для сварка микроизделий. По оси ординат отложена максимальная плотность энергии, которая может быть достигнута в источнике тепла. Наклон­ными линиями показана мощность источника, которая изменяется от нескольких до сотен киловатт.

Из графика следует, что электронный луч как источник тепла обладает свойст­вами, которые дают возможность использовать его для самых слабых нагревов и как источник, сосредоточенность которого на два порядка выше, чем у сварочной дуги. Электронный луч также может быть сосредоточен на очень малой площади, используя его для сварки изделий микроэлектроники.

Мощность электронного луча может достигать очень больших величин, что делает его перспективным для использова­ния при сварке больших толщин (200— 500 мм).

 

Рисунок 2.7 - Плотность энергии q и диаметр d пятна нагрева для различных источников теплоты: ГП — газовое пламя; ДСП — дуго­вая плазма; СД — сварочная дуга; ЭЛ — электронный луч; ОКГ — оптический квантовый генератор.

Плотность энергии в электронном луче интенсивностью q = 10⁸ Вт/см²  дости­гает 500 000 кВт/см², т. е. на I см² с помощью электронного луча может быть сосредоточена энергия мощной современной турбины.

При нагреве электронным лучом за очень короткий промежуток времени в пятне могут быть получены весьма высокие температуры.

Результаты расчета показывают, что в слое металла, подвергающегося элект­ронной бомбардировке, при толщине слоя, равной пробегу электрона, должна была устанавливаться температура порядка 10⁷—10⁹ °С в течение 1 с.

В реаль­ных условиях такие температуры в металле, подвергаемом электронной бомбар­дировке, существовать не могут вследствие испарения металла на поверхности, на что расходуется значительная часть энергии, и интенсивного перемешивания расплавленного металла газами и парами, выделяющимися при нагревании. Эти процессы приводят к выравниванию температуры.

Применительно к сварочным целям интенсивность энергии в электронном пото­ке должна иметь свой оптимум, так как при очень высокой сосредоточенности источника тепла процесс сопровождается не только плавлением, но и интенсивным испарением металла, вследствие чего осуществляется процесс резания металла.

 По этому принципу построены электронные пушки, предназначенные для свер­ления и фрезерования, при этом металл удаляется с обрабатываемой поверхности за счет мгновенного испарения.

Высокая интенсивность сварочных источников тепла обеспечивает возможность осуществления сварки электронным лучом любых металлов.   

Выбор интенсивности энергии в электронных пучках, используемых для целей сварки, определяется рядом факторов: свойствами металла (температура плавления, теплопроводность и др.), его толщиной, формой сварного соединения и т. д При сварке более тугоплавких и теплопроводных металлов и сварке больших толщин целесообразно применять электронный луч с более высокой плотностью энергии.

 

          Рисунок 2.8 - Макрошлифы сварных соединений

При сварке легкоплавких и легкоиспаряющихся металлов и сварке малых толщин целесообразно использование лучей с относительно малой плотностью энергии, а в ряде случаев с импульсным процессом нагрева.

На рис.2.8, а показаны макрошлифы, на которых видно изменение формы и размеров зоны проплавления при сварке электронным лучом различной мощ­ности при разгоняющем напряжении 70 кВ.

При использовании электронного луча, обладающего большой плотностью энергии, обнаруживается ярко выраженное направленное тепловое воздействие. Зона расплавления в металле вытягивается преимущественно в направлении дейст­вия электронного луча. При дальнейшем повышении мощности зона проплавле­ния принимает форму конуса с отношением глубины шва h к ширине проплавле­ния b, достигающим 10—15. На рис. 2.8, 6 показан макрошлиф поперечного сече­ния соединения из стали различных марок, выполненного электронно-лучевой сваркой. Важным преимуществом сварки электронным лучом является возможность получения узкой и глубокой зоны проплавления. Однако процесс образования глубокого кратера и условия его устойчивого существования в процессе сварки еще полностью не выяснены. В технической литературе высказываются различ­ные предположения о механизме образования кратера, часто диаметрально проти­воположные. Связано это с большими трудностями, возникающими при постановке экспериментов по выяснению механизма возникновения и устойчивого сущест­вования кратера, и, кроме этого, нет ясности в роли силовых факторов, действую­щих на расплавленный металл при глубинном проплавлении.

Наблюдения за процессом сварки и теоретические расчеты позволяют полу­чить некоторые представления о процессе сварки электронным лучом с глубоким проплавлением. В начальной стадии при [неподвижном луче наблюдается обра­зование углубления в металле в виде конуса (рис. 2.9). Конус проплавления образует­ся следующим образом: по мере достижения заданной мощности и фокусирования вся энергия луча сосредоточивается в поверхностном слое свариваемого металла, толщина которого равна глубине проникновения электронов в металл, При этом площадь пятна нагрева равна площади сечения луча, и плотность энергии на поверхности металла максимальна. Эксперименты показывают, что в начальной ста­дии нагрева неподвижным лучом наблюдается интенсивный вынос жидкого металла из зоны нагрева. В металле образуется углубление в виде конуса, боковая поверх­ность которого значительно больше площади основания конуса, вследствие чего плотность энергии луча на его боковой поверхности уменьшается. Установив­шаяся плотность энергии на боковой поверхности конуса проплавления имеет такую величину, при которой размеры кратера не изменяются.

 

а)

Рисунок 2.9 - Образование зоны проплавления при неподвижном луче:

а — распределение энергии  в луче; б — форма проплавления; в — распределе­ние энергии луча в зоне расплавления.

Исследования кратеров проплавления при неподвижном луче показывают, что стенки кратера имеют весьма тонкий слой жидкого металла, толщина которого для стали не пре­вышает 0,15 мм,

Процессы, происходящие в кратере, представляются весьма сложными. Ин­тенсивная электронная бомбардировка металла на передней стенке кратера, сопро­вождающаяся значительным перегревом металла, высокие скорости кристалли­зации металла на задней стенке кратера, обусловливающие высокие градиенты температур, наличие паров и газов в канале кратера и взаимодействие их с элект­ронами пучка, приводящее к пульсирующему подводу энергии в кратер, сложные перемещения жидкого металла в кратере, вызывающие недостаточно качественное формирование металла шва на некоторых режимах, и ряд других явлений затруд­няют изучение этого процесса.

Выяснение характера переноса металла в кратере и сил, участвующих в этом переносе, имеет большое значение для понимания процессов, происходящих при электронно-лучевой сварке. Экспериментально установлено, что при движущемся луче плавление металла происходит на передней стенке кратера, после чего рас­плавленный металл перемещается к задней стенке, не подвергающейся нагреву электронным лучом, где он и кристаллизуется.

До последнего времени не было единства мнений в вопросе о путях переме­щения жидкого металла в кратере: в литературе можно встретить мнения, что пере­нос металла в кратере происходит в основном через дно сварочной ванны. Резуль­таты экспериментов показывают (рис. 2.10), что перенос металла в зону кристалли­зации происходит по стенкам кратера, так как при эксперименте происходило сквозное проплавление пластины и ванна дна не имела.

 

Рисунок 2.10 - Схема переноса жидкого металла при электронно-лучевой сварке: 1 — электронный луч; 2 — передняя стенка кратера; 3 — зона кристалли­зации; 4 — путь движения жидкого металла; 5 — направление сварки

Установление факта переноса жидко­го металла по стенкам кратера является весьма важным для практики электронно­лучевой сварки, так как дает возможность использовать его для улучшения качества сварного соединения и повышения про­изводительности. Важным также является выявление сил, под действием которых происходит перемещение жидкого метал­ла в кратере.

Теоретический анализ показывает, что действием известных сил (давление потока электронов, электромагнитные силы, реакция паров металла, статическое давление паров) нельзя объяснить пере­мещение металла в кратере.

Силы, перемещающие жидкий ме­талл в кратере, возникают в результате неравномерного распределения темпера­тур в кратере. На передней стенке кра­тера, которая подвергается воздействию электронного потока, температура в по­верхностном слое может достигать тем­пературы кипения металла; на задней стенке кратера температура близка к температуре кристаллизации. Вследствие температурного градиента создаются усло­вия, при которых металл может транс­портироваться из зоны нагрева в зону кристаллизации под действием сил по­верхностного натяжения.

Известно, что сила поверхностного натяжения зависит от температуры. Чем больше температура, тем меньше сила поверхностного натяжения. Поэтому при наличии градиента температур на поверхности жидкого металла появляется сила (направленная тангенциально к поверхности), величина которой определяется градиентом поверхностного натяжения P_t — grad а. Она стремится привести поверхность жидкости в движение в направлении от места с меньшим к местам с большим поверхностным натяжением; жидкий металл должен перемещаться от больших к меньшим температурам, т. е. в нашем случае от передней к задней стенке кратера.

Расчеты показывают, что в процессе сварки за счет термокапиллярного эффекта переносится около 20% металла. Основной перенос жидкого металла осуществляется из-за разности давлений, вызванных различным поверх­ностным натяжением в зоне плавления и кристаллизации. Характерной особенностью сварки электронным лучом является возможность получения сварных соединений при минимальных затратах энергии на расплавле­ние металла.

 При электронно-лучевой сварке требуется в 10—15 раз меньше энергии, чем при дуговой.

На рис. 2.11 приведен макрошлиф, иллюстрирующий соотношение площадей зон проплавления, полученных при дуговой и электронно-лучевой сварке. Из макрошлифа следует, что площадь зоны проплавления при электронно-лучевой сварке примерно в 25 раз меньше, чем при дуговой.

Известно, что в процессе сварки методами плавления основной металл, приле­гающий непосредственно к зоне шва, подвергается своеобразной термической обработке, в результате чего в зоне термического влияния наблюдается рекристаллизация и рост зерна. Это вызывает ухудшение физико-механических свойств металла сварного соединения. Особенно опасно длительное воздействие высоких температур на основной металл при сварке аустенитной стали, сплавов циркония, молибдена и других металлов, склонных при нагреве к значительному росту зерна и к снижению коррозионной стойкости.

 

Рисунок 2.11 - Зона проплавления при аргоно-дуговой В и

                       электронно-лучевой сварке А

Высокая концентрация энергии в луче обеспечивает получение швов не только с минимальной зоной расплавленного металла, но и соединений, металл которых в околошовной зоне не претерпевает значительных изменений вследствие ввода минимального количества тепла и значительных скоростей охлаждения.

Отсутствие значительной по протяженности зоны термического влияния исклю­чает недостатки, возникающие при эксплуатации конструкций, вызванные изме­нением физико-механических свойств металла в околошовной зоне.

Типовая электронно-лучевая сварочная установка, схема ко­торой приведена на рис. 5.1, включает основные элементы:

электронно-лучевую сварочную пушку с системами электро­питания и управления, формирующую поток электронов, уско­ренных в зависимости от типа установки до энергии 20—30 кэ & (низковольтные пушки), 30—100 кэв (пушки с промежуточным ускоряющим напряжением), 100—200 кэв (высоковольтные пушки);

вакуумную камеру со смотровыми окнами, люками загрузки и выгрузки изделий и механизмами перемещения либо вращения изделий;

вакуумную систему, поддерживающую при сварке в рабочем объеме камеры разрежение 10^-4—10^{-5 мм рт. ст,,} с приборами его контроля.

Поток электронов, эмитируемых катодом, предварительна формируется электростатическим полем в области катод — анод,, причем скорость электронов является функцией разности потен­циалов между анодом и катодом. Величина тока луча регулиру­ется путем подачи отрицательного напряжения на управляющий (прикатодный) электрод или путем изменения температуры като­да. В пространстве после анода движение электронов происхо­дит со скоростью, соответствующей приложенной разности по­тенциалов, и автономно по отношению к свариваемому мате­риалу.

Управление величиной удельной энергии, высвобождаемой в месте бомбардировки материала потоком электронов, осущест­вляется с помощью системы электромагнитной фокусировки луча. Система электромагнитного отклонения луча позволяет пери­одически или непрерывно совмещать пятно нагрева со сварным стыком при отклонении последнего от геометрической оси пушки или выполнении сварки по сложному контуру.

В зависимости от назначения электронно-лучевая пушка с соответствующими системами электропитания и управления должна обеспечить локальность нагрева либо большую мощность электронного луча при достаточно высоких значениях удельной мощности в пятне нагрева, либо изменение подводимой к изде­лию мощности по опреде­ленной программе и т. л. Естественно, что проек­тирование электронно-лу­чевых сварочных систем

Электронно-лучевые сварочные пушки могут быть стационарными или перемещаемыми внутри вакуумной камеры. Размеры вакуумных камер электронно-лучевых сварочных установок определяются габаритами свариваемых изделий.

В настоящее время имеются вакуумные сварочные камеры объемом в десятки м³. По мере увеличения габаритов сварочных камер возрастает время, необходимое для создания в камере установки, соответствующего разрежения.

 

 

 

 

Рисунок 5.1 Схема установки для электронно-лучевой сварки:

1 - стационарная электронно-лучевая сварочная пушка; 2 - катод и прикатодный электрод; 3-анод; 4 - смотровое окно, 5 - вакуумная камера ;6 – мех. перемещения изделия; 7 – затвор высоковакуумного агрегата; 8 – высоковакуумный насос; 9 - вакуумный вентиль: 10_ форвакуумный насос; 11 - вакуумный провод; 12 - система электромагнитного отклонения луча : 13 – система фокусировки луча; 14 - высоковольтный вьшрямитель и модулятор.

   Удорожается также стоимость установки. Поэтому ведутся интенсивные исследования с целью создания малогабаритных стационарных и передвижных вакуумных камер, обеспечиваю­щих необходимое разрежение только в месте сварки и вывода электронного луча достаточной мощности в атмосферу с местным поддувом защитных газов.

  Параметрами процесса электронно-лучевой сварки являются: ускоряющее напряжение U уск в кв ; ток пучка Iп в ма ТОК маг­нитной фокусирующей линзы I м в ма , определяющий диаметр пятна воздействия потока электронов на изделии или конфигурацию потока электронов по отношению к изделию (рис.5.4) при определенных распре­делениях плотности электронов в поперечных сечениях пучка; ско­рость сварки Vc в в м/ч.

Ускоряющее напряжение и ток пучка определяют величину подво­димой энергии для сварки, а вели­чина удельной мощности играет су­щественную роль в характере проплавления при электронно-лучевой сварке металлов.

Изменением скорости сварки удается в определенных пределах регулировать скорость кристалли­зации металла сварного шва и тер­мическое воздействие на основной металл в околошовной зоне.