Экспериментальные исследования теплового воздействия концентриро­ванного потока энергии мощностью 10s—10’ Вт/сма на металлы показали следующее?

при постоянном во времени потоке энергии возникают колебания физи­ческих параметров, характеризующих систему луч—вещество: потока пара, интенсивности светового излучения, эмиссии электронов и т. п. из зовы воздействия луча,

существует критическое значение по­тока энергии для возбуждения коле­баний: если поток энергии больше критического значеная, то колебания возникают, если меньше — то не воз­никают. Конкретное критическое зна­чение потока зависит от материала мишени и параметров луча.

Такое поведение системы луч—ве­щество присуще автоколебательным системам [10],

Экранировка луча ііаром испаря­ющегося с поверхности вещества играет существенную роль в процессе нагрева металлической мишени. При опреде­ленных условиях эта экранировка при­водит к возбуждению автоколебаний [1, 6, 7, 121.

При нагреве вещества постоянным во времени потоком энергии, который больше некоторого критического зна­чения, характер изменения темпера­туры поверхности существенно отли­чается от общепринятого: температура поверхности вещества не стремится к постоянному значению, а колеблется. Эта закономерность обусловлена воз­никновением автокодебав ий темпера­туры и плотности пара в процессе нагрева. Механизм автоколебаний за­ключается в экранировке потока энер­гии паром вещества и в существовании релаксационных процессов в газодина­мике пара. Критическое значение по­тока энергии, амплитуда, частота ко­лебаний зависят от параметров потока энергии, теплофизических характери­
стик материала, газодинамических ха­рактеристик пара и характеристик взаимодействия потока энергии с па­роль

«Автоколебательной системой назы­вают систему, преобразующую энер­гию постоянного источника в энергию колебаний. Необходимыми элементами всякой автоколебательной системы яв­ляются: 1) собственно колебательная система, 2) источник постоянной энер­гии, 3} элемент, управляющий по­ступлением энергии в колебательную систему, который мы условно назовем клапаном, 4) цепь обратной связи между колебательной системой и «кла­паном» [10].

Рассмотрим схему теплового воздей­ствия КПЭ на вещество. Луч из источ­ника энергии падает на поверхность вещества и нагревает его, изменяя температурное поле в веществе. Поток паров испаряющегося с поверхности вещества движется навстречу потоку частиц луча и взаимодействует с ним. Вследствие этого уменьшается интен­сивность нагрева.

Таким образом, кинетику исследуе­мой системы следует изучать с точки зрения взаимосвязей между тремя основными частями: КПЭ (лучом),

паром испаряющегося вещества, ве­ществом (его температурным полем).

Автоколебательная система луч— пар—вещество (рис. 12.9) включает следующие элементы: источник энер­гия—луч, клапан—рассеяние луча па паровом облаке, колебательную си­стему — релаксационные процессы в кинетике плотности пара я дисси­пативные процессы отвода теплоты из зоны воздействия, обратную связь —

и

Рис. 12.10. Схема модели взаимодействия ЭЛ с веществом:

R — радиус ЭЛ, 1 — глубина проникнове­ния электронов в материал; х, у, г — координаты

зависимость интенсивности испарения вещества от температуры поверхности. Простейшее математическое описа­ние автоколебательной системы пред­ставляет собой автономную систему двух обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка [19].

Представим уравнения, описываю­щие кинетику процесса, в следующем виде (рис. 12.10):

dT/dt (Т~Та) +

+ Qexp(-Blpi’); (12.27) dpldi — (o/S) In (() — -«{T(/-t(S))}]-

— fo/(pS2)] ІР-аОП (12.28) T (0) = Г»; p (0) = p„;

и (Г) = <АП/Г> ехр (—BJT) (12.29)

т (S) = S/v — р58Л).

Здесь Т — температура — вещества; t — текущее время; g — температуропро­водность вещества мишени; Le — эф­фективная тепловая длина (толщина мишени}; Q = ga/(Lecy) — эффектив­ная интенсивность нагрева, где д2 — удельная мощность луча; с — тепло­емкость нагреваемого материала; у — плотность материала; р — плотность паров; 5 jw (1-ї-10) R, где Я — ра­диус луча; v (Т) — скорость частиц пара; я(Т) — плотность насыщенного пара вещества; т; — вязкость паров; Ап, Вп — феноменологические кон­станты, определяемые по зависимо­стям давлении насыщенного пара при температуре Т.

При воздействии луча с дг = 105-ь -т-10т Вт/см3 температура в пятне около (2-^5) 10® К. При таких тем­пературах плотность насыщенного пара такова, что длина свободного пробега атома в паре становится меньше раз­мера парового облака. Следовательно, в газодинамике пара необходимо учи­тывать взаимодействие атомов друг с другом.

Из пятна луча истекает газовая струя, которая вблизи поверхности металла образует паровое облако (фа­кел). Как известно, свободная струя становится турбулентной при очень малых числах Рейнольдса. При этом в газовой струе существуют пульсации плотности.

Так как поток энергии, доходящий до мишени, зависит от плотности паро­вого облака, а плотность парового облака зависит от температуры луча, то при определенных условиях круп­номасштабные (порядка размера фа­кела) пульсации плотности пара и температуры в пятке луча раскачи­ваются. В итоге устанавливаются авто­колебания.

Поток паров из пятна луча состоит условно из двух составляющих: одна идет на поддержание существования самого облака, другая течет сквозь облако. Тогда конвективный (первый) член в (12.28) соответствует появлению пульсаций (т), а диффузионный (вто­рой) член — их рассасыванию.

Пусть Те, рв = п (Те) — стационар­ное решение системы (12.27)—(12.28).

Введем обозначения;

И — atPeS/t; р = ViPeS2);

<4 = Р (// + ft); Y = реР^Ль;

е=[(у-1 )H-h-p].

Автоколебания возбуждаются при 8> 0, причем

Р i{) = Ре + (h/H)peAe cos <aet +

+ (щіН) рИе sin <Йв/, n (T (()) = Pc + pBi4eCOS<Oe/, амплитуда колебаний

в

р 12ЫН + ЗА2///2 + 3ш8/Я2] J * частота колебаний

«с =" “о + “о (Яр/“о) [-g — (Д2/Я2) X

х (1 — f ft///) — Ь — К/О X
X (1 + ЗоуЯ) л2] .

Расчет частоты автоколебаний по полученным формулам дал удовлетво­рительное совпадение с эксперимен­тальными данными. Частоты автоко­лебаний ше — 102-г-104 Гц, а ампли­туды Ае = (1-ї-5) 10гК. Более де­тальный анализ аналитической за­висимости амплитуды и частоты авто­колебаний показал, что они зависят от мощности луча (температуры Те) (рис. 12.11). Так как поток пара, эмиссия электронов, интенсивность светового излучения и т. п. из зоны воздействия луча зависят от темпе­ратуры поверхности вещества, то ко­лебания температуры пятна вызывают и колебания перечисленных излуче­ний. Экспериментально наблюдаемый режим «взрывного» испарения соответ­ствует режиму автоколебаний, так как последний сопровождается рез­ким увеличением амплитуды колеба­ний парового облака (факела).

Так как температурное поле в ми­шени определяет теплофизические про­цессы, происходящие в нем (плавление, испарение, гидродинамические явле­ния в расплаве и т. п.), то обнаружен­ная закономерность существования не­затухающих во времени собственных колебаний температурного поля и плот­ности пара позволяет рассматривать в научных исследованиях и в при­кладных разработках физику этих процессов с качественно новой точки

зрения. В частности, это приводит к выводу о существовании резонансных режимов нагрева вещества.

Использование резонансных режи­мов нагрева вещества открывает ши­рокие возможности для повышения эффективности и разработки новых способов сварки и обработки мате­риалов кпэ.

Регистрация характеристик колем бани и дает новые принципиальные разработки различного рода датчиков для создания аппаратуры контроля, необходимой для конструирования ав­томатизированных систем управления технологическими процессами.

Список литературы

1. Автоколебательные процессы при воздействии концентрированного по­тока энергии на металлы/Н. Н. Рыка-
лин, А. А. Углов, И. В. Зуев и др. — Журнал экспериментальной и теоре­тической физики, 1963, т. 85, выП. 6{12), с. 1953—1961.

2. Афанасьев Ю. А., Крохин О. Н.

Испарение металлов под действием луча лазера. — Журнал эксперимен­тальной и теоретической физики, 1967, .т. 52, № 4, с. 966.

3. Бурмакин В. А., Попов В. К — О некоторых физических явлениях процесса взаимодействия электронного пучка с твердым телом. — Физика и химия обработки материалов, 1972, № 6, с. 5—13.

4. Ерохин А. А. Основы сварки плавлением. Физико-химические зако­номерности. М.: Машиностроение, 1973. 448 с.

5. Ерохин А. А., Резниченко В, Ф., Худышев А. Ф. Об эффективности коэффициента полезного действия про­цесса проплавления (сварки) электрон­ным лучом. — Физика и химия обра­ботки материалов, 1970, № 3, с. 131— 133.

6. Зуев И. В., Селищев С. В., Ско — белкин В. И. Автоколебания при воз­действии концентрированных источни­ков энергии на вещество.—ДАН СССР, 1980, т, 225, № 6, с. 1372— 1375.

7. Зуев И. В,, Селищев С. В., Ско­бе л кин В. И. Автоколебания при воз­действии концентрированных источни­ков энергии на вещество. — Физика и химия обработки материалов, 1980, № 6, с. 3—7.

3. Зуев И. В., Рыкалин М. Н., Углов А. А. О колебаниях глубины проплавления при электронно-лучевой сварке. — Физика и химия обработки материалов, 1975, № I, с. 136—141.

9. Зуев И. В., Рыкалин Н. Н., Углов А. А. Оценка критической удельной мощности электронно-луче­вой сварки металлов с кинжальным проплавлением. — Физика и химия об­работки материалов, 1970, № 3, с. 3-7.

10. Лайла П. С. Автоколебания в си­стемах с конечным числом степеней свободы. М.: Наука, 1980. 369 с. ""И. Миткевич Е. А., Башенке В. В., Ильясова С. X. Некоторые особенности

обработки диэлектриков электронным лучом. — Физика и химия обработки материалов, 1968, № 1, с. 16.

12. Модель автоколебания при воз­действии концентрированного патока энергии на вещество/Н. Н. Рыкалин, В. И. Скобелкин, И. В. Зуев к др. — ДАН СССР, 1981, т. 257, Jft 1, с. 99—

101.

13. Ольшанский Н. А., Маму­тов Е. Л. Расчет движения паров в канале проплавления при электрон­но-лучевой сварке различных мате­риалов. — Электронная обработка ма­териалов, 1970, № 6, с. 3—8.

14. Оценка влияния теплопроводно­стей на критические параметры элек­тронно-лучевой обработки материалов/ Г. Е. Горелик, Н. В. Павлюкевич, Т. Л. Перельман и др. — Физика н химия обработки материалов, 1974, № 3, с. 30—32.

15. Попов В, К. Некоторые вопросы теории электронной технологии. — Электронная техника. Сер. 1. Электро­ника СВЧ, 1970, вып. 4, с. 109—129.

16. Раховскяй В. И. Физические основы коммутации электрического то­ка в вакууме. М.: Наука, 1970. 536 с.

17. Рыкалин Н. Н." Производитель­ность и эффективность процесса плав­ления металла сварочной дугой. — В кн.: Процессы плавления основного металла при сварке, М.: Изд-во АН СССР, 1960, с. 5—70.

18. Рыкалин Н. Н., Зуев И. В., Углов А. А. Основы электронно-луче­вой обработки материалов. М.: Маши­ностроение, 1978. 239 с.

19. Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1977. 736 е.

20. Шумахер Б. Законы проникнове­ния электронов в вещество. — В кн.: Электронно — и ионно-лучевая техноло­гия. М.: Металлургия, 1968, с. 7—43.

21. Koch F., Naubert О., Wirktings- gradberechmmg beim Elektronen — strahlschweissen. —Ziss. —Mitt,, 1967, v. 9, N 5, s. 818.

22. Schwarz H. Mechanism of high — power-dens Ity electron beam penetra­tion in metal. — Journal of Applied Physics, 1964, v. 35, N 7, p, 2020— 2029.

Гласа

13