Кинетика формирования канала экс­периментально исследована при U = = 20 кВ, I =■= &-=-250 мА в режиме одиночного импульса длительностью 50 мс — 5 с (рис. 12.4). Исследуемый металлический образец диаметром 30 мм и высотой 30 мм устанавливают в рабочей камере на изолятор и через резистор R2 соединяют с землей. В цепь источника включают резистор R1, и с помощью осциллографа С1-37 (в ряде экспериментов К-105} одно­временно регистрируется в процессе импульса сила тока /м проходящего

через мишень, и сила тока /л в источ­нике. Изображение осциллограмм па экране осциллографа С1-37 фотогра­фируется либо переносится на кальку. Осциллограммы сил токов /м и /л при увеличении силы тока лучка от 5 до 250 мА при U = 20 кВ = const зарегистрированы для W, Мо, Ті, Zr, N1, Си, А1 и коррозионно-стойкой стали.

На ряс. 12.5 показан зарегистриро­ванный на осциллографе С1-37 ха­рактер изменения формы импульсов тока длительностью 100 мс в источнике (штриховая линия) и через мишень из исследуемых металлов при увели­чения силы тока луча (сплошная ли­ния). Первоначально увеличение силы тока луча не приводит к каким-либо принципиальным изменениям формы импульса, кроме медленного возра­стания отношения /м//л. Однако по достижении некоторой критической си­лы тока луча /*, зависящей от тепло­физических свойств металлов, начи­нается деформирование формы им­пульса тока, проводящего через ми­шень. При этом в течение некоторого времени М1 через мишень проходит постоянный ток, а в остальное время импульса (f — Д? і) т°к, проходящий через мишень, носит прерывистый (пульсирующий характер). Время Att с увеличением силы тока луча умень­шается, тогда как частота колебаний тока мишени в течение времени (I — Afj) увеличивается.

На рис. 12,6 представлена кривая изменения во времени силы тока, проходящего через мишень, при дли­тельности включения луча і — I с. Сила тока /м в течение времени A/j не изменяется, затем начинает умень­шаться, колеблясь с возрастающей частотой. Спустя некоторое время /м начинает возрастать и достигает при­мерно постоянного значения fw я? ft? (0,84-0,95) /л. Высокочастотное ко­лебания при этом сменяются низко­частотными.

Анализ зависимости, приведенной на рис. 12.6, показывает, что в изме­нении формы импульса, проходящего через мишень тока, наблюдаются че­тыре стадии: 1 — постоянный ток в те­чение Af,; 2 — пульсирующий ток

Рис* 12,4. Схема измерения параметров формирования канала:

1 — фокусирующая система: 2 — ЭЛ: 3 — коллектор; 4 — изделие; 5 — источник пи­тання; 5 — ошнллограф

с возрастающей частотой, уменьша­ющейся по амплитуде в течение А/х; 3 — пульсирующий ток с возраста­ющей частотой и возрастающей сред­ней амплитудой в течение Afs; 4 — пульсирующий низкочастотный ток с постоянной средней амплитудой в те­чение A t4.

^Установлено, что пульсирующий ха­рактер тока, проходящего через ми­шень, является следствием колебаний нескольких типов. В течение периода А/, (см. рис. 12.6) в основном имеют место колебания с частотой 50 Гц, на которые накладываются частоты 300 Гц. В течение периода Afs характер колебаний усложняется, так как на частоты 50 и 300 Гц накладываются частоты до 10* Гц (рис. 12.7). К мо­менту начала периода Д/4 все эти колебания пропадают и остаются низ­кочастотные в диапазоне 6—50 Гц. Одновременная независимая регистра­ция силы тока, проходящего через мишень, и характера изменения давле­ния в камере в районе сварочной ванны ионизационным манометром ЛМ-2 дают одинаковые результаты изменения частоты колебаний. При этом максимуму силы тока мишени периодически соответствует минимум давления в районе обработки.

Анализ фермы зон проплавления е коррозионно-стойкой стали, полу-

Рис — 12.-5. Характер изменения формы импульса тока длительностью 100 мс, проходя­щего в источнике (штриховая линия) и через мишень иа исследуемых материалов при

увеличении силы тока луча

ченных соответственно за время Д/1( ЛЛ + Д/g, Д/, + Д/г + Д/3 и за пол­ное время импульса / (геометрия этих зон представлена на рис. 12.6), позво­ляет представить кинетику формиро­вания кинжального проплавления. В течение времени Л/ц происходят нагрев образца и отвод теплоты от зоны воздействия вследствие тепло­проводности. Для большинства ме­таллов в конце периода Д/і начинается плавление (исключение составили мо­либден и вольфрам). Эмиссия из ванны в течение этого времени обусловлена в основном вторичными и отражен­ными электронами. Доля вторичной эмиссии с увеличением силы тока импульса, т. е. с увеличением скорости нагрева, падает.

Период Д/j характеризуется появ­лением интенсивной термоэмиссии из ванны. Ток термоэлектронов имеет направление, противоположное пер­вичному. Поэтому сила тока /м, про­ходящего через мишень, представляет собой алгебраическую сумму сил токов Ли = /л — Ли, где 1В — сила тока эмиссии из образца отраженных вто — ричных электронов и термоэлектро­нов.

1 — титан; 2 — коррозионно-стойкая сталь;
$ — никель; 4 — цирконий; 5 — алюми-
ний; € — молибден; 7 — медь; 8 — воль-
фрам

Выше отмечено, что к концу пе­риода Л/] металл, как правило, рас­плавлен. В течение периода Д/2 тем­пература расплавленного металла рас­тет, соответственно увеличивается и сила тока термоэмиссии. Частота коле­баний силы тока в период Д/£, как уже отмечалось, составляет 50 Гц с наложением частоты 300 Гп. Колеба­ния с частотой 300 Гц являются ре­зультатом нестабильностей ускоряю­щего напряжения. Действительно, ста­билизация ускоряющего напряжения в пределах 1—2 % позволяет убрать гармонику с частотой колебаний 300 Гц. Причиной появления гармо­ники с частотой колебаний Е0 Гц являются, по-видимому, пульсации в других источниках литания.

Начало периода Д/, является мо­ментом перехода к интенсивному па­рообразованию. В это время начинает­ся выброс металла из ванны вслед­ствие 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 начи­
нает поглощаться стенками ванны (ка­нала). Поэтому, начиная с этого мо­мента (см. рис. 12.6), сила тока, про­ходящего через мишень, увеличивает­ся. К концу периода Дtt глубина ка­нала достигает такого значения, при котором стенки поглощают практи­чески все вторичное излучение. Сила тока, проходящего через мишень, при­ближается к силе первичного тока [5 j.

Таким образом, период Д(3 — «чи­стое» время образования канала. Да­
лее в течение периода Д(4 углубления канала не происходит. Пульсации тока с частотой 6—50 Гц, характерные для этого периода, являются след­ствием периодического смыкания ка­нала в верхней его части.

Серия экспериментов подтвердила представления о прерывистом про­цессе образования канала вследствие периодического рассеяния ЭЛ. Пред — лолагалось, что процесс непрерывного воздействия ЭЛ на материал (напри-

мер, воздействие в экспериментах в те чение f = 1 с) в какой-то мере анало­гичен импульсному воздействию с дли­тельностью импульса (время испаре­ния элементарного слоя, толщина ко­торого этого же порядка, что и длина пробега электронов на дне канала) и временем паузы тр (в паузе канал не углубляется, а только образуется жидкая фаза вследствие рассеяния ЭЛ). Если от непрерывного воздействия перейти к импульсному с временем импульса ta = т„ и длительностью паузы = Тр, то вместо проплавления на глубину И за период t должно образоваться отверстие глубиной Я0

Н. В этом случае ЭЛ «включается» только на время испарения и затем «выключается», чтобы не образовался избыток жидкой фазы вследствие рас­сеяния ЭЛ на продуктах выброса. Исходя из высокочастотных пульсаций тока через даишень в течение периода Д(3 (см. рис. 12.6) при режиме = = Ы(Г» с, {— 100 Гц при U — = 20 кВ, / — 150 мА, л; 10& Вт/см*, получены отверстия диаметром 2 мм н глубиной 15—60 мм в детали из коррозионно-стойкой стали и алюми­нии (рис. 12.6). Отверстия получены также в деталях из других металлов и сплавов, в том числе из молибдена глубиной до 5 мм.

Таким образом, как расчеты, так и прямые эксперименты показывают, что формирование глубокого проплав­ления имеет пульсирующий характер. При воздействии на «мягких» режимах (без образования канала) пульсации зависят от аппаратуры и стабильности работы источников питания. Частота пульсации тока в этом случае 50 Гц с наложением частоты 300 Гц. При воздействии на «жестких» режимах (с образованием канала) частота пуль­сации определяется удельной мощ­ностью и в экспериментах составляла (0,5-!-1,2) 10я Гц. Высокочастотная пульсация тока является следствием периодического рассеяния (экраниров­ки) ЭЛ при углублении канала. Обра­зовавшийся канал вследствие непре* кращающегося притока энергии пе­риодически смыкается в верхней своей части, т. е, пульсирует с частотой

6— 50 Гц. Использование импульсного ЭЛ с учетом естественной пульсации процесса открывает широкие возмож­ности для управления процессом элек­тронно-лучевого воздействия.