Контроль степени нагрева при импульсном электронно-луче­вом воздействии. На основе экспериментальных данных о кине­тике процесса электронно-лучевого воздействия разработаны ме­тоды контроля степени нагрева материала электронным лучом.

Описываемый ниже способ контроля параметров процесса элек­тронно-лучевого воздействия заключается в регистрации комп­лексного параметра q2 = AIU/nd2, т. е. по существу интенсив­ности нагрева.

В процессе воздействия основные параметры электронного луча /, £/, Смогут произвольно меняться по ряду причин. Напри­мер, вследствие пульсаций (ускоряющего напряжения, накала ка­тода, фокусирующей линзы и др.) в источниках питания изменяется как величина тока луча, так и его диаметр. Кроме того, механи­ческие свойства материала, например при сварке в пределах

одного сварного шва, могут меняться вследствие несовершенства технологии изготовления. Тепловые свойства мате­риалов, как известно, также изменяются с изменением температуры. Таким обра­зом, существует большое число факто­ров, вызывающих изменения количества вводимой энергии и удельной. мощности q2 в процессе электронно-лучевого воз­действия и, следовательно, геометриче­ских характеристик зоны обработки. В связи с этим наиболее эффективным является контроль и регулирование ком­плексного параметра q2.

Подпись:Как было показано, сразу после вклю­чения луча ток, проходящий через обра­батывающую деталь, нарастает и дости­гает некоторой предельной величины (рис. 131). Эта предельная величина зависит от физико-химических свойств материала и определяется в основном коэффициентом от­ражения электронов. Величина тока, проходящего через деталь, есть разность тока луча и тока отраженных элек­тронов.

После того как ток, проходящий через деталь, устанавливается, спустя некоторое время, его величина начинает резко падать (рис. 131). Это связано с интенсивной термоэмиссией из зоны обра­ботки вследствие перегрева ее поверхности. Если над зоной обра­ботки или вблизи ее установить датчик в виде пластины, кольца, стержня ит. п., то можно видеть, что изменение тока в датчике пол­ностью повторяет таковое в детали, но в противоположном направ­лении. Когда ток, проходящий через деталь, достигает минимума (рис. 131, точка А), а на датчике—соответственно максимума, начинается так называемое глубокое, или кинжальное, проплавле­ние, т. е. углубление ванны (канала) в материале. Стенки ванны поглощают вторичное излучение с ее поверхности (отраженные электроны и термоэлектроны), поэтому ток, проходящий через деталь, начинает увеличиваться; далее по мере действия луча вследствие значительной глубины ванны (канала) он устанавли­вается примерно на уровне 90—95% первичного тока и изме­няется мало.

Время At от начала импульса до момента достижения макси­мального тока в датчике называют задержкой испарения. По ве­личине этого времени можно определить удельную мощность. Время задержки испарения

At = a/v2,

где а — коэффициент температуропроводности, см2/с; v — ско — 220

рость опускания дна ванны в материал (скорость фронта испаре­ния), см/с.

^ Р [сТ кип ~Ь 1-исп) ’

здесь р — плотность свариваемого металла, г/см3; с— его тепло-

емкость, кал/т-трад; 71кип — температура кипения, град; £исп — теплота испарения, кал/г. Тогда удельная мощность

Я2 “ Р кип т ^исп) V*п/А/. (324)

Изменение удельной мощности в процессе электронно-луче­вого воздействия приводит к изменению величины А/. Если CJ2 по каким-то причинам уменьшается, то растет, если 92 увеличи­вается, А£ уменьшается в соответствии с формулой (324).

Таким образом, контроль задержки иСпарения At по существу есть контроль комплексного параметра, каким является вели­чина о о. Рассмотрим некоторые поимев^ контроля степени ш — Грева При электронно-лучевом воздействии.

1- Допустим, необходимо получить сварной шов заданной глу­бины и ширины. Необходимые для этог() величины тока луча /, ускоряющего напряжения U, диаметр луча d и соответственно удельной мощности q2 установлены. Затьм п0 приведенным выше формулам определяют величину А А котирую необходимо поддер­живать в процессе сварки постоянной. ^ датчику тока эмиссии из сварочной ванны подключают регулятор, который контроли­рует величину А і и обеспечивает ее поддержание на заданном уровне с помощью соответствующего изменения параметров.

2. При установленных параметрах электронного луча /, £/, d и скорости сварки о в данном материал^ максимальная глубина шва, которая может быть получена, ра^на /у. Время импульса, в течение которого осуществляется достижение глубины Н, со — ставляет величину t. Если в процессе св^рки по каким-либо при­чинам превышают величину /, то это приводит к возникновению в сварном соединении характерных для элеКтронно-лучевой сварки дефектов — пустот в корне шва.

Из рис. 131 видно, что после достижения максимального зна — чения ток эмиссии из ванны, регистрируемый датчиком, начинает падать и достигает минимума. Момент Достижения минимального значения тока в датчике (рис. 131, точк:а щ является моментом окончания формирования глубины проплавления при данной q2- Далее начинается периодическое смыкание канала (неоптималь­ный режим сварки), которое может продолжаться сколь угодно долго. Мощность луча при этом поглощается, а увеличения глу­бины шва не происходит. За счет поглощения мощности начинает существенно расти ширина шва.

Для исключения появления газовых полостей в сварном шве в процессе сварки контролируют с поморью датчика ток эмиссии

из ванны и выключают электронный луч не позднее, чем в момент регистрации датчиком минимального тока эмиссии.

3. Допустим, необходимо исключить испарение металла в про­цессе сварки. Подобные задачи возникают, например, при герме­тизации корпусов интегральных схем, где не допускается попада­ние паров металла на поверхности изоляторов. В этом случае с по­мощью датчика тока эмиссии из ванны ведут контроль длитель­ности импульса электронного луча и выключают его либо в мо­мент достижения в датчике максимального тока, либо несколько раньше.

4. Допустим, необходимо нагреть поверхность материала им­пульсом электронного луча до заданной температуры. Такие за­дачи возникают при сварке с предварительным и сопутствующим подогревом, при обработке поверхностей с целью упрочнения, за­калке и т. п. В этом случае, как и в предыдущих, с помощью дат­чика тока эмиссии для заданных значений /, U, d по величине At определяют q2. После этого по формуле

/ __ JL / ЯГ у

~~ а 2q2 ) ’

где Я — коэффициент теплопроводности материала, кал/см *с • град, устанавливают длительность t импульса электронного луча, не­обходимую для нагрева поверхности свариваемого металла до за­данной температуры Т.