Для идентификации стадий нагрева материала ЭЛ необходимо исследовать временную зависимость силы тока, протекающего через образец, при не­изменных основных параметрах элек­тронно-лучевой обработки [10, 14]. Такие зависимости получены при ускоряющем напряжении 1/ус1. =

= 20 кв, силе тока луча /л = 0-Ь — i-250 мА и длительности электронно­лучевого воздействия Т= 1 МС-г-5 с для металлов W, Mo, Zr, Ті, Си, Al, Ni, коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т. Изменение силы тока 1М, протекающего через образец, регистри­ровалось при постоянных параметрах обработки. Схематическое изображе­ние типичной осциллограммы тока /м представлено на рис. 14.8. На большей части кривой (штриховая линия) сила тока /м является пульсирующей. На участке Дії частота пульсации состав­ляет 50 Гц с наложением частоты 300 Гц; на участке Ді2 на эту частоту (50 Гц) накладываются высокоча­стотные пульсации (до 10s Гц); на уча­стке Ді, частота пульсаций б—50 Гц. Штриховой линией на рис. 14.8 пока­зано изменение среднего значения силы пульсирующего тока

В работе [9] подобные зависимо­сти получены при обработке стала I2X18H10T при следующих режимах: УуСК = 30 кВ,. /л == 400 мА. При получении глубоких (до 30 мм) про­плавлений зарегистрированы колеба­ния силы тока /м с частотой 0,05— 30 Гц.

Причинами возникновения пульса­ций тока /м могут быть пульсации напряжения в источниках питания (частоты 50 и 300 Гц), взаимодействие электронного пучка с испаряемым металлом (частоты порядка единиц килогерц), колебания жидкого ме­талла в канале проплавления (частоты 0,05—50 Гц).

Для исследования связи характера изменения силы тока /м со степенью электронно-лучевого нагрева металла использована схема, показанная на рис. 14.9. Сигнал, поступающий на вход светолучевого осциллографа Н-117, проходит через низкочастот­ный RC-фильтр, полосу пропусканий которого выбирают, исходя из соотно­шений;

2л/н> 1/(/?фС) > 2я/д; (14.5)

l/{2ji/uC)<flr, (14.6)

где /П — частота пульсаций; }я — ча­стота изменения среднего значения силы тока; Rr — сопротивление галь­ванометра осциллографа.

При выполнении условия (14.5) и

(14.6) па вход осциллографа посту­пает только низкочастотный сигнал. Полагая fa тщ = 50 Гц и /дтах = 5 Гц, получим 0,032 < КфС < 0,032.

Чтобы схема измерения не влияла па протекание тока силой /м через об­рабатываемую деталь, соблюдается соотношение Яф >• Яа, где /?ф — со­противление фильтра; Я3 — сопро­тивление заземления.

На рис. 14.10, а показана осцилло­грамма силы тока 1Ж, полученная без применения фильтра. Осциллограмма рнс. 14.10, б получена с применением RC-фильтра. Характер изменения сигнала, записываемого осциллогра­фом в этом случае, соответствует из­менению среднего значения силы пуль­сирующего тока. Низкочастотные пульсации с частотой ^ 5 Гц, про­ходят через фильтр и наблюдаются на осцнллогр аммах.

Режимы электронно-лучевой обра­ботки образцов из СтЗ приведены в табл. 14.8.

На рис. 14.11—14.13 показаны ма-

крошлифы зон электронно-лучевого воздействия, соответствующих раз­личным режимам обработки.

Силу протекающего через образец тока /м можно представить в виде алгебраической суммы сил токов;

1т = Л» — (7вг + 7т), (14.7)

где 1л — сила Т0!1а электронного луча; /вт — суммарная сила тока вторич­ных и отраженных электронов; /т — сила тока термоэлектронной эмиссии.

После выхода на стационарный ре­жим электронно-лучевого воздействия (длительность процесса определится переходными процессами в электронно­оптической системе установки) сила тока /м будет постоянной до точки А (рис, І4.14). Предельное значение /к в этом интервале времени определится коэффициентом отражения и коэф­фициентом вторичной эмиссии электро­нов, которые практически не зависят от температуры. В течение периода Дії поверхность детали разогревается до температуры, примерно равной тем­пературе плавления. Для большинства материалов (Al, Си, Ті, Ni, Zr, корро­зионно-стойкая сталь) к моменту вре­мени, соответствующему точке А, на­

тронно-луч ев Об обработке;

1 — обрабатываемая деталь; 2 — ЭЛ; 3 — RC-филыр; 4 — осциллограф

чинается плавление. Исключение со­ставляют W и Мо, Для образцов из СтЗ плавление начинается практи­чески сразу после выхода ЭЛ на ста­ционарный режим.

В интервале времени Діа — Дії происходит резкое уменьшение силы тока /м вследствие интенсивной тер­моэлектронной эмиссии. Сила тока /м в этом интервале времени определится выражением (14.7), в котором /л, /вт остаются постоянными, а /т возрас­тает в соответствии с законом Ричард­сона—Дэшмана: Тт = .4 Т2е~" ф/< >,

где fe—постоянная Больцмана; Т — температура поверхности.

Работа выхода электронов ср и кон­станта А определяются материалом и состоянием поверхности образца. Точка В на кривой (рис. 14.14) соот­ветствует началу интенсивного паро­образования. Формирования канала проплавления (перемещения фронта испарения в глубь металла) к моменту окончания интервала Ai3 еще не про­исходит (см. рис. 14.11, режим I).

В интервале времени Ді3 — Д/а происходит формирование канала

14.8. Режимы обработки

образцов из СтЗ

ТІІ1ДС-КС режима

Ускоря­ющей к апряже* ние, кВ

Сила

тока

луча, мА

Время

ВОЗДЄҐ1- СТИН Я, с

і

25

30

0,5

и

25

30

3

ш

25

30

10

проплавления (см. рис. 14.12, режим II). По мере углубления дна канала его стенки поглощают все большую долю отраженных (эмиттированных) со дна электронов и значение /м уве­личивается. Наибольшее значение /м в точке С определяется максимально

достижимой при данной удельной мощ­ности глубиной канала проплавле­ния.

Если длительность воздействия т> > At3, происходит поглощение мощ­ности ЭЛ без углубления канала про­плавления; растет количество жидкой фазы в зоне обработки и сварки (не­оптимальний режим электронно-лу­чевой обработки и сварки). Проведе­ние электронно-лучевой сварки в та­ком режиме приводят к появлению одного из существенных дефектов сварных швов — газовых полостей (см. рис. 14.13, режим III).

Сопоставление осциллограмм силы тока /м, протекающего через обраба­тываемый образец, с характером зон электронно-лучевого взаимодействия показывает, что на кривых силы тока /м можно выделить точки, в которых характер кривых резко меняется (точки Л, В и С на рис. 14.14). Эти точки соответствуют началу (оконча­нию) определенных стадий электронно­лучевого нагрева. Определяя моменты времени, соответствующие резкому изменению характера временной за­висимости силы тока /м, можно выделить следующие стадии процесса электронно-лучевого нагрева ме* таллов:

разогрев образца в зоне обработки до температуры начала интенсивной термоэлектронной эмиссии (обычно соответствующей температуре плав­ления металла) — интервал времени Alii

разогрев образца в зоне обработки до температуры начала интенсивного парообразования — интервал времени Д/2;

формирование канала проплавле­ния — интервал времени Ats — Д/2;

«неоптимальний режим обработки»— интервал времени т—Дts.

Таким образом, непрерывная реги­страция н анализ временной зависи­мости силы тока, протекающего через обрабатываемую деталь в процессе электронно-лучевого воздействия, поз­воляет выделить стадии электронно­лучевого нагрева, т. е. осуществлять непрерывный контроль электронно­лучевой обработки.

Рис. 14.12. Макрошлиф проплавления (я) в стали СтЗ и осциллограмма силы тока /м (б1)

Обработка в режиме II

Рис* 14.13, Макрошлиф проплавления (#) в стали СтЗ и осциллограмма тока (#)*

Обработка в режиме III

Рис. 14.14. Схема осциллограммы сили тока /м, протекающего через деталь мри электронно-лучевой обработке