Из экспериментальных данных разных исследований [25, 104, 199, 200] известно, что заглубление фокуса электронного луча в материал обеспечивает при прочих равных условиях большую глубину обработки.

Прирост углубления отверстия при загрублении фокуса может достигать 30% [25, 73]. При электронно-лучевом воздействии связь величины заглубления фокуса с параметрами луча может быть установлена из простых геометрических соотношений [62].

Параметры электронного луча связывает с характеристиками отверстия формула (52), из которой следует, что в случае заглубле­ния фокуса луча процесс формирования канала идет с ускорением за счет возрастающей с глубиной канала удельной мощности д2. Если фокус луча находится на поверхности детали, то по мере углубления канала происходит расфокусировка луча, его удельная мощность q2 падает, и процесс идет с замедлением. Таким образом, при одинаковой скорости сварки заглубление фокуса луча, как это следует из экспериментов, должно приводить к увеличению глубины проплавления.

Определим связь между величиной заглубления фокуса и параметрами электронного луча. При заглублении луча с поло­виной угла сходимости а1 в материал на величину /г между диаме­тром сечения луча на поверхности и диаметром в фокальной пло­скости (рис. 100) можно получить следующую связь:

(D — d)/2 = h tgax.

На поверхности детали, в силу того что D > d, удельная мощ­ность в луче q~ ниже, чем в фокальной плоскости q2. Условием получения глубокого проплавления при данном заглублении фо­куса будет q% > <7*. Полагая D = 2 Vq/nql и d = 2 Yqlnq^ где q— мощность луча, можно получить связь между величиной максимального заглубления фокуса и параметрами электронного луча:

h < rctgai [{qilqiY12 — 1], (.272)

где г— радиус электронного луча в фокальной плоскости.

Из выражения (272) следует, что для сходящегося луча всегда существует величина /г, на которую следует заглублять фокус, при этом она тем больше, чем меньше сс^ В случае параллельного луча h = 0, так как q2 = q.

Оценка величины заглубления фокуса для установки ЭЛУ-9 Б на режиме U — 60 кВ, / = 60 мА (нержавеющая сталь) дает при <7 = 3,6-Ю3 Вт, q2 = 2,7 * 10’* Вт/см2, q% = 2,7-Ю1 Вт/см2 ве­личины h ~ 3,9 см при а1 = 2°, h — 2,8 см при аг = 3° и h —

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ВЕЛИЧИНЫ ЗАГЛУБЛЕНИЯ ФОКУСА ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА В МАТЕРИАЛ ПРИ ОБРАБОТКЕ

Рис. 101. Геометрические ха­рактеристики заглубленного в материал луча при I = const

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ВЕЛИЧИНЫ ЗАГЛУБЛЕНИЯ ФОКУСА ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА В МАТЕРИАЛ ПРИ ОБРАБОТКЕ

Рис. 100. Геометрические характеристики за­глубленного в материал электронного луча без изменения угла сходимости 2а I — расстояние от поверхности детали до конца фокусирующей системы

 

 

= 1,5 см при а1 — 5°, что удовлетворительно согласуется с экспе­риментальными данными.

В рассмотренном случае заглубление происходит без измене­ния угла сходимости аг В практике обработки и сварки можно использовать сканирование фокального пятна по глубине канала, что приводит к более равномерному распределению энергии в объеме канала и позволяет, например, избавиться от таких дефектов, как колебания глубины проплавления. При таком заглублении (рис. 101) фокус луча с углом сходимости ах опускается в материал на глубину h за счет изменения угла аъ который на глубине h составляет а2.

Определим связь между параметрами луча и амплитудой ска­нирования h фокального пятна. Связь между диаметром луча d в фокусе, диаметром луча на оси фокусирующей катушки D и рабочей дистанцией I (расстояние от центра фокусирующей ка­тушки до поверхности обрабатываемой детали) может быть пред­ставлена выражением

(D-d)/2-=Ztgov (273)

Аналогична связь между D, величиной амплитуды заглубле­ния h и максимально возможным диаметром луча d* вследствие расфокусировки:

(D — d*)j 2 = (/ 4- h) tg а2. (274)

Значение диаметра d* связано с величиной критической удель­ной мощности q* так же, как и в рассмотренном выше случае.

На основе выражений (273) и (274) из простых геометрических соотношений получаем

k * 1 (w — ‘) + и. (275)

В случае равенства tg ах = tg a2i т. е. когда фокальное пятно не сканирует, а луч установлен на поверхности, выражение (275) переходит в (272).

При I — 10 см, г = 0,05 см {qjql) = 4 будем сканировать фо­кальное пятно относительно среднего положения аг = 10° на ±2°. При опускании луча (а2 = 8°) получим h = 2,46 см, при поднимании (а2 — 12°) — h = —1,66 см. Наличие в правой части выражения (275) члена, представляющего собой соотношение (272), приводит к асимметрии величины амплитуды h.

Формулы (272) и (275) не учитывают процессов рассеяния элек­тронного луча на продуктах выброса из зоны обработки и вслед­ствие этого имеют ограничения области применимости.