Ur =U(\ +0,9S10~6U);
К (S, D) - коэффициент, характеризующий геометрию полюсных нако нечников; D - диаметр лучепровода; S - ширина немагнитного зазора линзы.
Минимальные фокусные расстояния, рассчитываемые по фор
муле
f m= 0,5-у/S2 + 0,45£)2,
достигаются при ампервитках IW = 13,5-^U~r .
Из выражения (1.5) видно, что положение фокуса можно регули ровать за счет изменения тока фокусирующей линзы, что и осуществ ляется на практике. Число витков в фокусирующей линзе обычно вели ко, поэтому с позиции управления фокусирующая линза представляет собой активное и индуктивное сопротивление. -В мощных сварочных пушках, кроме основной фокусирующей линзы, устанавливают также катушку динамической подфокусировки пучка, которая обычно ис пользуется в системах слежения по стыку и сканирования пучка в фо кальной плоскости. Катушка динамической подфокусировки пучка должна создавать импульсное магнитное поле, поэтому число витков этой катушки обычно на два порядка меньше числа витков основной магнитной линзы. Катушка динамической подфокусировки может быть размещена вместе с основной катушкой либо вынесена за пределы магнитной линзы.
При фокусировке или создании изображений с помощью магнит ных линз возникают погрешности изображения. Теоретическое обсужде ние этих погрешностей проведено в [72]. На диаметр пятна влияют сфе рическая аберрация, хроматическая аберрация и астигматизм.
Погрешность за счет сферической аберрации можно уменьшить путем рационального конструирования линзы и соответствующего выбора масштаба изображения. Малые значения сферической аберра ции достигаются при больших значениях IW, когда/ —> fm. Однако при выборе фокусного расстояния возникают ограничения из-за того, что между линзой и фокусом должны быть установлены дополнительные функциональные элементы, например отклоняющая катушка. Малые значения этой погрешности у длиннофокусных линз получают при больших полюсных зазорах, при отношении S I D = 1.
Погрешность за счет хроматической аберрации возникает пото му, что фокусное расстояние зависит от энергии электронов. Это на кладывает ограничения на пульсации ускоряющего напряжения. Тре-
бования к постоянству ускоряющего напряжения зависят от назначения электронной пушки и составляют для пушек, предназначенных для обработки материалов,
г5 гЗ
— < Ы 0 “5...Ь10
и
для сварочных пушек
U
Погрешности, обусловленные астигматизмом, возникают из-за неполной осевой симметрии конструкции линзы, несоосности пучка и погрешностей отклоняющих и центрирующих элементов. Результи рующий астигматизм корректируют с помощью стигматоров.
Разброс тепловых скоростей электронов, геометрические осо бенности электронно-оптической системы, а также погрешности фоку сирующей линзы приводят к тому, что сфокусированный на поверхно сти обрабатываемого изделия электронный пучок имеет некоторую плотность распределения энергии по его сечению, которая зависит от тока пучка и фокусного расстояния.
Для отклонения электронного пучка в мощных электронно лучевых пушках используются электромагнитные отклоняющие систе мы, которые могут быть выполнены с магнитопроводами и без них. Применение магнитопроводов повышает эффективность отклоняющих систем благодаря более высокой концентрации магнитного поля и уменьшению полей рассеяния. Существенными недостатками откло няющих систем с магнитопроводами является их низкое быстродейст вие, нестабильность отклонения, связанная с остаточной намагничен ностью и зависимостью магнитных характеристик материалов от тем пературы. Для снижения потерь на вихревые токи детали магнитной системы уже при частоте 50 Гц набирают из листов трансформаторной стали, а при высоких частотах изготавливают из ферритовых материа лов. Для динамического отклонения пучков с высокой частотой можно применять отклоняющие катушки, разработанные для телевизионной техники. Такие отклоняющие катушки позволяют реализовать отклоне ние пучка электронов с высоким быстродействием.
Магнитная индукция, создаваемая катушкой с магнитным сер дечником, может быть приблизительно описана выражением
о |
(1.6) |
Ях = И0а — |
где |
|io - магнитная |
проницаемость вакуума; 1 - ток в катушке; |
W - |
число витков; S - |
величина зазора; а - коэффициент пропорцио |
нальности, определяемый конструкцией катушки.
Для отклонения электронных пучков во взаимно перпендику лярных направлениях X и У используют скрещенные двухполюсники. Отклоняющие системы с внутренним магнитопроводом имеют сущест венный недостаток, выражающийся в сильной связи между двумя па рами катушек, расположенными на одном сердечнике.
Для расчета величины отклонения электронного пучка исполь зуют приближенные формулы и экспериментальные исследования в связи со сложностями расчета отклонения в неоднородных магнитных полях. Поэтому актуальной является задача получения формул для расчета отклоняющих систем.
При электронно-лучевой сварке кинетическая энергия электро нов пучка используется для того, чтобы расплавить небольшие участки примыкающих к друг другу деталей в области стыка соединения. Осо бенностью электронно-лучевого способа является возможность созда ния высокой удельной поверхностной мощности в пятне пучка при достаточно высокой мощности всего пучка. Благодаря этому получают сварные соединения с отношением глубины шва к его ширине немного больше единицы, чего невозможно добиться другими способами свар ки плавлением. При достаточной мощности пучка и удельной поверх ностной мощности над местом непосредственной бомбардировки мате риала возникает локальная область повышенного давления пара с по следующим образованием парогазового канала на всю глубину про плавления со стенкой из жидкого металла. В результате образования парогазового канала, по которому транспортируется энергия электрон ного пучка, возникает эффект глубокого проплавления.
Парогазовый канал окружен слоем расплава, который подверга ется действию ряда сил. Гидростатическое давление зависит от высоты столба жидкости, ее плотности и угла между направлением оси канала и направлением силы тяжести. Поверхностное натяжение зависит от рода материала и падает с увеличением радиуса кривизны и ростом температуры расплава. Причиной того что парогазовый канал вообще может образовываться, является давление пара на внутреннюю поверх ность канала. С поверхности расплава, обращенной к каналу, происхо дит испарение материала. Образуется поток пара, направленный к ос нованию канала. На поверхности расплава возникают тангенциальные силы в направлении потока пара. За счет этого происходит перенос массы расплавленного металла. Градиент температуры в расплаве вы зывает появление подъемной силы. Совокупность всех сил, включая
действие на элемент объема силы инерции и трения, определяет форму канала. Изменение всего лишь одной из компонент может изменить форму канала. На практике установлено, что геометрия парогазового канала и окружающего его жидкого металла в общем случае испытыва ет быстрые квазипериодические колебания относительно некоторого среднего состояния. При этом каналы на части своей длины или на всей длине могут закрываться и образовываться вновь. Когда толщина сва риваемой детали ограничена, а параметры пучка достаточно высоки, парогазовый канал пронизывает деталь на всю толщину. В этом случае возникает сквозное проплавление. Если под деталь подвести металли ческий коллектор, изолированный от детали, и соединить его с послед ней через гальванометр, то через него будет протекать ток части пучка электронов. Это говорит о том, что часть электронов проникает через парогазовый канал и достигает коллектора. Установлено, что энергия этих электронов близка к исходной энергии электронов, выходящих из пушки. Опыты регистрации сквозного тока показали, что сквозной ток испытывает во времени быстрые колебания. Высокочастотные измене ния канала модулируются низкочастотными. Следовательно, при свар ке имеют место сильные изменения геометрии слоя расплава с часто той от нескольких до 100 Гц, приводящие, помимо всего прочего, к чешуйчатой поверхности сварного шва и колебаниям глубины про плавления. Изменения параметров электронного пучка и скорости сварки существенно влияют на форму парогазового канала и парамет ры его колебаний. В процессе перемещения свариваемых деталей на переднем фронте сварочной ванны плавится твердый металл, а на зад нем фронте постоянно застывает жидкий металл из расплава. В самом расплаве происходит перенос материала от фронта плавления к фронту застывания, при этом образуется сварной шов. Из-за сильного нагрева материала в зоне сварки часть его испаряется. При сварке сплавов, ком поненты которых сильно различаются по давлению паров, испарению в большей степени подвергаются летучие компоненты, поэтому в материа ле сварного шва может измениться процентный состав компонентов.
При электронно-лучевой сварке не вся подводимая энергия не посредственно используется для нагрева. Наиболее существенные по тери обусловлены отражением электронов. Доля энергии, отводимой с потоком пара, в общем случае составляет 0,5...2 %. Степень отражения электронов в значительной степени зависит от угла падения электрона к поверхности. Поскольку при падении электронного пучка на стенки парогазового канала угол к нормали имеет большое значение, коэффи циент отражения высок и существует большая вероятность многократ ного отражения. Вероятность выхода отраженных электронов из паро
газового канала тем меньше, чем выше отношение глубины к ширине канала, и поэтому потери энергии с отраженными электронами сильно падают с увеличением отношения глубины к ширине и составляют обычно несколько процентов. Лишь при очень малых отношениях глу бины к ширине эти потери достигают 20 % для стали и 40 % для мате риалов, обладающих высокой плотностью. Потери энергии на тормоз ное рентгеновское излучение при ускоряющих напряжениях, исполь зуемых в сварочных пушках, обычно составляет 0,5... 1,5 %.
При глубоком проплавлении эффективный КПД нагрева элек тронным пучком возрастает до 90.. .98 %.
1.2. Взаимосвязь параметров процесса и геометрии шва
Возможность расчета геометрии шва при заданных параметрах источника нагрева или выбор этих параметров для получения необхо димой геометрии шва является одной из важных задач электронно лучевой сварки. Решение этих задач предполагает высокую степень изученности наиболее существенных физических явлений при сварке. Попытки расчета геометрии зон проплавления предпринимались на всех этапах развития метода ЭЛС, однако полного решения проблемы еще нет.
Сварной шов характеризуется прежде всего своей глубиной, ши риной и их отношением. Существенную роль играет параллельность сторон зоны проплавления, радиус корневой части и другие геометри ческие параметры, влияющие на характер и величину сварочных де формаций, напряжений в сваренных изделиях. Некоторые режимы сварки могут сопровождаться характерными дефектами, такими как корневые дефекты, пористость, подрезы, непровары и др.
Для получения требуемой геометрии шва применяют различные технологические приемы: используют различные сканирования элек тронного пучка с программированием энергии вдоль траектории; при меняют сварку с различными положениями фокуса; проводят осцилля цию электронного пучка, программирование изменения тока и фокуса при начале и окончании процесса сварки. Большое разнообразие прие мов приводит к значительному количеству параметров процесса, кото рыми управляют при ЭЛС. К параметрам процесса ЭЛС в первую оче редь относятся: ускоряющее напряжение, ток пучка, его эффективный диаметр, положение фокального пятна относительно поверхности сва риваемого изделия, скорость сварки, вид траектории сканирования, амплитуды сканирования пучка по осям Х и У, амплитуда сканирования по фокусу, частота сканирования.