Смоленцев В.П., А.И.Болдырев, Смоленцев Е.В. Теория электрических и физико-химических методов обработки - файл n4.doc

приобрести
Смоленцев В.П., А.И.Болдырев, Смоленцев Е.В. Теория электрических и физико-химических методов обработки
скачать (19739.8 kb.)
Доступные файлы (7):
n1.doc7166kb.24.10.2007 18:29скачать
n2.doc13444kb.23.01.2008 14:10скачать
n3.doc3313kb.24.10.2007 18:29скачать
n4.doc3436kb.24.10.2007 18:29скачать
n5.doc1172kb.24.10.2007 18:29скачать
n6.doc878kb.24.10.2007 18:29скачать
n7.doc48kb.24.10.2007 18:29скачать

n4.doc

  1   2   3
4. ЛУЧЕВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ (ЛО)
5.1. Виды ЛО

В технике лучевые методы включают:

- обработку электронным лучом, при которой удаление материала (диэлектрика и проводника) осуществляется в вакууме потоком электронов;

- технологическое использование ионного луча (плазменные методы) для разделения материалов, сварки, размерной обработки. Процесс осуществляется в воздушной среде;

- обработку световым лучом (лазером), осуществляемую на воздухе и применяемую для технологических операций по изготовлению отверстий малого диаметра, вырезки, улучшению показателей поверхностного слоя любых материалов;
5.2. Теория электроннолучевой обработки (ЭЛО)

5.2.1. Схема электроннолучевой установки

Для получения электрон­ного луча и управления им применяется ряд специали­зированных устройств, на­зываемых электронны­ми пушками. Функцио­нальная схема такого устройства приведена на рис. 5.1. Источни­ком электронов в электронных пушках обычно является термоэмис­сионный катод 1 из вольфрама, тантала или гексаборида лантана, обладающих высокими эмиссионными характеристиками. В зави­симости от материала катода его рабочая температура может до­стигать 1600...2800 К. Подогрев катода чаще всего осуществляет­ся с помощью накаливаемого электрическим током подогревного элемента; в некоторых случаях сам этот элемент может выполнять функции катода (катод прямого накала). Из-за тяжелых темпера­турных условий работы, интенсивного испарения и охрупчивания срок службы катодов обычно не превышает нескольких десятков ча­сов. Поскольку замена катода требует последующей регулировки и настройки электронной пушки, то основные усилия разработчиков направлены на увеличение срока службы катодов.



Рис. 5.1. Принципиальная схема электронной пушки: 1 – катод, 2 – анод, 3 – магнитная линза, 4 – отконяющая система, 5 – рабочая камера, 6 – заготовка, 7 – система насосов, 8 – блок питания.

На некотором расстоянии от катода находится анод 2, выпол­ненный в виде массивной детали с отверстием. Между катодом и анодом от специального высоковольтного источника питания, входящего в состав блока питания 8, прикладывается ускоряющее напряжение 30...150 кВ; электроны ускоряются этим напряжением до значительных скоростей, большая часть их проходит через от­верстие в аноде 2, и в заанодном пространстве они движутся по инерции. Чтобы из такого электронного потока сформировать элек­тронный луч с необходимыми характеристиками, обычно требуется дополнительная операция – фокусирование.

Для фокусирования луча в электронной пушке обычно исполь­зуется система диафрагм и магнитных линз. Магнитная линза 3 представляет собой соленоид с магнитопроводом, создающий спе­циальной формы магнитное поле, которое при взаимодействии с движущимся электроном смещает его траекторию в направлении оси системы. При этом можно добиться «сходимости» электронов на достаточно малой площади поверхности и в фокусе электронный луч может обладать весьма высокой плотностью энергии, достигающей 5∙1012 Вт/м2, причем с помощью фокусировки она мо­жет быть плавно изменена до меньших значений.

В конструкцию электронной пушки обычно входит также откло­няющая система 4, служащая для перемещения электронного луча по обрабатываемой поверхности. Перемещение луча осуществляет­ся за счет его взаимодействия с поперечным магнитным полем, со­здаваемым отклоняющей системой. Электронная пушка обычно имеет две пары отклоняющих катушек, обеспечивающих перемеще­ние луча по двум взаимно перпендикулярным направлениям.

Следует отметить, что в рабочем пространстве электронной пуш­ки необходим высокий вакуум, чтобы молекулы остаточных газов не препятствовали свободному прохождению электронов. Кроме того, условия работы подогревного катода также требуют защиты его от взаимодействия с атмосферными газами. Давление в камере электронной пушки не должно превышать 10-3...10-4 Па. При ухуд­шении вакуума происходит пробой между катодом и анодом элек­тронной пушки, что может привести к выводу из строя высоко­вольтного выпрямителя.

Электронная пушка обычно выполняется в виде функционально­го блока, который или неподвижно крепится к рабочей камере 5, или перемещается внутри нее с помощью специальных механизмов.

Обрабатываемая заготовка 6 помещается в рабочую камеру 5, снабженную иллюминаторами для наблюдения за процессом обра­ботки. Откачка пространства пушки и рабочей камеры 5 произво­дится системой насосов 7. При большой протяженности зоны обра­ботки заготовка перемещается в вакуумной камере с помощью спе­циальных механизмов. При малой площади обработки (менее 10Х10 мм) обычно достаточно перемещения луча, а заготовка может оставаться неподвижной.

Чтобы точно направлять электронный луч на обрабатываемую заготовку, в некоторых электроннолучевых установках могут при­меняться специальные оптические системы.
5.2.2. Моделирование процесса ЭЛО

Электрон как устойчивая материальная частица может быть получен различными физическими способами. Свободный, не свя­занный с атомом электрон можно получить, если сообщить атому избыточную энергию, поглощая которую электрон переходит на более удаленные от ядра орбиты и может при этом потерять связь с ядром. Это происходит, например, при нагреве твердых тел (ча­ще всего металлов), которые при этом начинают испускать термо­электроны. Процесс выхода термоэлектронов с поверхности твер­дых тел за счет их нагрева получил название термоэлектрон­ной эмиссии. Плотность тока термоэлектронной эмиссии может быть определена по уравнению Ричардсона – Дэшмана:
, (5.1)
где – плотность тока эмиссии, А/м2; А = (3…12)∙105 А/(м2∙К2) – эмиссионная постоянная, зависящая от свойств материала и состояния поверхности; Т – температура поверхности (катода), К; – работа выхода электрона из вещества, эВ; К = 8∙10-5 эВ/К – постоянная Больцмана.

Расчеты по уравнению Ричардсона – Дэшмана показывают, что для получения оптимальных плотностей тока на катоде (0,1...1,5)∙10-4 А/м2 необходимо иметь температуру катода порядка 2400...2700 К, поэтому для катодов применяют материалы с вы­сокой температурой плавления.

Чем выше температура катода, тем меньше срок его службы. В последнее время получили распространение катоды с малой ра­ботой выхода 2,6 эВ (например, у вольфрама = 4,5 эВ). В ка­честве материала для таких катодов чаще всего используется торированный вольфрам или гексаборид лантана . У таких ка­тодов необходимую плотность тока можно достичь при температу­ре всего в 1600...2000 К. При этом значительно увеличивается срок службы катода.
Сила тока эмиссии для электроннолучевых технологических ус­тановок обычно лежит в пределах 10-6...5 А, ее значение зависит от технологического режима и определяет материал и конструкцию катода электронной пушки.

Помимо термоэмиссионных катодов в последнее время начинают получать распространение плазменные катоды, использующие элек­троны из плазмы газового разряда. Эти катоды не содержат нака­ливаемых элементов, более просты по конструкции и имеют зна­чительно больший срок службы даже в самых тяжелых условиях эксплуатации.

Для сообщения электронам необходимой энергии и формиро­вания из них потока частиц с определенной энергией используют различные методы. Самый простой и наиболее распространенный из них – ускорение электронов электрическим полем. На электрон в поле действует электростатическая сила

где е = 1,602∙10-19 Кл – заряд электрона; Е – напряженность поля. При движении в поле с разностью потенциалов под действием силы электрон приобретает энергию
.
Это приращение энергии электрона происходит за счет увеличения кинетической энергии (скорости) его движения:
, (5.2)
где = 9,109∙10-31 кг – масса электрона; – конечная скорость электрона; – начальная скорость электрона. Принимая , получаем
. (5.3)

В реальных условиях, когда масса электрона постоянна, единственным путем увеличения его энергии является повышение скорости движения, что и реализуется в электронной пушке. Из формулы (5.3) можно получить выражение скорости движения электрона при прохождении разности потенциалов :
.
Подставляя в это выражение значения заряда и массы электрона, получаем
, (5.4)
где скорость выражается в км/с, а напряжение в В.

При уско­ряющем напряжении =1 В скорость электрона составляет 593,2 км/с. В электронных пушках напряжение может достигать 2∙105 В, что позволяет разгонять электроны до значительных ско­ростей.

Значение ускоряющего напряжения при электроннолучевой об­работке в существенной мере зависит от назначения процесса:

а) низковольтные системы (= 15...30 кВ) наиболее просты по конструкции и в эксплуатации и применяются в основном для опе­раций, связанных с плавлением и сваркой различных материалов;

б) системы с промежуточным ускоряющим напряжением = 50...80 кВ применяются в тех случаях, когда необходимо увели­чить глубину проплавления обрабатываемого материала, например при сварке;

в) высоковольтные системы (= 100...200 кВ) явля­ются наиболее сложными в изготовлении и эксплуатации и приме­няются в тех случаях, когда необходимо проведение прецизионной размерной обработки и микросварки. В промышленности
наиболь­шее распространение получила низковольтная аппаратура.

Мощность электроннолучевых установок в зависимости от наз­начения колеблется в диапазоне 0,5...100 кВт. Маломощные уста­новки применяют для микросварки и размерной обработки, мощ­ные – в печах для переплавки металлов в вакууме.

Электронным лучом можно управлять с помощью электроста­тических или магнитных полей. На практике шире распространены магнитные системы фокусировки и управления перемещением луча.

На движущийся в магнитном поле электрон, согласно законам электродинамики, действует сила
, (5.5)
где В – магнитная индукция; – скорость движения электрона; – угол между вектором скорости движения электрона и магнитной силовой линией поля. Под действием этой силы электрон будет двигаться в магнитном поле по окружности, перпендикулярной си­ловым линиям поля. Траектория движения электрона под действи­ем магнитного поля и инерционных сил выглядит в виде спирали, радиус которой зависит от начальной скорости электрона и напря­женности магнитного поля.

Создавая по оси электронного луча с помощью специальной магнитной системы – магнитной линзы – магнитное поле опреде­ленной формы, можно обеспечить сходимость траекторий электро­нов в одной точке (фокусировку). Изменяя положение этой точки по вертикали к обрабатываемой поверхности, можно менять концентрацию энергии на обрабатываемом изделии, что представляет значительный интерес с технологической точки зрения.

Для перемещения электронного луча по обрабатываемой по­верхности обычно используют его взаимодействие со скрещенными поперечными магнитными полями, создаваемыми отклоняющей сис­темой. Благодаря малой массе электронов достаточно легко пере­мещать электронный луч по обрабатываемой поверхности в широ­ком диапазоне скоростей при практически любой форме траекто­рии.

Электронный луч можно получить только в вакууме, так как за счет соударений с молекулами атмосферных газов электроны от­дают им свою энергию и луч «рассеивается». Средняя длина сво­бодного пробега электрона в газе по газокинетической теории оп­ределяется выражением
, (5.6)
где п – молярная концентрация газа на пути движения электрона; – размер эффективного сечения ионизации атома (молекулы) газа пролетающим электроном (величина зависит от энергии электронного луча, ее значение максимально для электронов с энергией 5…200 эВ).

Для воздуха (при Т = 293 К) в зависимости от давления р сред­няя длина свободного пробега электрона составляет: для р = 105 Па, = 3,5∙10-7 м; для р = 133 Па, = 2,66∙10-4 м; для р = 1,33 Па, = 2,66∙10-2 м; для р = 1,33∙10-2 Па, = 2,66 м.

Таким образом, в зависимости от размеров промышленных установок допустимое максимальное значение давления составляет примерно 10-2 Па. На практике это значение стараются довести до 10-3...10-5 Па, так как при худшем вакууме в электронной пушке резко увеличивается число ионизированных электронами молекул остаточных газов и это может привести к пробою промежутка меж­ду анодом и катодом.

Иногда в технологических целях, например при сварке, электронный луч выводят из вакуума в область с более высоким давлением. Путь электронов в этой области должен быть предельно мал. Пушка при этом перемещается непо­средственно по свариваемому изделию, и ход луча в атмосфере (вне рабочей камеры) составляет 0,1...0,3 мм. Ускоряющее напряжение составляет 150...200 кВ, а в зону между пушкой и свариваемой поверхностью подается защитный газ (гелий или аргон).

Все технологические изменения материалов при осуществлении электроннолучевых процессов происходят благодаря их взаимодей­ствию с электронами луча. В результате встречи потока электронов с обрабатываемым веществом кинетическая энергия движущихся электронов превращается в другие виды энергии.

Мощность, или плотность потока энергии, элек­тронного пучка в месте встречи его с обрабатываемым материалом
,
где – ускоряющее напряжение; – сила тока луча; – эффективный КПД нагрева.

Удельная поверхностная мощность луча в зоне его воздействия на вещество
,
где – площадь сечения луча на поверхности вещества. Величина Р0 является одной из важнейших энергетических характеристик электроннолучевых процессов и в значительной мере определяет возможности электроннолучевой технологии.

При максимальном значении Р0, которое достигает 1012...1013 Вт/м2, можно проводить размерную обработку материалов за счет их локального испарения в месте воздействия луча на изде­лие. При меньших значениях Р0 (это сравнительно просто можно осуществить расфокусировкой луча) проводят плавку, сварку, на­грев в вакууме, а также нетермические процессы (стерилизацию, полимеризацию и т.д.). На рис. 5.2 приведены диапазоны значе­ний мощности и удельной поверхностной мощности Р0 для наиболее важных процессов электроннолучевой технологии. Там же приве­дены значения ускоряющих напряжений и диаметров пучка в зоне обработки.


Рис. 5.2. Области применения процессов электроннолучевой технологии

Достигая обрабатываемой поверхности, электроны пучка внед­ряются в вещество и тормозятся там, проходя некоторый путь. Длина этого пути в метрах, определенная Б. Шенландом, выражается эмпирической формулой , где – плотность веще­ства, кг/м3; – ускоряющее напряжение, кВ. Глубина про­никновения электрона в вещество обычно не превышает не­скольких десятков микрометров, но ее учет весьма важен при анализе взаимодействия электронов с веществом, особенно при больших значениях удельной поверхностной мощности пучка.

Проходя сквозь вещество, электроны взаимодействуют с крис­таллической решеткой или отдельными атомами вещества. При этом увеличивается амплитуда колебаний составляющих вещество частиц, изменяются параметры его кристаллической решетки, по­вышается температура. В ряде случаев энергия, сообщенная элек­тронами атомам, приводит к разрыву связей между отдельными атомами.

Торможение электрона в веществе сопровождается рядом раз­личных явлений: 1) собственно нагревом поверхности, используе­мым в технологических целях; 2) тормозным рентгеновским излу­чением, возникающим при электронной бомбардировке материалов; 3) вторичной электронной эмиссией, отражением электронов и тер­моэлектронной эмиссией с обрабатываемой поверхности.

Нагрев обрабатываемого материала электронным лучом осуще­ствляется за счет выделения энергии в поверхностных слоях веще­ства и дальнейшей теплопередачи во внутренние слои. Благодаря высокой интенсивности ввода энергии в вещество при электронно­лучевой обработке на обрабатываемой поверхности развиваются столь высокие температуры, что они могут превышать точку кипе­ния самых тугоплавких материалов.

По данным акад. Н.Н. Рыкалина, при ускоряющем напряжении = 20 кВ и удельной поверхностной мощности =1010 Вт/м2 за время =10-5...10-6 с в поверхностных слоях различных материа­лов развиваются следующие температуры (в скобках указаны тем­пературы кипения), К: алюминий (2593) – 4423, титан (3773) – 5313, нержавеющая сталь (3323) – 5373, кремний (2773) – 6273, никель (3273) – 7113, вольфрам (5673) – 15873. Съем металла с обрабатываемой поверхности за счет его испаре­ния и взрывного вскипания лежит в основе размерной электроннолучевой обработки.

При электронной бомбардировке вещества часть его атомов возбуждается и испускает тормозное рентгеновское излучение, сум­марная доля которого в общем балансе выделяемой энергии Р со­ставляет
, (5.7)
где – мощность рентгеновского излучения; – атомный номер элемента; – ускоряющее напряжение, кВт. В целях безопасности исходя из зависимости (5.7) стараются ограничить ускоряющее напряжение до минимального уровня, при котором энергия элек­тронов достаточна для решения поставленной технологической за­дачи.

Падающий на поверхность обрабатываемой заготовки электрон­ный поток вызывает вторичную электронную эмиссию с обрабаты­ваемой поверхности и термоэлектронную эмиссию из разогретой до высоких температур зоны обработки. Обычно теряемая при этом мощность не превышает 1 % мощности электронного пучка. В ряде случаев вторичная электронная эмиссия может быть использована для контроля за нагревом и плавлением вещества, правильностью установки электронного луча на обрабатываемый участок заготов­ки и т.д.

Не все электроны, попадающие на обрабатываемую поверхность, поглощаются – некоторая часть из них отражается, причем тем сильнее, чем больше атомный номер элемента. Доля отраженных электронов может достигать 40 %. Отражение электронов увеличи­вается при отклонении оси пучка от нормали к поверхности заго­товки, поэтому обработку всегда целесообразно вести лучом, пер­пендикулярным обрабатываемой поверхности.

Давление потока электронов ре (Па) на обрабатываемый материал определяется как отношение суммы импульсов к площади поверхности. Его находят по эмпирической формуле
,
где – плотность тока в луче, А/м2; – ускоряющее напряжение, В. Расчеты по этой формуле показывают, что суммарное давле­ние электронного потока на поверхность весьма невелико. Зато ре­акция паров вещества, истекающих с большой скоростью при ис­парении, оказывает на поверхность в зоне обработки значительное давление. В связи с этим при электроннолучевой сварке можно получить глубокое проплавление, а при электроннолучевой раз­мерной обработке – глубокие отверстия.
5.3. Обработка ионным лучом (плазмой)

5.3.1. Основные понятия

В дуговом промежут­ке вещество при высокой температуре находится в особом состоя­нии, где наряду с нейтральными молекулами и атомами имеются заряженные частицы – ионы и электроны. Эти заряженные части­цы обеспечивают про-
хождение электрического тока через газ и придают ему ряд ценных с практической точки зрения свойств.

В 1923 г. американские физики Л. Тонкс и И. Ленгмюр предло­жили называть такую среду, в которой значительная часть моле­кул или атомов ионизирована, плазмой. Плазма является состо­янием вещества, наиболее распространенным в космосе.

Она может быть также получена искусственно самыми различ­ными физическими способами.

Плазму чаще всего получают при осуществлении электрофизи­ческих процессов – в электрическом дуговом разряде, высокочас­тотном электрическом поле, с помощью энергии лазерного излуче­ния и т.д. Физические свойства плазмы и прежде всего высокие значения температуры, энтальпии и электропроводности привлека­ют к ней внимание как к уникальному явлению, позволяющему осуществлять ряд интересных физических и технических проектов.

В атомной физике, например, «горячая» плазма с температурой выше 106 К рассматривается как средство проведения управляе­мых термоядерных реакций синтеза. Функционирует ряд магнитогидродинамических (МГД) генераторов, в которых высокоско­ростной плазменный поток служит для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Существуют электрореактив­ные плазменные двигатели, устройства для плазмохимических ре­акций и т.д.

Технологическое применение плазма нашла прежде всего в про­цессах, требующих высокотемпературного концентрированного на­грева (металлургия, сварочные процессы). В промышленности ши­роко используется плазменная резка различных металлов и неме­таллических материалов, плазменное нанесение покрытий из тугоплавких металлов, оксидов, карбидов и нитридов. Как правило, для технологических целей используют так называемую «низкотемпера­турную» плазму с температурой 103…105К, представляющую собой частично ионизированный газ.

5.3.2. Схема получения плазмы

Для получения плазмы, используемой в технологических целях, разработан целый ряд специальных устройств, называемых плазмотронами или плазменными горелками. Наиболее распростра­нены плазмотроны, в которых нагрев газа до необходимой температуры осуществляется электрическим дуговым разрядом. В по­следнее время начинают применяться также высокочастотные плазмотроны с так называемым «безэлектродным разрядом».

Принципиально того же результата можно достигнуть и при сжигании горючих смесей в обычных горелках за счет энергии хи­мических реакций, но эффективность таких устройств значительно ниже.

В дуговых плазмотронах плазма с требуемыми характеристика­ми может быть получена при различных видах взаимодействия ду­ги с плазмообразующим газом. Плазмообразующие газы также могут быть различными.

Стабилизация дуги в плазмотроне может осуществлять­ся аксиальным потоком газа 1, создающим слой 2, ограничиваю­щий столб дугового разряда (рис. 5.3, а).

При тангенциальной подаче газа в дуговую камеру плазмотрона стабилизация достигается за счет вихревого потока 1 плазмообразующего газа (рис. 5.3, б).

Весьма эффективным способом стабилизации дугового разряда в плазмотроне и повышения его удельных энергетических харак­теристик является ограничение диаметра столба дугового разряда охлаждаемой стенкой. Обычно эта стенка выполняется в виде мед­ного водоохлаждаемого сопла 1 сравнительно небольшого диамет­ра, ограничивающего наружный диаметр дуги 2 (рис. 5.3, в). В реальных условиях в плазмотроне может применяться сразу не­сколько способов стабилизации столба дугового разряда.

Плазмообразующий газ, используемый в плазмотроне, в значительной мере определяет технологические возможности плазменной струи, и его нужно выбирать в зависимости от цели процес­са. Наиболее широко в качестве плазмообразующих





Рис. 5.3. Способы стабилизации столба дугового разряда: а) аксиальным потоком газа: 1 – газ, 2 – слой; б) тангенциальным подачей газа: 1 – вихревой поток; в) применением охлаждающей стенки: 1 – сопло, 2 – дуга.



газов распро­странены аргон, гелий, азот, водород, кислород и воздух.

Молекулярные газы (N2, Н2, О2 и воздух) позволяют увеличить эффективность нагрева за счет реакций диссоциации – ассоциации. В столбе дугового разряда молекулы диссоциируют по следующим схемам:
Н2+431,57 кДж/моль?2Н

N2+942,75 кДж/моль?2N

О2+502,80 кДж/моль?2О
При этом происходит дополнительное поглощение теплоты в столбе дугового разряда. При попадании на обрабатываемую поверхность плазмообразующий газ ассоциирует (превращается из атомного в молекулярный); при этом выделяется теплота, затраченная на его диссоциацию.
5.3.3. Физические свойства плазмы

Степень ионизации плазмы — это количественная харак­теристика, определяющая соотношение в плазме заряженных и ней­тральных частиц:
, (5.8)
где – концентрация в плазме заряженных частиц одного знака (ионов или электронов); N – число нейтральных молекул или ато­мов газа до его ионизации. Степень ионизации плазмы зависит от многих факторов (прежде всего от температуры). Для низкотемпе­ратурной плазмы ее значение может меняться в широких пределах 0...100 %.

Квазинейтральность плазмы означает, что в определенном объ­еме число отрицательно заряженных частиц (в реальных условиях электронов) равно числу положительно заряженных частиц (ионов), иначе должны возникнуть электрические поля, приводящие к пере­распределению зарядов.

По мере снижения давления число частиц в объеме уменьшается и может наступить момент, когда количество частиц будет настоль­ко мало, что условия квазинейтральности не будут выполняться.

Объем, где нарушается квазинейтральность плазмы, определяет­ся дебаевским радиусом (от имени голландского физика П. Дебая):
, (5.9)
где – дебаевский радиус, см; Те температура (электронная), К; п – концентрация электронов, см-3. Если размеры рассматри­ваемой области плазмы больше дебаевского радиуса , условия квазинейтральности выполняются (). Если же рассматрива­ется объем плазмы радиусом , в этом объеме плазму нельзя считать квазинейтральной.

Понятие квазинейтральности позволяет более четко определить плазму как форму вещества, в которой число электронов и ионов в объеме настолько велико, что даже небольшое нарушение ра­венства
  1   2   3


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации