книги / Основы электронно-лучевой обработки материалов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ВЕЛИЧИНЫ ЗАГЛУБЛЕНИЯ ФОКУСА ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА

ВМАТЕРИАЛ ПРИ ОБРАБОТКЕ

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 заглубле­ ния фокуса луча процесс формирования канала идет с ускорением за счет возрастающей с глубиной канала удельной мощности q2. Если фокус луча находится на поверхности детали, то по мере углубления канала происходит расфокусировка луча, его удельная мощность q2падает, 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 поло­ виной угла сходимости а 1в материал на величину /г между диаме­ тром сечения луча на поверхности и диаметром в фокальной пло­ скости (рис. 100) можно получить следующую связь:

(D — d)/2 = h tg а х.

Ha поверхности детали, в силу того что D > d, удельная мощ­ ность в луче q~ ниже, чем в фокальной плоскости q2. Условием получения глубокого проплавления при данном заглублении фо­

куса будет q%> <7*. Полагая D = 2 V q!nq\ и d = 2 Y q/nq2, где q — мощность луча, можно получить связь между величиной максимального заглубления фокуса и параметрами электронного луча:

где г — радиус электронного луча в фокальной плоскости.

Из выражения (272) следует, что для сходящегося луча всегда существует величина h, на которую следует заглублять фокус, при этом она тем больше, чем меньше ос2. В случае параллельного

171

фокусирующей системы

= 1,5 см при а ± = 5°, что удовлетворительно согласуется с экспе­ риментальными данными.

В рассмотренном случае заглубление происходит без измене­ ния угла сходимости a v 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

Определим связь между параметрами луча и амплитудой ска­ нирования 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 ка­ тушки до поверхности обрабатываемой детали) может быть пред­ ставлена выражением

(D-d)/2-=Ztg7,. (273)

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

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

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

172

В случае равенства tg а х = tg а а, т. е. когда фокальное пятно не сканирует, а луч установлен на поверхности, выражение (275)

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 элек­ тронного луча на продуктах выброса из зоны обработки и вслед­ ствие этого имеют ограничения области применимости.

Из анализа картины образования канала в материале при сварке с глубоким проплавлением и образовании отверстий сле­ дует, что в идеальном случае фокус электронного луча должен опу­ скаться в материал со скоростью углубления канала либо следует использовать параллельный пучок электронов. На практике при­ меняют сходящиеся пучки в условиях статической фокусировки, что способствует появлению отклонений в геометрии получаемых сварных швов (колебания глубины проплавления) и отверстий (волнистость стенки по высоте).

Осуществить сканирование фокуса луча по глубине канала технически не сложно, однако выбор частоты сканирования, кото­ рая в реальном процессе, естественно, не стабильна, представляет затруднения.

Как показано в гл. 3, средняя частота пиков проплавления по длине шва, соответствующая частоте сканирования фокуса, составляет величину порядка / — v/d, где v — скорость сварки; d — диаметр луча. Технический диапазон скоростей сварки 0,1— 10 см/с, диаметра луча 5 ДО- 2 — 10" 1 см. Диапазон частот скани­ рования фокуса таким образом лежит в пределах 1—200 Гц,

Так как для каждого конкретного случая сварки или обработки выбор частоты сканирования затруднителен, следует повысить искомую частоту примерно на один-два порядка, с тем чтобы получить в пределах амплитуды сканирования некоторый аналог параллельного луча [126].

Величину амплитуды сканирования можно выбирать по фсомуле (275).

Частоту сканирования определяют экспериментально. Для этого фокусирующую систему установки А. 306.05 заменяют но­ вой с числом витков п = 100 для уменьшения индуктивности.

173

2 1

изделие; 6 — осциллограф; У — усилитель; Г-1 — генератор; БПВ, БПУЭ, БП — блоки

Питание фокусирующей системы осуществляют от источника с на­ пряжением U = 150 В через ограничивающей и одновременно ре­ гулирующий сопротивление потенциометр R1 (рис. 102), с по­ мощью которого устанавливают нижний уровень положения фо­ куса, потенциометром R2 — верхний уровень. Управление клю­ чом К осуществляется от генератора Г-1. При изменении поло­ жения фокуса по линейному или синусоидальному закону регу­ лировку тока осуществляют через линейный усилитель. Генера­ тор позволяет изменять частоту и скважность цикла в широких пределах.

Влияние динамической фокусировки при сварке нержавею­ щей стали оценивают при неизменных параметрах луча. При этом

первая половина шва получается при фиксированном положении

фокуса, соответствующем максимальному проплавлению, вто­ рая — при динамической фокусировке. Установлено, что характер

174

Эффект динамической фокусировки лучше всего проявляется на частотах / > 103 Гц.

На основании приведенных экспериментальных результатов можно полагать, что динамическая фокусировка электронного луча является существенным стабилизирующим фактором про­ цесса электронно-лучевого нагрева, и ее использование рацио­ нально не только при сварке и обработке, но и при получении пленок.

ВЫБОР РЕЖИМОВ ПОЛУЧЕНИЯ ОТВЕРСТИЙ И ПАЗОВ

Как уже установили, углубление канала с помощью луча является прерывистым: периодически испаряется слой толщиной порядка б, а в промежутках электронный луч рассеивается на стенки канала (с удельной мощностью q2на один-два порядка ниже первоначальной) и образует жидкую фазу. Следовательно, про­ цесс непрерывного воздействия электронного луча на материал в какой-то степени аналогичен импульсному воздействию с дли­ тельностью импульса ти и временем паузы тр (во время паузы не происходит углубления канала, а только образование жидкой фазы). Если от непрерывного воздействия перейти к импульсному с длительностью импульса т = тп и временем паузы между импуль­ сами тп = тр, то вместо проплавления на некоторую глубину получим отверстие или, другими словами, зону обработки с мини­ мальным количеством жидкой фазы.

Именно количество жидкой фазы, образующейся в процессе воздействия луча, определяет, что получится в результате обра­ ботки: отверстие, проплавление или что-то промежуточное.

Мерой количества жидкой фазы в общем случае является скваж­

С учетом критической удельной мощности обработки частота следования импульсов

где а — коэффициент температуропроводности металла: d — диа­ метр луча.

175

Связь между параметрами электронного луча и характеристи­ ками реза может быть выражена соотношением

^ rf(l - k ) ^ ___________ d (1 — /г)___________

Приведенные соотношения для выбора режимов получения от­ верстий и съема металла с поверхности могут быть использованы не только в технике микрообработки (установки класса «ЭЛУРО» [69]), но и для макрообработки на серийных машинах, предна­ значенных для сварки (А.306.05; А.306.13; ЭЛУ и др. [5]).

Оптимальную длительность импульса следует выбирать с уче­ том периодического рассеяния электронного луча на продуктах

6,5 мм имеют диаметр на выходе 200—300 мкм. При этом скорость обработки достигает значений до 10 мм3/мин при удельных затра­ тах энергии 3,5 Вт-мин/мм3.

Увеличение времени обработки при тех же режимах до 1 с приводит к увеличению диаметра отверстия .до 12— 15 мкм [175].

Как видно на рис. 105, продукты выброса, движущиеся на­ встречу лучу, рассеивают и дефокусируют пучок электронов, что приводит к снижению удельной мощности луча и соответственно уменьшению скорости обработки. Для достижения оптимальной

176

Рис 105. Зависимость исходной и пороговой удельных мощностей пучков электро­ нов и скоростей обработки от времени для длинного (а), оптимального (б) и корот­ кого (в) импульсов [178]‘

длительности импульса обработки пучок электронов необходимо прерывать в момент, когда начинается заметное снижение произ­ водительности процесса (рис. 105, б, кривая 3). На коротких им­ пульсах (рис. 105, в) количество удаляемого материала мало, про­ цесс прекращается на подъеме скорости обработки.

На рис. 106 представлены зависимости скорости обрабогки (в течение импульса без учета паузы) и затрат энергии от длитель­ ности импульса при U 75 кВ, / = 2 мА, f = 100 Гц для слу­ чая сверления отверстий в нержавеющей стали. Зависимость диа­ метра отверстия (на выходе) от длительности импульса (нержавею­ щая сталь толщиной 0,5 мм, U = 75 кВ, / = 0,2 мА, f = 100 Гц, время сверления t = 0,5 с) приведена на рис. 107.

Взаимосвязь энергетических, геометрических и временных параметров электронного луча с технологическими характеристи­ ками процесса обработки освещена в работах [25, 68, 69, 139, 140].

Установлено, что при воздействии на конструкционные мате­ риалы (вольфрам, молибден, цирконий, ниобий, медь, сталь) общее количество удаляемого за время единичного импульса мате-

В,мм3/мин А,Вт мин/мм*

177

риала М зависит от энергии в импульсе Е , длительности им­ пульса т и теплофизических свойств материала. Зависимость ко­ личества удаляемого материала от энергии имеет степенной харак­ тер: М — КЕп, где Е и п — коэффициенты, зависящие от свойств обрабатываемого материала. Влияние других параметров, напри­ мер тока луча, ускоряющего напряжения и длительности им­ пульса при оптимальной фокусировке, характеризуется более сложной зависимостью. Например, для нержавеющей стали при U = 100 кВ, q2 = 107 Вт/см2, т = 4ч-25 мкс

] g M - = l,2 /'2 lg T -7 ,2 ? 2 .

При указанных условиях увеличение энергии импульса от 10“4 до 10-1 Дж приводит к увеличению количества удаляемого материала от 10"7 до 10"4.

Материал из зоны обработки удаляется взрывообразно в виде атомов пара, ионов и жидких капель. Частота следования взры­ вов зависит от энергии импульса и лежит в диапазоне десятых долей мегагерца.

Скорость обработки v увеличивается как показательная функ­ ция от тока луча и носит экстремальный характер в зависимости от длительности импульса.

импульса от 45 до 4,5 мкс скорость обработки возрастает в 2,8 раза, при энергии Е = 2 ,4 - 10_3 кал — в 6,3 раза.

Диаметр dK и глубина Я отверстия увеличиваются с ростом энергии Е линейно. Зависимость dK и Я от длительности т и тока

Угол сходимости и положение фокуса луча относительно обра­ батываемой поверхности определяют размеры и форму отверстия. Наибольшую глубину и наименьший диаметр отверстия, полу­ ченного от действия единичного импульса, достигают при заглуб­ лении фокуса под поверхность на 0,1—0,3 мм.

Эффективность использования энергии М!Е носит экстремаль­ ный характер. Максимум М!Е достигается при длительности им­ пульса меньшей, чем для оптимальной скорости обработки. Абсо-

178

лютное значение эффективности изменяется как степенная функ­ ция тока пучка вида

M lE = т (К 0хг + Сэт + пэ) С

Параметры электронного луча для достижения оптимальных режимов обработки следует выбирать с учетом рекомендаций [139, 140], приведенных ниже.

Длительность импульса. При обработке металлов и некоторых полупроводниковых материалов, если не предъявляют жесткие требования к перегреву материала, прилегающего к зоне обра­ ботки, длительность импульсов следует устанавливать исходя из условия обеспечения максимальной производительности; при обработке диэлектриков и полупроводников, если недопустим перегрев материала в области, прилегающей к зоне воздействия, длительность импульсов следует выбирать исходя из условия обес­ печения максимального использования энергии электронного луча.

Геометрические параметры. При обработке массивных изделий из любых материалов на большую глубину следует обеспечить ре­ жим работы с максимальным током в единице телесного угла и заглубление фокуса под поверхность детали; при обработке тон­ ких пленок электронный луч должен иметь максимальный угол сходимости, а его фокус должен располагаться над обрабатывае­ мой поверхностью.

Зависимость размеров глухих микроотверстий от характери­ стик луча может быть описана эмпирическими выражениями

Н = СХЛ

где ad, ан, т , %, Сх — коэффициенты, зависящие от теплофизи­ ческих свойств материалов и режима обработки; xd, хи, хи, п, N — показатели, характеризующие обрабатываемый материал и режим обработки [2 1 ].

Глубина микроотверстия в зависимости от числа серий им­

где а, b — коэффициенты, зависящие от режима обработки. Спра­ ведливость выражения (280) подтверждается на рис. 108 [2001.

Как видно из соотношений (279), на размерные параметры обработки при оптимальных длительности единичных импульсов и положении фокуса существенное влияние оказывают ток луча, ускоряющее напряжение, число серий импульсов. Исследование влияния каждого фактора традиционным путем требует больших затрат времени, поэтому для получения соответствующих зависи­ мостей используют метод полного факторного эксперимента.

179

В некоторых случаях, например при обработке полупроводниковых материалов [66], расплав «наползает» на зону обработки

и этим самым «огрубляет» край микропаза вследствие того, что его поверхностное натяжение ниже поверхностной энергии твер­ дой фазы.

Для описания наползающего на поверхность твердого тела ла­ минарного слоя расплава может быть принята модель, учитываю­ щая то обстоятельство, что часть слоя, прилегающая к твердому телу, кристаллизуется в процессе наползания [66].

Движение несжимаемой жидкости на плоской поверхности опи­ сывают в прямоугольной системе координат совокупностью уравне­

Здесь U, v — проекции вектора скорости на соответствующие оси координат; р — давление.

Отбрасывая в первом уравнении системы (281) члены второго