книги / Основы электронно-лучевой обработки материалов

Таблица 1

степенью точности описывается законом нормального распреде­ ления. Значительный интерес представляет наличие минимума плотности тока по оси некоторых экспериментальных кривых распределения. Такой характер кривых наблюдали некоторые исследователи [55]. В литературе приведены кривые распределе­ ния плотности тока по радиусу, полученные методом составного

21

Рис. 10. Траектории электронов, выходящих из точек катода, отстоящих на различных рас­ стояниях от оси [192]

Рис. 11. Схема пульсаций электронного пучка во времени и характер проплавле­ ния (вид сверху), соответствующий возможным распределениям плотности тока по сечениям пучка

Полученные экспериментальные кривые распределения ве­ роятно отражают действительную картину структуры электрон­ ного луча, формируемого в установке типа А.306.05. Отсутствие в этой установке стабилизации тока луча и тока фокусирующей системы, а также искажения поля, вносимые зондом, могут при­ вести к описанному выше «сдвигу фаз» и появлению минимума по оси кривой распределения. На рис. 11 представлено кольцевое проплавление нержавеющей стали, полученное на установке типа А.306.05 за время 5 мс. Тот факт, что середина ванны ока­ залась нерасплавленной (вид по сечению Б —Б) свидетельствует о временном уменьшении интенсивности пучка по его оси. Одной

Помимо перечисленных факторов, влияющих на временное и пространственное распределение интенсивности электронного луча по его сечению, существует также «методический фактор». Ана­ лиз различных методов решения интегрального уравнения Абеля показал, что метод Пирса дает на оси заниженные результаты, что может приводить к провалу интенсивности на оси источ­ ника [871.

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА НА ЕГО ДИАМЕТР

Характер изменения диаметра луча (рис. 12) на уровне 50% амплитуды зондовой характеристики и тока фокусировки при увеличении расстояния до объекта обработки при ускоряющем напряжении U = 21 —23 кВ, токе фокусировки / ф= const

22

Пользуясь уравнением прямой, можно написать выражение для диаметра луча: d = d0+ kl. Коэффициенты d0 и k в этом урав­

d — ф + cl)l — а! ,

где I — расстояние от оси фокусирующей системы до объекта сварки, мм; / — ток луча, мА; а, Ь%с — коэффициенты, опреде­ ляемые экспериментально для каждого типа электронно-опти­ ческой системы. Для электронно-лучевой установки типа А.306.06

23

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА НЕПОДВИЖНЫМИ ЗОНДАМИ

Если электронный пучок представить в виде сужающегося конуса, то можно установить закон изменения коэффициента сосредоточенности по сечениям пучка плоскостями, перпендику­ лярными его оси, вплоть до фокуса. Такое представление по­ ложено в основу методик определения размеров луча, предло­ женных в работе [124].

На рис. 15 выделим часть пучка в виде телесного угла с ра­ диусами г и гЛ и толщинами образующей стенки Аг и Дг3 в пло­ скостях А и В. Удельные тепловые потоки q%(r) и q(r}) на коль­ цевых участках Дг и Дгх обратно пропорциональны их площадям:

25

где q?t l (r) и q2m (rx) — максимальные удельные потоки в соот­ ветствующих сечениях пучка. Считая мощность пучка q неиз­ менной в любом сечении и подставив известное выражение для максимальных удельных тепловых потоков [1531

qk

сти в какой-либо одной плоскости пучка, его можно пересчитать для любой другой, включая фокальную.

Коэффициент сосредоточенности в плоскости, близкой к фо­ кусирующей линзе, где удельные тепловые потоки невелики, определяется следующим образом. Неподвижная (например, воль­ фрамовая) пластина с отверстием, радиус R которого меньше радиуса пучка в этой плоскости, устанавливается так, чтобы центр отверстия совпадал с осью пучка. Мощность, восприни­ маемая пластиной (см. рис. 16, б),

из вольфрамовой проволоки диаметром 0,2—0,5 мм или из ме­ таллической охлаждаемой водой трубки с наружным диаметром 0,5 и 1,0 мм. Зонд располагают соосно с лучом и по току, снимаемому с зонда, и величине ускоряющего напряжения определяют сред­

26

Из выражения (5) определяем величину коэффициента сосре­ доточенности в неявной форме для плоскости зонда.

Неподвижные зонды зажимают в штативе с изолированным основанием после предварительного прожигания фольги. Получен­ ное в фольге отверстие служит базой для соосной установки зонда.

В измеренную величину тока пучка кольцевого зонда вводят поправку на присутствие в зоне действия пучка прямолинейной части зонда (рис. 15, е). При вычислении коэффициента сосредо­ точенности в какой-либо плоскости по одному известному зна­ чению в выражении (3) не обязательно использовать отношение (L//)2. Его можно заменить отношением (г/гх)2, полученным при прожигании алюминиевой фольги.

Полученные экспериментальные величины коэффициентов со­ средоточенности используют при сравнении расчетных и экспе­ риментальных кривых изменения температуры.

На рис. 16 изображены расчетные и экспериментальные кри­ вые изменения температуры поверхности массивного тела (сплав ОТ4-1) в зависимости от действия неподвижного нормально­ кругового источника. Экспериментальные кривые получены на установке ЭЛУ-9. Хромель-алюмелевые термопары устанавли­ вают на расстояниях 0,75; 1,0 и 1,5 мм от оси зоны обработки. Расстояние от среза фокусирующей линзы до поверхности зоны обработки составляет 156 мм. Коэффициенты сосредоточенности,

27

определенные на расстояниях 12 и 87 мм, равны 11,75 и 33,0 см-2 при диаметрах луча соответственно 16 и 19 мм. Диаметры отвер­

60 кВ, диаметр луча на поверхности нагрева 2,3 мм. Коэффициент сосредоточенности в зоне обработки, рассчитанный по его из­ вестным значениям в двух плоскостях, равен 510 и 570 см"2.

Уравнение для расчета процесса распространения тепла не­ прерывно действующего нормально распределенного источника, приложенного к поверхности полубесконечного тела [153], имеет

При пренебрежимо малых значениях t0 по сравнению с t уравнение (6) для точек на поверхности полубесконечного тела значительно упрощается и приобретает вид

Т0 = ~2ЖГ erfc (r l W a t ).

Как видно из рис. 16, методика определения коэффициентов сосредоточенности с помощью диафрагмы с отверстием позволяет с достаточной для практических расчетов точностью находить температурные поля при электронно-лучевом воздействии.

Метод кольцевых зондов может давать несколько больший разброс данных, зависящий в основном от точности изготовления и установки зондов. Тем не менее, значения коэффициентов со­

сирующей линзы, удовлетворительно согласуются с данными работы [61 ] при тех же параметрах (см. табл. 1)

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ ТОНКОПЛЕНОЧНЫМ ЗОНДОМ

Схема тонкопленочного зонда приведена на рис. 17. На ди­ электрическую пластину (подложку) напыляется пленка ме­ талла, которая затем наращивается электролитическим способом до необходимой толщины. На металлическую пленку наклеи­ вается изолирующая пластина из того же материала, что и под­ ложка. Торец склеенного образца шлифуют и полируют в пло­ скости X —У. Эта плоскость является рабочей поверхностью зонда. Нерабочие поверхности металлической пленки покрывают защитным слоем.

28

Численный расчет по выражению (10) показывает (рис. 18), что кривая достаточно близка к кривой Гаусса. Ее отклонение от кривой Гаусса представляет погрешность метода, которая в дан­ ном случае зависит от положения зонда относительно центра пучка и соотношения эффективного радиуса сечения измеряемого пучка и толщины зонда. Из зависимости ошибки в определении

29

Рис. 18. Кривые распределения плотности тока по сечению электронного луча: X— X — кривая, соответствующая закону Гаусса; — о — О ---- — кривая, рас­ считанная с помощью соотношения (10); —Д —Д ------ кривая, полученная экс­ периментально

плотности тока от смещения зонда относительно центра пучка

пропорциональна смещению зонда относительно центра пучка. Кривая идет тем круче, чем меньше разница между эффективным (нормальным) радиусом сечения пучка и толщиной зонда. Однако, даже если отношение эффективного радиуса сечения пучка к тол­

3%. При отношении relD = 20 эта погрешность составляет 0,16%. На рис. 20 приведена зависимость погрешности метода на уровне зондовой характеристики / тах/е от отношения размеров пучка и зонда. С помощью этой зависимости можно выбрать необходимые размеры зонда при заранее заданной погрешности

измерения.

Были проведены эксперименты по измерению радиуса сечения пучка на электронно-лучевой установке IEBD-3B-S при уско­ ряющем напряжении 40—60 кВ и токах пучка до 10 мкА. Данная установка имеет электронную пушку триодного типа со сфериче­ ским модулятором и прямонакальным катодом в виде V-образной шпильки. Пушка [формирует сходящийся электронный поток, который фокусируется на поверхности зонда.

Зонд заземляли через сопротивление, падение напряжения на котором использовали на К-входе широкополосного осцил­ лографа. Осциллограф работал в режиме ждущей развертки и запускался в момент начала каждой строки от сканирующего устройства. Аберрации, вносимые отклоняющей системой, малы,

в разных направлениях, для чего изменяли положение зонда и соответственно поворачивали отклоняющую систему. С помощью

30