Электронно-и ионно-лучевой нагрев

Электронно-лучевой нагрев заключается в бомбардировке металла потоком ускоренных электронов, кинетическая энергия которых при торможении в его поверхностном слое превращается в тепловую, причем КПД процесса достигает 0,85—0,9. Мощность W, передаваемая изделию, зависит от тока пучка электронов I и ускоряющего напряжения U, т. е.

где I — ток пучка, A; U — ускоряющее напряжение, В.

В современных сварочных установках ускоряющее напряжение достигает 15—250 кВ. Высокое напряжение между катодом и анодом (рис. 2.8), расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, создает большую напряженность электростатического поля, в котором электроны, эмитированные нагретым катодом, разгоняются до огромных скоростей. Определить скорость электрона можно по формуле.

где е — заряд электрона, Кл; т — масса электрона, г; U — ускоряющее напряжение, В.

С помощью магнитной линзы поток ускоренных электронов формируется в узкий пучок и направляется на изделие; здесь он сосредоточивается на небольшом участке, чем достигается высокая удельная мощность в пятне нагрева. Электроны, бомбардируя металл, выделяют максимум энергии на некотором расстоянии от его поверхности. Указанное расстояние соответствует примерно длине пробега электрона в металле.

Рис. 2.8. Схема электронно-лучевой установки:

К — катод; А — анод; 1 — электромагнитная линза; 2 — деталь;

3 — пучок ускоренных электронов Незначительные потери энергии складываются из потерь на аноде, потерь на соударение с молекулами газа на вторичную эмиссию электронов и рентгеновское излучение. Часть тепла расходуется также на излучение нагреваемого металла и теплоотвод его в изделие. Снижение потерь на соударение с газами достигается сваркой в вакууме. Нагрев электронным лучом в атмосфере менее эффективен и требует больших затрат энергии.

Ионно-лучевой источник нагрева, в отличие от электронно-лучевого, не получил еще такого широкого распространения при сварке. Однако некоторые его особенности позволяют рассматривать ионный нагрев как перспективный. В отличие от электронного нагрева ионный пучок менее чувствителен к действию внешних магнитных полей. С наличием подобных полей можно встретиться при сварке не только в обычных условиях (токоподводящие провода, магнитная масса изделия и т. п.), но и, например, в космосе, где действует магнитное поле Земли. Влияние магнитных полей, заключающееся в расфокусировке луча, отклонении его от стыка, существенно затрудняет сварку. Ионная бомбардировка позволяет не только нагреть металл, но и при определенных условиях производить одновременно со сваркой физическую и химическую очистку его поверхности, а также изменять его свойства внедрением ионов в поверхностный слой свариваемой детали.

Кроме того, под воздействием нейтрального потока ионного пучка, возможность формирования которого вполне реальна, не происходит изменения потенциала свариваемой детали из диэлектрических материалов (стекло, керамика). В противном случае наблюдается, например, при электронно-лучевой сварке, расфокусировка пучка из-за возникающего на детали пространственного заряда. При сварке ионным лучом практически отсутствует рентгеновское излучение, в то время как при электронно-лучевом нагреве оно может достигать значительной величины.

В качестве источника ионов применяются специальные плазматроны или другие устройства, в которых ионизируется какой-либо элемент, например инертный газ гелий. Поток ионов плазмы вытягивается в магнитном поле и затем ускоряется аналогично тому, как происходит ускорение электронов. Для концентрации ионного луча применяются электромагнитные фокусирующие линзы. Однако приходится учитывать меньшую подвижность ионов и большую их массу по сравнению с электронами. Таким образом, ускорить однородный пучок ионов и хорошо его сфокусировать труднее, чем электроны. В плотном пучке одноименно заряженные ионы отталкиваются и пучок рассеивается, не достигнув той степени сжатия, которая имеется при электронно-лучевом нагреве. Отсюда удельная мощность в пятне нагрева при действии ионного пучка значительно ниже, чем при электронно-лучевом нагреве. Улучшить свойства ионного пучка удается благодаря его нейтрализации ионами остаточного газа, имеющими обратный электрический заряд, или введением в поток положительных ионов электронов, имитируемых, например, нагретой вольфрамовой сеткой. Такой нейтрализованный поток затем фокусируется и ускоряется.