книги / Основы электронно-лучевой обработки материалов

н н. РЫКАЛИН,

и. в. ЗУЕВ,

А А- УГЛОВ

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

МОСКВА • «МАШИНОСТРОЕНИЕ»* 1978

БВК 315В

Р94

УДК 621.9.048.7

Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я : д-р техн. наук проф. А. М. Дальский, проф. В. В. Иванов, заслуженный деятель науки и техники РСФСР д-р техн. наук проф. В. С. Корсаков, заслуженный деятель науки и техники РСФСР д-р

техн. наук проф. | А. Н. Малов |, заслуженный деятель науки и техники УССР

д-р техн. наук проф. А. А. Маталин, д-р техн. наук проф. | М. П. Нсвиков |,

(председатель), лауреат государственной премии СССР прсф, С. И. Самойлов, проф. В. А. Скраган, лауреат Ленинской премии д-р техн. наук Ю. М. Соломенцев.

Рецензент д-р техн. наук О. К- Назаренко

Впер.: 1 р. 40 к.

Вкниге освещены физические основы электронно-лучевой обработки мате­

риалов. Рассмотрено воздействие электронного луча на различные материалы и даны основные положения технологии обработки этим лучом. Приведены прак­ тические рекомендации по использованию электронного луча для получения отвер­ стий, пазов, полостей в различных деталях, а также для распыления различных материалов при нанесении пленок и покрытий.

(g) Издательство ((Машиностроение» 1978 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие народного хозяйства нашей страны требует широкого внедрения в промышленность новых эффективных технологических процессов, основанных на достижениях современной науки и тех­ ники.

Одним из направлений, существенно расширяющих технологи­ ческие возможности процесса обработки материалов, является использование концентрированных потоков энергии (струи плазмы, лазерного, электронного, ионного лучей и др.).

Электронно-лучевая обработка является одним из разделов этого, успешно развивающегося в последние годы, перспективного направления.

Широкие возможности автоматизации электронно-лучевой об­ работки материалов, ведение процесса в вакууме, что обеспечивает высокую чистоту обрабатываемого материала, концентрация энергии в электронном луче до значений, недоступных ранее извест­ ным источникам, — все это способствовало внедрению электронно­ лучевой обработки как в отрасли, связанные с точным производ­ ством (приборостроение, электроника и др.), так и в отрасли, производящие крупногабаритные изделия (например, тяжелое машиностроение).

С помощью электронного луча выполняют такие технологиче­ ские операции как фрезерование, сверление, термообработка, плавка, сварка, пайка и др.

В разработке теоретических основ процесса воздействия элек­ тронного луча на материалы и в практических применениях этого процесса достигнуты значительные успехи.

Установлено, что непрерывное электронно-лучевое воздей­ ствие на материал переходит в зоне обработки в прерывистое. Учи­ тывая эти особенности процесса, можно использовать как непрерыв­ ные, так и импульсные режимы воздействия, что существенно по­ вышает эффективность обработки и расширяет технологические возможности электронных пучков.

В данной книге обобщены теоретические и экспериментальные данные по научным основам использования электронного луча для обработки материалов. В значительной степени ее содержание бази­ руется на результатах исследований авторов в области физики и технологии электронно-лучевой обработки.

ВВЕДЕНИЕ

Электронно-лучевое воздействие на металлы, приводящее к их нагреву, плавлению и испарению, как новое технологиче­ ское направление в области их обработки интенсивно развивается

тем или иным способом электронного пучка (импульсного или непрерывного) превращается в тепловую в зоне обработки. Так как диапазоны мощности и концентрации энергии в луче велики, то практически возможно получение всех видов термического воздействия на материалы: нагрев до заданных температур, плавления и испарения с очень высокими скоростями (рис. 1).

В настоящее время во всем мире ни одна отрасль промышлен­ ности, связанная с получением соединений и обработкой мате­ риалов, не обходится без электронно-лучевого нагрева. Это можно объяснить характерными преимуществами метода, глав­ ными из которых являются возможность концентрации энергии от 103 до 5-108 Вт/см2, т. е. во всем диапазоне термического воздействия, ведение процесса в вакууме, что обеспечивает чи­ стоту обрабатываемого материала, а также возможность полной

мощные (до нескольких МВт) электронно-лучевые печи при ускоряющем напряжении 20—30 кВ. Концентрация энергии здесь невелика— не более 105 Вт/см2.

Для сварки металлов [42, 104] создано оборудование трех классов: низко-, средне- и высоковольтное, охватывающее диа­ пазон ускоряющих напряжений 20— 150 кВ. Мощность установок

5

[138].

Наиболее интенсивно развивается техника электронно-лучевой сварки металлов. Электронно-лучевые установки мощностью до 30 кВт позволяют решить большинство сварочных проблем для деталей из алюминия и титана толщиной от 0,5 до 40—50 мм, на которые падает основной объем сварочных работ. Сварка металлов при толщине более 100 мм требует использования обо­ рудования мощностью более 50 кВт [174 ]. Другая причина интенсивного развития техники электронно-лучевой сварки ме­ таллов связана с тем, что основной объем теоретических и экспе­

вления), как наиболее интересного с точки зрения выявления физики процесса.

Электронно-лучевое воздействие в этом диапазоне характе­ ризуется феноменом «кинжального», или глубокого, проплавле­ ния (рис. 2) с соотношением глубины шва к его ширине 10 : 1 и более. Увеличение концентрации энергии до ~ 107 Вт/см2 при­ водит к переходу от «кинжального» проплавления к образованию отверстия в материале. Нагрев при концентрациях менее 105 Вт/см2

6

Рис. 3. Схематическое изображение поперечных се­ чений зон обработки при электронно-лучевом воздей­ ствии:

1 — при «мягком» режиме нагрева; 2 — переход к «же­ сткому» режиму; 3 — «кинжальное» проплавление; 4 — переход к отверстию; 5 — отверстие в материале

(например, плавка) сопровождается обычной полусферической формой проплавления металла (рис. 3).

Выявление механизма глубокого проплавления является цен­ тральной проблемой в процессе электронно-лучевого воздействия. Решение этой проблемы дает возможность объяснить и другие типы реакции материала на термические воздействия. Есте­ ственно, что загадка «кинжального» феномена привлекла вни­ мание исследователей и породила большое число точек зрения на это явление. На самой первой стадии исследований (1959—■ 1961 гг.) в основном констатировали эффект глубокого пропла­

в сторону, противоположную направлению движения луча. Согласно этой гипотезе образование глубокого проплавления представляется как стационарный процесс.

В 1965 г. экспериментально установлено, что процесс внед* рения электронного луча в металл происходит за счет испаре­ ния и является прерывистым. С помощью киносъемки было по­ казано, что образующийся канал заполняется паром, а сверху

7

по высоте канала неравномерно: максимум (—5000 К) находится у дна канала, а минимум (—2500—3000 К) у выходной части [209].

В работах [54, 159] на основе экспериментальных и расчет­ ных данных показано, что процесс внедрения электронного луча в материал с образованием в нем канала происходит за счет пе­ риодического с частотой 103— 10° Гц (в зависимости от концент­ рации энергии) выброса вещества вследствие взрывообразного испарения материала. В основу таких представлений было по­ ложено сравнение скоростей ввода энергии и релаксации этой энергии материалом. Для большинства металлов скорость ввода тепла в диапазоне концентрации энергии 1СГ— 10° Вт/сма на­ много превышает скорость отвода его вследствие теплопровод­ ности, что неизбежно приводит к поверхностному испарению и вскипанию микрообъема расплава вещества, в котором выде­ ляется энергия электронного луча.

Существует «взрывная гипотеза» [19, 56, 112, 137], которая позволила перейти к первым полуколичественным оценкам пара­ метров процесса [58, 59, 158, 205] и получила подтверждение в ряде других работ [13, 117, 147, 159]. Периодический харак­ тер взаимодействия электронного луча с паром, вытекающим из канала, установлен также в работах [7, 96, 102, 121, 180].

В 1969 г. [213] проведены экспериментальные исследования процесса образования канала с помощью киносъемки в рент­ геновских лучах. Установлено, что в жидком металле вокруг электронного луча существует полость. Эта полость все время находится в движении: глубина ее периодически колеблется от нулевой до максимальной с частотами 10—60 Гц. Кроме того, полость периодически смыкается, в основном в верхней части, а иногда и в других сечениях канала. На основании полученных экспериментальных данных разработана теория образования ка­

Некоторые исследователи связывают образование канала в ве­ ществе с появлением плазмы, прозрачной для электронного луча [19, 70, 91 ], и образованием радиационных дефектов типа кас­ кадных смещений атомов, термических клиньев и пиков [145, 147, 164]. Рассмотренные подходы к решению проблемы электрон­ но-лучевого воздействия основываются на изучении физических процессов в зоне нагрева.

Имеется много работ, в которых трудности изучения физиче­ ских явлений в зоне воздействия электронного луча обходят путем введения некоторого источника теплоты и использования теории теплопроводности. Такие подходы в ряде случаев дают возможность быстрее получить методики инженерных расчетов процесса, чем подробный анализ физических явлений. В суще­ ственной степени это связано с действием принципа местного влияния [153].

8

Для осуществления теплового подхода, т. е. решения задачи теплопроводности в условиях электронно-лучевого воздействия необходимо знать характер теплового источника и тепловой баланс процесса.

Приведенные в литературе экспериментальные данные пока­ зывают, что потери теплоты на испарение при электронно-лу­ чевой сварке с глубоким проплавлением не превышают 5— 10%, т. е. тепловой баланс электронно-лучевого воздействия при кон­ центрациях энергии ^ 1 0 5— 106 Вт/см2 во многом сходен с теп­ ловым балансом при процессе электродугового нагрева [42]. На этом основании ряд исследователей предложили соотношения, связывающие мощность электронного луча (с учетом концентра­ ции энергии) с характеристиками проплавления, решая тради­ ционную задачу теплопроводности. Точность вычислений при этом достаточна для инженерных расчетов [47, 48, 52, 142, 189, 190, 201—203].

Что касается характера теплового источника, то согласно экспериментальным и расчетным данным [37, 55, 61, 75, 106] в зависимости от ускоряющего напряжения, а вернее от глубины пробега электронов в веществе, он является либо нормально распределенным поверхностным (ускоряющие напряжения менее 20 кВ), либо (для случая высоких ускоряющих напряжений) нормально распределенным по поверхности и глубине [37, 54, 217]. Для оценки тепловых полей в случае электронно-лучевой сварки с глубоким проплавлением неплохую точность дает аппро­ ксимация теплового источника как линейного конечной глу­ бины [212] либо как комбинации точечного и линейного [44, 1621.

Для установления связи параметров электронного луча с ха­ рактеристиками проплавления в литературе наметился еще один формальный подход, который можно назвать «критериальным». В нем используют методы теории подобия и с учетом анализа размерностей получают соотношения, связывающие параметры

В проблеме изучения процесса электронно-лучевого воздей­ ствия необходимо выделить класс исследований, связанный с изу­ чением эмиссионных процессов в зоне обработки [84, 105, 187]. Регистрация изменения интенсивности эмиссии электронов и светового излучения [172— 175] из зоны воздействия позволяет судить о кинетике процесса электронно-лучевого нагрева и раз­ работать датчики для его контроля и регулирования. Хотя в об­ ласти автоматизации электронно-лучевых процессов имеются определенные успехи, большинство разработок связано с созда­ нием аппаратуры для слежения за положением электронного луча в пространстве, в частности за стыком сварного шва [4, 5, 152], и мало работ по комплексному управлению процессом,

9