Нагрев металла потоками частиц и излучения

Тепловые характеристики сфокусированного электронного луча. Явление термоэмиссии дает возможность создать в вакууме направленный поток электронов, кинетическая энергия которых при столкновении с твердым или жидким материалом превращается в тепло; выделяемое в материале.

В электронно-лучевых установках, используемых для сварки, ускоряющее напряжение изменяется в пределах от 10 до 150 кВ. Сила тока электронных пушек изменяется от нескольких десятков миллиампер до единиц ампер, а мощность электронно-лучевых установок составляет единицы и десятки киловатт.

Ускоренные электроны, сформированные электронно-оптической системой в пучок, попадая на поверхность твердого тела, проникают вглубь и выделяют энергию в некотором объеме, прилегающем к поверхности обрабатываемого изделия. Максимальная глубина проникновения электронов в твердое тело практически для всех обрабатываемых материалов не превышает десятых долей миллиметра при ускоряющих напряжениях до 150 кВ.

Потери энергии электронного луча связаны со вторичной эмиссией электронов, рентгеновским излучением, соударениями с молекулами газа в вакуумной камере потерями на аноде и с ионизацией паров металла.

При энергии первичных электронов до 200 кэВ только 0,1—1% подводимой энергии тратится на возбуждение рентгеновского излучения. Потери мощности на аноде обычно составляют 3—5%, энергетические потери, обусловленные соударением с молекулами остаточного газа в рабочей камере, 0,1%. На ионизацию паров металла при обработке электронным лучом расходуется несколько процентов мощности луча.

Основной источник энергетических потерь электронного луча связан со вторичной электронной эмиссией. Поэтому эффективный КПД η_и электронно-лучевого нагрева, изменяющийся в пределах от 70 до 90%. практически не зависит от энергии первичных электронов; он зависит только от атомного номера обрабатываемого материала. Значения % для ряда материалов приведены в табл. 4.

4. КПД электронно-лучевого нагрева для ряда металлов

Эффективная мощность q, кал/с электронного луча определяется как количество тепла, введенное в единицу времени в металл изделия потоком электронов:

Распределение плотности тока по сечению электронного луча, а также распределение плотности потока энергии по пятну нагрева может быть описано законом нормального распределения (рис. 21). Плотность потока энергии в электронно-лучевых сварочных установках может достигать 10⁶ Вт/см² и выше.

Магнитные отклоняющие системы позволяют перемещать электронный луч в пространстве относительно изделия по заданному закону, например отклонять его в разные стороны относительно среднего пути перемещения с большой частотой (100 Гц и более), вращать по кругу или по другой замкнутой кривой и т. д.

При сварке тонколистовых конструкций целесообразен импульсный режим электронного луча. Модуляция частоты луча, так же как и длительности импульсов, осуществляется подачей на фокусирующий электрод отрицательных относительно катода импульсов напряжения.

Сварка тонколистовых конструкций электронным лучом, перемещающимся прямолинейно со скоростью V. Нагрев описывается схемой подвижного нормальнокругового источника в тонкой пластине с теплоотдачей по формуле (12). Если радиус пятна нагрева мал (велик коэффициент сосредоточенности), то может быть выбрана схема перемещения линейного источника теплоты с теплоотдачей на поверхности и полным выравниванием температуры по толщине δ по формуле (4).

Нагрев массивных изделий электронным лучом описывается схемой нормально распределенного источника на поверхности полубесконечного тела. Для быстродвижущегося источника можно использовать соотношение (15).

С помощью электронного луча можно получать глубинные проплавления с большим отношением глубины к ширине проплавления.

Нагрев материалов потоками излучения [10]. Потоки радиации, лежащей в спектральных диапазонах — от инфракрасного до ультрафиолетового, излучаются нагретыми поверхностями в соответствии с законом Стефана—Больцмана. Интенсивность потоков излучения пропорциональна четвертой степени температуры излучающей поверхности. Поэтому практический интерес представляют только наиболее горячие источники; солнце с поверхностной температурой 5-6х10³К, вольфрамовые нити накаливания в газонаполненных лампах 4х10³К, дуговая или ВЧ-плазма инертного газа 7-8х10³К

Излучение от высокотемпературных источников. В лабораторных условиях для фотонной сварки используют сфокусированное излучение от высокотемпературных источников. Ксеноновые лампы или электрическую лугу помешают

в одном из фокусов эллипсоидного концентратора энергии, в другом фокусе которого энергия концентрируется в пятне нагрева на изделии. Плотность потока   энергии в пятне  нагрева достигает 1,5*10³ Вт/см² , КПД  установок составляет 20% (без учета отражения части излучения от поверхности нагрева). Источники излучения с мощностью в десятки киловатт в непрерывном  режиме используют для сварки прерывистых швов и для точечной сварки.

Нагрев материалов лучом лазера. С технологической точки зрения излучение лазера характеризуется высокой плотностью мощности в пятне нагрева,прецизионностью, относительной простотой управления лучом. Для сварки применяются  лазеры с импульсной генерацией излучения и лазеры непрерывного действия.

Характеристики импульсных лазеров. Импульсное излучение для сварки генерируют лазерные установки на рубине, стекле, легированном неодимом, и некоторые типы лазеров на смеси газов. Мощность лазеров за время импульса длительностью несколько миллисекунд достигает десятков и сотен киловатт. Энергия в импульсе лазерной сварочной установки изменяется от единиц до десятков джоулей. Поток излучения, выходящий из лазера, обладает весьма незначительной расходимостью, что позволяет с помощью оптических систем сфокусировать его в пятно малых размеров, равное десятым долям миллиметра и даже меньше. С помощью оптической системы, а также систем фильтров, частично поглощающих излучение, легко регулировать плотность мощности лазерного излучения, достигающей в пятне нагрева 10⁶—10⁷ Вт/см² и выше. За время импульса в несколько миллисекунд плотность потока q2 > 10⁵ Вт/см² позволяет достичь на поверхности практически любого непрозрачного материала температуры, превышающей точку плавления. Распределение плотности потока на поверхности материала при действии импульсного и непрерывного лазерного излучения обычно описывают с помощью закона вероятности Гаусса, учитывая отражение части лучистой энергии с помощью коэффициента отражения R, т. е.

Скорость повторения отдельных импульсов лазера, зависящая от интенсивности охлаждения кристалла, может составлять десятки герц, что позволяет сваривать непрерывные швы. КПД лазеров импульсного действия на рубине составляет 1%, для лазеров на стекле с неодимом 2%.

Характеристики лазеров непрерывного действия. В лазерах непрерывного действия поток фотонов большой мощности генерируется в возбужденных молекулярных газах, в газовых смесях или в смесях газа с парами металла. Лазеры на нейтральных атомах позволяют генерировать излучение с длинной волны преимущественно в инфракрасной части спектра и некоторые — в красной области видимого спектра. Ионные газовые лазеры дают излучение в основном видимого и ультрафиолетового диапазона. Мощность лазеров на углекислом газе (СО₂-лазеры) составляет несколько киловатт при η_и=0,20. Плотность потока в пятне фокусировки, определяемая углом расходимости и параметрами оптической системы, достигает 10⁵ Вт/см² и выше. С02-лазеры генерируют излучение в инфракрасном спектральном диапазоне (длина волны 10,6 мкм). Особенностью спектрального диапазона излучения на волне 10 мкм является значительное поглощение диэлектрическими материалами, такими, как стекло, кварц, кожа, нейлон, дерево и др. Металлы на этой волне отличаются значительным отражением, поэтому приходится принимать меры для повышения поглощательной способности посредством нанесения тонких пленок, поверхностного окисления и т. д.

Мощность газодинамических лазеров, принцип работы которых основан на быстрой прокачке смеси углекислого газа, азота и гелия через зону поперечного потоку газа разряда, достигает десятков киловатт, что позволяет сваривать швы в металле толщиной до 50 мм и приблизить лазерную сварку по своим предельным возможностям к электронно-лучевой в вакууме.

Сфокусированное излучение лазеров аналогично электронному лучу позволяет получить в металле глубинные проплавления с большим отношением глубины зоны проплавления к ее диаметру. Формирование глубоких проплавлений обусловливается развитием поверхностного испарения, которое создает давление отдачи на ванну расплава, неравномерно распределенное по ее поверхности. Деформация поверхности расплава приводит к заглублению источников энергии в объем материала.

Схемы расчета тепловых процессов при сварке лазером в большинстве случаев аналогичны схемам, используемым для электронного луча. Особенности расчетных схем, методы решений и примеры приведены в работе [9].