Электрические методы обработки материалов - Могорян Н.В.
Скачать (прямая ссылка):
вследствие чего зона обработки нагревается до высоких температур (свыше
6000°С) и материал испаряется [2]. Этот способ обработки сравнительно
нов, однако уже достаточно широко применяется в промышленности.
Известно, что при нагреве металла с его поверхности эмиттируются
электроны. Кинетическая энергия этих электронов невелика, однако, если на
них воздействовать электрическим полем, скорость движения их, а
следовательно, и величину запасенной кинетической энергии можно
значительно увеличить. Величина запасенной кинетической энергии
определяется соотношением [1]
mifl
W=-Y = eUycK Дж, (П-1)
где т -- масса электрона, равная 9,1-Юг31 кг; е - заряд электрона, равный
1,6-10-19 К; v - скорость дви-
78
жения электрона, м/с; UyCK - разность потенциалов; между катодом и анодом
(ускоряющее напряжение), В.
Для уменьшения сопротивления движению электронов в рабочем пространстве
создается достаточно низкий вакуум (10~2-10~4 Па), в результате чего
длина свободного пробега электронов превосходит линейные размеры рабочего
пространства и электроны не сталкиваются с молекулами среды. Скорость
движения электронов может быть вычислена по формуле
v= ]/Г2^У'й^Г =5,93м/с. (11.2)
Одной из характерных особенностей нагрева электронной бомбардировкой
является внутреннее высвобождение энергии электронов в материале при их
торможении. Экспериментально установлено, что электроны,, обладающие
определенной энергией, могут проникать в глубь материала при его
бомбардировке. Толщина поверхностного слоя вещества, в котором происходит
полная потеря энергии электрона в результате многочисленных соударений с
ядрами атомов и электронами решетки, определяет его пробег, величина
которого находится по формуле
5 = 2,1-10-,2у см, (И.3>
где р - плотность вещества, г/см3.
При проникновении электронов в металл их движение постепенно тормозится
вследствие взаимодействия с электронами и ядрами атомов. Для наиболее
широко применяемых материалов и ускоряющих напряжений глубина пробега
электронов достигает нескольких десятков микрометров. Несмотря на то, что
она невелика, ее учет весьма существен в понимании основных
закономерностей механизма электронно-лучевой обработки материалов, в
особенности при больших значениях удельной мощности в электронном пучке
[3].
Таким образом, в отличие от обычных широко применяемых способов
концентрации тепла, осуществляющих нагрев путем теплопередачи через
поверхность металла, высвобождение энергии при электронно-лучевой
обработке происходит в самом веществе, причем наи-
1
79
более интенсивное тепловыделение наблюдается на некоторой глубине.
Основная часть запасенной электронами кинетической энергии переходит в
тепловую. Удельную мощность (плотность мощности) в фокальном пятне можно
•определить по формуле
ру = ки1&1* Вт/см2. (П-4)
Здесь к - постоянная, зависящая от конструкции и соотношения
геометрических размеров электронно-оптической системы; ia - плотность
тока эмиссии на катоде, А/см2.
Часть кинетической энергии электронов (до 3%) преобразуется в световое и
рентгеновское излучение, мощность которого составляет
Яр = 3-10-6 IZUW Вт, (Л-5)
1 - сила тока электронного пучка, A; Z - порядковый номер элемента в
периодической таблице.
Основной фактор, определяющий работу электронно-лучевой установки (ЭЛУ),-
это поток электронов .между двумя электродами - катодом, эмиттирующим
электроны, и анодом, их собирающим.
Эмиссия электронов с катода происходит в основном за счет свободных
электронов, блуждающих между ионами кристаллической решетки. По характеру
возникновения эмиссии различают следующие основные виды электронной
эмиссии: термоэлектронная, вторичная, фото- и автоэлектронная. Для ЭЛУ
наибольший интерес представляют первые две.
Термоэлектронная эмиссия (см. п. II. 2) определяет величину кинетической
энергии, запасенной электронным лучом, или ток эмиссии.
Вторичная эмиссия (явление крайне нежелательное) возникает при
бомбардировке металлических поверхностей потоком электронов, которые
выбивают с обрабатываемой поверхности электроны (ударная ионизация, или
эмиссия), в результате чего в зоне обработки ¦образуется поток вторичных
электронов обратного направления, или так называемый "объемный
отрицательный заряд". Наибольшие значения вторичная эмиссия приобретает
при непрерывном действии потока элект-
S0
ронов на деталь. Наличие "объемного отрицательного заряда" приводит к
расфокусировке электронного луча, к его отклонению и снижению удельной
мощности в нем [4].
Ценными особенностями электронного луча как инструмента для
микрообработки является то, что его легко фокусировать, модулировать по
мощности; электронный луч безынерционен, его можно мгновенно перемещать в
любую точку обрабатываемой поверхности; следует также отметить и
стерильность процесса. Эти свойства электронного луча, а также ряд других
привели к тому, что такие электротехнологические процессы, как
электронно-лучевая размерная обработка, сварка, плавка металлов и
