Таблица 11.
Плотность энергии различных источников теплоты и минимальная площадь пятна нагрева
Источник теплоты | Минимальная площадь пятна нагрева см2 | Максимальная плотность энергии, Вт/см2 |
Ацетилено-кислородное пламя | 10-2 | 5х104 |
Сварочная дуга | 10-3 | Iх105 |
Электронный луч | 10-7 | 5х 108 |
Луч оптического квантового генератора | 10-7 | 5х 108 |
По оси ординат отложена максимальная плотность энергии q, которая может быть достигнута в источнике теплоты. Наклонными линиями показана мощность источника, изменяющаяся от нескольких до сотен киловатт. Из рис. 73 следует, что электронный луч как источник теплоты обладает свойствами, позволяющими использовать его для самых плавных нагревов и как источник, сосредоточенность которого на два порядка выше, чем у сварочной дуги (табл. 11). Электронный луч также может быть сосредоточен на очень малой площади, что дает возможность использовать его для сварки изделий микроэлектроники.
Мощность электронного луча может достигать очень больших величин, это делает его перспективным для сварки больших толщин (200—500 мм).
Можно получить электронный луч с интенсивностью 5 108 Вт/см2. Плотность энергии в таком луче достигает 500 000 кВт/см2, т. е. на одном квадратном сантиметре с помощью электронного луча может быть сосредоточена энергия мощной современной турбины.
При нагреве электронным лучом за очень короткий промежуток времени в пятне могут быть получены весьма высокие температуры. Расчет показывает, что в слое металла, подвергающегося электронной бомбардировке при толщине слоя, равной пробегу электрона, в течение 1 с должна была бы устанавливаться температура порядка 107—108 ° С. В реальных условиях такие температуры в металле, подвергаемом электронной бомбардировке, существовать не могут вследствие испарения металла на поверхности, на что расходуется значительная часть энергии и интенсивного перемешивания расплавленного металла газами и парами, выделяющимися при нагревании.
Применительно к сварочным целям интенсивность энергии в электронном луче должна иметь свой оптимум, так как при очень высокой сосредоточенности источника теплоты процесс сопровождается не только плавлением, но и интенсивным испарением металла, вследствие чего происходит процесс резания металла. На этом принципе построены электронные пушки, предназначенные для сверления и фрезерования.
Высокая интенсивность таких источников теплоты позволяет сваривать любые металлы. Плотность энергии в электронных пучках, используемых для сварки, определяется рядом факторов: свойствами металла (температура плавления, теплопроводность и др.). его толщиной, формой сварного соединения и т. д. При сварке тугоплавких и теплопроводных металлов и металлов больших толщин целесообразно применять электронный луч с более высокой плотностью энергии. При сварке легкоплавких и легкоиспарягощихся металлов и металлов малых- толщин целесообразно использовать лучи с относительно малой плотностью энергии, а в ряде случаев с импульсным нагревом.
Важное преимущество сварки электронным лучом при высоких ускоряющих напряжениях — возможность получения узкой и глубокой зоны проплавления. На рис. 74, с представлены макрошлифы, показывающие изменение формы и размеров зоны проплавления при сварке электронным лучом различной мощности при разгоняющем напряжении 70 кВ.
Рис.74. Макрошлиф сварного соединения
Электронный луч обладает энергией большой плотности и оказывает интенсивное тепловое воздействие. Зона расплавления в металле вытягивается преимущественно в направлении действия электронного луча. При дальнейшем повышении мощности зона проплавления принимает форму конуса с отношением глубины шва h к ширине проплавления Ь, достигающим 10—15. На рис. 74, б представлен макрошлиф поперечного сечения соединения из различных сталей, выполненного электроннолучевой сваркой.
При использовании низковольтных сварочных пушек при малых токах электронного луча (до 35 мА) форма зоны проплавления почти не отличается от формы зоны проплавления, получаемой при аргоно-дуговой сварке. При увеличении силы тока луча в нижней части зоны проплавления появляется клиновидный участок. Глубина этого участка растет с увеличением силы тока.
Наибольшее влияние на форму проплавления оказывает разгоняющее напряжение. Так, с повышением разгоняющего напряжения до 70 кВ наблюдается более интенсивное увеличение глубины проплавления. Зона проплавления вытягивается в направлении действия луча, при этом с увеличением силы интенсивно растет глубина проплавления.
Для швов, полученных аргоно-дуговой сваркой, отношение глубины шва к его ширине (h/b) обычно колеблется в пределах 0,1—0,5, а для швов, полученных электроннолучевой сваркой, это отношение обычно выше 5 и с увеличением мощности луча быстро растет.
Рис.75. Образование зоны проплавления при неподвижном луче:1—распределение энергии в луче;2— форма проплавления;3 —распределение энергии луча в зоне расплавления