Форма зоны проплавления при сварке электронным лучом металла большой толщины выгодно отличается от формы проплавления при сварке дугой за счет резкого увеличения глубины. Возможность получения швов с большой глубиной проплавления — одно из основных преимуществ электроннолучевой сварки, использующей источник теплоты с высокой плотностью энергии.

Процесс образования глубокого кратера при электроннолучевой сварке еще полностью не выяснен. В литературе высказывается много различных предположений о механизме образования кратера, часто диаметрально противоположных. Вызвано это тем, что до сих пор нет ясности в роли силовых факторов, участвующих в глубинном проплавлении при электроннолучевой сварке.

Наблюдение за процессом сварки и теоретические расчеты позволяют получить представление о процессе сварки электронным лучом с глубоким проплавлением. В начальной стадии, при неподвижном луче, наблюдается образование углубления в металле в виде конуса. Конус образуется следующим образом: после достижения заданной мощности и фокусирования электронного луча вся мощность луча сосредотачивается в поверхностном слое свариваемого металла, толщина которого равна глубине проникновения электронов. При этом площадь пятна нагрева равна площади сечения луча. Вследствие того, что плотность энергии на поверхности металла максимальна, наблюдается интенсивный вынос металла из зоны нагрева. В металле образуется углубление в виде конуса, боковая поверхность которого значительно больше площади основания конуса. Во время образования конического углубления плотность энергии луча на его боковой поверхности уменьшается (рис. 75).

Установившаяся плотность энергии на боковой поверхности конуса проплавления имеет такую величину, при которой уже размеры кратера не изменяются.

Процесс передвижения луча по изделию сопровождается дополнительными явлениями, также обусловленными интенсивным действием электронного луча. При движущемся электронном луче плавление металла происходит на передней стенке кратера, после чего расплавленный металл перемещается к задней стенке, не подвергающейся нагреву электронным лучом.

Устойчивое существование глубокого конуса при неподвижном луче обусловлено следующими силами, действующими на жидкий металл, находящийся в кратере;

1. Силой давления потока электронов на единицу поверхности жидкого металла

где i — плотность тока луча, А/см²; е — заряд электрона, 1,6-10^-19 Кл; m— масса электрона, 9,1-10^-28; v — скорость электронов, см/с.

Скорость электрона, выраженная через разность потенциалов ускоряющего напряжения U,

Учитывая это, можно записать

Сила давления электронного потока

где I — сила тока луча, А.

При I = 0,03 А, U = 50 кВ, F₁ = 0,34х0,03 х √50х1000 = 2,24 дин = 2,3 мгс.

Таким образом, сила давления электродного потока на всю поверхность кратера измеряется несколькими миллиграммами, а давление электронного потока весьма мало.

2. Электромагнитной силой, возникающей от тока луча. Электронный луч можно рассматривать как упругий газообразный проводник. Собственное магнитное поле окружает луч и воздействует на него со всех сторон. При сварке в луче и расплавленном металлу ванны протекает один и тот же ток. Поэтому собственное магнитное поле также воздействует и на сварочную ванну. При движении луча по поверхности расплавленной ванны мостик жидкого металла, находящийся под лучом, также стремится переместиться под действием электромагнитной силы F₂:

где 1 — сила тока луча, A; R₀ — радиус кратера расплавленного металла, см; R₀ — 1/26 (b — ширина сварочного шва, см); r0 — радиус луча, см;

При R₀ = 0,25 см, r₀ = 0,05 см, l = 30мА

Величина электромагнитной силы исчезающе мала, и ее во многих случаях электроннолучевой сварки можно не принимать во внимание.

3. Реакцией паров металла. При воздействии потока электронов на металл его поверхность нагревается до очень высоких температур, вследствие чего с поверхности расплавленного металла наблюдается испарение. При испарении металла создается определенное реактивное давление на жидкий металл.

Сила реакции паров может быть получена из следующего выражения:

где га — количество пара, г/с; v — скорость молекул испаряющегося металла, см/с.

Скорость испарения вещества с поверхности в вакууме можно определить, используя уравнение Ленгмюра

где G = m/A— скорость испарения, г/см²хс; А — площадь испарения, см²; т — масса испаряющегося металла, г/с; R — универсальная газовая постоянная; р — давление пара при температуре Т, К, мм. рт. ст.

Для железа G = 0,436 р/Т1/2х г/см² х с. Температура поверхности жидкого металла в кратере может быть принята равной 2300 К, а давление пара р при этой температуре 4,1 мм рт. ст. (547 Н/м²).

Скорость вылета паров из кратера v (в см/с) определим из выражения:

где d — диаметр кратера, через который пары вылетают в вакуум, см; М - атомная масса металла; Т — температура пара, К.

При m = 4,6 х 10^-3 г/с; d = 0,2 см; M = 56 (для железа); Т = 2300 К; р = 4,1 мм рт. ст. v = 9,5-10⁴ см/с. Поэтому реакция испаряющегося пара:

F₃ = mv = 4,6-10^-3 -9,5-10⁴ = 435 дин = 450 мгс.

Таким образом, сила F₃ представляет собой значительную величину.

4. Статическим давлением пара в кратере, вызванным испарением расплавленного металла. Это давление можно считать максимально равным давлению насыщения при температуре жидкого металла в кратере. Следовательно, если давление в кратере достигает значения давления насыщения, сила, действующая на поверхность кратера, определится из выражения:

где р — давление насыщенного пара, мм рт. ст.; D_c — средний диаметр кратера, см. При р = 4,1 мм рт. ст., D₀ = 0,1 см F_t = 40 мгс.

5. Силой поверхностного натяжения, действующей на жидкий металл.

При D = 0,2 см и σ = 1000 дин/см F₅ = 628 дин = 630 мгс.

6. Силой тяжести, действующей на расплавленный металл,

где m₀ — масса расплавленного металла, г; g — ускорение свободного падения, см/с².

При q = 550 кал/с, v = 1,3 см/с толщина жидкого слоя h в кратере равна 1,7-10 ² см. Масса жидкого металла

где Н — глубина проплавления, см; r — радиус кратера, см; r₀ = r + h, см; р — плотность металла, г/см³.

При Н = 0,5 см, г = 0,15 см, г₀ = 0,15 + 0,017 см, _m0 = 0,022 г или .F₀ = 22,0 мгс.

7. Металлостатическим давлением, действующим на расплавленный металл,

Сила, действующая на дне кратера в результате металлостатического давления,

При р = 6,9 г/см³, g = 980 см/с², Н = 1,0 см и D = 0,1 см F7 = 6,9х980х1,0 π/4(01)²дин = 550 мгс.