Раздел 3. Сварка электронным лучом

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 12Следующая ⇒

Сварка электронным лучом, как уже сказано, относится к специальному методу сварки плавлением термического класса. Электронный луч, как носитель тепловой энергии, может обладать значительной мощностью. Сварка электронным лучом может успешно происходить на толщинах порядка 200 – 500 мм., как стыковыми так и угловыми сварными швами. К преимуществам электроннолучевого метода можно отнести сварку материалов широкого спектра по своим механическим, физико-химическим свойствам. Недостаток – дорогое оборудование. Для закрепления теоретического материала раздела предлагаются вопросы для самопроверки. Для усвоения пройденного материала тест №7 блока текущего контроля.

Тема 3.1. Энергия электрона

На современном этапе развития физики широкое и разностороннее применение в различных областях науки и техники находит использование энергии электронов.

Электрон представляет собой элементарную электрически заряженную частицу, имеющую:

- отрицательный заряд е = 1,602·10^-19 Кл,

- массу т_е = 9,109·10^{-31 кг},

- радиус r_е = 2,82·10^{-15 м},

- удельный заряд e/m_е = 1,759 × т_е× 10¹¹ Кл/кг.

Количество электронов в атоме зависит от типа вещества и равно его атомному номеру в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

Электрон, являясь наименьшей устойчивой заряженной элементарной частицей материи, может быть получен наиболее простым образом в свободном состоянии. В большинстве случаев, подведя соответствующую энергию, можно вызвать выход электронов с поверхности металла. В результате возникает эмиссия электронов.

Величина тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры катода, работы выхода и свойств поверхности (уравнение Ричардсона-Дэшмана):

J_e₌AT²e^-^e^φ⁰^/^kT,

где Je - плотность тока эмиссии, А/см²; А — эмиссионная постоянная, зависящая от свойств излучающей поверхности и равная для большинства чистых металлов 40 - 70 А/см²К²; Т—абсолютная температура катода, К;

е — основание натурального логарифма; еφ_о— работа выхода электрона из металла, Дж; k = 1,38·10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана.

Это уравнение показывает, что величина тока эмиссии в наибольшей степени зависит от температуры катода. Однако при увеличении температуры резко возрастает скорость испарения материала катода и сокращается срок его службы.

Свободные электроны под действием электрических или магнитных полей могут перемещаться. Поскольку электроны обладают самой малой инертной массой из всех элементарных частиц, имеющих заряд, то электрону можно сообщить большие ускорения. Если электрон поместить в однородное электрическое поле напряженностью Е, созданное между двумя параллельными пластинами достаточно большой протяженности, то на электрон будет действовать сила, равная произведению величины заряда на напряженность поля в месте нахождения заряда:

F = eE.

Знак минус показывает, что вследствие отрицательного заряда электрона сила имеет направление, противоположное направлению вектора напряженности электрического поля. Работа, затраченная электрическим полем на перемещение заряда из одной точки в другую, равна произведению величины заряда на разность потенциалов между этими двумя точками:

А = еU = е (U₄ — U₁),

где U — разность потенциалов между точками 1 и 2 (рис 27).

Эта работа затрачивается на сообщение электрону кинетической энергии

W_k = m_e(V²– V₀²)/ 2

где Vи V₀ — скорости движения электрона в точках 1 и 2.

Рис. 27. Движение электрона в

ускоряющем электрическом поле

Сумма кинетической и потенциальной энергий электронов при их движении в электрических полях остается постоянной, поэтому m_e (V²– V₀²) / 2 = еU

если начальная скорость электрона V₀ - 0, то m_eV²/ 2 = еU. Отсюда следует, что энергия электронов определяется массой и скоростью частицы. Энергия электронов может достигать больших значений и зависит от разности потенциалов разгоняющего поля.

Скорость, приобретаемая электроном при движении в ускоряющем поле, зависит только от разности потенциалов. Например, при U = 10000 В скорость электронов v = 60 000 км/с. При такой большой скорости электронов все процессы, связанные с движением электронов, протекают очень быстро.

Регулируя величину и направление начальной скорости электронов, а также величину и направление напряженности электрического поля, можно заставить электроны двигаться по заранее рассчитанной траектории. Это позволяет управлять движением электронов, получать требуемые энергии электронов, плотность в пучке и т. п.

Влияние магнитного поля на движущийся электрон аналогично действию поля на проводник с током. Силу, действующую на электрон, движущийся в магнитном поле, определим из выражения

F = B_ev sin а,

где В_е - магнитная индукция; а - угол между направлением тока и магнитной силовой линией поля.

Электрон, движущийся вдоль силовых линий магнитного поля (ос = 0), не испытывает никакого воздействия поля (F = В_е х v sinO = 0) и продолжает перемещаться с заданной ему начальной скоростью.

Если вектор начальной скорости электрона перпендикулярен вектору магнитной индукции, т. е. а = π/2 (рис. 28. а), то

F - B_ev sin π/2 = B_ev.

Направление этой силы определяется по правилу левой руки. Сила F всегда перпендикулярна направлению мгновенной скорости электрона v и направлению магнитных силовых линий поля. В соответствии со вторым законом Ньютона эта сила сообщает электрону с массой т_еускорение, равное B_evlm_e.

Рис.28. Траектория электрона в магнитном поле

Поскольку ускорение перпендикулярно скорости v, то электрон под действием этого нормального (центростремительного) ускорения будет двигаться по окружности, перпендикулярной к силовым линиям поля.

Начальная скорость электрона может быть и не перпендикулярна магнитной индукции, т. е. α < π/2 (рис. 28. (б). Тогда траекторию движения электрона определяют две составляющие начальной скорости: нормальная v₁ и касательная v₂.Первая направлена перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, а вторая параллельно им. Под действием нормальной составляющей электрон движется по окружности, а под действием касательной составляющей вдоль силовых линий поля. В результате действия двух составляющих траектория движения электрона принимает вид спирали. Возможность изменения траектории движения электрона с помощью магнитного поля используют для фокусировки и управления электронным потоком.

Электроны, двигаясь в электрическом поле, могут накопить значительную кинетическую энергию. При достижении электроном поверхности металлического анода скорость электронов резко уменьшается вследствие столкновения их с атомами металла. При таких столкновениях кинетическая энергия электронов передается атомам вещества, подвергающегося бомбардировке. Эффект передачи энергии электронов веществу проявляется увеличением температуры вещества. Если на анод попадает N электронов в секунду, то выделяющаяся на аноде мощность в виде теплоты равна

Р_а = NeU.

Произведение Ne представляет собой количество электричества в кулонах, попадающее в 1 с на анод, т. е. силу тока в амперах. Поэтому мощность, выделяющаяся на аноде,

Р_а = J_aU.

Нагрев анода электронной бомбардировкой является во многих случаях нежелательным явлением и лишь в последнее время этот эффект начал использоваться как положительный фактор при различных технологических процессах, связанных с термическим воздействием, — сварке, плавке, обработке, напылении пленок.

Расчеты показывают, что электроны в зависимости от разгоняющего напряжения и свойств металла могут проникать на глубину нескольких десятков и даже сотен микрометров. Глубина проникновения электронов в металл невелика, но учет ее позволяет объяснить некоторые эффекты, связанные с особенностями электронного нагрева при сварке. Электроны растрачивают основную долю энергии в конце пробега (рис. 29). Таким образом, в отличие от других широко применяемых методов сварки, электронный нагрев осуществляется в самом веществе. При этом электроны теряют свою энергию неравномерно в направлении пробега. Вследствие этого наиболее интенсивное тепловыделение наблюдается на некоторой глубине. Это является определённой особенностью электронного нагрева.

Рис. 29. Путь электрона в веществе

Математическое исследование показывает, что с увеличением продолжительности импульса слой с максимальной температурой сдвигается к поверхности металла в результате теплопроводности (рис. 30) и при определенной продолжительности импульса достигнет поверхности металла.

Рис. 30. Изменение температуры в слое вещества

с увеличением времени импульса τ₂ > τ₁; х₂<х₁

Физическая картина внешних явлений, сопровождающих действие электронов на металл, состоит из рентгеновского излучения, теплоизлучения, возникновения отраженных вторичных электронов, испарения металла в виде атомов и ионов металла и может быть изображена на рис. 31.

Рис. 31. Физическая картина явлений, сопровождающих проникновение

электронов в вещество: 1 - молекулы металла; 2 - ионы; 3 - луч;

4 - рентгеновское излучение; 5 - отраженные и вторичные термоэлектроны

Вторичные электроны делятся на три группы: а) упругоотраженные, энергия которых примерно равна падающим; б) отраженные в результате неупругого соударения и имеющие более или менее большие потери; в) собственно вторичные электроны, энергия которых не превышает 50 эВ. Энергия отраженных электронов в среднем составляет 70% энергии первичных.

Если отношение количества рассеянных электронов к количеству падающих обозначить β, то потери энергии пучка на рассеянных электронах составят Е_р= 0,7 β. Величина р колеблется в пределах 0,1 - 0,45в зависимости от порядкового номера элемента.

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 235; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!