Texnologiyada elektron nurlar

1 2 3 4 5
Guruch. 1. Elektron nurlar ta'sirida ishlov berish zonalari kesmalarining sxematik ko'rinishi:
1 - "yumshoq" isitish rejimi bilan;
2 - "mahalliy" rejimga o'tish;
3 - "xanjar" kirib borishi;
4 - teshikka o'tish;
5 - materialdagi teshik
(masalan, erish) metall penetratsiyasining odatiy yarim sharsimon shakli bilan birga keladi (1-rasm).
Chuqur kirish mexanizmini ochib berish elektron-nur ta'sir qilish jarayonida markaziy muammodir. Ushbu muammoni hal qilish boshqa turdagi materiallarning issiqlik ta'siriga javob berishini tushuntirishga imkon beradi. Tabiiyki, “xanjar” hodisasining siri tadqiqotchilarning e’tiborini tortdi va bu hodisaga nisbatan ko‘plab qarashlarning paydo bo‘lishiga sabab bo‘ldi. Tadqiqotning birinchi bosqichida (1959-1961) asosan chuqur kirib borishning ta'siri aytildi va uning geometrik xarakteristikalari va elektron nurning parametrlari o'rtasidagi bog'liqlik aniqlandi.
Oltmishinchi yillarning boshlarida, bu ta'sirning birinchi tushuntirishlaridan biri ilgari surilgan edi, unda o'rnatilgan va qismga nisbatan harakatlanuvchi nur penetratsion konusni hosil qiladi, deb ishonilgan. Nurning qismga nisbatan siljishi metallning uzluksiz erishi va uning nurning yo'nalishiga teskari yo'nalishda siljishiga olib keladi. Ushbu gipotezaga ko'ra, chuqur penetratsiyaning shakllanishi statsionar jarayon sifatida ifodalanadi.
1965 yilda elektron nurning metallga kirib borish jarayoni bug'lanish tufayli sodir bo'lishi va uzluksiz ekanligi eksperimental ravishda aniqlandi. Suratga olish yordamida natijada paydo bo'lgan kanal bug 'bilan to'ldirilganligi va yuqoridan suyuq metall plyonkasi bilan qoplanganligi ko'rsatildi, u vaqti-vaqti bilan 13-14 Gts chastotada (ko'rinishidan ko'tarilishi tufayli) o'tib ketadi. kanaldagi bug 'bosimida). Harorat taqsimoti 5-103 Vt / sm2 gacha, elektron-nurli uskunalar ham takomillashtirilmoqda va elektron nurlanish jarayonini kuzatish, boshqarish va tartibga solish uchun uskunalar ishlab chiqilmoqda. Elektron nurlar texnologiyasining yutuqlari sohasidagi ma'lumotlarning jadal almashinuvi elektron nurning isitish, eritish, zonalarni tozalash, qalin metallarni payvandlash, mikropayvandlash, makro va mikro ishlov berish uchun oddiy texnologik vositaga aylanishiga olib keldi. integral sxemalarda plyonkalarni yig'ish va qo'llashdan tortib og'ir mashinasozlikda katta o'lchamli va metallni ko'p talab qiladigan mahsulotlarni payvandlashgacha bo'lgan turli sohalarda qoplamalarni qo'llash. Elektron nurlar kosmosda ishlash uchun eng istiqbolli vositalardan biri bo'lib, u erda er sharoitida muhim kamchilik - vakuum kamerasidan xalos bo'ladi. Metalllarni elektron nurli payvandlash texnikasi eng jadal rivojlanmoqda. 30 kVtgacha quvvatga ega elektron nurli qurilmalar payvandlash ishlarining asosiy ko'lami bo'lgan qalinligi 0,5 dan 40-50 mm gacha bo'lgan alyuminiy va titandan tayyorlangan qismlar uchun payvandlash muammolarining ko'pini hal qilish imkonini beradi. Qalinligi 100 mm dan ortiq bo'lgan metallarni payvandlash 50 kVt dan ortiq quvvatga ega bo'lgan uskunadan foydalanishni talab qiladi. Metalllarni elektron nurli payvandlash texnologiyasining jadal rivojlanishining yana bir sababi shu bilan bog'liq
Ushbu diapazondagi elektron-nurli ta'sir "xanjar" yoki chuqur kirib borish hodisasi bilan tavsiflanadi, bu tikuv chuqurligining uning kengligiga 10 : 1 yoki undan ko'p nisbati bilan. Energiya konsentratsiyasini ~ 107 Vt / sm2 ga oshirish "xanjar" penetratsiyasidan materialda teshik paydo bo'lishiga o'tishga olib keladi. Kanal balandligi bo'ylab 105 Vt / sm2 dan kam konsentratsiyalarda isitish notekis: maksimal (~ 5000 K) kanalning pastki qismida, minimal (~ 2500-3000 K) chiqish qismida.
Eksperimental va hisoblangan ma'lumotlarga asoslanib, ishlarda ko'rsatilgandek, elektron nurning materialga kirib borishi, unda kanal hosil bo'lishi bilan 103- chastotali moddaning davriy emissiyasi tufayli sodir bo'ladi. Materialning portlovchi bug'lanishi tufayli 106 Hz (energiya kontsentratsiyasiga qarab). Bunday g'oyalar energiya kiritish stavkalarini va ushbu energiyaning material tomonidan bo'shashishini taqqoslashga asoslangan edi. Ko'pgina metallar uchun energiya kontsentratsiyasi oralig'ida issiqlik kiritish tezligi issiqlik o'tkazuvchanligi tufayli issiqlikni yo'qotish tezligidan ancha yuqori bo'lib, bu muqarrar ravishda sirt bug'lanishiga va moddaning eritmasining mikrohajmining qaynashiga olib keladi, bunda energiya hosil bo'ladi. elektron nurlari chiqariladi.
Jarayon parametrlarining birinchi yarim miqdoriy baholariga o'tishga imkon beradigan "portlovchi gipoteza" mavjud va u bir qator boshqa ishlarda tasdiqlangan. 1969 yilda rentgen nurlari yordamida kanallarni shakllantirish jarayoni bo'yicha eksperimental tadqiqotlar o'tkazildi. Suyuq metallda elektron nur atrofida bo'shliq mavjudligi aniqlandi. Bu bo'shliq doimo harakatda: uning chuqurligi vaqti-vaqti bilan 10-60 Gts chastotalar bilan noldan maksimalgacha o'zgarib turadi. Bundan tashqari, bo'shliq vaqti-vaqti bilan, asosan, yuqori qismida, ba'zan esa kanalning boshqa qismlarida yopiladi. Olingan eksperimental ma'lumotlar asosida snaryad shaklidagi jismni suyuqlikka kiritishning gidrodinamik analogiyasiga asoslangan kanal hosil bo'lish nazariyasi ishlab chiqildi.
Ba'zi tadqiqotchilar moddada kanal hosil bo'lishini elektron nurga shaffof plazma ko'rinishi va atomlarning kaskad siljishi, termal takozlar va tepaliklar kabi radiatsiya nuqsonlari paydo bo'lishi bilan bog'laydi. Elektron-nurli ta'sir qilish muammosini hal qilishda ko'rib chiqilgan yondashuvlar isitish zonasidagi fizik jarayonlarni o'rganishga asoslangan.
Elektron nurning ta'sir zonasidagi fizik hodisalarni o'rganishdagi qiyinchiliklar ma'lum bir issiqlik manbasini kiritish va issiqlik o'tkazuvchanligi nazariyasidan foydalanish orqali chetlab o'tilgan ko'plab ishlar mavjud. Ba'zi hollarda bunday yondashuvlar fizik hodisalarni batafsil tahlil qilishdan ko'ra tezroq jarayonning muhandislik hisob-kitoblari usullarini olish imkonini beradi. Bu sezilarli darajada mahalliy ta'sir printsipining ishlashi bilan bog'liq.
Termal yondashuvni amalga oshirish uchun, ya'ni elektron-nurli ta'sir sharoitida issiqlik o'tkazuvchanligi muammosini hal qilish uchun issiqlik manbasining tabiatini va jarayonning issiqlik balansini bilish kerak.
Eksperimental ma'lumotlar shuni ko'rsatadiki, chuqur penetratsiya bilan elektron nurni payvandlashda bug'lanish natijasida issiqlik yo'qotishlari 5-10% dan oshmaydi, ya'ni energiya konsentratsiyasida elektron nur ta'sirining issiqlik balansi = 105-106 Vt / sm2 issiqlik balansiga asosan o'xshashdir. elektr boshq isitish jarayonida. Shu asosda bir qator tadqiqotchilar issiqlik o'tkazuvchanligining an'anaviy muammosini hal qilish uchun elektron nurning kuchini (energiya kontsentratsiyasini hisobga olgan holda) penetratsiya xususiyatlari bilan bog'liq munosabatlarni taklif qilishdi. Muhandislik hisob-kitoblari uchun hisob-kitoblarning aniqligi etarli.
Issiqlik manbasining tabiatiga kelsak, eksperimental va hisoblangan ma'lumotlarga ko'ra, tezlashtiruvchi kuchlanishga, aniqrog'i moddadagi elektron yo'lining chuqurligiga qarab, u yoki normal taqsimlangan sirt (tezlashtiruvchi kuchlanish 20 kV dan kam). ), yoki (yuqori tezlashtiruvchi kuchlanishlar uchun) odatda sirt va chuqurlikda taqsimlanadi. Chuqur penetratsiyali elektron nurli payvandlash holatida termal maydonlarni baholash uchun issiqlik manbasini chiziqli chekli chuqurlik yoki nuqta va chiziqli birikma sifatida yaqinlashtirish orqali yaxshi aniqlik olinadi.
Elektron nurning parametrlari va kirish xususiyatlari o'rtasidagi bog'liqlikni o'rnatish uchun "mezon" deb atash mumkin bo'lgan yana bir rasmiy yondashuv belgilandi. U o'xshashlik nazariyasi usullaridan foydalanadi va o'lchamlarni tahlil qilishni hisobga olgan holda, nurning parametrlarini (kuch, energiya kontsentratsiyasi, harakat tezligi) ishlov berish zonasining geometrik xususiyatlari bilan bog'laydigan munosabatlar olinadi.
Elektron-nurli ta'sir qilish jarayonini o'rganish muammosida qayta ishlash zonasida emissiya jarayonlarini o'rganish bilan bog'liq bo'lgan tadqiqotlar sinfini ajratib ko'rsatish kerak. Ta'sir zonasidan elektron emissiyasi va yorug'lik nurlanishining intensivligidagi o'zgarishlarni qayd etish elektron nurli isitish jarayonining kinetikasini baholash va uni boshqarish va tartibga solish uchun sensorlarni ishlab chiqish imkonini beradi. Elektron nurlanish jarayonlarini avtomatlashtirish sohasida ma'lum yutuqlar mavjud bo'lsa-da, aksariyat ishlanmalar elektron nurning kosmosdagi holatini, xususan, payvand chokining orqasida kuzatish uchun asbob-uskunalar yaratish bilan bog'liq va bu borada juda kam ishlar mavjud. integratsiyalashgan jarayon nazorati,
chuqurlik va kenglikni, ya'ni ta'sir zonasining geometrik xususiyatlarini tartibga solishni o'z ichiga oladi.
Nihoyat, umuman termoyadroviy payvandlash nazariyasi va amaliyoti uchun katta ahamiyatga ega bo'lgan yana bir tadqiqot ob'ekti eritmaning harakatini o'rganish bilan bog'liq - bular elektron nurlar ta'sir qilish zonasidagi gidrodinamik jarayonlardir. Gidrodinamikaga bo'lgan tadqiqotlarga qiziqish tasodifiy emas, chunki choklarning hosil bo'lishidagi nuqsonlarning aksariyati qayta ishlash zonasida suyuq metallni o'tkazish jarayonlariga bog'liq va ba'zi hollarda gidrodinamika ishlov berish unumdorligini belgilaydi. Elektron nur bilan payvandlashda metallarning chuqur kirib borishi o'ziga xos nuqsonlarning paydo bo'lishi bilan tavsiflanadi (payvand choki hajmidagi bo'shliqlar, chok uzunligi bo'ylab penetratsiya chuqurligining tebranishlari), shuning uchun gidrodinamikaning predmeti hisoblanadi. boshqa konsentrlangan manbalar bilan diqqat bilan o'rganish: karbonat angidrid muhitida siqilgan yoy, argon boshq manbai, nurli lazer, plazma oqimi va boshqalar.
Kontseptsiyaning mohiyati quyidagicha. Materialning yuzasiga tushgan elektronlarning konsentrlangan (fokuslangan) oqimi nurning kengligi va elektron yo'lining chuqurligi bilan chegaralangan zonada moddani isitadi. Agar issiqlik chiqarish tezligi issiqlik o'tkazuvchanligi tufayli energiyani yo'qotish tezligidan kamroq bo'lsa, u holda isitish yarim sharsimon (yoki unga yaqin) penetratsiya shaklining shakllanishi bilan sodir bo'ladi (yumshoq isitish rejimi, bug'lanish jarayoni amalda yo'q). Ta'sir zonasida energiya konsentratsiyasini 105-106 Vt / sm2 ga oshirish issiqlik chiqarish tezligi issiqlik o'tkazuvchanligi tufayli energiyani olib tashlash tezligiga mutanosib bo'lishiga olib keladi (kritik isitish rejimi, muhim bug'lanish boshlanadi).
Kanalning shakllanishi bilan ishlov berish zonasi materialga chuqurlashtirilganda nurga ta'sir qilish jarayonining samaradorligi sezilarli darajada oshadi. Moddaning bir qismini isitish va chiqarish vaqti qisqa (~10-6-10-5 s), shuning uchun kanalni burg'ulash jarayoni ~ 105-106 Gts chastotali davriy (kvazistatsionar) xarakterga ega.
Modda kanalning pastki qismidan ma'lum bir tezlikda materialga tushganligi sababli, maksimal harorat va bug 'bosimi kanalning pastki qismida bo'ladi va uning balandligi bo'ylab tushadi. Kanalning chiqishida harorat va bosim minimaldir.
Kanal hajmida elektron nurning ejeksiyon mahsulotlari (bug 'va kondensat aralashmasi) bilan o'zaro ta'siri doimiy ishlaydigan elektron nurning vaqti-vaqti bilan kanal devorlariga tarqalishiga olib keladi. Devorlarga tarqalish paytida nur kuchining kontsentratsiyasi 1-2 darajaga tushadi (kanalning ichki yuzasi maydoniga mutanosib ravishda), shuning uchun bunday manba devorlarga "yog'langan" bo'lishini ta'minlaydi. amalda faqat devorlarning erishi. Shunday qilib, kanal qayta ishlangan materialning bug'laridan ozod bo'lganda, elektron nur yo'qotmasdan tubiga etib boradi va modda kanalning pastki qismidan bug'lanadi. Kanal bug 'bilan to'ldirilganda, elektron nurlar tarqaladi va energiyani devorlarga o'tkazadi va suyuqlik fazasini hosil qiladi.
Vaqti-vaqti bilan skrining vaqtini hisobga olgan holda, moddani chiqarish chastotasi biroz pasayadi, lekin baribir yuqoriligicha qolmoqda (-101-105 Gts). Kanalning chuqurlashishi undagi bug 'bosimi sirt tarangligining umumiy bosimidan va kanal devorlarining suyuqlik fazasining ustunidan kelib chiqadigan bosimdan kattaroq bo'lganda sodir bo'ladi. Barcha holatlarda eng past bug 'bosimi kanalning chiqishida sodir bo'ladi. Shuning uchun, bug 'bosimi sirt tarangligi bosimidan va suyuqlik fazasining og'irligidan kam bo'lishi bilanoq, yuqoridagi kanal yopilishi mumkin. Agar nurning harakati to'xtatilmasa, u holda yopilish 10-100 Gts chastotali davriy xarakterga ega bo'ladi. Kanalni yuqoridan yopish ma'lum bir nuqsonning sababi - penetratsion hajmdagi bo'shliqlar mavjudligi. Shunday qilib,
Yuqorida ko'rib chiqilgan jarayon rasmining to'g'ridan-to'g'ri tasdig'i mikroportlash sodir bo'lishi uchun etarli bo'lgan impuls davomiyligi bilan impulsli rejimda elektron nurning ta'siri ostida eksperimental ravishda olingan. Pauza vaqti shunday tanlanganki, ejeksiyon mahsulotlari kanaldan evakuatsiya qilish uchun vaqt topadi va nurlar suyuq faza hosil bo'lishi bilan kanal devorlariga tarqalmaydi. Natijada, penetratsiya o'rniga chuqurligi 60 mm gacha va diametri 2 mm gacha (zanglamaydigan po'lat va alyuminiyda) teshiklar olindi.
Binobarin, elektron nurning turli xil issiqlik effektlarini amalga oshirish (eritishdan burg'ulashgacha) energiyani kiritish tezligiga bog'liq. Materialga energiya kiritishning yuqori sur'atlari bilan bog'liq bo'lgan tez oqim hodisalarining o'xshash manzarasi ma'lum darajada allaqachon yaxshi o'rganilgan yoki etarli darajada o'rganilgan ko'plab jarayonlarda, masalan, lazer ta'sirida, o'tkazgichlarning elektr portlashida, elektr uchqunlarini qayta ishlash, plazma va elektr yoyi ta'siri , portlovchi jarayonlar, va hokazo. Shuning uchun, bu kurs loyihasida texnologik elektron nurlar har qanday manbaning asosiy xarakterli xususiyatlaridan biri ekanligiga asoslangan issiqlik boshqa manbalari bilan solishtirganda ko'rib chiqiladi. energiya konsentratsiyasi.