Рис. 8. Изменение диаметра луча d, тока фокусировки Iф электронно – лучевой установки типа Луч-4 в зависимости от расстояния lот объекта обработки для случая U = 30 кВ = const; 1-I = 35; 2–60; 3–80; 4–100 mA.
Пользуясь уравнением прямой, можно написать выражение для диаметра луча: d = d0+kl. Коэффициенты d0иkв этом уравнении можно определить, построив соответствующие зависимости d0 = f(I), k= f(I).
Зависимость диаметра луча от тока см. на рис. 9.
мА 
120 
100 
80 
60 
40 
20Рис. 9. Зависимость диаметра луча от тока при постоянном ускоряющем напряжении U = 30 кВ (для работы в режиме сварки)
Экспериментальная проверка по глубине проплавления некоторых металлов при воздействии электронного луча, формируемого электронно-оптической системой типа Луч-4 на разных расстояниях l при одних и тех же параметрах луча, показывает, что глубина проплавления аналогично диаметру уменьшается с увеличением расстояния до объекта сварки.
Установлено, что распределение плотности тока по радиусу луча является Гауссовым:
j = jmexp(-r2/re),
где r – текущее значение радиуса луча; re – радиус луча на уровне jm/e (нормальный радиус); jm – максимальное значение плотности тока.
Глубина пробега электронов в твердом теле
Максимальную глубину пробега электронов d в твердом теле при ЭЛС чаще всего определяют по формуле Шонланда
d = 2,35*10-12U2/r.
Где U – ускоряющее напряжение, В; r – плотность, г/см3; d – глубина проникновения, см.
Экспериментально и теоретически установлено, что максимум энерговыделения по глубине пробега находится под поверхностью. На рис. 10 представлена экспериментальная зависимость изменения глубины проникновения электронов в железо от ускоряющего напряжения.
d, м
10-4 
86
4
3
2
10-58
6
4
3
10-68
6
4
3
10-70 20 40 60 80 100 120 U, кВ
Рис. 10. Изменение глубины проникновения электронов в железо в зависимости от ускоряющего напряжения U
Таким образом, с увеличением ускоряющего напряжения (а следовательно, и глубины проникновения электронов) максимум температуры перемещается в глубь металла. Поэтому теоретически возможна ситуация, когда поверхность материала не успевает нагреться, хотя на глубине (в максимуме энерговыделения) достигается температура кипения.
На характер распределения температурного поля в зоне электронно-лучевого нагрева существенное влияние оказывает отношение диаметра луча к глубине пробега электронов. Установлено, что, например, обработка материала (плавление и выброс) эффективна только при условии d>2d, т.е. использование очень тонких пучков электронов затруднено.
Разряжение
Одним из параметров ЭЛС является степень разряжения (мм. рт. ст., Па). В большей степени этот параметр зависит от характеристик, обеспечиваемых в ЭЛУ.
ЭЛС осуществляют чаще всего вертикальным либо горизонтальным лучом в вакуумных камерах, размеры которых зависят от габаритов свариваемых изделий. Объем камер современных установок составляет от 0,1 (и менее) до сотен кубических метров. Камера с находящейся на ней (или в ней) электронной пушкой, формирующей электронный луч, может откачиваться как до высокого (» 10-3 Па), так и до низкого (» 1 – 10 Па) вакуума, но с отдельной откачкой объема электронной пушки до 10-3 Па.
Даже в низком вакууме » 1 Па содержание кислорода в 17 раз, а азота в 10 раз меньше, чем в особо чистом аргоне, поэтому при ЭЛС защита расплавленного металла очень эффективна. В вакууме электронный луч сохраняет свою удельную мощность, т. к. в нем не происходит рассеяние электронов вследствие отсутствия атомов и молекул атмосферы.
Частота автоколебаний
Для ЭЛС характерно, что при постоянном во времени потоке энергии возникают колебания физических параметров, характеризующих систему луч – вещество, а именно: потока пара, интенсивности светового излучения, эмиссии электронов и т.п. из зоны воздействия луча. Существует критическое значение потока энергии для возбуждения колебаний: если q2 > q*2, то колебания возникают, если q2 < q*2, не возникают. Здесь q2*= Sкипrd/hнt*, где Sкип = r(сТкип + Lкип) – теплосодержание кипящего металла, Дж/см3; rd – массовая толщина слоя, г/см2, hн – эффективный КПД электронно-лучевого нагрева поверхности, t* – характерное время, зависящее от теплофизических свойств металла.
При нагреве вещества постоянным во времени потоком энергии, который больше некоторого критического значения, отмечают существенные особенности в характере изменения температуры поверхности: она не стремится к постоянному значению, но колеблется относительно некоторого среднего значения. Эта закономерность обусловлена возникновением автоколебаний температуры и плотности пара в процессе нагрева.
Регистрация характеристик автоколебаний дает новые возможности для построения систем контроля и регулирования процесса ЭЛС.
В процессе ЭЛС луч надвигается на зону металла перед передней стенкой канала и проплавляет ее на глубину Н за время t, т.е. периодически с частотой f»Vсв/d углубляется в металл (периодическое «строгание» передней стенки).
Таким образом, при формировании сварного шва наблюдаются два основных типа периодических процессов: периодическое испарение по мере углубления электронного луча в металл (с частотами порядка единиц и десятков килогерц) и колебания жидкого металла в сварочной ванне за счет периодического «строгания» передней стенки (с частотами порядка единиц и сотен герц). В литературе также отмечены плазменные колебания (с частотами порядка 106 Гц). Зависимость амплитуды колебаний от частоты для всех трех типов колебаний при ЭЛС показана на рисунке 11.
А 
жидкостьпар
плазма
101 103 105 107f, Гц
Рис. 11. Зависимость амплитуды от частоты автоколебаний для различных процессов в канале при ЭЛС.
Специфические дефекты сварных швов при ЭЛС
Критическое изменение некоторых параметров при ЭЛС с несквозным проплавлением может привести к появлению дефектов в сварном соединении. Такими дефектами в основном являются: не заполненные металлом полости размером до 5 – 10 мм и длиной до 20 – 30 мм и периодическое несплавление корня шва.
Iф=f(l)
4 
3
2 
1
