1499

зависимости ионного тока от тока фокусировки имела W-образный характер, в то время как в большинстве работ других авторов при больших значениях тока пучка был отмечен V-образный характер данной кривой. На рис. 2.42 приведена зависимость постоянной составляющей этих же сигналов при токе электронного пучка 60 мА. При токе фокусировки 11 А имеет место острая фокусировка пучка, при этом глубина шва максимальна и составляет 20 мм. При токе фокусировки 9 А глубина шва уменьшается до 12 мм, а при токе фокусировки 13 А – до 8 мм. При перефокусированном электронном пучке (ток фокусировки 15 А) имеет место поверхностное расплавление металла, сопровождающееся наличием во вторично-эмиссионном сигнале ионного компонента. По мнению авторов работы [34], наличие

222

минимума вторично-эмиссионных сигналов соответствует расположению верхней части активной зоны электронного пучка вблизи поверхности металла. При значениях тока фокусировки в районе 11 А активная зона электронного пучка углубляется, выходное отверстие канала проплавления незначительно увеличивается (ширина шва на поверхности также увеличивается), аглубина шва становится максимальной. Значения тока фокусировки 10 А соответствуют швам с пиками в корне шва и дефектами в шве, так как при этих условиях процессы движения жидкого металла в сварочной ванне становятся турбулентными. Отметим, что в этом случае середина активной зоны электронного пучка находится в корневой зоне канала проплавления. Исходя из этого предполагается, что специфические дефекты в сварных швах формируются при углублении активной зоны таким образом, что верхняя часть канала проплавления нестабильна.

При регистрации переменного компонента сигналов (спектры колебаний были исследованы в диапазонах 0–50 и 150–3800 Гц) в рассматриваемой работе не была обнаружена связь процессов в канале проплавления с конкретными параметрами регистрируемых сигналов.

2.3.3.4.Параметры плазмы в зоне ЭЛС

ирегистрация тока электронов из плазмы

Вработах, в которых исследуются ионные токи из зоны ЭЛС, говорится о том, что эти заряженные частицы генерируются при протекании ионизационных процессов одновременно

сгенерацией медленных электронов, и из-за наличия достаточно большого количества заряженных частиц в зоне взаимодействия электронного пучка с металлом часто используется термин «плазма». Например, канал проплавления, образуемый в металле электронным пучком, часто называют пароплазменным каналом, а в ряде работ изучалась роль плазмы в процессе ЭЛС [15]. Выше упоминались работы [30–32], в которых предполагался

223

вынос ионов из зоны ЭЛС газовым потоком, и при этом колебания ионного компонента вторично-эмиссионного сигнала анализировались как индикатор нестационарности давления газа в канале проплавления. Здесь и в множестве других работ не учитывалось, что течение газа и формирование плазмы как

внестационарном канале в жидкой ванне, так и в пространстве над сварочной ванной подчиняется разным законам.

Прямые измерения параметров плазмы (концентрации заряженных частиц, потенциала и электронной температуры) над сварочной ванной с использованием электрического зонда были выполнены в работах [8, 36–38]. Измерения проводились при малых токах электронного пучка, так как колебания измеряемого тока и, соответственно, параметров плазмы затрудняют обработку зондовых характеристик, по которым вычисляются параметры плазмы. Измерения выполнялись в плазменном облаке над зоной взаимодействия электронного пучка с металлом.

На рис. 2.43 показана схема измерения параметров плазмы

ввакуумной камере электронно-лучевой установки [8]. Цилиндрический зонд Ленгмюра 2 находится позади заземленного экрана 3, который был предназначен для исключения возможности прямого попадания на зонд быстрых отраженных электронов и истинно-вторичных электронов, уходящих из зоны взаимодействия электронного пучка со свариваемым образцом. Ток зонда измерялся гальванометром 9 и регистрировался записывающим устройством 8 с логарифмическим входным усилителем 7. Для питания зонда использовалась двухполярная схема питания. Поскольку плазма имеет нестационарный характер, ток зонда содержал переменную составляющую, которая в проводимых измерениях с небольшими значениями тока пучка не превышала 20 % от измеряемых значений зондового тока. Однако было принято, что гальванометр и записывающее устройство обеспечивают сглаживание измеряемого сигнала, и поэтому измерялись и оценивались усредненные значения параметров плазмы. Цилиндрический зонд устанавливался на разных рас-

224

На рис. 2.44–2.46 показаны типичные зондовые вольт-ам- перные характеристики (ВАХ), полученные в работе [8]. Для них отношение токов насыщения электронов и ионов для небольших потенциалов зонда превышало 100, поэтому на рисунках изображены только электронные ветви вольт-амперных характеристик. В их начальном участке возможна линейная аппроксимация зависимости тока от напряжения, после чего имеется плавный переход к участкам с более или менее очевидным насыщением. Отметим, что ВАХ зонда для трех разных металлов, показанных на рис. 2.45, схожи как для линейного наклона, так и для насыщения.

Электронная температура плазмы определялась по углу наклона прямолинейного участка полулогарифмического представления зондовой характеристики. На полученных кривых этот участок невелик, кроме того, в зондовом токе присутствуют флуктуации, поэтому ошибка определения угла могла достигать

226

50 %. В работе [36] при воздействии электронного пучка мощностью 0,3 кВт на образец из молибдена рассчитанная электронная температура плазмы Тэ составляла (7–9) ·104 К, т.е. 6–8 эВ.

На рис. 2.44 показано, что вольт-амперная характеристика зонда не имеет полного насыщения. Это связано с тем, что радиус Дебая плазмы, который при полученных значениях концентрации электронов nэ и электронной температуре Тэ составляет около 1 мм, сравним с радиусом зонда, и это приводит к существенному уменьшению протяженности возмущенной области плазмы около заземленных элементов измери-тельной системы.

Нужно отметить, что полученные значения Тэ и nэ не являются достаточно точными в результате наличия факторов, искривляющих вольт-амперную характеристику зонда. Этими факторами являются колебания зондового тока, наличие отрицательных ионов в плазме и загрязнение поверхности зонда в условиях ЭЛС.

Было установлено, что при небольших расстояниях от зоны сварки потенциал плазмы и электронная температура практически постоянны, а nэ уменьшается незначительно (рис. 2.47). При больших расстояниях (r > 5–10 см) плотность заряженных частиц сильно уменьшается, что видно из рис. 2.46, 2.48. В пределах точности проведенных экспериментов изменения потенциала плазмы Uпл и электронной температуры на малых и больших расстояниях от зоны сварки не наблюдалось.

На основе этих измерений и предположения, что генерация плазмы связана с процессами, протекающими в канале проплавления, был предложен метод контроля процесса ЭЛС во время сварки с использованием сигнала от защищенного заземленным экраном цилиндрического зонда [39, 40].

На рис. 2.49 приведена зависимость тока на цилиндрический зонд, закрытый от прямого попадания заряженных частиц, которые эмиттируются из зоны сварки, от тока фокусирующей системы. Потенциал зонда (порядка +10 В) выбирался таким

227

2.3.3.5. Модель ЭЛС с учетом генерации ионов

вэлектронном пучке и наличия плазмы

вканале проплавления

Полученные значения концентрации заряженных частиц в плазменном облаке над сварочной ванной 108–10 9 см–3 показывают, что в канале проплавления имеются области, в которых отрицательный пространственный заряд электронов пучка скомпенсирован и даже перекомпенсирован, в результате чего имеет место ионная самофокусировка электронного пучка. В главе 1 было отмечено, что при движении в вакууме аксиально-симмет- ричный электронный пучок имеет отрицательный пространственный заряд и минимум потенциала в центре пучка, вызванный этим зарядом. В результате соударений быстрых электронов с атомами паров металла или остаточных газов возникают положительные ионы, которые движутся в радиальном направлении под действием электрического поля, созданного отрицательным пространственным зарядом. Таким образом, в приосевой части пучка постепенно накапливаются ионы, компенсирующие пространственный заряд электронов. При достаточно высоких концентрациях атомов пара достигается полная компенсация отрицательного заряда электронов и потенциальный минимум исчезает. Увеличение концентрации пара приводит к генерации еще большего количества ионов. Электростатические силы отталкивания между ними создают положительный потенциальный максимум на оси пучка, который обусловливает самофокусировку пучка.

Уравнение движения периферийного электрона в аксиальносимметричном пучке с радиусом r имеет вид

В этом выражении fи – направленная к оси пучка сила электростатического взаимодействия с положительными иона-

230