CC BY
53
7. Гаврилов, В. Н. Получение частиц методом электрического взрыва проводников / В. Н. Гаврилов, Е. А. Литвинов // Прикл. механика и техн. физика. 1993. Т. 34. № 6. С. 28-34.
8. Ильин, А. П. Об избыточной энергии ультрадиспер-сных порошков, полученных методом электрического взрыва проволок / А. П. Ильин // Физика и химия обработки материалов. 1994. № 3. С. 94-97.
9. Савельев, Г. Г. Исследование механизма запасания энергии при получении металлических порошков электровзрывом проволоки / Г. Г. Савельев, Ю. И. Тюрин,
B. В. Шаманский и др. // Физикохимия ультрадисперсных систем : материалы IV Всерос. конф. / МИФИ. М., 1998.
C. 69-70.
10. Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов / В. П. Сабуров, А. Н. Черепанов, Г. Г. Кру-
шенко и др. Новосибирск : Наука. Сиб. издат. фирма РАН, 1995.
11. Усков, И. В. Поверхностное легирование тонкостенных отливок / И. В. Усков, Г. Г. Крушенко, А. Е. Буров // Технология машиностроения. 2004. № 1. С. 6-8.
12. Krushenko, G. G. Strengthening of steel pieces by plasma siliconizing / G. G. Krushenko, V. V. Moskvichev, A. E. Burov // Proceedings. XII Internat. TOnf. on the Methods of аerophysical research. Part III. Novosibirsk : Nonparel, 2004. P. 99-101.
13. Kim, P. P. The dimensional stability of fiber-reinforced thermoplastic composites / P. P. Kim. Lausanne : EPFL, 1995.
14. Машков, Ю. К. Структурно-энергетические процессы электроискрового легирования / Ю. К. Машков,
А. Е. Казанцева // Динамика систем, механизмов и машин : материалы VI Междунар. науч.-техн. конф. Омск : Изд-во ОмГТУ, 2007. Кн. 2. С. 359-362.
G. G. Krushenko, S. N. Reshetnikova
THE USE OF NANOTECHNOLOGIES FOR THE INCREASING THE PHYSICAL-MECHANICAL CHARACTERISTICS OF METAL FABRICS SURFACES
The results of nanotechnologies use providing the increase the physical-mechanical characteristics of metal fabrics surfaces are presented.
УЦК 621.791.72
В. Я. Браверман
ТОРМОЗНОЕ РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ И ЕГО ВЗАИМОСВЯЗЬ С ПАРАМЕТРАМИ ПРОЦЕССА1
Приведены описание и результаты некоторых экспериментов по изучению рентгеновского излучения, возникающего при электронно-лучевой сварке, проведенных с целью определения взаимосвязи излучения и процесса формирования сварного шва, а также использования излучения для управления сваркой.
Возможность применения рентгеновского излучения (РИ) для получения информации о состоянии процесса электронно-лучевой сварки (ЭЛС) основывается на знании физических законов возникновения РИ и взаимодействия его с веществом. Аналитическое описание названных закономерностей затруднено, главным образом, из-за отсутствия достоверных сведений о физических процессах, происходящих в канале проплавления. Это свидетельствует о целесообразности проведения исследований с целью разработки рентгеновских систем управления ЭЛС.
При бомбардировке поверхности мишени (свариваемых деталей) электронами достаточно большой энергии одновременно возникает рентгеновское излучение двух видов - тормозное и характеристическое. Механизм возникновения их различен. В процессе ЭЛС на образование рентгеновского излучения затрачивается приблизительно 1 % вводимой энергии.
Из электродинамики известно, что ускоренно движущиеся заряды излучают в окружающее пространство электромагнитные волны. Падающие на мишень электроны испытывают внутри нее торможение в поле атомных ядер. Торможение представляет собой процесс движения электронов с отрицательным ускорением. Следовательно, электроны, бомбардирующие мишень, должны терять часть энергии в виде электромагнитного излучения. Это и есть тормозные рентгеновские лучи.
Тормозное излучение состоит из множества колебаний, длины волн которых начинаются с X . и непрерывно простираются до X = т. е. имеет непрерывный спектр, ограниченный со стороны коротких волн. Граничная длина волны ХшЬ определяется по формуле [1]
X . = hdeU, (1)
шт 7 4 '
гдеh = 6,62 • 10-34Цж-с - постоянная Планка; с = 3 • 108м/с -скорость света; е = 1,6 • 10-19Кл-заряд электрона.
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 07-08-00179).
Подставляя эти значения в (1), получим Х= 12,35/и, Е, где и - ускоряющее напряжение, выражено в кВ.
При практическом использовании рентгеновского излучения важно знать распределение энергии по спектру. Оно характеризуются плотностью интенсивности JX, которая представляет собой отношение интенсивности лучей <Л, заключенных в узком интервале волн от X до X + dX, к этому интервалу:
JX = <и/^.
Рассмотрим распределение плотности интенсивности в спектре тормозного излучения при различных значениях ускоряющего напряжения (рис. 1). Спектральные кривые имеют максимум, который наблюдается при дли-
не волны X. = 3/2 X
Интенсивность уменьшается по мере удаления от источника излучения. Цля точечного источника в отсутствии ослабления излучения средой интенсивность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника.
Рис. 2. Спектральные кривые при различных токах луча:
I > К > 13
Важной характеристикой является пространственное распределение тормозного рентгеновского излучения. В условиях ЭЛС с несквозным проплавлением свариваемые детали могут рассматриваться как массивные мишени. Излучение, возбужденное в такой мишени при напряжениях до 200 кВ, имеет пространственное распределение, достаточно близкое к сферическому (рис. 3).
Рис. 1. Зависимость плотности интенсивности излучения от длины волны в непрерывном спектре
При повышении напряжения интенсивность излучения каждой длины волны спектра возрастает. Одновременно изменяется и спектральный состав излучения -спектр смещается в сторону коротких длин волн.
Плотность интенсивности J тормозного излучения зависит от тока I электронов (рис. 2) и атомного номера 2 материала мишени (свариваемых деталей). Увеличение тока (при неизменных ии 2), также как и увеличение атомного номера (при постоянных и и I), приводит к росту интенсивностей составляющих спектра, соответствующих всем длинам волн. Однако при этом спектральный состав излучения не изменяется: для каждого семейства кривых J=XX) граничная длина волны XШn и длина волны X№ соответствующая максимуму интенсивности, остаются теми же.
Интенсивность тормозного излучения представляет собой совокупность интенсивностей всех составляющих спектра. * Численно она равна площади, ограниченной кривой JX =/^) и осью абсцисс. Экспериментально установлено [1], что интенсивность тормозного излучения прямо пропорциональна току электронов I, атомному номеру материала мишени 2 и квадрату ускоряющего напряжения и:
J = С^и2, (2)
где С - коэффициент пропорциональности.
100%
Рис. 3. Пространственное распределение интенсивности тормозного излучения: 1 - при 10 кВ; 2 - при 70 кВ без фильтра; 3 - то же с алюминиевым фильтром толщиной 10 мм
Рентгеновское излучение способно проникать через различные материалы. Интенсивность излучения, прошедшего через слой вещества, всегда оказывается меньше первоначальной. Ослабление интенсивности излучения обусловлено явлениями поглощения и рассеяния лучей в веществе. При поглощении происходит преобразование энергии излучения в другие виды энергии. В результате рассеяния пучок излучения перестает быть направленным - лучи распространяются по разным направлениям.
Интенсивность однородных рентгеновских лучей, т. е. обладающих одной длиной волны X, прошедших через слой какого-либо вещества толщиной d определяется выражением [1]:
Зл=(3)
где /0 - интенсивность падающих лучей; - интенсивность лучей, прошедших слой Л; ц - коэффициент линейного ослабления.
Ослабление рентгеновских лучей увеличивается очень быстро с увеличением толщины поглощающего слоя. Ниже приведены экспериментальные данные [1] ослабления интенсивности однородного пучка лучей при X=0,71- 10-10 м в алюминиевых пластинах разной толщины:
В условиях ЭЛС имеет место тормозное излучение, разлагающееся в непрерывный спектр. Кривая (0) (рис. 4) дает пример состава неослабленного тормозного излучения и определяется в некотором масштабе площадью, заключенной между кривой (0) и осью абсцисс.
А Юмм 1мм 2мм Змм |л/р
гп
До 5мм
\ \ '
ч\
V _
О 0,2 0,4 0,6 0,8 X, А
Рис. 4. Изменение распределения плотности интенсивности по спектру в зависимости от толщины алюминиевого фильтра
Если это излучение проникает в тело, вещество которого состоит из элемента с атомным номером 2, то все компоненты его испытывают поглощение и рассеяние, но не в одинаковой степени.
Коэффициент ослабления сильно возрастает с увеличением длины волны (на рис. 4 кривая ц/р, где р - плотность вещества). Поэтому ослабление длинноволновых компонент неоднородного излучения происходит значительно сильнее, чем коротковолновых, и состав ослабленного излучения изменяется: кривая спектрального распределения интенсивности укорачивается со стороны длинных волн, максимум интенсивности смещается влево, только X . при этом не изменяется. Следовательно, тормозное излучение при прохождении через слой любого вещества делается менее неоднородным и средняя жесткость его увеличивается (происходит фильтрация лучей). Распределение плотности интенсивности по спектру зависит и от толщины алюминиевого фильтра (рис. 4).
Очевидно, фильтрация неоднородного пучка лучей при различных материалах фильтра должна быть различной,
потому что при низком атомном номере вещества фильтра и относительно жестком излучении ослабление лучей происходит, главным образом, за счет рассеяния. Коэффициент рассеяния мало меняется с длиной волны, и относительное ослабление всех компонент спектра неоднородного излучения происходит приблизительно одинаково. При веществе с большим 2 преобладающую роль в ослаблении играет поглощение, которое значительно возрастает с увеличением длины волны X. Следовательно, фильтрация тяжелым фильтром происходит значительно сильнее.
В связи с трудностью точного представления коэффициента ослабления ц, зависящего от свариваемого материала, частоты V или длины волны X рентгеновского излучения целесообразно экспериментальное определение этого коэффициента.
Формулы, полученные на основании измерений различными исследователями, а также справочные данные о значениях коэффициента ослабления ц применимы в случае монохроматического излучения. При ЭЛС возникает рентгеновское излучение с непрерывным спектром, для которого известные соотношения неприемлемы для определения ц.
В соответствии с выражением (3) логарифм отношения / к /0 представляет собой линейную зависимость от толщины слоя й вещества, через которое проходят рентгеновские лучи:
1п(/ //о) = -ц^.
Отсюда видно, что коэффициент ц есть тангенс угла наклона прямой -[1п(/ //0)] к оси й:
ц ={-[14/, //о)]}/ й. (4)
Соотношения (4) и (2) свидетельствуют о том, что ц для данного материала и данного ускоряющего напряжения может быть определен по результатам одного измерения / при толщине образца й.
На практике с целью повышения точности определения ц дополнительно осуществляют измерение /0 - излучения с поверхности образца (со стороны ввода луча) при отсутствии оплавления. Таким способом исключаются погрешности вычислений /0 по формуле (2), связанные с нестабильностью ускоряющего напряжения и, тока луча I и неточностью определения атомного номера 2 при ЭЛС сплавов.
Свариваемые детали могут рассматриваться как массивные мишени, и рентгеновское излучение, возбужденное в них, имеет распределение, близкое к сферическому. Отклонение этого распределения от сферического связано с наличием поверхностей свариваемых элементов, расположенных под различными углами к направлению падения сварочного пучка электронов. Поэтому представляет практический интерес характер зависимости интенсивности рентгеновского излучения от угла падения электронного луча на свариваемые поверхности (рис. 5).
Данные получены экспериментальным путем [2]. Относительные значения определялись делением интенсивностей излучения, соответствующих текущему углу у на максимальную интенсивность, измеряемую при у = 0°°. Данные эксперимента с достаточной точностью описываются выражением
/ (у) = {1 - [|у3|/903]}1/2 при изменении у от 0до ± 90°.
Толщина d, мм Отношение Jd и0
0,1 0,87
0,5 0,5
1,0 0,25
2,0 0,06
3,0 0,015
4,0 0,004
С целью определения оптимального расположения датчика в условиях использования его для контроля процесса ЭЛС осуществлены экспериментальные исследования проникающего рентгеновского излучения. Зависимость интенсивности проникающего рентгеновского излучения от направления его распространения может быть получена аналитически из формулы (3). При изменении угла наблюдения 0 изменяется толщина X слоя металла, через который проходит регистрируемое рентгеновское излучение по закону X = х/cos0,
где х - минимальная толщина при 0 = 0 (рис. 6). В связи с этим изменяется интенсивность проникающего рентгеновского излучения:
/ = /оexp(-цх/cos0).
Л у), отн. сд.
I м м м м м м м м I у. фад
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Рис. 5. Зависимость интенсивности РИ от угла между направлением электронного луча и нормалью
Рис. 6. Определение зависимости „/=/(0)
Из формулы видно, что с увеличением толщины X материала угол обзора, где интенсивность проникающего рентгеновского излучения может быть надежно зарегистрирована, уменьшается. Датчик рентгеновского излучения желательно устанавливать при минимальных углах 0. Ограничения по минимальным значениям у связаны с возможностью сквозного проплавления, при котором датчик может быть поврежден потоком электронов сварочного луча. Очевидно, что с увеличением плотности материала угол обзора уменьшается из-за увеличения коэффициента линейного ослабления.
Эксперименты (рис. 7) подтвердили расчетный характер углового распределения проникающего рентгеновского излучения:
///х0 = ехр(-цх/cos0)/ехр(-цх), где / - текущее значение интенсивности рентгеновского излучения, прошедшего слой материала х/соs0; /х0 - интенсивность рентгеновского излучения, прошедшего слой материала х при 0 = 0.
JIJ.rO
Рис. 7. Результаты эксперимента: I = 230 мА; и = 30 кВ;
•' Г л ’ уск. ’
— эксперимент; 0000 - расчетная кривая
Представляет практический интерес характер распределения рентгеновского излучения по глубине канала проплавления. Рассмотрим схему эксперимента и результаты измерения РИ (рис. 8). Для измерения интенсивности рентгеновского излучения с определенного уровня в экспериментах применялся коллимированный рентгеновский датчик [3].
Рис. 8. Схема эксперимента (а) и результаты (б, в, г) измерений интенсивности рентгеновского излучения по глубине канала проплавления
Эксперименты подтвердили, что после установления режима глубокого проплавления процесс электронно-лучевой сварки становится импульсным, о чем свидетельствуют осциллограммы интенсивности рентгеновского излучения (рис. 9, б, в, г).
«Импупьсность» процесса можно объяснить двумя причинами. Первая - это «низкочастотное» перекрытие жидким металлом канала проплавления (гидродинамические причины). В результате положение луча по глубине канала меняется и периодически излучение попадает в «тень» коллимированного датчика. Частота этих колебаний для сплава АМг-6 составляет ~ 64 Гц. В связи с этим глубина проплавления вдоль свариваемого шва изменяется в соответствии с этой частотой, т. е. нестабильна по величине. Это подтверждается и экспериментами по угловому распределению интенсивности проникающего рентгеновского излучения. Другая причина - «высокочастотная» экранировка электронного луча парами металла. Частота этих колебаний для сплава АМг-6 и данных режимах сварки составляет ~ 2кГц. Из осциллограмм
видно, что происходит модуляция «высокочастотной» составляющей спектра (с частотой ю ~ 2кГц) рентгеновского излучения «низкочастотной» огибающей (с частотой О ~ 64 Гц). Это свидетельствует о наличии в рентгеновском излучении составляющих с частотами (ю ± W). Данные экспериментов удовлетворительно согласуются с данными других исследователей.
Во всем объеме канала проплавления рентгеновское излучение нестабильно в пространстве и времени, но в корневой части канала оно максимально и наиболее стабильно, причем пространственное положение источника максимального излучения практически совмещено с корневой частью канала и характеризует глубину проплавления.
Таким образом, зависимость интенсивности рентгеновского излучения при электронно-лучевой сварке от конструкционных особенностей свариваемых деталей и от параметров сварки свидетельствует о возможности использования РИ в качестве информационного сигнала о процессе.
Предложенная методика экспериментального определения коэффициента линейного ослабления РИ эффективна при формировании базы данных о значениях этого коэффициента для различных материалов и ускоряющих напряжений.
Данные о пространственных характеристиках рентгеновского излучения позволяют оптимизировать положе-
ние датчиков для наиболее эффективной регистрации излучения при электронно-лучевой сварке.
Результаты изучения распределения интенсивности рентгеновского излучения по глубине канала проплавления дают представление о физических процессах, происходящих в канале. Подтверждается периодический характер парообразования и периодическое перекрытие канала жидким металлом. В корневой части канала рентгеновское излучение максимально и наиболее стабильно, причем пространственное положение источника максимального излучения практически совмещено с корневой частью канала и характеризует глубину проплавления.
Библиографический список
1. Хараджа, Ф. Н. Общий курс рентгенотехники / Ф. Н. Хараджа. М. : Энергия, 1966.
2. Браверман, В. Я. Экспериментальные исследования рентгеновского излучения при электронно-лучевой сварке / В. Я. Браверман, В. С. Белозерцев, А. Н. Успенский // Вестн. Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. М. Ф. Решетнева : сб. науч. тр. / под ред. проф. Г. П. Белякова ; Сиб гос. аэрокосмич. ун-т. Вып. 6. Красноярск, 2005.
С. 196-200.
3. Управление электронно-лучевой сваркой / В. Д. Лап-тенок, А. В. Мурыгин, С. Н. Серегин, В. Я. Браверман ; Сиб. аэрокосмич. акад. Красноярск, 2000.
V. Ya. Braverman
DECELERATING X-RAY RADIATION DURING ELECTRON BEAM WELDING AND ITS INTERRELATION WITH THE PROCESS PARAMETERS
A description and results of several experiments designed to study X-Ray radiation occurring during Electron Beam Welding with the aim to determine interrelation between X-Ray radiation and the welding seam formation process and also to examine how to utilize the radiation in welding control
