• Adresář /tmp/drutex-5185000d63b50903b6412d0db57eefb1-1 byl vytvořen.
  • Adresář /tmp/drutex-5185000d63b50903b6412d0db57eefb1-2 byl vytvořen.
  • Adresář /tmp/drutex-5185000d63b50903b6412d0db57eefb1-3 byl vytvořen.

Proces vnikání svazku do hloubky

Na rozdíl od klasických metod ohřevu, kdy se potřebná energie předává vedením tepla přiváděného na povrch ohřívaného předmětu, při ohřevu elektronovým svazkem se předává částicím v krystalické mřížce kinetická energie elektronů složitějším pochodem, který umožňuje za jistých podmínek přenos energie do hloubky rychlostí podstatně vyšší než je rychlost šíření tepla vedením.

Pochod vnikání elektronového svazku do materiálu je nejdůležitější a současně nejobtížněji popsatelná část procesu svařování elektronovým svazkem. Bylo podniknuto mnoho pokusů o vysvětlení skutečnosti, že elektronový svazek proniká za jistých podmínek do hloubky řádu centimetrů přesto, že elektrony mohou vniknout do pevné látky jen několik setin milimetru. Probíhající pochody jsou však tak složité a podmínky tak mimořádné, že je nelze přesně ani matematicky vyjádřit ani zkoumat přímým měřením. Proto se dosud nepodařilo tyto procesy kvantitativně popsat. Teorie nemůže proto poskytnout návod jak nastavit podmínky, abychom dosáhli požadovaných výsledků. K tomu je nezbytný dostatek zkušeností získaných delší praxí nebo konkrétně zaměřeným pokusem.

Početně i měřením lze dokázat, že v pevné látce proniknou elektrony do hloubky h dané vztahem

TeX Embedding failed!
kde TeX Embedding failed! je měrná hmotnost [g cm−3] a TeX Embedding failed! je urychlovací napětí [kV].

Hloubkou vniku elektronů rozumíme dráhu elektronů v materiálu, na které předají svou kinetickou energii částicím pevné látky v zasaženém objemu. To se projeví v první fází zvyšováním jeho teploty, které podle okolností může vést ke změnám skupenství, a dalším jevům.

Zahřívání pevné látky je důsledkem zvyšování kinetické energie atomů v krystalické mřížce. Elektrony s relativně velmi malou hmotností, dopadající na povrch, nemohou přitom svoji energii předávat mnohem hmotnějším atomům při srážkách s nimi přímo. Je mnohem pravděpodobnější, že elektrony ze svazku (které budeme nazývat primární) se sráží s elektrony v obalu atomového jádra, zvláště v jeho vrchní „slupce“, a do jisté míry i s volnými, tzv. „vodivostními“ elektrony. Energii získanou od primárních elektronů předávají pak vodivostní elektrony mřížce dalšími srážkami s atomy v mřížce.

Tímto způsobem může být zahřát materiál elektronovým svazkem na teplotu vyšší než bod varu kteréhokoliv známého kovu. Tím co bylo řečeno není však proces v místě dopadu svazku na povrch pevné látky zcela popsán, neboť zde dochází k mnoha dalším jevům:

  • jistá část primárních elektronů se od povrchu “pružně“ (zcela bez nebo jen s částečnou ztrátou energie) odrazí.
  • některé vodivostní elektrony jsou primárními elektrony vyraženy do prostoru nad povrchem (jako tzv. sekundární elektrony).
  • Jako při každé změně rychlosti elektronů vzniká i zde spojité (tzv. „brzdné“ ) rentgenové záření., kromě tzv. „charakteristického záření“ na určitých vlnových délkách charakteristických pro různé materiály.
  • Jistá část energie dodaná primárními elektrony se také spotřebuje na vyzářené světlo a teplo, ionizaci a další jevy vyznačené v obr. 1.

Obr. 1: Povrchové jevy.Obr. 1: Povrchové jevy.

Počet odražených a sekundárních elektronů, jejich směrové a energetické spektrum a prostorové rozložení závisí také na tvaru povrchu v místě dopadu primárních elektronů. Toho lze prakticky využít, např. k monitorování, nebo i řízení svařovacího procesu.

K odstínění zdraví škodlivého RTG záření u zařízení s urychlovacím napětím nižším než 60 kV stačí obvykle stínící účinek samotných stěn vakuové pracovní komory. Při vyšším urychlovacím napětí jsou však nutná další opatření (stínění olověným plechem apod.).

Část energie svazku (závisející na mnoha činitelích), která se spotřebuje na tyto přidružené jevy, z hlediska svařování hodnotíme jako ztráty. V literatuře jsou uváděny hodnoty až 40 % pro začátek procesu, které ale po vniknutí svazku pod povrch mohou klesnout na 10 až 5 %.

Energie absorbovaná ve vrstvičce o tloušťce rovné hloubce vniku zvyšuje její teplotu rychlostí úměrnou objemové hustotě absorbovaného výkonu, která je dána plošnou hustotou výkonu svazku a hloubkou vniku elektronů. Zvyšování teploty vede ke změnám stavu (skupenství) látky. Doby potřebné pro jednotlivé etapy tohoto procesu můžeme vypočítat. Hodnoty (v µs ) vypočtené pro technicky zajímavé materiály jsou uvedeny v tabulce:

TAB 1 Doby potřebné pro dílčí etapy procesu odpařování materiálu elektronovým svazkem při urychlovacím napětí 50 kV a plošné hustotě výkonu 104 W/mm2. Doba ohřevu (mikrosekund) potřebná k zahřátí:

  Al Ag Cu Fe Mg Mo Ni Ti W Zr
k bodu tání 3,026 1,162 2,120 3,499 3,368 3,406 3,310 4,477 2,313 2,596
k bodu varu 13,66 3,184 6,165 7,603 7,743 7,827 8,261 10,60 4,751 6,898
k odpaření 70,75 15,38 30,97 40,47 35,26 40,55 41,38 56,74 28,28 12,89

Při vysoké hodnotě plošné hustoty výkonu se tedy materiál v zasažené tenké vrstvě za dobu velmi krátkou (desítky mikrosekund) přemění na páru. Jakmile k tomu dojde, změní se podmínky pro výměnu energie primárních elektronů s částicemi zasažené látky tak, že svazek předává v oblasti vyplněné párou podstatně méně energie (na jednotku objemu) která se zřejmě spotřebuje na zvyšování teploty páry nad bod varu a ionizaci molekul. Popsat tento proces kvantitativně nedokážeme, můžeme však oprávněně předpokládat, že je to jen menší část energie svazku. Když ji pro zjednodušení zanedbáme, můžeme vypočítat jakou rychlostí by svazek vnikal do materiálu:

TAB 2 Rychlost [mm/s] vnikání čela svazku do materiálu při energii elektronů 50 keV:

  Al Ag Cu Fe Mg Mo Ni Ti W Zr
Mezní rychlost 274,8 324,9 189,1 165,0 855,5 126,9 142,5 205,6 96,16 800,4