Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Тема 11. Электронно-лучевой и лазерный нагрев
Рассматриваемые вопросы: - особенности и область применения; - электронно- лучевой нагрев; - лазерный и ионный нагрев; - конструкция установок.
Рекомендуемая литература: - Басов А.М. и др. Электротехнология. Учебное пособие. – М.: Агропромиздат, 1985. - Карасенко В.А. и др. Электротехнология. – М.: Колос, 1992. - Кудрявцев И.Ф., Карасенко В.А. Электрический нагрев и электротехнология. Учебное пособие.- М.: Колос, 1976. - Электронагревательные установки в сельскохозяйственном производстве. /Под общ. ред. В.Н. Растригина/. – М.: Агропромиздат, 1985. - Глушков А.М., Юдаев И.В. Светотехнтка и электротехнология. ч. 2 «Электротехнология» ФГОУ ВПО «Волгоградская ГСХА». – Волгоград, 2008, (текст).
Краткое содержание Электронно-лучевой нагрев выполняют лучом (пучком) электронов, эмитируемых нагретым катодом, в глубоком вакууме. Устройство, формирующее электронный луч для технологического использования, называют электронной пушкой. Электроны, эмитируемые нагретым катодом пушки, ускоряются и фокусируются электрическим полем. На электрон в электрическом поле действует сила F=е ·Е, под действием которой он ускоряется и приобретает энергию:
где me, v и е - масса, скорость и заряд электрона; U - ускоряющее напряжение. Разогнанный в электрическом поле поток электронов направляется на нагреваемый материал, при встрече с которым электроны тормозятся и их кинетическая энергия преобразуется в теплоту. Чтобы энергия электронов не рассеивалась на молекулах газа, электронный луч создают в вакууме при давлении 10-2...10-3 Па. В зависимости от технологического назначения электронно-лучевых установок ускоряющее напряжение U изменяется от 15...20 до 100...200 кВ. Наиболее распространены электронно-лучевые установки с напряжением равным 20...30 кВ. При напряжениях больше 20 кВ торможение электронов на металлической поверхности сопровождается не только нагревом, но и рентгеновским излучением (наподобие излучения рентгеновских трубок), что требует специальных мер защиты обслуживающего персонала. Мощность выделяемая электронным пучком в месте встречи с материалом, Р= U·I·η (где I – сила тока пучка; η – КПД). Величина мощности может иметь значение от десятков до тысяч кВт в единице объема. Площадь же сечения луча на поверхности тела 10-3…10-5 мм2.
Основные технологические особенности электронно-лучевого нагрева заключаются в следующем: высокая концентрация мощности; нагрев материалов в вакууме, обеспечивающий высокое качество сварки и других процессов (что особенно важно для химически активных материалов); возможность плавного регулирования мощности; малоразмерная зона воздействия луча на материал (что позволяет выполнять тонкие термические операции на микродеталях). К недостаткам электронно-лучевого нагрева относят: необходимость использования высокого вакуума; повышенная опасность при обслуживании из-за рентгеновского излучения; высокая стоимость и сложность эксплуатации оборудования. Поэтому его применяют там, где выполнить операции иными способами невозможно или должного эффекта не получается: сварка и термообработка деталей из молибдена, вольфрама, ниобия и других тугоплавких и химически активных металлов, микросварка радиодеталей, микросхем и т. п., размерная обработка деталей, нанесение покрытий. Лазеры или оптические квантовые генераторы – источники оптического излучения, отличающегося высокой когерентностью, узкой направленностью, большой концентрацией мощности, высокой степенью монохроматичности, способностью к фокусированию. Лазерное излучение является индуцированным. Его испускают возбужденные внешним источником энергии (системой накачки) атомы или молекулы оптически активных веществ, электроны которых при возбуждении переходят на более высокие энергетические уровни, а затем, возвращаясь в первоначальное состояние, отдают приобретенную энергию в виде лавины квантов, тождественных по направлению, частоте, фазе и поляризации фотонам возбуждающей энергии. Энергия перехода электрона с верхнего на нижний энергетический уровень определяется законом Планка:
где Е2 - Е1 – энергия уровней, между которыми происходит переход; h = 6,62·10-34 Дж·с - постоянная Планка; v - частота переходов, с- 1. Энергия излучения, которую имеет единица объема активного вещества концентрацией частиц N0, м-3, зависит от степени инверсии активного вещества - количества N возбужденных атомов, электроны которых могут находиться на верхнем энергетическом уровне. Инверсное состояние можно описать формулой, определяющей распределение атомов по энергетическим уровням:
где E - энергия верхнего уровня; k = 1,38 ·10-23 Дж·К-1 - постоянная Больцмана. Если считать температуру Т вещества отрицательной, ибо с понижением температуры генерация возникает при меньшей энергии накачки. Инверсное состояние называют также "состоянием с отрицательной температурой". Энергия излучения, которую потенциально имеет единица объема активного вещества, Дж·м-3: Особенности лазерного нагрева: наивысшая плотность мощности, известная на Земле, возможность передавать энергию лазера на расстояние и осуществлять, таким образом, бесконтактный нагрев тел; плавность регулирования интенсивности лазерного излучения и др. Технологические особенности и свойства лазерного нагрева во многом совпадают со свойствами электронно-лучевого нагрева, схожи и области их применения. Однако лазерный нагрев имеет свои преимущества: он осуществляется на воздухе и не сопровождается рентгеновским излучением, стоимость установок лазерного нагрева меньше и они проще в обслуживании. Механизм воздействия лазерного излучения в зависимости от параметров может быть тепловым и химическим, связанным с разрывом старых и установлением новых химических связей, так как кванты энергии оптического диапазона, соизмеримы с энергией некоторых химических связей в молекулах вещества. Это свойство лазерных лучей особенно важно при использовании в селекционной работе для индуцированного мутагенеза семян с целью получения растений с комплексом хозяйственно ценных свойств, в процессе предпосевной обработки семян, дефектоскопии и прединкубационной обработки яиц, в ветеринарии. Отмеченными особенностями объясняется более широкое распространение лазерного нагрева по сравнению с электронным. Технологические лазерные установки (ТЛУ) применяют в машиностроении и на ремонтных предприятиях для пайки, сварки, сверления, резки металлов, нанесения покрытий, поверхностной закалки стальных деталей, оплавления и прошивки отверстий в керамических изделиях, в голографии, для резки и раскроя неметаллических материалов, в научных исследованиях. Лазер состоит из трех основных узлов: излучателя (рабочее тело), системы накачки, оптического резонатора. Излучатель - оптически активное вещество (тело), предназначенное для преобразования энергии накачки в лазерное излучение. Активное вещество может быть твердым диэлектриком, полупроводником, жидкостью, газом. Соответственно различают твердотельные, полупроводниковые, жидкостные и газовые лазеры. Наиболее распространены твердотельные и газовые лазеры. Система накачки предназначена для возбуждения атомов активных веществ. Накачка может выполняться электрическими разрядами (газовые лазеры), оптическим излучением с помощью специальных ламп (твердотельные и жидкостные лазеры) и другим путем. Оптический резонатор включает систему отражательных, преломляющих, фокусирующих и других оптических элементов, служащих для взаимодействия излучения с рабочим веществом. Для технологических целей используют газовые лазеры на аргоне, ксеноне, углекислом газе и твердотельные лазеры на неодимовых стеклах. Наибольшую мощность (до 5 кВт, а опытные образцы - до 20 кВт) имеют лазеры на углекислом газе с примесью азота и гелия (СО2-лазеры).
Лазеры работают в непрерывном и импульсном режимах. Первый характеризуется мощностью луча, второй - мощностью, длительностью, энергией импульса и частотой их повторения. СО2- лазер в непрерывном режиме имеет мощность 10...102 Вт, в импульсном – 106...109 Вт, длительность импульсов 1...10 мкс, частота 25...100 Гц, КПД 8...30 %. Наиболее высоким КПД (50...60 %) отличаются полупроводниковые лазеры, работающие преимущественно в импульсном режиме. Ионный нагрев металлических тел осуществляют потоком положтельных ионов низкотемпературной плазмы, создаваемой в вакууме тлещим электрическим разрядом. Нагреваемое тело помещают в металлическую вакуумированную (давление порядка 10-3 Па) камеру и подводят к нему отрицательный полюс источника питания постоянного тока, а к стенкам камеры - положительный полюс. В камеру подают рабочие летучие вещества: газ (аммиак, бор и др.), твердые летучие вещества, пары металлов (их получают в той же камере электродуговым испарением). Между изделием и стенками камеры возбуждают тлеющий электрический разряд. Катод - изделие нагревается потоком положительных ионов летучих присадочных веществ, извлекаемых из низкотемпературной плазмы. Ионы, устремляющиеся к изделию, не только нагревают его, отдавая запасенную в электрическом поле энергию, но и вступают с поверхностью изделия в сложные взаимодействия, поэтому ионный нагрев используют в процессах химико-термической обработки металлов, таким как: – диффузное поверхностное упрочнение (азотирование, цементация, борирование и др.) металлических изделий (инструмента, шестерен, гильз двигателей внутреннего сгорания, коленчатых валов и др.) путем насыщения легирующими элементами слоев изделий при диффузном взаимодействии ионов с изделием, сопровождаемым нагревом. Процесс протекает при скорости диффузии ионов в металл, превышающей скорость осаждения ионов; – поверхностное покрытие изделий путем ионно-плазменного напыления нитридов (молибдена, титана и др.), карбидов, карбонитридов и других веществ. Процесс протекает при скорости конденсации ионов, превышающей скорость их диффузного взаимодействия с подложкой. Преимущества ионно-плазменной обработки по сравнению с химикотермической обработкой в плазменных печах состоят в повышении производительности в 8...10 раз, уменьшении деформации и повышении износостойкости деталей в 1,5...3 раза, режущего инструмента в 2...10 раз, существенного снижения энергозатрат.
Установки ионного нагрева выпускают на мощности в десятки и сотни киловатт. Для возбуждения плазмы используют источники постоянного тока с выходным напряжением от десятков вольт до 1,5 кВ. Установки электронно-лучевого, лазерного и ионного нагрева питаются от источников постоянного тока (напряжения). Общий элемент источников питания (ИП) - преобразователь переменного тока в постоянный. Различаются установки мощностью и выходным напряжением (десятки и сотни вольт в установках ионного нагрева, единицы киловольт в установках лазерного нагрева, десятки киловольт в установках электронно-лучевого нагрева). Основные требования к источникам питания: возможность регулирования мощности; устойчивость к коммутационным перенапряжениям; обеспечение управления по заданному режиму или программе. Структурная схема ИП включает в общем случае следующие блоки: преобразования напряжения сети в необходимое напряжение установки (повышающий трансформатор); преобразования переменного тока в постоянный (неуправляемый или управляемый выпрямитель, фильтры, устройства стабилизации и защиты); собственных нужд (системы накачки, поджига, фокусирования и др.); управления, регулирования, контроля. При общих принципах структуры источники питания установок каждого вида имеют особенности, обусловленные видом вольтамперных характеристик, спецификой работы, технологическими и другими требованиями.
|
||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-12-30; просмотров: 1454; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.136.154.103 (0.011 с.) |