Электроннолучевая обработка материалов

Введение. Изобретение электронной лампы положило начало широкому использованию в науке и технике потоков электронов. В конце XIX века был разработан первый электроннолучевой осциллограф, в котором электронный луч использовался для воспроизведения на экране параметров различных быстропротекающих процессов. В 1904 г. профессор Петербургского университета Б.Л. Розинг разработал конструкцию электроннолучевого кинескопа. После изобретения в 1905 г. А.С. Поповым радио бурными темпами начали развиваться радиотехника, электроника, а затем телевидение и радиолокация.

В физике сформировалось специальное направление — электронная оптика, которое изучает вопросы получения электронных пучков требуемой конфигурации и интенсивности.

Необходимость создания электронных приборов привела к возникновению новой отрасли промышленности — электронной техники и способствовала развитию вакуумной техники и технологии.

В настоящее время электроннолучевая технология сформировалась как самостоятельное, обладающее широкими технологическими возможностями направление в области обработки материалов.

Электронный луч как технологический инструмент позволяет осуществлять нагрев, плавку и испарение практически всех материалов, сварку и размерную обработку, нанесение покрытий и запись информации.

Однако электронный луч как источник энергии не везде получил широкое распространение из-за высокой стоимости оборудования, в необходимости высокой квалификации обслуживающего персонала, в сложности средств обеспечения безопасности, создание глубокого вакуума (порядка мм.рт.сm.) или Па. [1].

Формирование электронного луча для технологических целей можно представить состоящим из следующих основных стадий:

— получение свободных электронов;

— ускорение электронов электростатическим или магнитным полем и формирование электронного пучка;

— изменение поперечного сечения электронного пучка (чаще для его фокусирования на обрабатываемой поверхности);

— отклонение электронного луча и обеспечение требуемой траектории перемещения точки его встречи с обрабатываемой поверхностью.

Для получения электронного луча и управления им применяются устройства, называемые электронными пушками.

Рисунок 5.1 — Схема электроннолучевой установки

Источником электронов в установке является термоэмиссионный катод из вольфрама или тантала, обладающих высокими эмиссионными характеристиками. Его температура находится в пределах 1600…2800 °К. Из-за тяжелых температурных условий срок службы катодов не превышает нескольких десятков часов.

На некотором расстоянии от катода находится анод 2, выполненный в виде массивной детали с отверстием.

Между катодом и анодом от специального высоковольтного источника питания 8 прикладывается ускоряющее напряжение 30…150 кВ (за счет генератора и импульсного трансформатора). Электроны ускоряются этим напряжением до значительных скоростей, большая часть их проходит через отверстие 2, и в за анодном пространстве они движутся по инерции.

Для фокусирования луча из потока в электронной пушке обычно используется система диафрагм и магнитных линз. Магнитная линза 3 представляет собой соленоид с магнитопроводом, создающий специальной формы магнитное поле, которое при взаимодействии с движущимся электроном смещает его траекторию в направлении оси системы.

В фокусе электронный луч может обладать весьма высокой плотностью энергии, достигающей 5∙10¹² Вт/м².

В конструкцию электронной пушки обычно входит так же отклоняющая система 4, служащая для перемещения луча по обрабатываемой поверхности.

Электронная пушка обычно имеет две пары отклоняющих катушек, обеспечивающих перемещение луча по двум взаимно перпендикулярным направлениям.

Электронная пушка обычно выполняется в виде функционального блока, который крепится к рабочей камере 5.

Обрабатываемая заготовка 6 помещается в рабочую камеру 5, снабженную иллюминаторами для наблюдения за процессом обработки.

При малой площади обработки (менее 10х10 мм) обычно достаточно перемещения луча, а заготовка может оставаться неподвижной.

1. Физические основы электроннолучевой обработки

1.1 Получение свободных электронов

Свободный, не связанный с атомом электрон можно получить, если сообщить атому избыточную энергию, поглощая которую электрон переходит на более удаленные от ядра орбиты и может при этом потерять связь с ядром.

Это происходит при нагреве металлов, которые при этом начинают испускать термоэлектроны.

Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Для этого необходимо получить плотность тока на катоде порядка (0,1…1,5)·10^–4 А/м² . При этом температура катода должна быть 2400…2700 °К. Чем больше температура, тем меньше срок его службы.

Для гексаборида 5 лантана LaВ₆ Т=1600…2000 °К.

Помимо термоэмиссионных катодов применяют плазменные катоды, использующие электроны из плазмы газового разряда. Эти катоды не содержат накаливаемых элементов, более просты по конструкции и имеют значительно больший срок службы даже в самых тяжелых условиях эксплуатации.

1.2 Ускорение электронов

Для сообщения электронам необходимой энергии используют самый простой и наиболее распространенный способ – ускорение электронов электрическим полем.

На электрон в поле действует электростатическая сила

(5.1)

Где e – заряд электрона (e=1,602·10 ^–19 Кл(с·А);

Е – напряженность поля.

При движении в поле разность потенциалов под действием силы F электрон приобретает энергию:

(5.2)

Это приращение энергии электрона происходит за счет увеличения кинематической энергии (скорости) его движения:

(5.3)

где – масса электрона ( =9,109·10 ^–31 кг);

V – конечная скорость электрона, км/с;

– начальная скорость электрона ( =0).

Поэтому отсюда

км/с

То есть при ускоряющем напряжении 1В скорость электрона составляет 593,2 км/с.

В электронных пушках ускоряющее напряжение может достигать 2· В (200000 В).

Низковольтные системы ( =15…30 кВ) наиболее просты по конструкции и в эксплуатации и применяются в основном для операций, связанных с плавлением и сваркой различных материалов.

1.3 Управление электронным лучом

Электронным лучом можно управлять с помощью электростатических или магнитных полей. На практике шире распространены магнитные системы фокусировки и управления перемещением луча.

На движущийся в магнитном поле электрон, согласно законам электродинамики, действует сила

F=B·V·ѕin , Н (5.4)

Где В – магнитная индукция, Т_л=Вб/м²;

V – скорость движения электрона, км/с;

— угол между вектором скорости и магнитной силовой линией поля.

Под действием этой силы электрон будет двигаться в магнитном поле по окружности, перпендикулярной силовым линиям поля. Траектория движения электрона (под действием магнитного поля и инерционных сил) выглядит в виде спирали.

Создавая по оси электронного луча с помощью специальной магнитной системы-магнитной линзы — магнитное поле определенной формы, можно обеспечить сходимость траектории электронов в одной точке (фокусировку).

Для перемещения электронного луча по обрабатываемой поверхности обычно используют его взаимодействие со скрещенными поперечными магнитными полями, создаваемыми отклоняющей системой.

Благодаря малой массе электронов достаточно легко перемещать луч по обрабатываемой поверхности в широком диапазоне скоростей при любой форме траектории.

1.4. Вакуум как необходимый фактор электроннолучевой технологии

Электронный луч можно получить только в вакууме, так как за счет соударений с молекулами атмосферных газов электроны отдают им свою энергию и луч “рассеивается”.

1.5. Взаимодействие электронного луча с веществом

В результате встречи потока электронов с обрабатываемым веществом кинетическая энергия движущихся электронов превращается в другие виды энергии.

Мощность, или плотность потока энергии, электронного пучка в месте встречи его с обрабатываемым материалом равна:

P= Вт (5.5)

где – ускоряющее напряжение, В;

– сила тока луча, А;

– эффективный КПД нагрева.

Удельная поверхностная мощность луча в зоне его воздействия на вещество:

Р_о=P/S, Вт/м² (Р_о=10¹²…10¹³) (5.6)

где S – площадь сечения луча на поверхности вещества.

При данном (max) значении Р_о можно проводить размерную обработку материалов за счет их локального испарения.

При меньших значениях Р_о (за счет расфокусировки луча) проводят плавку, сварку, нагрев в вакууме.

При ускоряющем напряжении =20 кВ и удельной поверхностной мощности Р_о= В/м² за время с в поверхностных слоях различных материалов развиваются следующие температуры (в скобках указаны Т_{кипения}),°К.

Аℓ-(2593) 4423; Ti-(3773) 5313; нерж.сталь-(3323) 5373; Si-(2773) 6273; Ni-(3273) 7113; W- (5673) 15873.

Съем металла с обрабатываемой поверхности за счет его испарения и взрывного вскипания лежит в основе размерной электроннолучевой обработки.

Падающий на поверхность обрабатываемой заготовки электронный поток вызывает вторичную электронную эмиссию с обрабатываемой поверхности и термоэлектронную эмиссию из разогретой зоны обработки.

Теряемая мощность при этом составляет 1%.

Давление потока электронов (Па) на обрабатываемый материал определяется как отношение суммы импульсов к площади поверхности. Его находят по эмпирической формуле

, Па (5.7)

Где j – плотность тока в луче, А/м² (1,3· А/м²);

– ускоряющее напряжение, В ( =20 кВ).

Плотность тока в луче находится в пределах j=(0,1…1,5)·1 А/м².

2. Основные технологические процессы электроннолучевой обработки

2.1 Особенности электронного луча

Главные достоинства электроннолучевой обработки с технологической точки зрения:

1) возможность за счет фокусировки луча плавно изменять в широких пределах удельную энергию в зоне нагрева;

2) большая мощность (от десятков ватт до мегаватт);

3) сравнительная простота управления пространственным положением луча с помощью магнитной системы и возможность модулирования луча по мощности;

4) наличие вакуума как рабочей среды;

5) возможность получения малоразмерной (прецизионной) зоны воздействия электронного луча на обрабатываемый материал.

Недостатки:

1) необходимость обеспечения высокого вакуума, что для ряда изделий трудно осуществимо;

2) сложность изготовления и эксплуатации электроннолучевого оборудования, дороговизна, должна быть защита от рентгеновского излучения.

Все основные технологические операции электроннолучевой обработки можно условно разбить на три группы:

— плавление (локальный переплав, плавка в вакууме, сварка);

— испарение (испарение в вакууме, размерная электроннолучевая обработка);

— термообработка без изменения агрегатного состояния вещества.

2.2 Локальный переплав

Он дает возможность получать чрезвычайно высокие скорости кристаллизации металла в зоне плавления.

Получаются другие структуры: расширяются границы растворимости для твердых растворов, измельчается микроструктура, значительно повышаются пластичность и твердость.

Быстрое остывание расплавленного металла приводит к последующей дополнительной закалке и за время с температурного цикла нагрев-охлаждение у закаливающихся сталей образуется структура мелкозернистого мартенсита с весьма высокой твердостью.

Включение этих зон в более пластичный основной металл повышает износостойкость поверхности.

Иногда такое поверхностное оплавление материала называют “облагораживающим” — исходный материал используют недорогой.

2.3 Электроннолучевая плавка

Она применяется в тех случаях, когда необходимо выплавлять особо чистые металлы, в том числе химически активные.

Электроннолучевая плавка позволяет получать более высокий перегрев жидкого металла в ванне и наиболее полно производить дегазацию металла, отгонку летучих примесей, удаление неметаллических включений (рафинирование).

Сплавы на основе Ti, W, M_o, Ni — выплавляют в вакууме.

Начиная с 60-х годов XX столетия все тугоплавкие и химически активные металлы выплавляются в электроннолучевых печах при давлении Па получают слитки массой до 20 m.

Для выплавки стали имеются печи мощностью 1200 кВт, в которых получают слитки массой по 12 m. Они идут на изготовление валов и лопаток турбин, камер сгорания, высокоскоростных шарикоподшипников.

Переплавляемый металл может быть в любом виде: шихта, пруток, лом, спеченные штабики, губка.

2.4 Электроннолучевая сварка

Отличительной особенностью данной сварки является получение швов с глубоким проплавлением. Его называют “кинжальным”. Такое проплавление дает возможность за один проход сваривать без разделки кромок заготовки толщиной до 100 мм.

Глубокое проплавление позволяет получать сварные соединения принципиально новой формы, которые нельзя получить другими способами, а именно: стыковое при большой толщине и тавровое.

Малый объем ванны расплавленного металла, получаемый при электроннолучевой сварке, резко снижает деформации сварных изделий.

Открывается возможность сваривать конструкции из уже окончательно обработанных деталей.

Возможна также сварка термообработанных изделий. Зона разупрочнения очень мала, что не сказывается на работоспособности изделия в целом.

Пример изготовления шевронного колеса. Сначала изготовляют два отдельных косозубых блока с помощью пальцевой фрезы, а затем их сваривают. Их устанавливают в весьма ответственных конструкциях авиационных двигателей.

Изготовление толстостенных конструкций — проплавление глубиной до 200…300 мм (атомные реакторы, бойлеры электростанций).

Микросварка для соединения микросхем. Сваривают различные выводы и контактные элементы толщиной менее 0,3мм и проводники диаметром 10…300 мкм.

Производство заготовок для ленточных пил. Ножовочное полотно из инструментальной стали высотой до 3мм приваривается к вязкой конструкционной стали – основанию.

Сварка электронным лучом рассматривается как один из основных процессов для монтажа и ремонта в космосе различных конструкций и агрегатов. На высоте 200 км давление находится в пределах Па

В 1969 году на “Союзе — 6” впервые были проведены эксперименты на установке “Вулкан”.

2.5 Электроннолучевое испарение материала

Испарение материала из охлаждаемого тигля дает возможность получать тонкие пленки покрытия высокой чистоты, так как при этом почти полностью исключается реакция испаряемого материала с материалом тигля.

Можно осуществлять испарение разных веществ и из одного тигля, если в него подают материалы из нескольких бункеров.

Такими способами получают, например, тройной псевдосплав из 90% титана, 6% алюминия и 4% ванадия.

Рисунок 5.2 — Схема испарения материалов

Данная технология применяется в микроэлектронике, оптической промышленности.

2.6 Размерная обработка электронным лучом

Чтобы получить точные размеры без оплавления краев необходимо:

— обеспечить строгое дозирование энергии электронного луча путем импульсного действия луча на поверхность, либо организуя перемещение луча по поверхности со строго заданной скоростью.

Таким образом можно определить три режима размерной обработки:

1). Моноимпульсный, когда отверстие получают за время одного импульса.

2). Многоимпульсный.

3). Многоимпульсный с перемещением электронного луча по заготовке с определенной скоростью.

Параметры электроннолучевой размерной обработки связаны с физическими характеристиками материала заготовки (температурой плавления, теплоемкостью, удельной теплотой испарения, упругостью пара) и не зависят от его механических свойств (прочности, твердости, пластичности).

Электронный луч нашел применение в первую очередь для размерной обработки твердых материалов-алмазов, кварца, керамики, кристаллов кремния и германия.

Образование полостей электронным лучом ведут в многоимпульсном режиме ( с) на глубину не более 15…20 мм. Лучшие образцы установок позволяют при глубине резания до 5 мм получать уклон стенок ≤1°.

Минимальная ширина реза может достигать 5…10 мкм.

Особой разновидностью размерной обработки является перфорация (получение мелких сквозных отверстий) различных материалов – металлические и керамические элементы фильтров, искусственную кожу — для воздушной проницаемости. При этом производительность составляет отверстий в секунду.

Погрешность размеров всего ±5 мкм. Шероховатость поверхности =5 мкм.

При производстве искусственных волокон широко применяются фильеры из различных твердых сплавов, керамики, стекла. Выпускают фильеры диаметром до 30…50 мм при толщине 1…3 мм; они могут содержать до 500 отверстий. Поперечное сечение отверстий может быть разнообразным размером 20 мкм.

2.7 Термообработка

Закалка применяется для упрочнения лезвий инструмента из быстрорежущей стали (ресурс работы увеличивается в 2 раза).

Термообработка листового материала или фольги обычно проводится в специальных установках для получения материалов с покрытиями; их наносят в вакууме на обезжиренный и предварительно нагретый до 200…400 °С металл.

Для равномерного нагрева материала обычно используют сканирование — (управляемое пространственное перемещение светового луча, пучка электронов) луча по обрабатываемой поверхности с помощью магнитной отклоняющей системы.

3. Контрольные вопросы

1. Какие основные этапы формирования электронного луча?

2. Требования к катодам электронных пушек.

3. Принцип ускорения электронов в… пушках.

4. Каким образом можно управлять положением электронного луча в пространстве?

5. Какова роль вакуума в электроннолучевой технологии и какова должна быть его величина?

6. В чем особенности взаимодействия луча с веществом?

7. Для каких целей используется электроннолучевой нагрев поверхности?

8. В каких областях применяют электроннолучевую плавку?

9. В чем основные особенности электроннолучевой сварки?

10. Где наиболее целесообразно применение электроннолучевого испарения?

11. Преимущества и недостатки размерной электроннолучевой обработки.