Установки и процессы высокоинтенсивного нагрева

Одним из современных способов решения задачи высокоинтенсивного нагрева является применение установок электронно-лучевого нагрева (ЭЛУ).Электронно-лучевой нагрев применяется для обработки тугоплавких и химически активных металлов, сварки, испарения металлов и оксидов, выращивания монокристаллов, металлизации и напыления и т. д.

С технологической точки зрения основными преимуществами электронно - лучевого нагрева следует считать:

а) возможность в широких пределах плавно изменять удельную энергию в зоне нагрева;

б) большую удельную мощность (от десятков ватт до нескольких мегаватт на метр квадратный);

в) возможность управления пространственным положением луча с помощью магнитной системы;

г) возможность использования вакуума как рабочей среды;

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

К недостаткам этого вида нагрева следует отнести необходимость обеспечения высокого вакуума, а также сложность изготовления, эксплуатации и высокую стоимость электронно-лучевого оборудования.

В нагревательных установках с использованием электронного луча последний представляет собой направленный поток электронов, переносящий энергию от излучателя электронов к изделию. Ускоренные электрическим полем электроны передают кинетическую энергию веществу обрабатываемого объекта.В основу установок положены следующие физические основы.

Излучаемые подогретым катодом электроны ускоряются в электрическом поле и формируются электрическими и магнитными полями в электронный луч. Мощность электронного луча где – ускоряющее напряжение, В; – ток луча, А.

Сформированный пучок проходит через рабочую камеру и попадает на поверхность обрабатываемого объекта. Удельная мощность в пятне луча, соответственно, составляет , где –радиус луча на обрабатываемой поверхности.

Глубина проникновения электронов (м) с энергией 5÷100 эВ, что имеет место в электронно - лучевых установках (ЭЛУ), может быть определена по формуле Шонланда: , где –плотность вещества мишени, . Следовательно, в ЭЛУ глубина проникновения электронов и протяженность зоны интенсивного выделения тепловой энергии составляет около м, и для твердых тел нагрев является чисто поверхностным.Основные технологические операции электронно-лучевой обработки можно условно подразделить на четыре группы: плавка (технологические операции плавки в вакууме, локального переплава); испарение (испарение в вакууме, размерная обработка электронным лучом); термообработка (без изменения агрегатного состояния вещества); сварка.

Для питания ЭЛУ используются высоковольтные источники питания постоянного тока. Они состоят из повышающих трансформаторов и высоковольтных выпрямителей, собираемых на тиратронах, селеновых элементах или кремниевых диодах. На крупных установках для стабилизации тока пучка применяются параметрические источники тока.

Энергетический комплекс ЭЛУ включает в себя электронную пушку с блоками питания и управления лучом. В состав электромеханического комплекса входят рабочая камера, вакуумная система, системы позиционирования и перемещения заготовки, система наблюдения за ходом процесса, система защиты оператора от рентгеновского излучения и ряд вспомогательных устройств и механизмов.

К установкам высокоинтенсивного нагрева относятся и установки светолучевой обработки, частности, оптические квантовые генераторы (ОКГ), работающие на принципе индуцированного излучения.Любой ОКГ независимо от конструктивного выполнения содержит следующие основные элементы:

1) рабочее тело, состоящее из атомов или молекул, для которых может быть создана инверсия заселенностей;

2) систему, позволяющую осуществлять инверсию (ее обычно называют системой накачки);

3) оптический резонатор;

4) устройство для вывода энергии из резонатора;

5) систему управления концентрацией энергии и пространственным положением полученного пучка света;

6) различные специальные системы, связанные с конкретным применением ОКГ.

Существующие ОКГ по роду материалов, используемым для получения индуцированного излучения, подразделяют на четыре основных типа: твердотельные с оптическим возбуждением, полупроводниковые (инжекционные), жидкостные, газовые.

Технологические генераторы когерентного светового излучения (в основном газовые и твердотельные) имеют мощность непрерывного излучения до нескольких сотен киловатт и энергию отдельного импульса до нескольких сотен джоулей. Хотя они имеют большие габаритные размеры, потребляют значительную мощность, сложны в изготовлении и эксплуатации, однако их использование дает ряд технологических преимуществ, определяющих их широкое применение:

1) возможность передачи энергии в виде светового луча на расстоянии в любой оптически прозрачной среде;

2) отсутствие механического и электрического контакта между источником энергии с изделием в месте обработки;

3) наличие высокой концентрации энергии в пятне нагрева;

4) возможность плавной регулировки плотности лучистого потока в пятне нагрева изменением фокусировки луча;

5) возможность получения как импульсов энергии весьма малой длительности (до с), так и непрерывного излучения перемещением луча с высокой точностью и скоростью с помощью систем развертки при неподвижном объекте обработки.

Вопросы длясамопроверки

1. Назовите области технологического применения установок высокоинтенсивного нагрева.

2. Что такое энергетический комплекс ЭЛУ?

3. Конструктивные особенности источников питания ЭЛУ.

4. Приведите классификацию оптических квантовых генераторов и поясните их принцип работы.