Электронно-лучевая обработка

ЭЛО основана на превращении кинетической энергии направленного пучка электронов, движущихся с большой скоростью, в тепловую. Высокая плотность сфокусированного электронного луча позволяет обрабатывать заготовки за счет нагрева, расплавления и испарения материала с локального участка.

ЭЛО перспективна при обработке отверстий диаметром 1 – 10мкм, прорезании пазов, резке заготовок, изготовлении тонких пленок и сеток из фольги. Этим методом обрабатывают заготовки из труднообрабатываемых металлов и сплавов, а также из неметаллических материалов: кварца, рубина, керамики.

ЭЛО имеет следующие преимущества перед другими методами: создание локальной концентрации высокой энергии, широкое регулирование и управление тепловыми процессами, вакуумная среда позволяет обрабатывать заготовки из легкоокисляющихся активных материалов (алюминий, титан, свинец).

Формирование электронного луча высокой энергии состоит из следующих основных стадий:

1. Получение свободных электронов.

Существует два основных способа получения свободных электронов:

1) Термоэлектронная эмиссия – если сообщить атому избыточную энергию, то электрон, поглощая ее. Переходит на более удаленные от ядра орбиты и, в конце концов, может потерять связь с ядром. Это происходит при нагреве некоторых материалов до высокой температуры, они начинают испускать со своей поверхности электроны. Такими материалами являются вольфрам, тантал, гексаборид лантана LaB₆.

Устройство для получения электронного луча и управления им называется электронной пушкой.

Рис. Функциональная схема электронной пушки.

1 - термоэмиссионный катод, является источником электронов, выполняется из выше перчисленных материалов. Рабочая температура катода из вольфрама Т=2400 – 2700К и для катода из LaB₆ Т=1600 – 2000К;

2 - анод – это массивная пластина с отверстием. Между катодом и анодом прикладывается ускоряющее напряжение 30 – 150кВ. электроны ускоряются, и большая часть их проходит через отверстие в аноде, а дальше они движутся по инерции, поэтому необходима их фокусировка. Для этого используется магнитная линза

3 – соленоид с магнитопроводом, создает магнитное поле, которое, взаимодействуя с движущимся электроном, смещает его траекторию в направлении оси системы;

4 – отклоняющая система, служит для перемещения электронного луча по обрабатываемой поверхности (обычно это осуществляется взаимодействием с поперечным магнитным полем);

5 – рабочая камера;

6 – обрабатываемая заготовка;

7 – система насосов для создания вакуума.

При большой длине зоны обработки заготовка перемещается при помощи специальных механизмов, а для малой площади обработки (менее 10х10мм) достаточно перемещения луча по неподвижной заготовке.

Температура катода, приведенная выше, необходима для получения оптимальных плотностей тока на катоде (0,1 – 0,5)10^-4А/м²

2) Применение плазменных катодов – в газовой дуге получают плазму и выделяют из нее электроны.

2. Ускорение электронов

Самый распространенный способ ускорения электронов – это ускорение электрическим полем. На электрон в поле действует электростатическая сила

,

где – e = 1,602·10^-19Кл – заряд электрона,

Е – напряженность электрического поля.

Приобретенная электроном энергия вследствие действия на него силы F

,

где U – разность потенциалов.

Приращение энергии выражается в виде увеличения скорости

Принимая V₀ = 0 получаем

, так как m_e = 9,109·10^-31кг.

При U = 1В V = 593км/с

В электронных пушках U = 2·10⁵В

При плавлении и сварке U = 15 – 30кВ

При сварке U = 50 – 80кВ

При прецизионной обработке и микросварке U = 100 – 200кВ

3. Фокусировка луча электростатическим и электромагнитным полями

На практике для фокусировки луча чаще используется магнитное поле. В магнитном поле на движущийся электрон действует сила

,

где В – магнитная индукция, [Тл],

V – скорость движения электрона,

α – угол между вектором скорости движения электрона (траектория движения электрона – это спираль, витки которой перпендикулярны силовым линиям поля) и магнитной силовой линией поля. Фокусировка осуществляется с помощью отклоняющей системы.

4. Вакуум

Электронный луч можно получить только в вакууме, так как из-за столкновений с молекулами и атомами атмосферных газов электроны отдают им свою энергию и луч рассеивается.

В воздухе длина свободного пробега электрона при Р=10⁵Па λ=3,5∙10^-7м, а при Р=10^-2Па λ=2,66м. Таким образом, допустимое максимальное значение давления 10^-2Па. На практике это значение стараются довести до 10^-3Па - 10^-5Па для исключения пробоя промежутка между анодом и катодом.

5. Взаимодействие электронного луча с веществом.

Кинетическая энергия движения электронов при взаимодействии с поверхностью заготовки превращается в другие виды энергии:

1) В тепло, благодаря высокой интенсивности ввода энергии в вещество при ЭЛО на обрабатываемой поверхности развиваются такие высокие температуры, что они могут превышать точку кипения самых тугоплавких материалов (до 15800К). Съем металла происходит за счет его испарения и взрывного вскипания.

2) Тормозное рентгеновское излучение, которое испускается атомами вещества при электронной бомбардировке.

3) Вторичная электронная эмиссия с обрабатываемой поверхности (около 1% мощности электронного луча).

4) Отражение части электронов, чем больше атомный номер элемента, тем сильнее отражение. Доля отраженных электронов может достигать 40%.