Электронно-лучевая размерая обработка (элро)

Электронно-лучевыми методами обработки материалов (резки, прошивания, сварки и др.) называются методы, в которых для технологических целей используется тепловая энергия, выделяющаяся при столкновении быстродвижущихся электронов с обрабатываемым материалом.

Повышая скорость движения электронов и их кинетическую энергию, а также увеличивая число электронов в пучке (т.е. увеличивая плотность пучка), можно создать чрезвычайно высокую концентрация тепловой энергии в зоне торможения электронного пучка.

Размерная обработка материалов электронным лучом осуществляется при плотности тепловой энергии выше 10⁶-10⁹ Вт/см² . Материал при такой плотности вскипает и испаряется, образуя на детали углубление (отверстие), а при перемещении луча - сквозной или глухой паз. В зоне обработки температура может достигать 6000 °С, а на расстоянии всего лишь 1 мкм от последней - 280-300 °С - отсюда высокая локализация процесса.

ЭДРО имеет ряд существенных достоинств, обусловливающих целесообразность её практического применения, а именно; возможность широкой регулировки режимов и тонкого управления тепловыми процессами; пригодность для обработки металлических и неметаллических материалов; повышенная чистота среды при обработке; высокий КПД (до 98%); возможность автоматизации процесса. Недостатки процесса: необходимость защиты от рентгеновского излучения, возникающего при работе на напряжениях свыше 20 кВ; относительно высокая стоимость и сложность оборудования; необходимость высокого вакуума; трудность непосредственного наблюдения за процессом.

Для осуществления процесса обработки электронным лучом требуется применение специальных устройств, которые называются электронно-лучевыми (ЭЛ) пушками, излучающих в достаточном количестве и о требуемой скоростью свободные электроны.

Схема ЭЛ пушки для размерной обработки представлена на рис. 6.1.

Основным элементом пупки является нагреваемый катод II, испускающий электроны, которые формируются полем прикатодного фокусирующего электрода 10, а затем ускоряются под действием разности потенциалов (ускоряющего напряжения) между катодом и анодом 9, после чего электронный луч фокусируется с помощью системы 2 и направляется на обрабатываемое изделие.

Для получения луча малого диаметра (от единиц до сотен мкм) применяют V -образный или шпилечный катод (II) (см. рис. 6.1 б). Прикатодный фокусирующий электрод (цилиндр Венельта) (10) на который подается отрицательное напряжение смещения относительно катода, фокусирует электроны в пучок, создавая на некотором расстоянии от катода участок с минимальным радиусом r_s , который играет роль фиктивного катода, определяющего величину минимально возможного сечения луча на изделии.

Ускоренные и сфокусированные электроны проходят сквозь отверстия в аноде (9) и движутся далее с постоянной скоростью.

Рис. 6.1. Схема электронно-лучевой пушки для размерной обработки (а) , излучателя электронов (б) и профиль отверстия, полученного при обработке (в) :

1- излучатель электронов, 2- фокусирующая система, 3- стол с деталью, 4- микроскоп, 5- длиннофокусная магнитная линза, 6- корректирующие катушки, 7- диафрагмы, 8- короткофокусная магнитная линза, 9- анод, 10- фокусирующий электрод, 11- катод, 12- отклоняющая линза, 13- рабочая камера.

Короткофокусная магнитная линза (8) ( F= 2-3 мм) устанавливается ниже анода и может уменьшить электронный луч до 0,5 мкм. Однако наименьшее сечение пятна лежит близко к центру линзы и использовать его для технологических целей очень трудно. Поэтому устанавливается вторая - длиннофокусная линза (5) ( F=30-180 мм), которая переносит луч на деталь без изменения его поперечного сечения и одновременно увеличивает расстояние между линзой и плоскостью рабочего стола (до 160 мм), что позволяет обрабатывать дно крупногабаритных деталей и расположить контрольные приборы или устройства для развертки электронного луча в пространстве между линзой и деталью.

Установленные на пути электронного луча диафрагмы (7) пропускают только центральную часть, обрезая краевые рассеянные электроны. Стигматор (корректирующие катушки) (б) позволяют исправлять поперечное сечение луча до правильного круга в тех случаях, когда возникает искажение формы из-за дефектов изготовления полюсных наконечников магнитных линз. Отклоняющая система (Т2) позволяет перемещать луч во взаимно перпендикулярных направлениях и получать любое положение его на плоскости, а также плавно перемещать с заданной скоростью на площади 10 х 10 мм» При необходимости большего смещения луча, нарушающего остроту фокусировки, применяют устройства типа координатных или поворотных столов.

Так как электроны пучка в рабочей камере (13) должны доходить до детали без потерь энергии и без рассеяния луча, то необходимо во все время технологического процесса поддерживать в камере давление не более 1,3(10^-2-10^-3) Па, что достигается применением диффузионных насосов в сочетании с механическими.

Основные энергетические параметры электронного луча следующие.

1. Электроны в электрическом поле приобретают энергию:

(6.1) W_e=mV²/2=eU ,

где m и e - масса и заряд электрона, V- скорость электронов, U- пройденная электроном разность потенциалов.

2. Скорость электронов при попадании на обрабатываемую поверхность:

(6.2) V=(2eU_п/m)^1/2 ,

где U_п - разность потенциалов между катодом излучателя и обрабатываемой поверхностью. Энергия электронов, покидающих излучатель составляет 100 кэВ, а их скорость 10⁶-10⁷ м/с и выше.

3. Мощность электронного луча

(6.3) q= I_лU_п ,

где I_л - ток в луче.

4. Удельная мощность в луче

(6.4)

где d_л - диаметр луча на обрабатываемой поверхности.

Сфокусированный поток электронов, падая на поверхность материала, осуществляет разогрев вещества в зоне ограниченной диаметром луча и глубиной пробега электронов . Максимальная глубина - обычно определяется по Формуле Шонланда:

(6.5)

где - плотность материала.

При размерной обработке наиболее целесообразным является импульсный режим воздействия луча на материал. Время паузы режима выбирается из расчета того, чтобы продукты выброса успевали эвакуироваться из зоны обработки и луч не рассеивался на стенки образованного канала» Применение такого режима позволяет в образцах из коррозионностойкой стали ползать отверстия глубиной до 60 мм и диаметром до 2 мм.

Длительность импульса выбирают из условия:

(6.6)

где L _исп - удельная энергия взрывного вскипания данного материала, численно равная удельной теплоте испарения.

Оптимальные значения скважности (G) импульсного режима находятся

в пределах

где а- коэффициент температуропроводности металла.

На практике используют длительности импульсов от 1 мкс до 0,01 с при частоте повторения от единиц до 10⁴ Гц. Обычно для ЭЛРО применяют установки с анодным напряжением 80-150 кВ при токе в луче в пределах 0,3-20 мА и диаметре луча 0,5-500 мкм.

Наибольшее распространение имеет ЭЛРО тонких материалов, глубина обработки которых не превышает 0,5-1,0 мм для металлов и 2-5 мм для диэлектриков. Следует отметить, что процесс обработки диэлектриков существенно отличается от обработки металлов. Одной из причин этого является возникновение на поверхности изделия отрицательного заряда, снижающего энергию электронов пучка, вызывающего расфокусировку и искажение формы, а также увеличение диаметра пучка. В результате на диэлектрике разогревается участок много больший по диаметру, чем в случав облучения металла.

Кроме этого низкая теплопроводность диэлектриков и высокие удельные мощности в луче приводят к образованию высоких температурных перепадов, которые вызывают значительные остаточные термические напряжения, приводящие к растрескиванию изделий. Для устранения растрескивания обработку диэлектриков производят с предварительным или сопутствующим подогревом заготовок, а также с последующим отжигом их для полного снятия напряжений.

Размерная обработка электронным лучом применяется для получения отверстий фигурной или цилиндрической формы малых диаметров (2-500 мкм), тонких пазов, щелей, прорезей размерами от нескольких десятков микрометров в материалах малой толщины (пленки, фольги), а также для разрезки материалов (полупроводников, ферритов, сверхчистых материалов и др.), особенно когда к поверхностям реза предъявляются особые требования.

Профиль отверстия, полученного ЭЛРО, представлен на рис.6.1 в. При небольших глубинах (Н) обработки диаметр отверстия ( d ) на 10 % больше диаметра электронного пучка d_л , а при H/d >= 100 диаметр луча должен быть в два - четыре раза меньше отверстия. В настоящее время промышленность не выпускает установок, способных обеспечить постоянный минимальный диаметр луча на большом его отрезке. Поэтому, как правило, обработка отверстия ведется с изменением фокусного расстояния магнитной линзы по мере углубления отверстия.

Точность ЭЛРО находится в пределах 8-11 квалитета, а шероховатость получаемой поверхности составляет R_z=20-3 мкм и зависит от диаметра пучка, длительности импульсов, мощности пучка и теплофизических свойств обрабатываемого материала. Прошитые отверстия имеют конусность, величина которой зависит от расположения фокуса луча относительно поверхности заготовки и составляет 1-5^о. (рис. 6.1в).

В промышленности ЭЛРО применяется для изготовления деталей с числом отверстий от нескольких тысяч до нескольких миллионов, для получения отдельных отверстий в кварцевых пластинах, для обработки микроминиатюрных электронных схем, резки ферритов для «памяти» ЭВМ и т.д.

Для выполнения вышеперечисленных операций наибольшее применение получила электронно-лучевая установка ЭЛУРО, на которой также можно осуществлять разметку, локальное легирование, прецизионную пайку, сварку и другие операции. Столь универсальное применение она имеет благодаря возможности регулирования в широких пределах общей и цельной мощности. В процессе обработки может быть использовано программное устройство для управления перемещениями деталей и электронного .пуча. В последние годы созданы установки, в которых программное управление перемещениями осуществляется от ЭВМ.