Сварка электронным лучом. Электронные пучки

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) основана на использовании для нагрева энергии электронного луча.

Сущность данного процесса состоит в использовании кинетической энергии электронов, движущихся в высоком вакууме с большой скоростью. При бомбардировке электронами поверхности металла подавляющая часть кинетической энергии электронов превращается в теплоту, которая используется для расплавления металла.

Для сварки необходимо получить свободные электроны, сконцентрировать их и сообщить им большую скорость с целью увеличения их энергии, которая должна превратиться в теплоту при торможении в свариваемом металле. Получение свободных электронов достигается применением раскаленного металлического катода, эмитирующего (испускающего) электроны. Ускорение электронов обеспечивается электрическим полем с высокой разностью потенциалов между катодом и анодом. Фокусировка - концентрация электронов - достигается использованием кольцевых магнитных полей. Резкое торможение электронного потока происходит автоматически при внедрении электронов в металл. Электронный луч, используемый для сварки, создается в специальном приборе - электронной пушке.

Электронная пушка представляет собой устройство, с помощью которого получают узкие электронные пучки с большой плотностью энергии (см. рис.2).

Рис. 2. Схема устройства электронно-лучевой пушки.

(1), Пушка имеет катод (1), который размещен внутри прикатодного электрода (2). На некотором удалении от катода находится ускоряющий электрод - анод (3) с отверстием.

Прикатодный и ускоряющий электроды имеют форму, обеспечивающую такое строение электрического поля между ними, которое фокусирует электроны в пучок с диаметром, равным диаметру отверстия в аноде. Положительный потенциал ускоряющего электрода может достигать нескольких десятков тысяч вольт, поэтому электроды, эмитированные катодом, на пути к аноду приобретают значительную скорость и, соответственно, кинетическую энергию. После ускоряющего электрода электроны движутся равномерно. Питание пушки электрической энергией осуществляется от высоковольтного источника постоянного тока. Электроны имеют одинаковый заряд, поэтому они отталкиваются друг от друга, вследствие чего диаметр пучка увеличивается, а плотность энергии в пучке уменьшается.

Для увеличения плотности энергии в луче после выхода электродов из анода электроны фокусируются магнитным полем в специальной магнитной линзе (4). Сфокусированные в плотный пучок летящие электроны ударяются с большой скоростью о поверхность изделия (6), при этом кинетическая энергия электронов, вследствие торможения в веществе, превращается в теплоту, нагревая металл до высоких температур.

Для перемещения луча по свариваемому изделию на пути электронов помещают магнитную отклоняющую систему (5), позволяющую направлять электронный луч точно по сварочному стыку.

Для обеспечения беспрепятственного движения электронов от катода к аноду и далее к изделию, для тепловой и химической изоляции катода, а также для предотвращения возможности дугового разряда между электродами в установке создается высокий вакуум не ниже 1,3 . 10~ 2 Па (1 . 10 -4 мм рт. ст.), обеспечиваемый вакуумной системой установки.

Работа, затраченная электрическим полем на перемещение заряда из одной точки в другую, равна произведению величины заряда на разность потенциалов между этими двумя точками. Эта работа затрачивается на сообщение электрону кинетической энергии.

Таким образом энергия электронов может достигать больших значений и зависит от разности потенциалов разгоняющего поля; в настоящее время эксплуатируются электронно-лучевые установки с ускоряющим напряжением в электронно-лучевой пушке до 200 кВ.

Физическая картина внешних явлений, сопровождающих действие электронов на металл, состоит из рентгеновского излучения, теплоизлучеия, возникновения отраженных, вторичных электронов, испарения металла в виде атомов и ионов металла. Схема данных явлений изображена на рис.3.

Вторичные электроны делятся на три группы: упруго отраженные электроны, энергия которых примерно равна падающим; электроны, отраженные в результате неупругого соударения и имеющие более или менее большие потери; собственно вторичные электроны, энергия которых не превышает 50 эВ.

Рис.3 Фйзическая картина явлений, сопровождающих проникновение электронов в веществе:

1 - атомы металла,

3 - пучок электронов,

4 -рентгеновское излучение,

5 - отраженные и вторичные электроны,

6 - тепловое и световое излучение

Характерные значения параметров сварочных электронных лучей:

Минимальный радиус пучков 0,1... 1 мм;

Рис.4. Типичная форма сварного шва при ЭЛС

Энергия 10...200 кэВ;

Мощность - до 120 кВт.

Плотность энергии в источнике нагрева является одной из основных характеристик источника и определяет его эффективный коэффициент использования тепла, форму провара, размеры зоны термического влияния, сварочные деформации и поводки. Электронный луч - наиболее эффективный источник нагрева металла при сварке, поскольку плотность энергии в луче превышает плотность энергии электрической сварочной дуги более чем на три порядка.

Ниже приведены сравнительные данные по максимальной плотности энергии (Рmах) и минимальной площади пятна нагрева (Smіn) для различных видов сварки:

Вид сварки Smіn, ММ 2 Рmах, кВт/ММ 2

Газовая 1 0,5

Электродуговая 0,1 1,0

ЭЛС и лазерная 10" 5 5-10 3

При сварке электронным пучком формируется узкий и глубокий шов. Глубина проплавления достигает 200...400 мм, а отношение глубины проплавления к средней ширине шва составляет 20..30 (см. рис.4).

Столь глубокое проникновение электронов в металл объясняется образованием канала в сварочной ванне практически на всю ее глубину. Основным фактором, вызывающим образование канала в жидком металле, является давление отдачи пара при испарении. В связи с этим канал в сварочной ванне часто называют пародинамическим.

Технологические возможности и преимущества электронно-лучевой сварки состоят в следующем:

*При ЭЛС возможно соединение за один проход металлов и сплавов толщиной в наиболее широком среди других методов сварки диапазоне - от 0,1 до 400 мм.

*Благодаря высокой концентрации энергии в луче, минимальному вводу тепла и высокой скорости охлаждения, зона термического влияния при ЭЛС имеет существенно меньшую протяженность, а снижение свойств в ней относительно небольшое. Особое значение это имеет для аустенитной стали, сплавов циркония, молибдена и других металлов, склонных при нагреве к значительному росту зерна и снижению коррозионной стойкости.

*Глубокое проплавление металла при малой погонной энёргии, имеющее место при ЭЛС, обусловливает значительно большую скорость отвода тепла от зоны сварки, что обеспечивает увеличение скорости кристаллизации малой по объему сварочной ванны с получением мелкокристаллического строения металла шва, по своим свойствам мало отличающегося от основного металла.

*Ввод значительно меньшего количества тепла при ЭЛС, особенно на импульсном режиме, по сравнению с дуговой сваркой дает возможность во много раз уменьшить деформации изделий.

*Большая концентрация энергии в малом поперечном сечении луча и возможность переноса энергии лучом на значительное расстояние от катода дают возможность использовать электронный луч при сварке в узкую щель, когда методы дуговой сварки не могут быть использованы.

*При ЭЛС рабочее расстояние "электронная пушка -изделие" можно изменять в значительных пределах без существенного изменения параметров шва. Рабочее расстояние выбирается в пределах 50-120 мм для низковольт-ных пушек и 50-500 мм - для высоковольтных. При этом изменение рабочего расстояния в процессе сварки на 1...5 мм не оказывает существенного влияния на качество соединения.

*Эффективная защита металла от взаимодействия с газами в процессе сварки, осуществляемой в высоком вакууме.

*Отклонение потока электронов в магнитном поле осуществляется практически безынерционно, что дает возможность перемещать электронный луч по сложным контурам по программе с использованием электронно-вычислительной техники.

*Существенное в 8...10 раз - снижение энергетических затрат по сравнению с другими дуговыми методами.

*ЭЛС является наиболее рационалъным методом соединения:

Иделий из тугоплавких металлов;

Изделий из термически упрочненных металлов, когда нежелательна, затруднена или невозможна последующая термообработка;

Изделий после окончательной механической обработки при необходимости обеспечения минимальных сварочных деформаций;

Конструкций больших толщин ответственного назначения.

Недостатки метода ЭЛС:

*Сложность и высокая стоимость оборудования.

*Необходимость наличия вакуумных камер, что ограничивает размеры свариваемых изделий.

*Вредное рентгеновское излучение в процессе ЭЛС.

*Необходимость высококвалифицированного персонала.

Параметрами режима ЭЛС являются сила тока, ускоряющее напряжение, скорость сварки, ток фокусировки. Проплавляющая способность электронного луча определяется, в основном, величиной ускоряющего напряжения и, в меньшей мере, величиной тока электронного луча. Ток в фокусирующей магнитной лизе влияет на размеры пятна нагрева и, следовательно, на величину удельной тепловой энергий. Изменяя ток фокусировки, можно изменить ширину ванны и глубину проплавления.

К числу наиболее важных технологических параметров относятся также тип и геометрия стыкового соединения и пространственное положение сварного шва и электронного пучка. Для однопроходной ЭЛС применяются типы соединений, в основном, характерные для сварки плавлением. Отличительными типами соединений являются соединени:

Под сварку проникающим электронным пучком (см. рис.5.1),

Под сварку в углублении и труднодоступных местах (см. рис.5.2),

Под сварку тавров через полку (см. рис.5.3).

Отбортовка кромок (см. рис.5.4) применяется обычно в изделиях радиотехники и приборостроения.

Соединения под сварку проникающим пучком допускаются для тонколистовых металлов в нижнем положении и для металлов малых и средних толщин в горизонталъном положении.

Рис.5 Некоторые типы сварных соединений при ЭЛС.

При ЭЛС обычно применяются следующие технологические схемы:

Сварка в нижнем положении (вертикальным электронным пучком) выполняется как без подкладки, так и на подкладке (см. рис.6.1);

Сварка на подъем и на боку (рис.6.2 и 6.3) выполняется горизонтальным электронным пучком без подкладки, а для предотвращения вытекания жидкого металла из сварочной ванны иногда устанавливается ограничительная планка вдоль нижней кромки стыка (рис.6.3);

Сварка в потолочном положении (рис.6.4) выполняется на металлах относительно небольшой толщины (как правило до 20 мм) и применяется редко.

Рис.6. Общие технологические схемы ЭЛС

Особенности подготовки как стыкуемых поверхностей деталей, так и самих деталей обусловлены, в основном, наличием вакуума при сварке и спецификой источника теплоты - узкого потока электронов.

Для обеспечения высокого качества сварного шва очистке от средств консервации, загрязнений, ржавчины и оксидных пленок подвергаются в обязательном порядке стыкуемые поверхности, внешние и внутренние. Предварительная очистка выполняется механически, а окончательная - в зависимости от свариваемого металла и степени шероховатости очищаемой поверхности различными физико-химическими способами. В некоторых случаях непосредственно перед сваркой внешняя поверхность свариваемых деталей в области стыка и стыкуемые поверхности (насколько возможно через зазор в стыке) очищаются с помощью маломощного сканирующего электронного пучка. При этом пучок должен незначительно оплавлять очищаемую поверхность, не заплавляя зазор в стыке. Для очистки выполняются 1-2 прохода.

Для однопроходной ЭЛС не требуегся разделки кромок. В то же время имеются определенные требования к ширине зазора в стыке: ширина зазора должна быть меньше средних поперечных размеров электронного пучка. В зависимости от типа материала, его толщины, типа стыка, пространственного положения стыка и электронного пучка, типа электронной пушки оптимальная величина зазора будет различной. Из многочисленных экспериментальных данных известно, что при ЭЛС без присадки металлов толщиной 20...30 мм зазор, как правило, составляет 0,1...0,2 мм, а толщиной свыше 30 мм - порядка 0,3 мм. Чем хуже свариваемость металла и выше требования к допустимой деформации, тем более высокие требования предъявляются к точности выдерживания требуемого зазора. Разделка же кромок соединяемых деталей применяется лишь в необходимых случаях для улучшения формирования шва и для обеспечения надежной работоспо-собности систем автоматического слежения за стыком. Например, для предотвращения или уменынения усиления или уширения верхней части шва применяют «V» или «U»-образные разделки кромок. В нижней части стыка иногда выполняют П- или Л - образные разделки для исключения обратного валика шва.

Некоторые специальные технологические приемы, используемые для обеспечения ЭЛС:

*Полное проплавление свариваемого стыка. Это наиболее надежный и простой способ, позволяющий исключить корневые дефекты, свести к минимуму угловые деформации, уменьшить вероятность образования пор и раковин благодаря улучшению условий дегазации металла сварочной ваниы.

*Развертка электронного луча. Широко используются следующие развертки пучка: продольная, поперечная, X-образная, по окружности, эллипсу, дуге. Благодаря развертке при сварке металлов болыпих толщин удается резко расширить диаметр и повысить устойчивость канала в сварочной ванне, что благоприятно сказывается на стабильности формирования швов:

Уменьшается разбрызгивание расплавленного металла,

Предотвращается вытекание расплава из ванны при сварке горизонтальным пучком,

Уменьшается склонность к образованию трещин, корневых дефектов и протяженных полостей.

Без применения развертки практически невозможно избежать корневых не-проваров при сварке металлов больших толщин, так как весьма сложным оказывается точно направитъ узкий луч по глубокому стыку при большой протяженности шва.

*Сварка наклонным электронным пучком. Для сварки металлов большой толщины рекомендуется постоянное отклонение электронного пучка на 5...7° в направлении его перемещения по изделию. Этот прием позволяет уменынить количество пор и несплошностей.

*Модуляция тока электронного пучка. Импульсная модуляция тока электронного пучка применяется для уменьшения тепловложения и снижения вероятности образования трещин при сварке тонколистовых (до 1 мм) металлов. Частота импульсов и скорость сварки выбираются так, чтобы отдельные проплавленные участки перекрывали друг друга.

*Сварка с присадкой. Этот прием используется достаточно широко для исправления дефектов шва при больших зазорах в стыке, а также для легирования металла шва. В качестве присадки может применяться проволока, лента, гранулы, а также проставка из листового металла (помещается в стык).

*Двусторонняя сварка. Сущность приема заключается в последовательной или одновременной сварке двух противоположных сторон стыка с глубиной проплавления около половины толщины стыка. Этот прием применяют для обеспечения возможности сварки изделий более толстостенных, чем позволяет имеющаяся аппаратура, а также для избежания дефектов шва, вероятность появления которых возрастает с увеличением глубины проплавления.

*Сварка начала и окончания продольного шва на выводных планках. Этот прием используют вследствие затруднения получения нормального качества в этих участках шва, так как при быстром нарастании и спаде мощности электронного пучка образуются соответственно аномально большое усиление шва и "кратер".

Установки для ЭЛС по степени защиты сварочной ванны от воздействий атмосферных газов делятся на три класса: для сварки в высоком и промежуточном вакууме, а также для вневакуумной сварки.

Установки для сварки в высоком вакууме обеспечивают практически полную защиту металла шва, большие рабочие расстояни и остросфоку сированные электронные пучки. Такие установки используются для микросварки и размерной обработки в радиоэлектронике, приборостроении, точной механике, а также для сварки изделий малых, средних и крупных габаритов в ядерной энергетике, авиастроении и ракетной технике.

Установки для сварки в промежуточном вакууме - приблизительно13,3...1Па (10 -1 ...10 -2 мм рт. ст.) - отличаются от предыдущих упрощенной откачной системой сварочной камеры и меньшим временем ее откачки до рабочего давления. Качество сварных соединений конструкционных сталей, алюминия, меди при этом вполне удовлетворительное.

Установки с выводом пучка в атмосферу не имеют сварочной камеры. Электронный пучок через лучепровод сварочной пушки с мощной ступенчатой откачной системой выводится в атмосферу или защитную газовую среду, где и производится сварка. Установки этого класса отлича-ются рассеянием электронного пучка в газовой среде и, как результат - малым рабочим расстоянием. Для установок с выводом пучка в атмосферу применяются только высоковольтные (175... 200 кВ) энергетические комплексы.

По габаритам сварочной камеры подразделяют установки

ЭЛС для :

Микросварки и размерной обработки;

Сварки малогабаритных изделий;

Сварки изделий средних размеров (универсальные и специализированные);

Сварки крупногабаритных изделий.

Установки для ЭЛС любого типа состоят из двух основных комплексов: энергетического и электромеханического. Отдельно следует выделить узлы, получившие название сварочных блоков. В их состав кроме сварочной пушки входят устройства для ее ориентации относительно свариваемого стыка, механизм подачи присадочного материала, устройства наблюдения и освещения и, при необходимости, вакуумные насосы для дифференциальной откачки из области эмиссионной системы сварочной пушки.

К энергетическому комплексу относится аппаратура для формирования пучка электронов с заданными параметрами, управления его мощностью и положением относительно свариваемого стыка.

Электронный луч

Electron Beam

Электронный луч

Пучок электронов, движущийся в одном направлении с одинаковой скоростью.

Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М. . В.В.Арсланов . 2009 .

Смотреть что такое "электронный луч" в других словарях:

электронный луч - Поток движущихся по близким траекториям электронов, размер поперечного сечения которого мал по сравнению с протяженностью в направлении потока. [ГОСТ 17791 82] электронный луч Совокупность электронов, движущихся по одной траектории. [ …

Электронный луч - 6. Электронный луч Совокупность электронов, движущихся по одной траектории Источник: ГОСТ 21006 75: Микроскопы электронные. Термины, определения и буквенные обозначения … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

развёртывающий электронный луч - elektroninis skleidimo pluoštas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. scanning electron beam vok. Elektronenabtaststrahl, m rus. развёртывающий электронный луч, m pranc. faisceau électronique balayeur, m …

релятивистский электронный луч - reliatyvistinis elektronų pluoštas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. relativistic electron beam vok. relativistischer Elektronenstrahl, m rus. релятивистский электронный луч, m pranc. faisceau électronique relativiste, m … Radioelektronikos terminų žodynas

коэффициент связи через электронный луч - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN beam coupling factor … Справочник технического переводчика

ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП - ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП, МИКРОСКОП, который «освещает» изучаемый объект потоком электронов. Вместо обычных линз в нем имеются магниты, фокусирующие электронный пучок. Это устройство позволяет разглядеть предметы очень малых размеров, потому что… … Научно-технический энциклопедический словарь

Луч электронный - Электронный луч группа ускоренных электронов, движущихся приблизительно в одном направлении... Источник: ГОСТ Р 50014.7 92 (МЭК 519 7 83). Государственный стандарт Российской Федерации. Безопасность электротермического оборудования. Часть 7.… … Официальная терминология

Луч - Содержание 1 Наука 2 Предприятия 3 Спортивные клубы … Википедия

ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП - вакуумный электронно оптич. прибор для наблюдения и фотографирования многократно увеличенного (до 106 раз) изображения объектов, полученного с помощью пучка электронов, ускоренных до больших энергий (30 100 кэВ и более). Для фокусировки… … Большой энциклопедический политехнический словарь

электронный микроскоп - электронно оптический прибор, в котором для наблюдения и фотографирования многократно увеличенного (до 106 раз) изображения объектов используется пучок электронов, ускоренных до больших энергий в условиях глубокого вакуума. При этом используются… … Энциклопедия техники

Книги

• , Кэтрин Рипли. О чем эта книга У детей всегда есть вопросы. Много вопросов. И большинство из них начинаются с одного-единственного слова - `Почему?`. Почему мы зеваем? Почему у кошекглаза светятся в…

Развитие электронной техники позволило получать мощные электронные пучки, энергия которых достаточна для осуществле­ния различных технологических процессов. Это послужило осно­ванием для создания целой технологической отрасли, получив­шей название «электронно-лучевая технология».

В настоящее время электронно-лучевая технология сформиро­валась как самостоятельное направление в области обработки
материалов, обладающее широкими технологическими возмож­ностями в самых различных областях науки и техники.

Электронный луч как технологический инструмент позволяет осуществлять нагрев, плавку и испарение практически всех материалов, сварку и размерную обработку, нанесение покрытий и запись информации. Такая универсальность электронного луча дает возможность использовать одно и то же оборудование для различных технологических целей и совмещать в одном цикле обработки различные технологические процессы.

ФОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА

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

1. Получение свободных электронов.

2. Ускорение электронов электростатическим или электромаг­нитным полем и формирование электронного пучка.

3. Изменение поперечного сечения электронного пучка (чаще всего для его «фокусировки» на обрабатываемой поверхности).

4. Отклонение электронного луча и обеспечение требуемой траектории перемещения точки его встречи с обрабатываемой поверхностью (фокального пятна).

5. Собственно взаимодействие электронного луча с обраба­тываемой поверхностью для осуществления требуемого техноло­гического процесса.

Для формирования электронного луча и управления им при­меняется ряд специальных устройств, называемых «электрон­ными пушками». Функциональная схема такого устройства при­ведена на рис. 3.1.

Источником электронов в электронных пушках обычно служит термоэмиссионный ка­тод 1, который выполняется из вольфрама, тантала или гекса - борида лантана, обладающих высокими эмиссионными ха­рактеристиками. В зависимости от материала катода его рабо­чая температура может дости­гать 2400...2800 К - Подогрев катода чаще всего осуществ­ляется при помощи накаливае­мого электрическим током эле­мента, причем в некоторых случаях сам этот элемент мо­жет выполнять функции катода (катод прямого накала).

На некотором расстоянии от катода находится анод 2,
выполненный в виде массивной детали с отверстием по оси. Меж­ду катодом и анодом от специального высоковольтного источника питания 3 прикладывается ускоряющее напряжение (30... 150 кВ), причем анод обычно соединяется с корпусом установки, а катод­ный узел крепится на высоковольтном изоляторе. Вследствие разности потенциалов между катодом и анодом электроны уско­ряются до значительных скоростей, большая часть их проходит через отверстие в аноде и затем продолжает в заанодном прост­ранстве движение по инерции. Этот движущийся электронный поток обладает еще сравнительно невысокими удельными энер­гетическими показателями и для формирования из него электрон­ного луча с необходимыми характеристиками обычно требуется дополнительная операция - фокусирование луча.

Следует отметить, что в рабочем пространстве электронной пушки необходим вакуум, так как при большом количестве моле­кул остаточных газов они препятствуют свободному прохожде­нию электронов из-за их взаимных столкновений. Кроме того, условия работы подогревного катода также требуют защиты его от взаимодействия с атмосферными газами. Рабочий вакуум в электронной пушке должен быть не хуже 1 10_3...1 10~4 Па. При уменьшении вакуума происходит пробой между катодом и анодом электронной пушки, что может привести к выходу из строя высоковольтного выпрямителя.

Для фокусирования электронного луча в электронной пушке обычно используется система диафрагм и магнитных линз. Маг­нитная линза 4 представляет собой соленоид с магнитопроводом, создающий специальной формы магнитное поле, которое при взаимодействии с электроном изменяет его траекторию и искрив­ляет ее в направлении к оси системы. При этом можно добиться «сходимости» электронов на достаточно малой площади поверх­ности и в фокусе электронный луч может обладать весьма высокой плотностью энергии, достигающей 5-Ю6 Вт/мм2. Такая плотность энергии достаточна для осуществления целого ряда технологических процессов, причем в результате изменения фоку­сировки она может быть плавно изменена до минимальных значений.

В конструкцию электронной пушки обычно входит также «отклоняющая система» 5, служащая для перемещения электрон­ного луча по обрабатываемой поверхности. Перемещение луча осуществляется вследствие его взаимодействия с поперечным магнитным полем, создаваемым отклоняющей системой. Обычно для этой цели электронная пушка имеет две пары отклоняющих катушек, обеспечивающих перемещение луча по двум взаимно перпендикулярным направлениям. При питании отклоняющих катушек током определенной частоты и амплитуды можно полу­чить практически любую траекторию перемещения электронного луча по обрабатываемой поверхности, что широко используется в электронно-лучевой технологии.

Электронная пушка обычно выполняется в виде одного функ­ционального блока, который или неподвижно крепится к ваку­умной камере 6, или перемещается внутри камеры при помощи специальных механизмов.

Обрабатываемое изделие 7 помещают в вакуумную камеру, снабженную загрузочными крышками и иллюминаторами для наблюдения за процессами обработки. При большой протяжен­ности зоны обработки изделие обычно перемещается или вра­щается в вакуумной камере при помощи специальных механиз­мов. Для малой обрабатываемой площади (обычно менее 10Х ХЮ мм) обычно достаточно перемещения луча, а изделие может оставаться неподвижным.

ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА

Электрон как устойчивая материальная частица может быть сравнительно просто выделен различными физическими спосо­бами, что и обусловило его широкое использование в различных областях науки и техники.

Наиболее простой путь - нагрев твердых тел (чаще всего металлов), которые при этом начинают испускать термоэлек­троны.

Для сообщения электронам необходимой энергии и формиро­вания из них потока частиц, несущих определенную энергию, могут использоваться различные методы. Самый простой из них и наиболее распространенный в настоящее время - ускорение электронов электрическим полем, основанный на том, что на электрон в этом поле действует сила

TOC o "1-5" h z F = eE, (3.1)

где е - заряд электрона; Е - напряженность поля.

Если поместить электрон в поле, то при прохождении разнос­ти потенциалов U он приобретает энергию

Это приращение энергии электрона происходит вследствие увеличения кинетической энергии (скорости) его движения, в связи с чем

eU = mj^v2 - v%)/2, (3.3)

где те - масса электрона; v - конечная скорость электрона; Оо - начальная скорость электрона.

Принимая vo ~ 0, получим

eU - mev2/2, (3.4)

т. е. энергия электрона зависит от его массы и скорости его движения. В реальных условиях, когда масса электрона постоян­на, единственный путь увеличения его энергии - повышение ско­рости его движения, что и реализуется в электронной пушке.

Из формулы (3.4) можно получить выражение скорости дви­жения электрона прн прохождении разности потенциалов U:

и = л/(2е/те)и. (3.5)

Подставляя в это выражение значения заряда и массы элек­трона, можно получить расчетное соотношение напряжения и скорости электрона в виде

v = 5,93-105т/^ м/с. (3.6)

В реальных условиях значение U колеблется в пределах 15 ООО...200 ООО В, что позволяет разгонять электроны до значи­тельных скоростей.

Выбор ускоряющего напряжения при электронно-лучевой обработке в существенной мере зависит от назначения процесса. С одной стороны, чем выше это напряжение, тем большую энер­гию можно сообщить электронам и тем эффективнее будет воз­действие электронного луча на обрабатываемый материал. С другой стороны, повышение напряжения приводит к резкому повышению уровня рентгеновского излучения, сопутствующего электронно-лучевой обработке, усложнению и удорожанию обо­рудования и необходимости выполнения специальных требований техники безопасности. В связи с этим в электронно-лучевой

технологии в настоящее время применяется следующее разделе­ние электронно-лучевого оборудования по значению ускоряющего напряжения:

1. Низковольтные системы с ускоряющим напряжением

15 ООО...30 ООО В. Эти системы наиболее просты по конструкции и в эксплуатации и применяются в основном для операций, связанных с плавлением и сваркой различных материалов.

2. Системы с промежуточным ускоряющим напряжением (50 ООО...80 000 В) применяются в тех случаях, когда необходимо увеличить глубину проплавления обрабатываемого материала.

3. Высоковольтные системы с ускоряющим напряжением

100 000...200 000 В наиболее сложны в изготовлении и эксплуата­ции и применяются в тех случаях, когда необходимо проведение прецизионной размерной обработки и микросварки.

Важная положительная особенность электронного луча - возможность управления им при помощи электростатических и магнитных полей. Наибольшее распространение на практике

получили магнитные системы фокусировки и управления пере­мещением луча.

На движущийся электрон в магнитном поле действует сила

F = Bv sina, (3.7)

где В - магнитная индукция; v - скорость движения электрона; a-угол между направлением движения электрона и магнитной силовой линией поля.

Под действием этой силы электрон будет двигаться в магнит­ном поле по окружности, лежащей в плоскости, перпендикуляр­ной силовым линиям поля. Суммарная траектория движения электрона под действием магнитного поля и инерционных сил перемещения его с начальной скоростью представляет собой спираль, радиус которой зависит от начальной скорости элек­трона и напряженности магнитного поля.

Создавая при помощи специальной магнитной системы (маг­нитной лннзы) по оси электронного луча магнитное поле опреде­ленной формы, можно обеспечить сходимость траекторий элек­тронов в одной точке (фокусировку) и изменять ее в широких пределах. При этом изменяется концентрация энергии на обра­батываемом изделии, что представляет значительный интерес с технологической точки зрения.

Для перемещения электронного луча по обрабатываемой по­верхности обычно используют его взаимодействие со скрещен­ными поперечными магнитными полями, создаваемыми откло­няющей системой. Малая инерционность электронов позволяет обеспечить широкий диапазон скоростей перемещения электрон­ного луча по обрабатываемой поверхности при практически лю­бой форме траектории.

Необходимое условие существования электронного луча - создание вакуума на пути движения электронов, так как в про­тивном случае нз-за соударения с молекулами атмосферных га­зов электроны отдают им свою энергию и луч «рассеивается».

Средняя длина свободного пробега электрона в газе опреде­ляется выражением

К=/{лпг2), (3.8)

где п - концентрация газа на пути движения электронов; г - газокннетический радиус взаимодействия молекул газа.

Значення средней длины свободного пробега электрона в воз­духе (при 20°С) и в вакууме приведены ниже:

р, Па (мм рт. ст.) . . 1,01 -10*(760) 133(1) 1,33 (КГ2) 133-КГ2(1(Г4)

А, мм.......................... 3,5-КГ4 2,6-10-" 26,6 2660

Таким образом, исходя из конструктивных особенностей уста­новок, нижней допустимой границей давления (вакуума) для электронно-лучевых установок следует считать 1-Ю - Па. В реальных условиях давление стараются довести до 10_3... Ю-4 Па, так как при ухудшении вакуума в электронной пушке резко увеличивается число ионизированных электронами ионов остаточных газов и это может привести к пробою промежутка между анодом и катодом пушки.

Очевидно, что выводить электронный луч из вакуума в об­ласть с более высоким давлением имеет смысл только в том слу­чае, когда путь электронов в этой области предельно мал.

Такие электронные пушки с выводом луча в атмосферу иногда применяют для . Пушка при этом перемещается непосред­ственно по свариваемому изделию, причем ход луча в атмосфере составляет 0,1...0,3 мм. Применяемое при этом ускоряющее на­пряжение составляет 150...200 кВ, а в зону между пушкой и сва­риваемой поверхностью подают защитный газ (гелий или аргон).

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА

С ВЕЩЕСТВОМ

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

Мощность электронного пучка в месте встречи с обрабаты­ваемыми материалами

Р = ив1лц, (3.9)

где UB - ускоряющее напряжение; /л - ток луча; т] - эффектив­ный к. п. д. нагрева.

Удельная поверхностная мощность луча в зоне его воздей­ствия на вещество

где F - площадь сечения луча на поверхности вещества - одна из важнейших энергетических характеристик электронно-лучевых процессов и в значительной мере определяет возможности

электронно-лучевой технологии.

Максимальное значение р0 может достигать 106...108 Вт/мм2, что позволяет проводить размерную обработку материалов путем их локального испарения в месте воздействия луча на изделие. По мере уменьшения р0 (это сравнительно просто можно осу­ществить путем расфокусировки луча) возможно проведение

термических процессов плавки, сварки, нагрева в вакууме, а так­же нетермических процессов типа стерилизации, полимеризации и т. п.

Достигая обрабатываемой поверхности, электроны пучка внедряются в вещество, испытывая торможение и проходя при этом некоторый путь. Длина этого пути была изучена Шенландом и определяется по формуле

б = 2,1.10-“и7р> (3.11)

где р - плотность вещества.

Реальная глубина проникновения электрона в вещество в соответствии с формулой (3.11) обычно не превышает нескольких десятков микрометров, но учет ее весьма существен при учете взаимодействия электронов с веществом, особенно при больших значениях удельной мощности в пучке.

Проходя сквозь вещество, электроны взаимодействуют с крис­таллической структурой или отдельными частицами вещества. При этом вследствие обмена энергией увеличивается амплитуда колебаний составляющих вещество частиц, изменяются парамет­
ры его кристаллической решетки, повышается температура ве­щества. Достаточно большая энергия, сообщенная электронами атомам, может привести даже к разрыву связей между отдель­ными атомами.

Торможение электрона в веществе сопровождается кроме вы­деления тепловой энергии рядом различных побочных явлений и суммарное выделение энергии прн электронной бомбардировке поверхности расходуется на следующие основные процессы;

1. Собственно нагрев поверхности, используемый в технологи­ческих целях.

2. Тормозное рентгеновское излучение, возникающее при электронной бомбардировке материалов.

3. Вторичная электронная эмиссия, отражение электронов и термоэлектронная эмиссия с обрабатываемой проверхности.

4. Различные потери.

Нагрев обрабатываемого материала электронным лучом осу­ществляется в результате выделения энергии в поверхностных слоях вещества и дальнейшей теплопередачи ее во внутренние слои. Высокая интенсивность ввода энергии в вещество при электронно-лучевой обработке приводит к развитию значитель­ных поверхностных температур, уровень которых может превы­шать точку кипения даже самых тугоплавких материалов.

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ

ПРОЦЕССОВ ДЛЯ СВАРКИ

Электронно-лучевая сварка - одно из самых распространен­ных технологических применений электронного луча. Поскольку сварка - процесс, связанный с локальным плавлением и после­дующей кристаллизацией расплавленного металла, ширина зоны расплавленного металла имеет при сварке важное значение. Кристаллизация металла в сварочной ванне в значительной мере определяет свойства металла шва и изменение ширины зоны про­плавления при сварке становится важным фактором воздействия на свойства сварного соединения. Кроме того, от объема расплав­ленного металла зависят деформ ции и напряжения, возникающие после сварки в сварных конструкциях, что также требует регулирования объ­ема сварочной ванны.

Сварка электронным лучом позво­ляет путем фокусировки в широких пределах изменять ширину сварочной ванны. Как видно из рис. 3.2, а, б, прн относительно небольших удельных мощ­ностях электронного луча форма про­плавления имеет такой же характер, как для традиционных процессов газо­вой и дуговой сварки.

По мере увеличения удельной мощности электронного луча наряду с процессами плавления начинается интенсивное испаре­ние металла с поверхности сварочной ванны. Это приводит к деформации жидкого металла под действием реакции паров, углублению сварочной ванны и получению швов с глубоким про­плавлением (рис. 3.2, в). По чисто внешним признакам такое проплавление часто называют «кинжальным»; швы с кинжаль­ным проплавлением дают ряд преимуществ по сравнению со сварными швами традиционной формы.

Кинжальное проплавление дает возможность за один проход сварить без разделки кромок детали толщиной до І00 мм, в то время как при дуговой сварке для этой цели необходима раздел­ка кромок и несколько десятков проходов. Глубокое проплавле­ние позволяет получать сварные соединения принципиально но­вой формы, не доступные для других способов сварки плавле­нием.

Возможность получения при электронно-лучевой сварке ван­ны расплавленного металла малого объема резко снижает дефор­мации свариваемых изделий, что позволяет сваривать конструк­ции из уже окончательно обработанных деталей и узлов с мини­мальной последующей размерной обработкой или вовсе без нее. При этом возможна также сварка изделий в термообработанном состоянии (например, после закалки), так как зона разупрочне­ния получается достаточно малой, что не сказывается на общей работоспособности изделия в целом. По такому принципу свари­вают блоки шестерен коробок передач автомобилей и станков, шевронные шестерни силовых передач, что значительно снижает трудоемкость их изготовления.

При электронно-лучевой сварке возможно получение швов малых размеров и эти «прецизионные» швы широко используют­ся в конструкциях раличных радиоэлектронных схем и устройств, где часто процесс сварки приходится вести с применением микро­скопа.

Наконец, вакуум как защитная среда при сварке для целого ряда химически активных и тугоплавких металлов и сплавов обеспечивает значительно более высокие показатели свойств сварного шва, чем сварка в инертных газах (Аг и Не). Поэтому целый ряд сварных конструкций - из этих материалов (вольфрам, молибден, тантал, цирконий, титан и др.) изготовляют исклю­чительно при помощи электронно-лучевой сварки.

Электронным лучом (пучком) называют острофокусный поток ускоренных электронов. Поток электронов, эмитированный катодом, ускоряется в вакууме разностью потенциалов между катодом и анодом, а затем фокусируется в пятно малых размеров (диаметр от сотых долей до нескольких миллиметров).

При торможении ускоренных электронов вблизи поверхности металлического тела их кинетическая энергия превращается в тепловую. Чем больше плотность мощности в месте торможения пучка, тем достигается больший локальный разогрев. По концентрации мощности электронный пучок уступает лишь лучу оптического квантового генератора (табл. 2-2).

Открытие термоэлектронной эмиссии, использование магнитных и электростатических аксиально-симметричных полей для фокусировки электронных пучков, развитие вакуумной техники - основные вехи на пути развития электроннолучевой сварки. Промышленное применение электроннолучевой сварки началось в конце 50-х годов нашего столетия.

В зависимости от ускоряющего напряжения и свойств металла электроны могут проникать в вещества на глубину нескольких десятков микрометров. Электрон испытывает многократные столкновения и теряет энергию, причем меняются скорость и направление его движения. Угол вероятного отклонения электрона после соударения возрастает с уменьшением скорости электрона, в результате на конечном участке пути электрон растрачивает основную часть своей энергии. Таким образом, электронный нагрев происходит в самом веществе в отличие от обычных, широко

применяемых в сварке источников 1ейлоты, нагревающих поверхности металла. Наиболее интенсивное тепловыделение наблюдается на глубине пробега электрона.

Сварочная ванна испытывает реактивное воздействие испаряемого металла, теплового и рентгеновского излучения, воздействие потока электронов, а также давление отдачи вторичных и тепловых электронов. Сила давления испаряемого металла составляет основную часть общего силового воздействия на ванну, ее величина может достигать нескольких граммов.

Электронный луч с требуемыми свойствами формируется в электронной пушке. Для фокусировки электронного луча значительной мощности в пятно возможно меньшего сечения сводят к минимуму влияние погрешностей электронной оптики, взаимного отталкивания электронов в пучке, тепловых скоростей электронов, рассеивания электронов на молекулах остаточных и выделяющихся в процессе сварки газов и паров. Добиваются сохранения высокой удельной мощности пучка на большом расстоянии от пушки.

В каждой электроннолучевой пушке указанные условия формирования сварочных электронных пучков обеспечиваются в различной степени в зависимости от предъявляемых к ней требований. В первых пушках для электроннолучевой сварки пучок электронов формировался только с помощью прикатодного электрода, без применения дополнительных фокусирующих систем (рис. 2-12, а). Анодом пушки являлось само изделие. Такая одно-каскадная электростатическая система фокусировки не может обеспечить формирования интенсивного электронного пучка с высокой плотностью энергии. Поэтому с ее помощью возможно соединение металлов сравнительно небольшой толщины (1-2 мм). Близость прожектора в зоне сварки повышает опасность электрических пробоев. Технологические и электроннооптические характеристики пушки с однокаскадной электростатической фокусировкой повышаются при введении в конструкцию ускоряющего электрода, имеющего потенциал изделия (рис. 2-12, б). При этом уменьшается возможность электрических пробоев и разрядов, а для питания пушки можно использовать даже невыпрямленное ускоряющее напряжение.

Наиболее широко для формирования сварочных пучков электронов применяется комбинированная электростатическая и электромагнитная фокусировка. В пушках с комбинированной фокусировкой пучка прожектор, состоящий из катода, прикатодного электрода и ускоряющего электрода-анода, формирует сходящийся пучок электронов. Минимальное сечение пучка проектируется (обычно с уменьшением) на свариваемое изделие с помощью электромагнитной фокусирующей системы (рис. 2-12, в).

Сварочные пушки можно разделить по величине ускоряющего напряжения на три основных класса: 1 - низковольтные

2 - с промежуточным ускоряющим

И 3 - высоковольтные (UycK ~

80-^200 кВ). Мощность пучков лежит в пределах 0,3-100 кВт. Пучки электронов, эмитированные термокатодами, формируются в высоком вакууме (10~4-10~5 мм рт. ст.). В газоразрядных пушках и пушках с холодным катодом вакуум составляет 10" х- ю- мм рт. ст.

Основными требованиями к пучку электронов являются достаточно большая плотность энергии в пятне нагрева wn и малый угол сходимости ах пучка на изделии. Эти требования удовлетворяются в большей мере при высокой энергии электронов:

где 1п - ток пучка.

В то же время защита обслуживающего персонала от рентгеновского излучения, возникающего при торможении электронов на изделии, усложняется с ростом энергии электронов. Сложнее становятся сама пушка и ее источник питания.