ТЕОРИЯ сварочных процессов

Электронно-лучевые источники

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

А = eU. (3.2)

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 сварки. 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

Po=P/F, (3.10)

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.