книги / Электронно-лучевая обработка в сварке

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА В СВАРКЕ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2021

Авторы: В.Я. Беленький, Е.С. Саломатова, Т.В. Ольшанская, Е.М. Федосеева, Д.Н. Трушников, Д.С. Белинин

УДК 621.791 Э455

Рецензенты:

канд. техн. наук Д.Л. Долинов (Пермский национальный исследовательский

политехнический университет); канд. техн. наук И.С. Пономарев

(ООО «ASOIK»)

Электронно-лучевая обработка в сварке : учеб. пособие /

Э455 В.Я. Беленький [и др.]. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2021. – 77 с.

ISBN 978-5-398-02641-2

Приведены сведения об основных электронно-лучевых технологиях, применяемых в сварке, указано оборудование, применяемое для сварки, наплавки и испарения (напыления).

Для студентов и магистров, обучающихся по профилю «Машиностроение».

УДК 621.791

3

ВВЕДЕНИЕ

Физика электронных и ионных пучков уже не раз служила исходным пунктом для промышленных разработок. Рентгеновские и электронно-лучевые трубки, телевидение и электронная микроскопия сегодня занимают значительное место в науке и технике. В течение последних 50 лет сформировалась еще одна область – электронно- и иоино-лучевая технология. В этой новой области электронные и ионные пучки непосредственно используются для осуществления технологических процессов. Возможное применение электронно- и ионно-лучевой технологии простирается от получения субмикроскопических структур в микроэлектронике до выплавки крупных слитков в металлургии. Общим для всех этих установок является использование электронных и ионных пучков.

Работам, связанным с открытием электронов и использованием их энергии в технике, предшествовал значительный период изучения процессов прохождения электричества в газах и вакууме, который привел к открытию Круксом в 1969 году катодных лучей. В 1879 году Крукс показал возможность нагрева и плавления платины катодным лучами. В 1897 году Томпсон установил, что катодные лучи являются потоком электрически заряженных частиц. Первые попытки электроно-лучевой плавки были предприняты в 1905 году Пирани. Ему удалось плавить даже такие тугоплавкие металлы, как тантал. Но ни вакуумная, ни электронная техника в то время еще не получили должного развития, и, с другой стороны, еще не возникла потребность в подобной технологии. Поэтому работы Пирани тогда не нашли технической реализации [2, 11, 12].

С середины 20-х годов начинается бурное развитие электронной оптики. Вместе с прогрессом вакуумной техники это создало возможность надежного получения и формирования электронных пучков. Фон Арденне уже в 1934 году использовал электронные пучки, сфокусированные магнитными линзами, для получения от-

4

верстий малого диаметра и для испарения металлов. В 1950 году Штейгервальд показал возможности электронного пучка как инструмента для получения отверстий и прецизионной обработки поверхностей. Необходимость же использования нового технологического способа для таких целей, как сварка, плавка и напыление, появилась прежде всего в связи с развитием ядерной и космической техники [12].

Разработка техники и технологии электронно-лучевой сварки связывается с именем Д. Стора, который работал во Французской комиссии по атомной энергии и опубликовал результаты работы в 1957 году. В 1957–1958 годах работы по электронно-лучевой сварке начали проводиться также в Московском энергетическом институте (МЭИ) под руководством Н.А. Ольшанского и в Институте электросварки им. Е.О. Патона на Украине.

Приблизительно к 1965 году способы и установки электроннолучевой технологии достигли такой степени технического совершенства, что электронно-лучевая плавка, сварка, напыление, наплавка и обработка поверхностей были внедрены в промышленное производство. В настоящее время широко используются в производстве и ионно-лучевые технологии.

Изобретение лазера стоит в одном ряду с выдающимися достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 году, и сразу же началось бурное развитие лазерной техники.

Вкороткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач. Лазер – это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая или электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии теряется, но полученная в результате лазерная энергия обладает высокой концентрацией, а также существует возможность ее передачи на значительные расстояния.

Внаши дни лазеры успешно используются на современном производстве, справляясь с самыми разнообразными задачами. Лазерным лучом раскраивают ткани и режут стальные листы, свари-

5

вают кузова автомобилей и приваривают мельчайшие детали в радиоэлектронной аппаратуре, пробивают отверстия в хрупких и сверхтвердых материалах, производят послойное выращивание изделий как из порошковых, так и из проволочных материалов.

Освоение лазерных технологий значительно повышает эффективность современного производства. Лазерные технологии позволяют осуществить наиболее полную автоматизацию производственных процессов, одновременно обеспечивается экономия сырья и рабочего времени, повышается качество продукции [2, 12].

6

1. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ

1.1. Функциональная схема технологической электронно-лучевой установки

Электронно-лучевая обработка осуществляется в вакууме при наличии специального оборудования: технологической камеры с вакуумной системой и электронной пушки с высоковольтным источником питания.

На рис. 1.1 представлена типовая функциональная схема элект- ронно-лучевой установки. Установка состоит из вакуумной камеры 1, в верхней части которой размешается электронная пушка 2. К пушке с помощью кабеля высокого напряжения подводится питание от высоковольтного выпрямителя 3. Внутри камеры может также находиться механизм перемещения 5 обрабатываемого изделия 6. Управление всеми агрегатами ведется с пульта управления 4. Вакуум в технологической камере создается с помощью вакуумной системы 7.

Рис. 1.1. Функциональная схема технологической электронно-лучевой установки: 1 – вакуумная камера; 2 – электронная пушка; 3 – высоковольтный выпрямитель; 4 – пульт управления; 5 – механизм перемещения обрабатываемогоизделия; 6 – обрабатываемоеизделие; 7 – вакуумнаясистема

7

К электронно-лучевым установкам предъявляется ряд общих требований. Рабочая камера должна быть газонепроницаемой и обладать срочностью, достаточной, чтобы выдержать атмосферное давление при создании вакуума внутри камеры. В качестве материала камеры лучше применять нержавеющую сталь. Толщину стенки камеры выбирают из условий прочности с учетом обеспечения непроницаемости для рентгеновского излучения. Камера снабжается смотровыми окнами для наблюдения за процессом. Толщина стекла и его качество должны обеспечивать прочность, герметичность и защиту от рентгеновского излучения. Камера должна иметь люки, обеспечивающие загрузку изделий, подлежащих электронно-лучевойобработке.

Вакуум при электронно-лучевой обработке необходим как для создания и формирования электронного пучка, так и для защиты обрабатываемого металла от действия кислорода и азота воздуха, ускорения дегазации металла при плавлении, удаления некоторых вредных примесей и др. Поэтому одним из важнейших элементов электронно-лучевых технологических установок является оборудование для создания вакуума 10–4…10–5 мм рт. ст. Как правило, используются двухступенчатые вакуумные системы, состоящие из механического форвакуумного насоса, обеспечивающего вакуум порядка 10–2 мм рт. ст., и высоковакуумного паромасляного насоса. Производительность вакуумной системы выбирается в зависимости от объема рабочей камеры установки, схемы ее работы при смене обрабатываемого изделия и других факторов.

Количество насосов и схема откачки определяются конкретными условиями работы данной установки. Так, например, во многих случаях используются отдельные откачные системы для электронной пушки и рабочей камеры с изделием [2].

1.2. Электронно-лучевые пушки

Широкое применение электронных пучков связано с тем, что электрон, являясь наименее устойчивой заряженной частицей материи, может быть наиболее простым способом получен в свободном

8

состоянии. В большинстве случаев, подведя соответствующую энергию, можно вызвать выход электронов с поверхности металла. Наиболее часто для получения свободных электронов используют термоэлектронные катоды, в которых металлы нагреваются до таких температур, при которых электроны приобретают достаточную скорость, чтобы покинуть металл и перейти в окружающее катод пространство, в результате чего возникает эмиссия электронов. Величина тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры катода, работы выхода материала катода и свойств поверхности и определяется по уравнению Ричардсона – Дешмана:

где je – плотность тока эмиссии; А – эмиссионная постоянная, зависящая от свойств излучающей поверхности; Т – абсолютная температура катода; е – заряд электрона; φ0 – работа выхода электрона из металла; k – постоянная Больцмана.

Уравнение показывает, что величина тока эмиссии в наибольшей степени зависит от температуры катода. Однако при увеличении температуры сокращается срок службы катода.

Свободные электроны под действием электрических или магнитных полей могут перемещаться. Поскольку электроны обладают самой малой инертной массой из всех элементарных частиц, обладающих зарядом, то электрону можно сообщить большую скорость:

V ≈ 600 U1/2 км/с,

где U – разность потенциалов.

Таким образом, скорость, приобретаемая электроном при движении в ускоряющемся поле, зависит только от пройденной разности потенциалов.

Электроны, двигаясь в электрическом поле, могут накопить значительную кинетическую энергию. При достижении электроном поверхности металлического анода скорость электронов резко уменьшается вследствие их столкновения с атомами металла. При

9

таких столкновениях кинетическая энергия электронов передается атомам вещества, подвергающегося бомбардировке. Эффект передачи энергии электронов веществу проявляется в увеличении температуры вещества.

Впервых установках для формирования электронного луча использовались пушки с однокаскадной электростатической фокусировкой, анодом которых являлась обрабатываемая деталь. Фокусирующий электрод у таких пушек либо имел потенциал катода, либо на него подавался некоторый отрицательный потенциал относительно катода.

Основными недостатками такой системы являются: невозможность формирования интенсивного электронного луча с высокой плотностью энергии; незначительное расстояние между обрабатываемым изделием и катодом, усложняющее наблюдение за процессом; ограничение размеров поверхности катода, необходимое для острой фокусировки луча, и др.

Всовременных установках для электронно-лучевой обработки

используются электронные пушки, у которых анод, имеющий в центре отверстие, расположен в непосредственной близости от катода, а для дополнительной фокусировки и отклонения луча используются магнитные фокусирующая и отклоняющая системы (рис. 1.2). Электронно-оптические системы таких пушек могут иметь два или три электрода. В трехэлектродных пушках дополнительный «управляющий» электрод расположен между катодом

ианодом. Подавая на управляющий электрод отрицательный потенциал относительно катода, можно изменять параметры электронного луча, а также производить электронно-лучевую обработку в импульсном режиме [2, 11].

Электронные пушки для технологических целей, в зависимости от ускоряющего напряжения, можно условно разделить на три основные группы: низковольтные – с ускоряющим напряжением 20...30 кВ; с промежуточным ускоряющим напряжением – 40...60 кВ

ивысоковольтные – с ускоряющим напряжением 100...150 кВ.

10