Обладнання. Можливості фокусування електронного променя.

Электроннолучевая сварка

Электроннолучевая сварка является одним из самых распрост­раненных технологических применений электронного луча. Посколь­ку при сварке происходит локальное плавление с последующей

кристаллизацией, ширина зоны расплавленного металла имеет важное значение. Кристаллизация металла в сварочной ванне в значительной мере определяет свойства металла шва, и измене­ние ширины зоны проплавления при сварке оказывает существен­ное воздействие на свойства сварного соединения. Кроме того, от объема расплавленного при сварке металла зависят деформации и напряжения, возникающие в конструкциях после сварки. Фоку­сировка электронного луча позволяет в широких пределах изменять ширину сварочной ванны. При относительно небольшой удельной поверхностной мощности электронного луча форма проплавления имеет такой же характер, как при традиционных процессах газовой и дуговой сварки (рис. IV.6, а). По мере увеличения удельной по­верхностной мощности 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. IV.6, б). По чисто внешним признакам проплавление такого вида часто на­зывают кинжальным. Такие швы имеют ряд преимуществ по срав­нению со сварными швами традиционной формы.

Кинжальное проплавление дает возможность за один проход сваривать без разделки кромок заготовки толщиной до 100 мм (рис. IV.7,а), 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 (рис. VI.7, б), которые нельзя получить другими способами.

Вакуум, как защитная среда при сварке целого ряда химически активных иг тугоплавких металлов и сплавов позволяет получать значительно более высокие показатели свойств сварного шва, чем при сварке в защитных газах. Поэтому сварные конструкции и таких материалов, как вольфрам, молибден, титан, цирконий, тан­тал и др., изготовляются в основном с помощью электроннолучевой сварки.

Малый объем ванны расплавленного металла, получаемый при электроннолучевой сварке, резко снижает деформации сваривае­мых изделий. Открывается возмож­ность сваривать конструкции из уже окончательно обработанных деталей с незначительной последующей раз­мерной обработкой или вовсе без нее. Возможна также сварка термо­обработанных изделий, например после закалки. Зона разупрочнения в результате сварки настолько ма­ла, что это не сказывается на рабо­тоспособности изделия в целом.

Например, при традиционных ме­тодах обработки шевронное колесо нарезается с помощью пальцевой

фрезы. Это малопроизводительный способ, который не обеспечивает требуемую точность. При использовании электроннолучевой техно­логии (рис. IV.8) сначала изготовляют два отдельных косозубых блока 1 и 2 (например, с помощью червячной фрезы), а затем сва­ривают их. Сварные шевронные зубчатые колеса устанавливают к весьма ответственных конструкциях авиационных двигателей.

Электроннолучевую сварку целесообразно применять при изго­товлении толстостенных конструкций, так как за один проход можно получить проплавление глубиной до 200...300 мм. Преиму­щество метода заключается в снижении остаточных деформаций благодаря малому количеству расплавляемого металла и в сокра­щении времени сварки. Таким способом сваривают узлы тяжелого энергетического оборудования (атомных реакторов, бойлеров элек­тростанций и т. д.).

Используя электроннолучевую технологию сварки, можно по­лучать швы малых размеров в конструкциях различных радиоэлек­тронных схем и устройств, где сварку часто приходится вести с при­менением микроскопа.

Микросварка применяется для соединения элементов микросхем. Электроннолучевым способом сваривают различные выводы и кон­тактные элементы толщиной не более 0,3 мм и проводники диамет­ром 10...300 мкм. Как правило, число соединений в одной микро­схеме может достигать нескольких сотен. Сварка ведется с исполь­зованием микроскопа для точной наводки на место будущего со­единения или в автоматическом режиме со сканированием луча малой мощности по всей поверхности.! В по<^шшм^иш&а£ на моста сварки наносится специальное флюоресцирующее вещество; при попадании электронного луча на место сварки светой сигнал улав­ливается фотоэлектронным устройством, управляющим мощностью луча. В месте сварки мощность луча резко увеличивается и проис­ходит образование сварного соединения.

Микросварка используется в приборостроении. На рис. IV.9 показана конструкция молоточка печатного блока ЭВМ. Электрон-

нолучевая технология позволяет получить сварные соединения и в то же время устранить возможность отпуска пружин молоточка. Сварка ведется в специальном приспособлении на 300 деталей. За смену на одной установке изготовляют 1 200 деталей.

Электронным лучом в вакууме сваривают герметичные мембран­ные узлы приборов для измерения давления, корпуса микросхем, полупроводниковых приборов, реле.

В целях экономии дорогостоящих инструментальных сталей в промышленности с помощью электроннолучевой сварки налаже­но производство заготовок для ленточных пил. Лента 2 (рис. IV.10) шириной 1... 3 мм из инструментальной стали сваривается с мате­риалом полотна I_f выполненного из менее дефицитного материала (обычно вязкой конструкционной стали). При нарезке корни 3 зубь­ев специально доводятся до зоны более вязкого металла полотна 1, что снижает выкрашивание зубьев при эксплуатации пилы по срав­нению с полотном, выполненным целиком из инструментальной стали. Установки для сварки биметаллических полотен ленточных пил работают в непрерывном режиме (скорость сварки до 6 м/мин). В некоторых установках ленточные заготовки находятся вне ваку­умной камеры и подаются в нее через вакуумные шлюзы. Сварен­ное полотно также выводится из камеры через вакуумный шлюз с холодильником.

В автомобильной промышленности электроннолучевая сварка нашла применение при изготовлении зубчатых блоков коробок пе­редач. С точки зрения технологичности этих узлов целесообразно изготовлять отдельные шестерни, проводить их полную термиче­скую обработку, а затем собирать на валу и фиксировать с помощью сварки. По такой технологии производят сотни тысяч изделий в год. На предприятиях используют специализированные сварочные уста­новки, встроенные в общий технологический цикл.

Большие перспективы для развития метода открывает сварка с помощью Электронного луча в условиях космоса. На высоте свыше 200 км над поверхностью Земли давление составляет около 10~⁴ Па и там вполне возможно осуществлять электроннолучевые процессы в естественных условиях. В 1969 г. на космическом корабле «Со­юз-6» впервые были проведены эксперименты на установке «Вул­кан». Наряду с другими процессами была осуществлена электрон­нолучевая сварка металлических образцов. Аналогичное обо­рудование испытывалось в 1973 г. на американской станции «Скайлэб». Сварка электронным лучом рассматривается как одив из основных процессов для монтажа и ремонта в космосе различ­ных конструкций и агрегатов.

Размерная обработка электронным лучом

В результате размерной обработки электронным лучом в за­готовке получают глухие или сквозные отверстия заданных разме­ров и заданный контур на заготовке с определенными допусками на его размеры.

Размерная обработка электронным лучом основана на том, что при достаточно большой удельной поверхностной мощности ско­рость испарения обрабатываемого материала и давление пара воз­растают настолько, что весь жидкий металл с потоком пара вы­брасывается из зоны обработки.

Использование электронного луча для размерной обработки на­кладывает целый ряд ограничений на его параметры. Электронный луч является постоянно действующим источником теплоты для по­верхности, на которую он попадает. При образовании на заготовке вырезаемого контура ухудшается точность его размеров из-за оп­лавления краев. Следовательно, необходимо обеспечить строгое до­зирование энергии электронного луча в месте соприкосновения его с поверхностью заготовки. Осуществить это требование при размер­ной обработке можно, введя либо импульсное действие электронно­го луча на поверхность, либо организуя перемещение луча по по­верхности со строго заданной скоростью.

Таким образом можно определить три режима размерной элект­роннолучевой обработки.

1. Моноимпульсный режим, когда обработка ведется одиночным импульсом, т. е. отверстие получают за время действия только од­ного импульса.

2. Многоимпульсный режим, когда отверстие получают воздей­ствием на заданное место заготовки несколькими импульсами.

3. Режим обработки с перемещением электронного луча по за­готовке с заданной скоростью. Последний режим реально осуще­ствим в основном для прямолинейных профилей получаемых де­талей.

Параметры электроннолучевой размерной обработки связаны с физическими характеристиками материала заготовки (температу­рой плавления, теплоемкостью, удельной теплотой испарения, уп­ругостью пара) и не зависят от его механических свойств (проч­ности, твердости, пластичности), которые обычно влияют на обра­батываемость материалов при обработке резанием. В связи с этим электронный луч нашел применение в первую очередь для размер­ной обработки твердых материалов — алмазов, кварца, керамики, кристаллов кремния и германия.

Образование полостей с помощью электроннолучевой размер­ной обработки обычно ведут в многоимпульсном режиме (время импульса Ти= IO^-7... 10“³ с, скважность <7= 100...200). /В периоды пауз между импульсами материал в зоне обработки Успевает ох­ладиться до температуры, близкой к начальной температуре заго­товки, и общий нагрев заготовки невелик. С увеличением числа импульсов глубина обрабатываемой полости растет по лагарифми- ческой зависимости. При очень большом числе импуль­сов скорость обработки резко уменьшается, поэтому на практике размерную электроннолучевую обработку обычно ведут на глубину не более 15... 20 мм.

Форма продольного сечения сквозного отверстия при размерной обработке электронным лучом показана на

рис. IV. 12. Кромки обычно имеют плавное скругление, а диаметр по глубине уменьша­ется. В ряде случаев такая форма отверстия благоприятна для ра­боты конструкции (алмазные волочильные фильеры, часовые кам­ни). Лучшие образцы установок для электроннолучевой размерной обработки позволяют при глубине реза до 5 мм получать уклон сте­нок 1°.

Сфокусированный электронный луч в фокальной плоскости мо­жет иметь диаметр менее 1 мкм — съем металла производится в весьма малых количествах и на малых площадях, что трудно осу­ществимо традиционными способами обработки. Минимальная ши­рина реза при электроннолучевой размерной обработке может до­стигать 5... 10 мкм, можно получать отверстия такого диаметра. Малые размеры сечения электронного луча как технологического инструмента определили его применение прежде всего в микроэлек­тронике для изготовления, например, микросхем с высокой плот­ностью монтажа, масок и трафаретов.

Важной особенностью процесса электроннолучевой размерной обработки является возможность перемещения электронного луча с помощью отклоняющей системы. В сочетании с модуляцией мощно­сти луча это позволяет обрабатывать отверстия сложных профилей, получать на поверхности заготовок канавки различной формы, из­готовлять отверстия в стеклянных и металлических пластинках* гравировать клише для глубокой печати. При этом траектория пе­ремещения луча обычно задается в виде электрических сигналов, поступающих на отклоняющую систему. Зона перемещений луча при этом обычно ограничена размерами 10X10 мм. При необходи­мости обработки большей поверхности используют дополнительные механические перемещения заготовки.

Особой разновидностью размерной электроннолучевой обработ­ки является перфорация (получение мелких сквозных отвер­стий) различных материалов. Перфорацией изготовляют металлыческие и керамические элементы фильтров, пористый материал для охлаждения камер сгорания и лопаток турбин. Электронным лу­чом перфорируют искусственную кожу, чтобы обеспечить ее воз­душную проницаемость. Производительность перфорации зависит от мощности луча и толщины заготовки и может достигать IO⁵ от­верстий в секунду.

Точность размеров и качество поверхности при размерной обра­ботке зависят от рода материала, вида обработки, параметров про-

цесса и характеристик электронной пушки. Погрешность размеров при этом не превышает ±5 мкм, а шероховатость поверхности R_z = = 5 мкм.

При жестких режимах электроннолучевой обработки, когда в зо­не воздействия луча возникают значительные градиенты темпера­тур, достигающие IO⁸ К/м, в хрупких материалах образуются микро­трещины. В этом случае обычно или уменьшают удельную поверхно­стную мощность луча, или подогревают заготовку перед обработкой. На рис. IV.13 показан* элемент дифракционной решетки, изго­товленной из нержавеющей стали толщиной 0,3 мм с помощью электронного луча. Обработка ведется при перемещении луча по заданной программе, заготовка неподвижна.

При производстве искусственных волокон широко применяются фильеры из различных твердых сплавов, керамики, стекла. Обыч­но фильеры выпускают диаметром до 30... 50 мм при толщине 1...3 мм, они могут содержать до 500 отверстий. Отверстия в филь­ере целесообразно выполнять не только круглой, а и более слож­ной формы поперечного сечения (рис. IV. 14). Каждое отдельное отверстие изготовляют перемещением^ луча, а переход от одного отверстия к другому осуществляется движением стола. В микро­электронике распространена электроннолучевая резка заготовок из полупроводниковых материалов и ферритов на отдельные малораз­мерные элементы и прошивание в них отверстий.

Обработка электронным лучом получила распространение при изготовлении валков печатных машин, где глубина обрабатываемой полости обычно не превышает 15...20 мкм. Достоинством процесса является относительная простота и быстрота перевода изображения посредством модуляции мощности луча, сканирующего по обраба­тываемому изделию.

Термообработка

Электроннолучевая термообработка возникла как процесс, поз­воляющий осуществлять локальный нагрев обрабатываемых участ­ков поверхности с целью получения структурных превращений ма­териала (в основном закалки) или для отжига в вакууме обраба­тываемых листовых материалов для увеличения их пластичности и очистки поверхности от адсорбированных газов.

Закалка без плавления посредством электроннолучевой обра­ботки применяется сравнительно редко, так как применение зака­лочных сред, увеличивающих скорость охлаждения (вода, масло), в вакууме затруднено. Однако в тех случаях, когда зона закалки должна быть достаточно малой, интенсивность теплоотвода в ос­новной металл вполне достаточна для образования закалочных структур в зоне электроннолучевого нагрева. Закалка, в частности* применяется для упрочнения лезвий инструмента из быстрорежу­щей стали — ресурс работы повышается в два раза по сравнению с инструментом, закаленным обычным способом.

Термообработка листового материала или фольги обычно про­водится в специализированных установках для получения материа­лов с покрытиями; их наносят в вакууме на обезжиренный и пред­варительно нагретый до 200...400° С металл — нагрев удобно осу­ществлять электронным лучом. Для равномерного нагрева материа­ла в этом случае обычно используют сканирование луча по обраба­тываемой поверхности с помощью магнитной отклоняющей системы.