Введение

Развитие народного хозяйства нашей страны требует широкого внедрения в промышленность новых эффективных технологических процессов, основанных на достижениях современной науки и техники.

Одним из направлений, существенно расширяющих технологические возможности процесса обработки материалов, является использование концентрированных потоков энергии (струи плазмы, лазерного, электронного, ионного лучей и др.).

Электронно-лучевая обработка является одним из разделов этого, успешно развивающегося, перспективного направления.

Широкие возможности автоматизации электронно-лучевой обработки материалов, ведение процесса в вакууме, что обеспечивает высокую чистоту обрабатываемого материала, концентрация энергии в электронном луче до значений, недоступных ранее известным источникам, — все это способствовало внедрению электронно-лучевой обработки как в отрасли, связанные с точным производством (приборостроение, электроника и др.), так и в отрасли, производящие крупногабаритные изделия (например, тяжелое машиностроение).

С помощью электронного луча выполняют такие технологические операции как фрезерование, сверление, термообработка, плавка, сварка, пайка и др.

В разработке теоретических основ процесса воздействия электронного луча на материалы и в практических применениях этого процесса достигнуты значительные успехи.

Установлено, что непрерывное электронно-лучевое воздействие на материал переходит в зоне обработки в прерывистое. Учитывая эти особенности процесса, можно использовать как непрерывные, так и импульсные режимы воздействия, что существенно повышает эффективность обработки и расширяет технологические возможности электронных пучков.

Электронно-лучевые технологии

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) явилась одним из перспективных и быстро развивающихся способов соединения различных металлов, в первую очередь тугоплавких, химически активных и разнородных, качественных сталей, высокопрочных сплавов на основе алюминия и титана.

Электронно-лучевая сварка основана на использовании тепла, которое выделяется при торможении остросфокусированного потока электронов, ускоренных до высоких энергий. Явление термического воздействия электронных пучков на твердые материалы было известно давно. В частности, это явление было отмечено в докладе В. Гроува, прочитанного в Лондонском Королевском обществе в апреле 1852 г.

Однако только благодаря развитию вакуумной техники и электронной оптики этот источник нагрева получил широкое применение сначала в сварочной, а затем в металлургической технике. Толчком, послужившим поиску новых способов соединения материалов, явились трудности сварки таких металлов, как молибден, тантал, ниобий, вольфрам, цирконий, которые обнаружились в середине 60-х гг. прошлого века. Эти металлы составляют группу трудносвариваемых, так как обладают высокими температурой плавления и химической активностью. Это предполагает использование высококонцентрированных источников тепла и серьезной защиты зоны сварки.

В процессе ЭЛС в вакууме порядка 10^-4 мм рт.ст. обеспечивается практически полное отсутствие примеси вредных газов. Высокая концентрация энергии в электронном луче до 109 Вт/см² при минимальной площади пятна нагрева до 10-7 см² способствует уменьшению термических деформаций при сварке, незначительным структурным превращениям в зоне нагрева и обеспечивает формирование сварного шва с ярко выраженной кинжальной формой проплавления.

Разработка техники и технологии ЭЛС связана с работами французских и американских инженеров Д.А. Стора, Д. Бриолы, В.Л. Вимена, которые были опубликованы в 1957-58 гг. В эти же годы в СССР в Московском энергетическом институте под руководством Н.А. Ольшанского и Институте электросварки им. Е.О. Патона под руководством Б.А. Мовчана независимо от работ иностранных ученых также были проведены исследования по применению электронно-лучевой сварки.

Процесс сварки реализуется в специальных установках, принципиальная схема одной из них изображена на рис. 13.

Рис. 13. Принципиальная схема установки для электронно-лучевой сварки:  1 – высоковольтный источник питания; 2 – магнитное отклоняющее устройство; 3 – телескопическое устройство для наблюдения; 4 – сварочная камера; 5 – электронная пушка; 6 – вентиль; 7 – диффузионный насос; 8 – освещение; 9 – вакуумный вентиль; 10 – роторный форвакуумный насос; 11 – пульт управления движением детали; 12 – электрический пульт управления

При создании сварочных электронных пушек были решены многие вопросы, которые не возникали ранее в электронном приборостроении. Для сварки потребовались пучки электронов с малыми поперечными размерами, причем на значительном расстоянии от пушки и в условиях существенного рассеяния на остаточных газах и парах свариваемых металлов.

Были сведены к минимуму погрешности электронно-оптической системы. Технологические и электронно-оптические характеристики пушки с однокаскадной электростатической фокусировкой были улучшены введением в конструкцию ускоряющего электрода.

Дальнейшим шагом в развитии ЭЛС явилось применение так называемой комбинированной фокусировки, когда в электростатическом поле эмиссионной системы осуществляется предварительное формирование пучка, а окончательное – в области электромагнитной фокусирующей линзы.