11.5.2. Электронно-лучевая обработка

Основана на тепловом воздействии на обрабатываемую заготовку узкого электронного луча с высокой плотностью энергии в вакууме до 10^-7 Па. Сечение луча достигает площади 10^-6 мм², а плотность энергии - до 5000 кВт/мм². Электроны, двигающиеся в заданном направлении со скоростью до 100000 км/с, ударяются о поверхность обрабатываемой заготовки, их кинетическая энергия переходит в тепловую. Обрабатываемый материал плавится и испаряется. Глубина проникновения электронов в обрабатываемый материал в сто раз превышает диаметр электронного луча, и плавление обрабатываемого материала начинается на некоторой глубине от поверхности. Обработка – плавка, сварка, резка производится на электронной установке и характеризуется высоким качеством: узкий рез и тонкий шов, малая шероховатость и высокая точность до 1 мкм. Электронно-лучевые установки ЭПУ – 1, УПУ – 2, ЭПУ – 4 и другие имеют следующие характеристики:

• вакуум 6∙10^-3 Па;

• тип электронной пушки ЭП-2Г;

• мощность в пучке электронов 1,5 кВт;

• скорость сварки 40 м/ч.

Установка (см. рис.11.22) состоит из термоэмиссионного катода 2 (эмиттера), изготовленного из материала с высокими эмиссионными характеристиками: вольфрама, тантала или гексоборида лантана. Катод из тантала подогревается электрическим током до температуры 1600°К, а из вольфрама до 2800°К. Из-за испарения катоды служат несколько десятков часов и их необходимо постоянно менять, что связано с необходимостью последующей трудоемкой настройки установки.

Рис.11.22. Схема установки для

электронно-лучевой обработки деталей

На некотором расстоянии от катода установлен анод 3. Между анодом 3 и катодом 2 прикладывается ускоряющее напряжение от 30 до 150 кВ. Электроны под действием этого напряжения приобретают скорость до 100000 км/с. Электроны по инерции проходят через отверстия анода 3 и попадают в фокусирующую систему 4, состоящую из диафрагм и магнитных линз 4. Магнитная линза представляет собой солениод с магнитопроводом, создающими необходимой формы магнитное поле, которое при взаимодействии с движущимися электронами смещает их траекторию к оси. При этом можно добиться сходимости электронов в пучок с очень малым поперечным сечением и с высокой плотностью энергии до 10¹² Вт/м². Отклоняющая система 5 служит для перемещения луча по обрабатываемой поверхности. Система насосов, 6,7 создает в камере 8 вакуум с давлением не более 10^-3 Па.

Расчеты показывают, что скорость электронов велика и может быть вычислена по зависимости

V = 593 , км/с,

где U - разность потенциалов между катодом и анодом. В зависимости от напряжения установки делятся на низковольтные U=15...30 кВ, применяемые для плавления и сварки материалов; высоковольтные U = 100...200 кВ, применяемые для точной размерной обработки и микросварки.

Чем выше напряжение, тем сложнее установка в изготовлении и эксплуатации.

При торможении электронов на поверхности деталей выделяется тепло. Так, за время τ = 10^-5...10^-6 с в поверхностных слоях возникают следующие температуры: в алюминии - 4423°К, в титане - 5313°К, в нержавеющей стали - 5400°К, в вольфраме - 15810°К.

Съем металла с обрабатываемой поверхности происходит за счет испарения и взрывного кипения. Часть электронов отражается от обрабатываемой поверхности, что снижает эффективность обработки тем больше, чем больше угол наклона электронного луча. Наибольшая эффективность обработки достигается при направлении электронного луча по нормали к обрабатываемой поверхности.

Достоинствами электронно-лучевой обработки являются:

- возможность за счёт фокусирования луча плавно изменять в широких пределах удельную энергию в зоне нагрева, простота управления положением луча с помощью магнитной системы и возможность модулирования луча по мощности;

- наличие вакуума как рабочей среды;

- возможность получения очень малой зоны воздействия луча на обрабатываемый материал.

К недостаткам следует отнести необходимость обеспечения высокого вакуума и сложность изготовления и эксплуатации электронно-лучевого оборудования.

Электронно-лучевая обработка часто оказывается более эффективной, чем обработка резанием при получении сквозных отверстий малого диаметра, вырезания по контуру особенно на материалах плохо поддающихся обработке резанием, обладающих высокой твёрдостью. При этом твёрдость обрабатываемого материала не влияет на эффективность электронно-лучевой обработки, которая применяется для размерной обработки твёрдых материалов: алмаза, эльбора, кварца, керамики, кристаллов кремния и германия.

Сфокусированный электронный луч может иметь диаметр в фокальной плоскости менее 1 мкм, что позволяет получить ширину реза не более 5 мкм или отверстие диаметром 5…10 мкм.

Зона перемещения электронного луча ограничена размерами 10*10 мм² . При необходимости большого перемещения применяют механическое перемещение обрабатываемой детали.

Особенно эффективна электронно-лучевая обработка для получения мелких сквозных отверстий в металлических и керамических пластинах, служащих фильерами, а также для придания объектам проницаемости. Производительность получения отверстий достигает 10⁵ отверстий в секунду, отклонение размеров обработанных поверхностей не превышают ± 5 мкм, а шероховатость - не более мкм. Электронно-лучевая обработка применяется для изготовления филер из различных твёрдых материалов толщиной до 5 мм с различной формой поперечного сечения отверстий.

На установках электронно-лучевой обработки производят также следующие операции.

Локальный переплав. Поверхностный слой расплавляется и кристаллизуется с весьма высокой скоростью в вакууме, измельчается структура, увеличивается растворимость легирующих компонентов, повышается твердость и прочность, происходит закалка, повышается износостойкость.

Электронно-лучевая плавка в вакууме позволяет получить особо чистые металлы, некоторые примеси разлагаются. Химически активные металлы плавятся в электронно- лучевых печах.

Электронно-лучевая сварка. При высокой удельной энергии металл из расплавленной ванны шва испаряется, что обеспечивает глубокое проплавление при очень тонком шве. Удается без разделки кромок сваривать за один проход детали толщиной до 100 мм: сварочные деформации и напряжения ничтожно малы. Можно сваривать за один проход детали толщиной до 300 мм, а в других случаях очень тонкие детали, например проводники толщиной 10 мкм, т. е. выполнять микросварку.

Электронно-лучевое испарение применяется для получения тонких металлических пленок.

Размерная обработка электронным лучом. Получение отверстий (глухих и сквозных), вырезание заданного контура детали, перфорация. Точность 5 мкм, шероховатость R_Z = 5 мкм.