Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Специальные методы сварки плавлением в электронике. Учебное пособие для бакалавров
.pdf
3.1.2. Механизм кинжального прокалывания
Явление аномально глубокого проплавления металлов при
определенных режимах электронно-лучевой сварки получило
название кинжального проплавления — по своему внешнему
сходству макрошлифа сварного шва с кинжалом. Отношение
глубины шва к его ширине может достигать 20:1 и более.
Механизм кинжального проплавления можно представить
следующим образом.
В месте падения луча, сфокусированного пушкой, образуется сферическое оплавление, напоминающее после
застывания шляпку гвоздя. При этом начинается испарение
металла в окружающее пространство. За счет ударной ионизации нейтральных атомов образуются положительные ионы,
компенсирующие отрицательный объемный заряд пучка. При
достаточном сжатии пучка электронов под действием собственного магнитного поля и положительных ионов на поверхности
расплавленного металла образуется углубление, кратер, стенки
которого поддерживаются в равновесии электронным давлением и реактивной силой струи пара. В глубине образовавшегося
канала давление пара существенно отличается от давления
вблизи поверхности, это, в свою очередь, создает условия для
большого сжатия пучка электронов. Эффект сжатия доминирует над процессами рассеяния, поэтому потери энергии незначительны. Над поверхностью кратера образуется плазменный
«пузырь», способствующий большей компрессии пучка. Благодаря большой плотности мощности пучок может без существенных потерь проникать через вещество в паро плазменной фазе
на значительную глубину в металл. Последний, расплавляясь
на дне кратера, поднимается по стенкам канала, периодически
перекрывая путь потоку электронов. В результате подобного
рода нестабильностей процесса проплавления возникают нестабильности и глубины провара с образованием пучков в корне
шва. Кинжальное проплавление позволяет получать весьма
большое отношение глубины проплавления к ширине сварного
91
шва — это значит, что потребуется минимальное количество
тепла. При сварке электровакуумных приборов данное обстоятельство может иметь решающее значение при выборе того или
иного способа соединения металлов.
3.1.3. Технология сварки
Для перемещения электронного луча по изделию можно
воспользоваться воздействием магнитных или электрических полей на электронный луч, перемещением пушки или
изменением угла ее наклона, а равно механическим перемещением изделия под электронным лучом.
Большое применение сейчас получили электромагнитные
отклоняющие системы, которые используются в электроннолучевых пушках. Они предназначены для отклонения луча
на заданное расстояние и его точной установки на кромки
свариваемого изделия. Их изготовляют в виде четырех катушек, соединенных последовательно попарно, расположенных
под углом 180º друг к другу. Изменяя ток в катушках, можно
устанавливать луч в любой заданной точке.
Названный вид отклоняющей системы используется
в отклоняющих системах телевизионных кинескопов, ее также можно использовать для передвижения луча и по сложным кривым: квадрату, эллипсу, кругу и т. п.
Другой вид электромагнитных отклоняющих систем изготовляют по типу обмоток роторов динамо-машин.
Сейчас получены серьезные научные результаты в области изучения процесса электронно-лучевой сварки, свойств
сварных соединений многих металлов, технологии сварки
неметаллических материалов (керамики на основе окислов
алюминия, карбидов и прочего), соединений высокотемпературных неметаллических материалов.
При этом эксплуатация изделий, сваренных электронным
лучом, показала достаточно высокую работоспособность таких
соединений в сложных условиях.
92
Кроме того, уже накоплен опыт в сфере технологии
электронно-лучевой сварки тугоплавких и редких металлов,
высокопрочных, жаропрочных и коррозионностойких сплавов
и сталей, разработаны надежно работающие электронные
пушки и источники питания, налажен выпуск электроннолучевых установок для сварки от изделий микроэлектроники
до крупногабаритных изделий, спроектированы и производятся заводами установки для непрерывной сварки изделий,
обладающие высокой производительностью.
Электронно-лучевая сварка широко и эффективно используется сейчас в электронной и атомной промышленности, ракето- и самолетостроении, автомобильной промышленности, при
изготовлении различного рода шестерен, в инструментальной
промышленности при изготовлении режущего инструмента
и т. п. Далее необходимо внедрять использование электроннолучевой сварки и в других, смежных и несмежных, отраслях
техники.
Необходимость улучшения качества сварных соединений
в энергомашиностроении (при изготовлении ответственных
деталей мощных паровых и газовых турбин, узлов и арматуры парогенераторов), автотракторной промышленности (при
изготовлении деталей двигателей автомобилей и тракторов,
а также других изделий широкого назначения) назревала
давно.
Широкие возможности электронно-лучевой обработки материалов, ведение процесса в вакууме, которые обеспечивают
высокую чистоту обрабатываемого материала, концентрация
энергии в электронном луче до значений, недоступных ранее
известным источникам, — все это способствует внедрению
электронно-лучевой обработки материалов как в отрасли,
связанные с точным производством (микроэлектроника, приборостроение и др.), так и в отрасли, производящие крупногабаритные изделия (например, тяжелое машиностроение).
С помощью электронного луча выполняют такие технологические операции, как наплавка, поверхностный переплав,
93
локальная термообработка, нанесение покрытий, создание
новых (биметаллических, композитных) материалов методом
осаждения, сварки и др.
В настоящее время в установках электронно-лучевой
обработки материалов используются источники электронов
на основе термокатодных и плазменных источников электронов.
Плазменные источники электронов были разработаны
как альтернатива термокатодным.
Интерес к плазменным источникам электронов определяется:
1) высокой надежностью и большим ресурсом в характерных для технологии условиях невысокого вакуума, интенсивного испарения материалов, частых разгерметизаций;
2) функционированием не только в высоком вакууме,
но и при определенных условиях и в промежуточном вакууме,
т. е. при давлении до 10 Па;
3) генерацией наряду со сфокусированными пучками однородных пучков большого сечения;
4) реализацией специфичных технологических режимов:
импульсных и сильноточных.
Источник электронов с плазменным эмиттером можно
определить как электроразрядное устройство, генерирующее
плазму, из которой электроны выходят через каналы в одном
из электродов (эмиттерном) в ускоряющий промежуток, где
происходит формирование электронного пучка. Характерной
особенностью разряда этого типа является осцилляция быстрых электронов, эмулированных с внутренних стенок катодной
полости и ускоренных в катодном слое. В разряде с полым катодом быстрые электроны остаются в разрядном промежутке
достаточно долгое время, многократно отражаясь в катодном
падении потенциала. Возможны различные конфигурации
полого катода, обеспечивающие осцилляцию электронов, однако в плазменных источниках электронов катодная полость
94
обычно выполняется в виде полого цилиндра с центральным
отверстием в одном из его торнов (рис.
3.4).
Рис. 3.4. Электронная схема разряда с полым катодом:
1 — катод; 2 — анод; 3 — отверстие;
4 — катодный слой; 5 — плазма
58
В зависимости от требуемых эмиссионных параметров
плазмы характерные размеры полости варьируются от единиц миллиметров до десятков сантиметров. Оптимальное
отношение длины полости l' к ее диаметру d' лежит в пределах
l'/d ' ≈ 1 ... 10. Диаметр отверстия в открытом аноде, торце полости обычно в несколько раз меньше d'. Именно электростатиче-
ское удержание электронов в катодной полости обуславливает
так называемый эффект полого катода, который проявляется
в резком понижении напряжения горения разряда и увеличении его тока, а также расширении рабочего диапазона давлений
в область более низких значений. Отметим, что эффект полого
катода реализуется лишь в условиях, когда длина свободного
пробега электронов превышает характерный размер катодной
полости.
58
Жадан С. С. Перевозникова Я. В., Ганюшкин А. Н. Электроннолучевая сварка узлов электровакуумных приборов на основе плазменных
источников электронов : Сборник трудов 6-й Всероссийской студенческой
конференции. МВ и ССО РФ. — Казань, 2013. — С. 43–44.
95
Важная способность плазменного катода состоит в возможности отбора из плазмы практически всех электронов, генерируемых в разрядном промежутке. Это обуславливает высокую
эффективность эмиттера электронов такого типа. Относительно
высокая по сравнению с термокатодом температура электронов
в плазме может быть отнесена к одному из недостатков плазменного эмиттера электронов, повышающего эмиттанс электронного пучка и ограничивающего значение его яркости. Однако
большая плотность электронного тока, отбираемого из плазмы,
позволяет существенно ослабить негативное влияние повышенной температуры электронов на качество формирования
электронного пучка. Это обуславливает широкие возможности
использования плазменных эмиттеров для получения электронных пучков с различными характеристиками и расширение
области применения электронно-лучевых технологий. Так, необходимость напуска плазмообразующего газа в газоразрядную
камеру для формирования эмитирующей плазмы обеспечивает
повышение стабильности работы плазменного источника при
неустойчивости давления, возникающего в процессе обработки
материалов. Характерное для плазменных эмиттеров наличие
более существенной по сравнению с термокатодными пушками
радиальной скорости электронов в пучке способствует реализации ввода-вывода кратера более простым способом и исключению при этом вероятности проварки изделия при пробоях.
Кроме этого, в отличие от термокатодных пушек эмиссия электронов в плазменных эмиттерах осуществляется с подвижной
плазменной поверхности, что позволяет формировать пучки
различной геометрии для упрочняющих технологий.
Применение импульсного способа ЭЛС с повышенным
проплавляющим эффектом снижает остаточную деформацию
образцов на 40–60% по сравнению с непрерывным режимом.
Процесс формирования шва при импульсном режиме менее
чувствителен к изменениям параметров режима сварки, что
особенно важно для исключения прожогов при сварке тонкостенных металлов, используемых в электровакуумном приборостроении.
96
На рис.
3.5 показана установка электронно-лучевой свар-
ки с таким катодом.
Рис. 3.5. Электронно-лучевая пушка:
1 — корпус; 2 — уплотнительное кольцо; 3 — изолятор;
4 — полый катод; 5 — эмиттерный катод; 6 — анод; 7 —
кольцевые магниты; 8 — фланец; 9 — экстрактор; 10 — линза
электромагнитная; 11 — отклоняющая система; 12 — натекатель;
13 — вставка эмиттерного катода; 14 — юстировочные винты;
15 — компенсационное кольцо; 16 — ручка натекателя;
17 — трубки подачи и слива охлаждающей жидкости;
18 — кожух; 19 — кнопка; 20 — болт заземления
59
59
Жадан С. С. Перевозникова Я. В., Ганюшкин А. Н. Электронно-
лучевая сварка узлов электровакуумных приборов на основе плазменных источников электронов. — С. 46–47.
97
Принцип работы пушки заключается в следующем:
между анодом (6) и эмиттерным катодом (5) прикладывается
напряжение 220 В в разрядной камере, образованной полым
(4) и эмиттерным (5) катодами и анодом (6). В скрещивающихся
магнитном и электрическом полях при подаче воздуха через натекатель возбуждается разряд «пенинга», характеризующийся
высоким (800 В) напряжением и малым (единицы мкА) током.
Источником электронов здесь является электронная эмиссия
с плоских частей катода. Под действием полого катода возникает полокатодный отражательный разряд, характеризующийся
увеличением (до 500 мА) тока и снижением (до 380 В) напряжения горения. В этом случае основным источником электронов
является фотоэмиссия со стенок полого катода.
Полокатодный отражательный разряд в виде плазменного
шнура проникает в разрядную камеру и в область эмиссионного отверстия эмиттерного катода, через которые под действием
электрического поля «катод — анод» и ускоряющего напряжения до 25 кВ происходит отбор до 50% электронов, формирующихся в электронный луч, который собирается электромагнитной линзой в фокус, находящийся на свариваемом изделии.
Управление током луча осуществляется изменением тока
разряда. Отклонение луча по двум координатам производится
отклоняющей системой.
Изменение положения пучка относительно кромок свариваемого материала выполняют магнитные отклоняющие системы, или электронный луч наводится на свариваемые кромки
60
путем механического перемещения пушки
(рис. 3.6).
Наблюдениеза процессом сварки, совмещение инструмента со свариваемым стыком во время сварки имеют первостепенное значение. Даже тогда, когда работа установки
автоматизирована, наблюдение необходимо для первоначальной настройки и периодического контроля.
60
Бадьянов Б. Н., Давыдов В. А. Указ. соч. — С. 86, 87.
98
Рис. 3.6. Конструкция
сварочной пушки:
1 — катод; 2 — управляющий
электрод; 3 — анод; 4 — изолятор;
5 — фокусирующая магнитная линза
Рис. 3.7. Смотровое окно:
1 — рентгеновское (свинцовое)
стекло; 2 — внутреннее
иллюминаторное стекло;
3 — быстросъемное стекло
61
В промышленных установках получили распространение системы наблюдения двух основных типов: смотровые
окна и телевизионные системы.
61
Смотровые окна являются непременным элементом лю-
бой сварочной установки, обеспечивающей сварку в камере.
Их форма, размеры, конструкция, а также расположение
на сварочной камере в каждом конкретном случае выбира-
62
ются из условия удобного наблюдения
. Поэтому зона обзора
должна быть максимальной, окна — прочными и герметичны,
оператор должен быть защищен от излучения сварочного источника нагрева.
61
Бадьянов Б. Н., Давыдов В. А. Указ. соч. — С. 86, 87.
62
Там же.
99
На рис.
3.7 показано смотровое окно установки для элект-
ронно-лучевой сварки.
Внутреннее иллюминаторное стекло (2) воспринимает всю
нагрузку, создаваемую атмосферным давлением. С внешней
стороны расположено рентгеновское (свинцовое) стекло (1),
обеспечивающее защиту оператора-сварщика от рентгеновского излучения, возникающего при взаимодействии электронного
луча со свариваемым материалом. Для защиты от запыления
смотрового окна при сварке в вакууме предусмотрено быстросъемное стекло (3). Наиболее перспективным является способ
наблюдения за процессом сварки с помощью телевизионных
систем. Эти системы обеспечивают качественную передачу
изображения на большие расстояния и дают возможность
производить наблюдения в труднодоступных местах. Однако
использование таких систем для телевизионного наблюдения
за процессом сварки связано с рядом трудностей. Их применение осложняется большой контрастностью освещения сварочной ванны и основного металла, высокой интенсивностью
света в видимой области спектра, нагревом передающей камеры от сварочного инструмента, внешними электромагнитными
наводками и запылением оптики
63
.
Основными параметрами процесса электронно-лучевой
сварки являются ток электронного пучка, ускоряющее напряжение, скорость сварки и ток магнитной фокусирующей линзы,
определяющий диаметр пятна нагрева изделия. Большая
мощность и локальность нагрева позволяют использовать луч
для сварки любых металлов значительных толщин. Минимальная площадь пятна нагрева электронным лучом составляет
–7
10
см 2, а плотность энергии в пятне нагрева может достигать
8
5 × 10
Вт/см 2. Плотность энергии в электронном луче для сварки должна иметь свой оптимум, так как при слишком высокой
плотности энергии возможно не только плавление металла,
но и быстрое испарение, вследствие чего происходит резание
металла.
63
Бадьянов Б. Н., Давыдов В. А. Указ. соч. — С. 86, 87.
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]