2.3. Применение электронных пучков для технологических целей

С помощью плотных электронных пучков, ускоренных до энергий в несколько сотен килоэлектронвольт, возможно проводить такие технологические операции, как термообработка, плавление, испарение, сварка, размерная обработка и др. Особенностью применения электронных пучков в технологических процессах является отсутствие непосредственного силового контакта между инструментом и обрабатываемой деталью; параметры, при которых производится обработка, не зависят от механических свойств заготовки (твердость, прочность), а определяются физическими характеристиками материала (теплопроводность, температура плавления и др.). Основными достоинствами электроннолучевой обработки является возможность прецизионной обработки зоны весьма малого размера при большой тепловой мощности, выделяемой в месте воздействия луча. Система управления электронным пучком позволяет удобно изменять положение луча; за счет его фокусировки плавно регулировать удельную мощность в месте нагрева. К недостаткам электроннолучевой обработки следует отнести необходимость осуществления технологических операций при высоком вакууме, что требует использования дорогостоящего оборудования, сложного в эксплуатации. Однако наличие вакуума позволяет осуществлять при электроннолучевой обработке такие технологические процессы, которые невозможно провести по-другому (например, выплавка в вакууме многих сплавов титана, вольфрама, молибдена и др.). Рассмотрим некоторые особенности основных технологических операций при электроннолучевой обработке.

Электроннолучевая плавка. Используется для получения особо чистых металлов. Нагрев электронным пучком в вакууме позволяет осуществить более высокий перегрев жидкого металла в ванне, что существенно для эффективной дегазации металла и удаления летучих примесей. Прямой нагрев поверхности металла электронным пучком позволяет минимизировать загрязнение расплавленного металла материалом тигля или нагревательного элемента. Наличие вакуума позволяет осуществлять плавку химически активных металлов, которые вступают в реакции с газами, входящими в состав атмосферного воздуха. При плавке в вакууме происходит интенсивное удаление растворенных в металле газов; многие примеси при высоких температурах разлагаются и удаляются из зоны плавления вакуумными насосами. Все это способствует очистке переплавляемого металла от различных включений и улучшению его технических характеристик. Промышленные установки для плавления металлов с помощью электронных пучков имеют сравнительно высокую производительность: этим методом получают слитки металла массой в несколько десятков тонн.

Электроннолучевая сварка. Представляет собой локальное плавление материала с последующим его затвердеванием. Электроннолучевая сварка позволяет осуществить локальное плавление с небольшим объемом ванны расплавленного материала. В результате минимизируются деформации и напряжения, возникающие в материале после сварки. Поэтому возможно сваривать окончательно обработанные детали с минимальной их дальнейшей доработкой или вовсе без нее (например, закрепление на валу обработанных механически и термически шестерен зубчатых передач, сваривать шевронное колесо из двух косозубых колес и др.).

Электроннолучевую сварку целесообразно использовать для обработки толстостенных деталей. Это связано с тем, что при большой удельной мощности электронного луча осуществляется интенсивное испарение материала с поверхности. Под действием реакции паров происходит значительное углубление сварочной ванны, в результате получаются сварные швы с глубоким, так называемым «кинжальным» проплавлением (20-30 см за один проход луча). Благодаря тому, что электроннолучевая сварка осуществляется в вакууме, качество сварного соединения получается выше, чем при сварке в защитных газах. Это способствует широкому применению этого вида сварки при изготовлении деталей из вольфрама, титана, молибдена, циркония и др.

Размерная обработка электронным пучком. При достаточно большой удельной мощности пучка электронов скорость испарения и давления пара возрастают настолько, что расплавленный материал выбрасывается из зоны обработки. Этот эффект используется для резки материалов, получения деталей определенного профиля, изготовления отверстий, перфорирования материалов. Особо широко электронные пучки используются для обработки твердых материалов (алмаза, керамики, кристаллов кремния и германия и т.п.).

Помимо рассмотренных технологических операций, электронные пучки применяются также для электроннолучевого испарения вещества с целью получения тонких пленок, локальной термообработки материалов для закалки, отжига, очистки поверхности и других целей.