1.5. Взаимодействие электронного луча с веществом

В результате встречи потока электронов с обрабатываемым веществом кинетическая энергия движущихся электронов превращается в другие виды энергии.

Мощность, или плотность потока энергии, электронного пучка в месте встречи его с обрабатываемым материалом равна:

P= Вт (5.5)

где – ускоряющее напряжение, В;

– сила тока луча, А;

– эффективный КПД нагрева.

Удельная поверхностная мощность луча в зоне его воздействия на вещество:

Р_о=P/S, Вт/м² (Р_о=10¹²…10¹³) (5.6)

где S – площадь сечения луча на поверхности вещества.

При данном (max) значении Р_о можно проводить размерную обработку материалов за счет их локального испарения.

При меньших значениях Р_о (за счет расфокусировки луча) проводят плавку, сварку, нагрев в вакууме.

При ускоряющем напряжении =20 кВ и удельной поверхностной мощности Р_о= В/м² за время с в поверхностных слоях различных материалов развиваются следующие температуры (в скобках указаны Т_{кипения}),°К.

Аℓ-(2593) 4423; Ti-(3773) 5313; нерж.сталь-(3323) 5373; Si-(2773) 6273; Ni-(3273) 7113; W- (5673) 15873.

Съем металла с обрабатываемой поверхности за счет его испарения и взрывного вскипания лежит в основе размерной электроннолучевой обработки.

Падающий на поверхность обрабатываемой заготовки электронный поток вызывает вторичную электронную эмиссию с обрабатываемой поверхности и термоэлектронную эмиссию из разогретой зоны обработки.

Теряемая мощность при этом составляет 1%.

Давление потока электронов (Па) на обрабатываемый материал определяется как отношение суммы импульсов к площади поверхности. Его находят по эмпирической формуле

, Па (5.7)

Где j – плотность тока в луче, А/м² (1,3· А/м²);

– ускоряющее напряжение, В ( =20 кВ).

Плотность тока в луче находится в пределах j=(0,1…1,5)·1 А/м².

2. Основные технологические процессы электроннолучевой обработки

2.1 Особенности электронного луча

Главные достоинства электроннолучевой обработки с технологической точки зрения:

1) возможность за счет фокусировки луча плавно изменять в широких пределах удельную энергию в зоне нагрева;

2) большая мощность (от десятков ватт до мегаватт);

3) сравнительная простота управления пространственным положением луча с помощью магнитной системы и возможность модулирования луча по мощности;

4) наличие вакуума как рабочей среды;

5) возможность получения малоразмерной (прецизионной) зоны воздействия электронного луча на обрабатываемый материал.

Недостатки:

1) необходимость обеспечения высокого вакуума, что для ряда изделий трудно осуществимо;

2) сложность изготовления и эксплуатации электроннолучевого оборудования, дороговизна, должна быть защита от рентгеновского излучения.

Все основные технологические операции электроннолучевой обработки можно условно разбить на три группы:

— плавление (локальный переплав, плавка в вакууме, сварка);

— испарение (испарение в вакууме, размерная электроннолучевая обработка);

— термообработка без изменения агрегатного состояния вещества.

2.2 Локальный переплав

Он дает возможность получать чрезвычайно высокие скорости кристаллизации металла в зоне плавления.

Получаются другие структуры: расширяются границы растворимости для твердых растворов, измельчается микроструктура, значительно повышаются пластичность и твердость.

Быстрое остывание расплавленного металла приводит к последующей дополнительной закалке и за время с температурного цикла нагрев-охлаждение у закаливающихся сталей образуется структура мелкозернистого мартенсита с весьма высокой твердостью.

Включение этих зон в более пластичный основной металл повышает износостойкость поверхности.

Иногда такое поверхностное оплавление материала называют “облагораживающим” — исходный материал используют недорогой.

2.3 Электроннолучевая плавка

Она применяется в тех случаях, когда необходимо выплавлять особо чистые металлы, в том числе химически активные.

Электроннолучевая плавка позволяет получать более высокий перегрев жидкого металла в ванне и наиболее полно производить дегазацию металла, отгонку летучих примесей, удаление неметаллических включений (рафинирование).

Сплавы на основе Ti, W, M_o, Ni — выплавляют в вакууме.

Начиная с 60-х годов XX столетия все тугоплавкие и химически активные металлы выплавляются в электроннолучевых печах при давлении Па получают слитки массой до 20 m.

Для выплавки стали имеются печи мощностью 1200 кВт, в которых получают слитки массой по 12 m. Они идут на изготовление валов и лопаток турбин, камер сгорания, высокоскоростных шарикоподшипников.

Переплавляемый металл может быть в любом виде: шихта, пруток, лом, спеченные штабики, губка.

2.4 Электроннолучевая сварка

Отличительной особенностью данной сварки является получение швов с глубоким проплавлением. Его называют “кинжальным”. Такое проплавление дает возможность за один проход сваривать без разделки кромок заготовки толщиной до 100 мм.

Глубокое проплавление позволяет получать сварные соединения принципиально новой формы, которые нельзя получить другими способами, а именно: стыковое при большой толщине и тавровое.

Малый объем ванны расплавленного металла, получаемый при электроннолучевой сварке, резко снижает деформации сварных изделий.

Открывается возможность сваривать конструкции из уже окончательно обработанных деталей.

Возможна также сварка термообработанных изделий. Зона разупрочнения очень мала, что не сказывается на работоспособности изделия в целом.

Пример изготовления шевронного колеса. Сначала изготовляют два отдельных косозубых блока с помощью пальцевой фрезы, а затем их сваривают. Их устанавливают в весьма ответственных конструкциях авиационных двигателей.

Изготовление толстостенных конструкций — проплавление глубиной до 200…300 мм (атомные реакторы, бойлеры электростанций).

Микросварка для соединения микросхем. Сваривают различные выводы и контактные элементы толщиной менее 0,3мм и проводники диаметром 10…300 мкм.

Производство заготовок для ленточных пил. Ножовочное полотно из инструментальной стали высотой до 3мм приваривается к вязкой конструкционной стали – основанию.

Сварка электронным лучом рассматривается как один из основных процессов для монтажа и ремонта в космосе различных конструкций и агрегатов. На высоте 200 км давление находится в пределах Па

В 1969 году на “Союзе — 6” впервые были проведены эксперименты на установке “Вулкан”.