4.5. Электронно-лучевая обработка материалов

Электронно-лучевая обработка (ЭЛО) выполняется концентрированным потоком электронов, кинетическая энергия которого, преобразуясь на локальном участке поверхности детали в тепловую, вызывает плавление и (или) испарение материала. В разработке теоретических основ процесса воздействия электронного луча на материалы и его практического применения достигнуты значительные успехи.

Электронным лучом выполняют сварку, пайку, вырезание из листового материала, прошивку отверстий и узких щелей. Кроме того, его используют для поверхностного упрочнения закаливанием и оплавлением.

Обычно обработку ведут в вакуумных камерах при давлениях ~10^-3...10^-4 Па. Вакуум обеспечивает беспрепятственное перемещение электронов и защиту зоны обработки от окисления. Луч формируется электронной пушкой, создающей 'миссию электронов, например с нагреваемой пропусканием электрического тока вольфрамовой нити. В некоторых установках используют косвенный нагрев катода. Для изготовления катодов используют тугоплавкие материалы, такие как сплав вольфрама с торием и гексаборид лантана (LaB₆). Применяют и другие методы генерации свободных электронов, например из плазмы газового разряда. Ускорение электронов достигается подачей напряжения (30... 150 кВ) между катодом и анодом (рис. 4.101). Скорость электронов в луче при ускоряющем напряжении 150 кВ достигает 200000 км/с. Энергия электрона определяется зависимостью

где m_e — масса электрона; v_о, v — начальная и конечная скорости электрона; е — заряд электрона; U — ускоряющее напряжение.

Рис. 4.101. Схема ЭЛО:

1 — высоковольтный кабель; 2 — электронная пушка; 3 — анод; 4 — корректирующая система; 5 — система наблюдения (микроскоп); 6 — фокусирующая система; 7 — отклоняющая система; 8 — рабочая вакуумная камера; 9 — система перемещения изделия; 10 — обрабатываемое изделие

Анод имеет центральное отверстие для прохождения электронного луча.

Управление фокусировкой и перемещением луча производится фокусирующей и отклоняющей системами. Электронный луч может быть сфокусирован до диаметра 10...200 мкм с плотностью потока энергии ~ 6500 ГВт/мм2.

Перемещение луча относительно обрабатываемой поверхности выполняется отклоняющей системой в широком диапазоне скоростей по траекториям разной формы.

Основными параметрами, определяющими эффективность ЭЛО, являются:

• ускоряющее напряжение;

• ток луча;

• частота, форма и длительность импульсов;

• диаметр фокального пятна;

• свойства обрабатываемого материала.

На характер взаимодействия электронного луча с обрабатываемым материалом влияют плотность потока энергии и глубина проникновения электронов в поверхность 5. Последняя зависит от энергии электронов и характеристик атомной решетки обрабатываемого материала. Она может быть рассчитана по формуле

где р — плотность обрабатываемого материала.

Расчеты показывают, что при использовании ускоряющего напряжения U = 150 кВ электроны проникают в сталь на глубину ~77 мкм.

Кроме теплового воздействия электронного пучка на материал, на особенности обработки влияют механическое давление луча на рабочую зону и реакция паров, испаряющихся с поверхности.

Глубина проплавления материала при перемещении луча по поверхности со скоростью v может быть оценена по формуле

где Р — мощность электронного луча, Вт; 0т — температура плавления материала; X — коэффициент теплопроводности; С_р — удельная теплоемкость материала; d — диаметр электронного луча.

Рис. 4.102. Перфорированные пазы в фольге из коррозионно-стойкой стали толщиной 0,05... 0,08 мм

Эта зависимость может быть использована для оценочного расчета скорости перемещения луча относительно поверхности.

В производстве авиационных двигателей и их агрегатов ЭЛО используют для получения отверстий и узких пазов в различных материалах.

Толщина материала, мм ......................................... 0,05...5

Диаметр отверстия, мм ........................................... 0,75...1,0 при угле наклона 20...90°

Точность обработки, мм.......................................... ±0,025 с погрешностью

расположения ±0,01 мм

Время обработки одного отверстия, мкс............... 0,1. ..5,0

Форма отверстия....................................................... Коническое, цилиндрическое,

колоколообразное

Производительность, отв/с ..................................... 1...2000

Достигаемое отношение глубины к диаметру ..... 25:1

Материалы................................................................. Металлы и сплавы, неметаллы, включая

керамику, кварц, сапфир и др.

На рис. 4.102 и 4.103 приведены примеры, иллюстрирующие технологические возможности, а на рис. 4.104 — установка для электронно-лучевого сверления отверстий малого диаметра.

Рис. 4.103. Типичные отверстия диаметром 0,2 мм, полученные электронно-лучевым сверлением

Данные, иллюстрирующие технологические возможности ЭЛО по обработке отверстий и узких щелей, приведены в табл. 4.17, 4.18.

Для получения отверстий в фильтре (рис. 4.105), заготовка которого представляет собой цилиндр из листового материала, последняя устанавливается в специальное приспособление в вакуумной камере и приводится во вращение.

Таблица 4.17

Обрабатываемый материал	Толщина детали, мм	Диаметр отверстия, мкм	Время прошивки отверстия,с	Ускоряющее напряжение, кВ	Ток луча, мкА
Вольфрам	0,25	25	< 1	140	50
Коррозионно- стойкая сталь	2,5	125	10	140	100
Коррозионно- стойкая сталь	1,0	125	< 1	140	100
Алюминий	2,5	125	10	140	100
Керамика (А1203)	0,75	300	30	125	60
Кварц	3,0	25	< 1	140	10

Таблица 4.18

Обрабатываемый материал	Толщина детали, мм	Ширина реза, мкм	Скорость резки, мм/мин	Ускоряющее напряжение, кВ	Ток луча, мкА
Вольфрам	0,05	25	125	150	30
Коррозионно- стойкая сталь	0,175	100	50	130	50
Бронза	0,25	100	50	130	50
Алюминий	0,75	100	600	130	200

Рис. 4.104. Установка для перфорирования электронным лучом фирмы Steigerwald с многокоординатным ЧПУ (высокоскоростной электронно-лучевой перфоратор)

Рис. 4.105. Фильтр из коррозионно-стойкой стали толщиной 1,5 мм с 350000 отверстиями диаметром 0,1 мм, полученных электронно-лучевым сверлением

Каждое отверстие может обрабатываться за один или несколько импульсов. В процессе непрерывного вращения заготовки с частотой 1...2000 импульсов в секунду на нее воздействуют электронные пучки из электронной пушки. В течение каждого импульса луч отклоняется и фокусируется в требуемую точку поверхности (рис. 4.106). Энергию, длительность, размер фокального пятна и другие параметры каждого импульса назначают в зависимости от конкретных условий обработки и диаметра получаемого отверстия.

Применение ЭЛО ограничивают необходимость выполнения процесса в вакууме (большие энергетические потери на работу насосов, создающих вакуум) и высокая стоимость технологического оборудования.

Одним из направлений повышения эффективности ЭЛО является использование установок, обеспечивающих выход электронного луча в атмосферу, в частности через плазменное окно. Схема такой установки приведена на рис. 4.107. Поскольку отсутствует имеющая значительный объем вакуумная рабочая камера, возникает возможность создания компактных устройств, которые аналогично лазерным головкам могут устанавливаться на оборудовании с ЧПУ.

Рис. 4.106. Формирование отверстия при движении заготовки:

1 - электронный луч; 2 — отклоняющая система; 3 — заготовка; 4 — технологический подложка

Гак как не нужно создавать вакуум в рабочей камере, существенно сокращается время подготовки к обработке.

При определенных условиях плазменный разряд может использоваться в качестве барьера, препятствующего проникновению атмосферной среды в электронную пушку и обеспечивающего свободное прохождение электронного луча, ионов или других частиц. Схема плазменного окна показана на рис. 4.108.

Плазма удерживается в узком пространстве электрическими и магнитными полями, при этом устраняется ее контакт со стенками канала. Температура в зоне горячей плазмы составляет ~ 15000 К.

Стенки канала охлаждают водой.

С физической точки зрения эффект барьера обусловлен несколькими причинами.

Во-первых, увеличение температуры в канале приводит к уменьшению плотности среды (количества молекул в единице объема). Это следует из известного уравнения:

где р — давление; n — число молекул в единице объема; k — постоянная Больцмана; Т — температура.

В результате атмосферная среда выталкивается из плазменного окна. Плотность среды при температуре 15000 К, характерной для условий работы плазменного окна, будет в 40 раз ниже, чем в атмосфере.

Во-вторых, сказывается эффект динамической вязкости. Известно, что скорость υ ламинарного потока среды в трубопроводе определяется выражением

,

где η — вязкость среды; d и l — диаметр и длина трубы; р₁ и р₂ — давления на концах трубы; р_а — среднее арифметическое давлений р₁ и р₂.

Рис. 4.107. Схема электронно-лучевой установки с плазменным окном:

1 — высоковольтный кабель; 2 — электронная пушка; 3 — анод; 4 — корректирующая система; 5 — система наблюдения (микроскоп); 6 — фокусирующая система; 7 — отклоняющая система; 8 — плазменное окно; 9 — форвакуумный насос первой ступени; 10 — форвакуумный насос второй ступени; 11 — турбомолекулярный (диффузионный) насос

Рис. 4.108. Конструкция плазменного окна:

1 — электронный луч; 2 — система катодов; 3 — зона горячей плазмы; 4 — зона холодной плазмы; 5 — анод; 6 — подача плазмообразующего газа; 7 — медные охлаждаемые пластины; 8 — изоляционные пластины

Вязкость газовой среды увеличивается с ростом температуры:

Постоянная а зависит от вида газа, а степенной коэффициент X > 1. Очевидно, что скорость потока газа, поступающего в нагретый плазмой канал, будет существенно меньшей. В качестве плазмообразующего газа используют аргон и гелий.

Специалисты считают, что использование технологии плазменного окна позволит в ближайшие годы существенно расширить технологические возможности электронно-лучевой обработки. В частности, станет возможным выполнение процессов резки с удалением расплавленного металла потоком газа, как при лазерной обработке. Энергетически электронный луч на 80...90 % более эффективен, чем лазерный. Следует отметить, что путь луча в атмосфере до обрабатываемой поверхности не должен превышать 200.. .300 мм.

На рис. 4.109 показаны отверстия в стальной пластине, полученные ЭЛО с плазменным окном.