Електронно-променева гармата для зварювання матеріалів

Електронно-променева гармата Пірса, яка генерує параксіальний потік електронів характеризуються співвідношеннями Пірса:

(20)

(21)

де z – повздовжня координата, відрахована від катода;

А – конструктивний коефіцієнт, А = U_пр/d^4/3;

U_пр – різниця потенціалів між анодом і катодом, кВ;

d – відстань «катод-анод», м.

Для забезпечення граничної умови U = A^.z^4/3, dU / dy = 0 (рис. 9) необхідно щоб форма електродів гармати повторювала форму еквіпотенціальних поверхонь у області зовнішній до потоку, (рис. 9).

Рис. 9. Граничні умови та особливості траєкторії електронів в окремих зонах електростатичної системи виготовленої електронно-променевої гармати

У спрощеній формі достатньо відтворити лише форму еквіпотенціальної поверхні нульового потенціалу (прикатодного електрода), яка представляє собою площину, що нахилена до границі потоку під кутом 67,5°, а форма електрода з потенціалом анода може бути площиною перпендикулярною до потоку (в загальному випадку анод має складну форму). Ширина електронного потоку b_пот на поверхні виробу дорівнює 3...5 діаметрів катоду d_кат. Анодний отвір діє на електронний потік як розсіююча лінза. В результаті дії цієї лінзи після аноду електронний потік має форму стрічки з кутом розходження .

Користуючись тією обставиною, що оддалік потоку зміна форми електроду майже не впливає на розподілі потенціалу в області потоку вважається достатнім витримати потрібну форму електродів на відстані від границі потоку, рівному (1...1,5)·b_пот, де b_пот = 2 мм – ширина потоку. Така конструкція електронно-променевої гармати веде до викривлення траєкторії електронів і форми електронного потоку.

В експериментальній електронно-променевій гарматі прикатодний електрод представляє собою дві призми розташовані симетрично до катоду. Грані призм прилягають до катода під кутом 67,5° до границі електронного потоку і виконують роль нульових еквіпотенціалів (мають потенціал катода). За теорією Пірса, поверхня з нульовим потенціалом повинна підходити до границі потоку впритул до катоду.

Проектування схеми для реалізації електронно-променевого зварювання

Відхилення густини розподілу енергії по перерізу електронного потоку можна розділити на такі складові: нерівномірність розподілу вздовж стрічки, відхилення від гаусівського розподілу в поперечному перерізі потоку, відхилення повного струму електронного потоку. Нерівномірність розподілу енергії вздовж стрічки призводить до нерівномірного термічного впливу на поверхню об’єкта, відхилення від гаусівського розподілу в поперечному перерізі потоку та відхилення повного струму електронного потоку призводять до недостатнього або надлишкового внесення енергії в поверхню об’єкта обробки.

До похибок формування електронного потоку можна віднести такі: Δj_поз – похибки, зумовлені неточністю позиціонування катоду відносно модулюючих електродів та аноду в електронно-променевій гарматі, які призводять до нерівномірності електронного потоку порядку 1...2 %, що може викликати нерівномірність нагріву 5...7 К; Δj_кат – похибки, викликані процесами, які відбуваються на катоді електронно-променевої гармати (старіння, провисання катоду) призводять до нерівномірності електронного потоку порядку 1%, що може викликати нерівномірність нагріву 2...3 К; Δj_пр – похибки, викликані дією на електронний потік електричних, магнітних полів та залишкових газів у пролітному каналі, призводять до нерівномірності електронного потоку порядку 0,2...0,3%, що може викликати нерівномірність нагріву близько 10 К; Δj_вз – похибки, зумовлені процесами, які відбуваються при взаємодії електронного потоку з поверхнею оптичного скла, призводять до нерівномірності електронного потоку порядку 1...2%, що може викликати відхилення від заданої температури нагріву на 20...30 К; Δj_роз – похибки, викликані відхиленням струму розжарення катоду від заданого, призводять до нерівномірності електронного потоку порядку 0,1...0,2%, що може викликати відхилення від заданої температури нагріву на 3...5 К; Δj_прис – похибки, зумовлені відхиленням прискорюючої напруги від заданої, призводять до нерівномірності електронного потоку порядку 0,5...1%, що може викликати відхилення від заданої температури нагріву на 10...20 К.

Відхилення швидкості переміщення об’єкта обробки від заданого алгоритму призводить до нерівномірного розподілу енергії, внесеної в поверхню об’єкту обробки. Основні кінематичні схеми, які використані при електронній мікрообробці оптичних пластин представлені на рис. 10.

а б

Рис. 10. Кінематичні схеми механізмів обертального (а) та поступального (б) переміщення оптичних виробів у зону обробки:

1 – вакуумна камера; 2 – електропривід; 3 – вакуумний ввід; 4 – модуль електронно-променевої гармати Пірса; 5 – стрічковий електронний потік; 6 – затискний пристрій з оптичними пластинами; 7 – карусель з гніздами для затискного пристрою; 8 – гвинтова передача.

До загальних похибок механізму переміщення можна віднести такі: Δυ_дат – похибки, викликані неточністю датчика швидкості складають ≈ 5 мкм і не накопичуються при пересуванні об’єкта; Δυ_нл – похибки, викликані нелінійністю характеристик електроприводу, які складають не більше 50 мкм; Δυ_к – похибки, які виникають у системі керування електроприводу при використанні мікропроцесорної системи керування з ПІД-регулятором складають не більше 20 мкм.

До похибок механізму переміщення відносимо: Δυ_т – похибки температурних деформацій при врахуванні робочої температури (близько 700 К) складають не більше 100 мкм; Δυ_мех – похибки, зумовлені геометричною особливістю механізму переміщення складають не більше 10 мкм; Δυ_пер – похибки, які виникають в ланках передачі руху від привода до візка з об’єктом, які складають не більше 50 мкм.

Розглянемо більш детально похибки, які виникають в різних схемах механізмів переміщення.

Обертальний рух пластини, (рис. 10, а). У випадку обертального руху значний вплив на похибку розташування спричинює відхилення вісі обертання від центральної вісі симетрії вакуумної камери (рис. 11).

Рис. 11. Схема визначення похибки положення пристрою обертальної подачі:

АСК – абсолютна система координат; ВСК – відносна система координат; _lоб – лінійна похибка; _об – кутова похибка; w-w – обертальний рух.

Лінійну та кутову похибки в цьому випадку можна визначити користуючись формулами:

Лінійна похибка: ,

Кутова похибка: ,

де t – експериментальний коефіцієнт, який визначає долю допустимого браку;

₁, ₂ – експериментальні коефіцієнти, що залежать від руху пристроїв подачі і мають наступні значення: ₁=1/3 – для простого руху пристроїв подачі; ₂=1/9 – для руху пристроїв подачі по складній траєкторії;

_с – похибка, яка враховує конструктивні особливості при установці пристрою обертальної подачі у вакуумній камері, такі, як зміщення площини розташування пристрою відносно корпусу камери. Шляхом налагодження пристрою, цю похибку можна довести до величини: _с = 10 … 20 мкм;

_ус – похибка, яка виражає неточність положення установчих елементів обертального пристрою і не компенсується налагодженням останнього: _ус = 10 мкм;

N₁, N₂ – відповідно, кількість зачеплень зубчатих коліс на вихідній та вхідній ланці пристрою обертальної подачі;

_шк^/, _кс^/ - відповідно, похибки, які виникають в зачепленнях “ведучий шків-коромисло” та “коромисло-сателіт” (рис. 10,а);

_зн – похибка зносу установчих елементів пристрою, яка залежить від часу роботи пристрою, його конструкції, розмірів, матеріалу та маси і складає:

ε_зн = β^.N;

де  – коефіцієнт зношення; =0,002…0,004;

N – кількість контактних поверхонь пристрою з корпусом установки (враховуються місця встановлення вісі пристрою на підшипники); для даного пристрою обертального руху N = 2.

При поступальному русі (рис. 10, б, рис. 12) похибка розташування виникає в результаті накопичення похибок відхилення осей шківів, перекосу площини візка відносно базової площини вакуумної камери та інших.

Рис. 12. Схема визначення похибки положення пристрою подачі поступального руху: АСК – абсолютна система координат; ВСК – відносна система координат; _lпос – лінійна похибка; _пос – кутова похибка; w-w – обертальний рух; х-х – поступальний рух.

Розрахувати лінійну та кутову похибки в даному випадку можна скориставшись формулами:

Лінійна похибка: ,

Кутова похибка: .

Лінійна похибка при поступальному русі відрізняється від похибки, яка виникає при обертальному русі, коефіцієнтами. Так, для поступального руху ці значення дорівнюють:

ε_зн = k^.β^.N,

де k – коефіцієнт тертя коліс візка по поверхні напрямної;

N – кількість контактних поверхонь; для візка N = 4.

_п – похибка, яка виникає при перекосі осей шківів (рис. 10, б): _п = tg (h / L);

_в – похибка, яка враховує конструктивні особливості візка: люфти, геометричний контур коліс тощо. В пристроях з прецизійними підшипниками (квалітет  5), ця похибка може дорівнювати: _в = 0,002 … 0,005 мкм.

Визначити похибку, яку діє пристрій подачі пластин під час обробки технічно дуже складно, але її можна контролювати шляхом налагодження окремих елементів пристрою.

Розглянемо похибки, пов'язані із кріпленням оптичних матеріалів в пристроях подачі. Виберемо дві схеми кріплення оптичних матеріалів затискними пристроями – вільно зв‘язана та жорстко зв‘язана. Різниця при розрахунку похибок за цими двома схемами полягає в тому, що при вільно зв‘язаній схемі кутова похибка не враховується, оскільки під дією розподіленої сили тяжіння, площина затискного пристрою (і, відповідно, виробу) розташовується паралельно площині горизонту. В іншому випадку похибки кріплення визначаються наступним чином:

Лінійна похибка: ,

Кутова похибка: γ_α = (y_max – y_min)^.cos α,

де – середнє значення міцності на згинання; для оптичного скла марки К8:

= 142,3  13,6 МПа;

F – площа перекриття оптичного виробу затискним пристроєм;

Rz – шорсткість поверхні виробу зі скла;

y_max, y_min – відповідно, максимальне та мінімальне значення поля допуску розміру зони, яка затискається;

 - кут зміщення вимірної бази відносно горизонтальної площини.

Сумарна похибка, що виникає при базуванні виробу у вакуумній камері представляє собою геометричну суму отриманих складових:

Сумарна лінійна похибка: ,

Сумарна кутова похибка: ,

Загальна похибка: мм.

Катоди електронно-променевої гармати

Залежно від конкретного виду технологічного процесу, який виконується (оплавлення, зварювання, зміцнення тощо), на поверхні об'єкта потрібно забезпечити і підтримувати певну густину потужності електронного променя.

Як показано вище, найпростіша електронно-променева система складається з анода, катода та фокусуючи електродів.

Катод емітує електрони, і на поверхні катода проходять процеси електронної емісії. Щоб здійснилась емісія, потрібно затратити енергію, яка називається роботою виходу φ. В таблиці 1 подані кількісні значення, роботи виходу деяких матеріалів.

Робота виходу електронів з однокомпонентного W - катоду різко зменшується, якщо на його поверхні в декілька атомних шарів нанести плівку або дифундувати у поверхневий шар Ва, Са, Lа, Тh. Широке використання на практиці знайшли катоди з покриттям ТhО₂ на LаВ₆.

Таблиця 1 - Робота виходу електронів із деяких металів

Матеріал катода	Fe	W	W-Th	W-La	W-Ba	W-Cs	Mo	Ta
φ, еВ	4,36	4,5	2,7	2,7	1,6	1,5	4,27	4,12

При розрахунку електронно-променевих систем враховують такі види емісії: термоелектронну та автоелектронну.

Термоелектронна емісія проходить під дією високої температури, автоелектронна – під дією електричного поля. Внаслідок перебігу різних видів емісій у системі виникає емісійний струм. Густина струму термоелектронної емісії визначають з рівнянням Річардсона-Дешмана:

, [А/м²] (22)

де А - константа, теоретичне значення якої дорівнює А = 120 А/(см · К)²

( наприклад, для металів: Fе - А = 60; W - А = 70; Тh - А = 70);

Ф = e · φ; де e =1,6 · 10^-19 Кл - заряд електрона;

φ - робота виходу, еВ;

k = 1,38 · 10^-23- стала Больцмана, Дж/К.

Густину струму автоелектронної емісії визначають за формулою Фаулера-Нордгейма:

, [А/м²]

де Е - напруженість електричного поля, В/м.

На практиці одночасно проходять процеси термоелектронної й автоелектронної емісії, тому густина авто-термоелектронної емісії визначають за формулою:

[А/м²] (23)

Для конкретної електронно-променевої гармати питому потужність Р_пит у плямі нагріву (фокальній плямі) можна приблизно визначити так:

[Вт/м²] (24)

де k - постійна для окремої гармати; U_прис - прискорююча напруга, В; j_ат - густина струму емісії катоду, А/м².

При постійній прискорюючій напрузі максимальний струм емісії залежить не тільки від характеристик і температури катоду, але і від об'ємного заряду поблизу катоду та заряду самого електронного променя, вплив яких зростає з підвищенням струму. У зв'язку з цим, для струму емісії електронно-променевих гармат виконується відомий закон трьох других:

[А] (25)

де Р - первеанс (постійна), яка характеризує вплив просторового заряду на форму променя, який, наприклад, для однієї з технологічних гармат дорівнює 4,5 · 10^-8 А · В^3/2.

Налітаючи на поверхню матеріалу, електрони зменшують свою енергію на деякій глибині (відстані від поверхні), яку називають пробігом електрона або глибиною його проникнення.

Пробіг електрона в матеріалі можна підрахувати за формулою:

[м] (26)

де ρ - густина матеріалу, кг/м³;

U_прис - прискорююча напруга, В; γ – cтала для окремого матеріалу. Значення сталої γ наводиться у таблиці 3.

Таблиця 2 – Значення коефіцієнта γ

Матеріал	Cu	Co	Fe	Ni	Al	Si
γ	2,24	2,22	2,18	2,13	2,19	2,02

При гальмуванні електронного променя у поверхні матеріалу виділяється теплова енергія. В залежності від густини потужності променя та часу дії на матеріал можна нагріти, розплавити та випарувати матеріал.

Для зварювання, плавлення, розмірної обробки необхідна питома потужність променя (Вт/м²), яка дорівнює:

[Вт/м²] (27)

де Р_пит - питома потужність для отримання рідинної ванни діаметром d_S, яка дорівнює товщині металу; Т_пл — температура плавлення, К;

d₀ - діаметр ділянки, на краях якої температура Т₀ = 300 К залишається незмінною, м;

λ - теплопровідність металу, Вт/м ² · К.

Ефективність процесу зварювання залежить від питомої потужності електронів в плямі, що проектується на поверхні оброблюваного матеріалу. Діаметр плями розраховується за формулою:

[м] (28)

де S₀ - стала електронно-оптичної системи, яку можна знайти, користуючись виразом:

де k_s - стала сферичної аберації лінзи або системи лінз;

х - відстань від лінзи до точки найбільшої аберації, м;

f₀ - фокусна відстань, м;

Т - температура катода, К,

j - сила струму емісії з катода, А/м .

При цьому k_S залежить від типу та параметрів лінзи і знаходиться в межах: 1,5 > k_s > 0,5.

З врахуванням S₀ питома потужність визначається за формулою:

[Вт/м² ] (29)

Для орієнтовних підрахунків щодо стикових з'єднань без розділу кромок при термообробці чи зварюванні площа переплавленого металу може бути знайдена за формулою:

_[м²_{] (30)}

де δ - товщина пластини або радіус плями нагріву при термообробці.

В інших випадках площу поперечного перетину металу шва знаходять шляхом геометричних розрахунків.