Электронный луч в технологии

Электронный луч в технологии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический университет

Кафедра “Автоматизированное оборудование”

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине “Теоретические основы прогрессивных технологий”

Воронеж 2006

ВВЕДЕНИЕ

Развитие народного хозяйства нашей страны требует широкого внедрения в промышленность новых эффективных технологических процессов, основанных на достижениях современной науки и техники.

Одним из направлений, существенно расширяющих технологические возможности процесса обработки материалов, является использование концентрированных потоков энергии (струи плазмы, лазерного, электронного, ионного лучей и др.).

Электронно-лучевая обработка является одним из разделов этого, успешно развивающегося, перспективного направления.

Широкие возможности автоматизации электронно-лучевой обработки материалов, ведение процесса в вакууме, что обеспечивает высокую чистоту обрабатываемого материала, концентрация энергии в электронном луче до значений, недоступных ранее известным источникам, -- все это способствовало внедрению электронно-лучевой обработки как в отрасли, связанные с точным производством (приборостроение, электроника и др.), так и в отрасли, производящие крупногабаритные изделия (например, тяжелое машиностроение).

С помощью электронного луча выполняют такие технологические операции как фрезерование, сверление, термообработка, плавка, сварка, пайка и др.

В разработке теоретических основ процесса воздействия электронного луча на материалы и в практических применениях этого процесса достигнуты значительные успехи.

Установлено, что непрерывное электронно-лучевое воздействие на материал переходит в зоне обработки в прерывистое. Учитывая эти особенности процесса, можно использовать как непрерывные, так и импульсные режимы воздействия, что существенно повышает эффективность обработки и расширяет технологические возможности электронных пучков.

В данном курсовом проекте обобщены теоретические данные по научным основам использования электронного луча для обработки материалов. В значительной степени его содержание базируется на результатах исследований авторов в области физики и технологии электронно-лучевой обработки.

В курсовом проекте дан анализ физических явлений при воздействии технологического злектронного луча на материалы, рассмотрен характер движения жидкой фазы в зоне обработки. Описаны методы экспериментального исследования параметров электронного луча и характеристик процесса обработки, а также принципы регулирования электронно-лучевой обработки. Кроме того рассмотрены вопросы формирования отверстий (резов), глубоких проплавлений, получения конденсаторов с высокими скоростями осаждения, образования дефектов обработки.

Электронный луч в технологии

Электронно-лучевое воздействие на металлы, приводящее к их нагреву, плавлению и испарению, как новое технологическое направление в области их обработки интенсивно развивается в последнее двадцатилетие .

Сущность процесса электронно-лучевого воздействия состоит в том, что кинетическая энергия сформированного в вакууме тем или иным способом электронного пучка (импульсного или непрерывного) превращается в тепловую в зоне обработки. Так как диапазоны мощности и концентрации энергии в луче велики, то практически возможно получение всех видов термического воздействия на материалы: нагрев до заданных температур, плавления и испарения с очень высокими скоростями .

В настоящее время во всем мире ни одна отрасль промышленности, связанная с получением соединений и обработкой материалов, не обходится без электронно-лучевого нагрева. Это можно объяснить характерными преимуществами метода, главными из которых являются возможность концентрации энергии от 103 до 5-108 Вт/см2, т. е. во всем диапазоне термического воздействия, ведение процесса в вакууме, что обеспечивает чи-стоту обрабатываемого материала, а также возможность полной автоматизации процесса.

Электронно-лучевая технология развивается в основном в трех направлениях: плавки и испарении в вакууме, сварки и кроме того, электронный луч позволяет наносить покрытия на поверхности заготовок в виде пленок толщиной от нескольких десятков микрометров до десятых долей миллиметра. Электронный луч применяют также для распыления различных материалов. При"плавке и испарении в вакууме для нанесения пленок и покрытий используют мощные (до нескольких МВт) электронно-лучевые печи при ускоряющем напряжении 20--30 кВ. Концентрация энергии здесь невелика -- не более 105 Вт/см2.

Для сварки металлов создано оборудование трех классов: низко, средне- и высоковольтное, охватывающее диапазон ускоряющих напряжений 20--150 кВ. Мощность установок составляет 1--120 кВт и более при максимальной концентрации энергии 105--106 Вт/см2. Для прецизионной обработки деталей (сверление, фрезерование, резка) используют в основном высоковольтные установки (80--150 кВ) небольшой мощности (до 1 кВт), обеспечивающие концентрацию энергии

Рис. 1. Схематическое изображение поперечных сечений зон обработки при электронно-лучевом воздействии:

1 -- при «мягком» режиме нагрева;

2 -- переход к «местному» режиму;

3 -- «кинжальное» проплавление;

4 -- переход к отверстию;

5 -- отверстие в материале

В начале шестидесятых годов было высказано одно из первых объяснений этого эффекта, в котором полагали, что внедренный и движущийся относительно детали луч образует конус проплавления. Смещение луча относительно детали приводит к непрерывному плавлению металла и перемещению его в сторону, противоположную направлению движения луча. Согласно этой гипотезе образование глубокого проплавления представляется как стационарный процесс.

В 1965 г. экспериментально установлено, что процесс внедрения электронного луча в металл происходит за счет испарения и является прерывистым. С помощью киносъемки было показано, что образующийся канал заполняется паром, а сверху закрывается пленкой жидкого металла, которая периодически, с частотой 13--14 Гц, прорывается (по-видимому, вследствие повышения давления пара в канале). Распределение температур до 5-103 Вт/см2, совершенствуется также электронно-лучевое оборудование и разрабатывается аппаратура для наблюдения, контроля и регулирования процесса электронно-лучевого воздействия. Интенсивный обмен информацией в области достижений электронно-лучевой технологии привел к тому, что электронный луч стал заурядным технологическим инструментом для нагрева, плавки, зонной очистки, сварки металлов больших толщин, микросварки, макро- и микрообработки, нанесения покрытий в различных отраслях промышленности, начиная от сборки и нанесения пленок в интегральных схемах до сварки крупногабаритных и металлоемких изделий в тяжелом машиностроении. Электронный луч является одним из перспективнейших инструментов для работы в космосе, где он освобождается от существенного недостатка в наземных условиях -- вакуумной камеры. Наиболее интенсивно развивается техника электронно-лучевой сварки металлов. Электронно-лучевые установки мощностью до 30 кВт позволяют решить большинство сварочных проблем для деталей из алюминия и титана толщиной от 0,5 до 40--50 мм, на которые падает основной объем сварочных работ. Сварка металлов при толщине более 100 мм требует использования оборудования мощностью более 50 кВт. Другая причина интенсивного развития техники электронно-лучевой сварки металлов связана с тем, что основной объем теоретических и экспе-риментальных исследований процесса электронно-лучевого воздействия выполнен для диапазона плотностей энергии 105-- 106 Вт/см2 (переходные режимы и режимы глубокого проплавления), как наиболее интересного с точки зрения выявления физики процесса.

Электронно-лучевое воздействие в этом диапазоне характеризуется феноменом «кинжального», или глубокого, проплавления с соотношением глубины шва к его ширине 10 : 1 и более. Увеличение концентрации энергии до ~107 Вт/см2 приводит к переходу от «кинжального» проплавления к образованию отверстия в материале. Нагрев при концентрациях менее 105Вт/см2 по высоте канала неравномерно: максимум (~5000 К) находится у дна канала, а минимум (~2500--3000 К) у выходной части.

В работах на основе экспериментальных и расчетных данных показано, что процесс внедрения электронного луча в материал с образованием в нем канала происходит за счет периодического с частотой 103--106 Гц (в зависимости от концентрации энергии) выброса вещества вследствие взрывообразного испарения материала. В основу таких представлений было положено сравнение скоростей ввода энергии и релаксации этой энергии материалом. Для большинства металлов скорость ввода тепла в диапазоне концентрации энергии намного превышает скорость отвода его вследствие теплопроводности, что неизбежно приводит к поверхностному испарению и вскипанию микрообъема расплава вещества, в котором выделяется энергия электронного луча.

Существует «взрывная гипотеза», которая позволила перейти к первым полуколичественным оценкам параметров процесса и она получила подтверждение в ряде других работ. В 1969 г. проведены экспериментальные исследования процесса образования канала с помощью киносъемки в рентгеновских лучах. Установлено, что в жидком металле вокруг электронного луча существует полость. Эта полость все время находится в движении: глубина ее периодически колеблется от нулевой до максимальной с частотами 10--60 Гц. Кроме того, полость периодически смыкается, в основном в верхней части, а иногда и в других сечениях канала. На основании полученных экспериментальных данных разработана теория образования канала, основанная на гидродинамической аналогии внедрения в жидкость тела, имеющего форму снаряда.

Имеется много работ, в которых трудности изучения физических явлений в зоне воздействия электронного луча обходят путем введения некоторого источника теплоты и использования теории теплопроводности. Такие подходы в ряде случаев дают возможность быстрее получить методики инженерных расчетов процесса, чем подробный анализ физических явлений. В существенной степени это связано с действием принципа местного влияния .

Для осуществления теплового подхода, т. е. решения задачи теплопроводности в условиях электронно-лучевого воздействия необходимо знать характер теплового источника и тепловой баланс процесса.

Экспериментальные данные показывают, что потери теплоты на испарение при электронно-лучевой сварке с глубоким проплавлением не превышают 5--10%, т. е. тепловой баланс электронно-лучевого воздействия при концентрациях энергии =105--106 Вт/см2 во многом сходен с тепловым балансом при процессе электродугового нагрева. На этом основании ряд исследователей предложили соотношения, связывающие мощность электронного луча (с учетом концентрации энергии) с характеристиками проплавления, решая традиционную задачу теплопроводности. Точность вычислений при этом достаточна для инженерных расчетов .

Для установления связи параметров электронного луча с ха-рактеристиками проплавления наметился еще один формальный подход, который можно назвать «критериальным». В нем используют методы теории подобия и с учетом анализа размерностей получают соотношения, связывающие параметры луча (мощность, концентрацию энергии, скорость перемещения) с геометрическими характеристиками зоны обработки.

В проблеме изучения процесса электронно-лучевого воздействия необходимо выделить класс исследований, связанный с изучением эмиссионных процессов в зоне обработки. Регистрация изменения интенсивности эмиссии электронов и светового излучения из зоны воздействия позволяет судить о кинетике процесса электронно-лучевого нагрева и разработать датчики для его контроля и регулирования. Хотя в об-ласти автоматизации электронно-лучевых процессов имеются определенные успехи, большинство разработок связано с созданием аппаратуры для слежения за положением электронного луча в пространстве, в частности за стыком сварного шва и мало работ по комплексному управдению процессом,

Сущность концепции заключается в следующем. Концентрированный (сфокусированный) поток электронов, падая на поверхность материала, осуществляет разогрев вещества в зоне, ограниченной шириной луча и глубиной пробега электронов. Если скорость тепловыделения меньше скорости отвода энергии вследствие теплопроводности, то происходит нагрев с образованием полусферической (или близкой к ней) формы проплавления (мягкий режим нагрева, процесс испарения практически отсутствует). Повышение концентрации энергии в зоне воздействия до 105--106,: Вт/см2 приводит к тому, что скорость тепловыделения становится соизмеримой со скоростью отвода энергии вследствие теплопроводности (критический режим нагрева, начинается существенное парообразование). Если при малых концентрациях энергии статьи энергетического баланса процесса складывались (приближенно) из затрат на отвод тепла обрабатываемым изделием (до 60%), его плавление (до 35%) и испарение (до 5%), то при концентрациях выше критических, когда скорость тепловыделения намного больше скорости отвода тепла, большая часть вводимой энергии тратится на плавление и выброс расплава за счет объемного вскипания или других эф-фектов.

Эффективность процесса воздействия луча существенно повышается при углублении зоны обработки в материал с образованием канала. Время нагрева и выброса порции вещества мало (~10-6--10-5 с), поэтому процесс сверления канала носит периодический (квазистационарный) характер с частотами ~105--106 Гц.

Так как выброс вещества идет со дна канала, опускающегося в материал с некоторой скоростью, максимальные температура и давление пара находятся у дна канала и падают по его высоте. У выхода из канала температура и давление минимальны.

С учетом времени периодической экранировки частота выброса вещества несколько уменьшается, но по-прежнему остается высокой (--101--105 Гц). Углубление канала происходит до тех пор, пока давление пара в нем больше суммарного давления поверхностного натяжения и давления, обусловленного столбом жидкой фазы стенок канала. Наименьшее давление пара во всех случаях имеет место у выхода из канала. Поэтому, как только давление пара становится меньше давления поверхностного натяжения и веса жидкой фазы, канал в верхней части может смыкаться. Если не прерывать действие луча, то смыкание будет иметь периодический характер с частотами порядка 10--100 Гц. Смыкание канала сверху является причиной специфического дефекта -- наличия полостей в объеме проплавления. Таким образом, непрерывный процесс электронно-лучевого воздействия переходит в зоне обработки в колебательный процесс с высокими частотами, обусловленными газодинамическими процессами, и низкими частотами, являющимися следствием гидродинамических явлений.

Следовательно, реализация многообразия термических воздействий электронного луча (от плавки до сверления) зависит от скорости введения энергии. Аналогичная картина быстропротекающмх явлений, связанных с высокими скоростями ввода энергии в материал, в некоторой степени имеет место во многих процессах, уже хорошо изученных или изученных в достаточной степени, например, при лазерном воздействии, электрическом взрыве проводников, электроискровой обработке, воздействии плазменной и электрической дуги, взрывных процессах и т. п. Поэтому технологические электронные пучки в настоящем курсовом проекте рассмотрены в сравнении их с другими источниками теплоты, исходя из того, что одним из основных характерных признаков любого источника является концентрация энергии.

Обрабатываемость материала в основном зависит от его теплофизи-ческих свойств и удельной мощности пучка электронов. Чтобы избежать избытка жидкой фазы, добиться максимальной производительности за счет реализации резононсных режимов нагрева, обработку ведут в импульсных режимах. При этом возможны следующие технические варианты обработки: моноимпульсная, многоимпульсная, с быстрым отклонением луча.

- вскипанию за счет гетерогенных центров зарождения паровой фазы,

- вследствие перегрева. В первом случае факторами, облегчающими вскипание, являются: пузырьки растворенного в металле газа, объем которого может превышать объем основного металла в десятки и даже сотни раз; неидеальность контактов; локальные пульсации температуры, например вследствие неоднородности временной структуры импульса энергии, приводящие к генерации внутрь материала волн сжатия и разрежения как и при ультразвуковых колебаниях.

Объяснить причины вскипания при перегреве затруднительно из-за сложности физики процесса. Перегрев может возникать вследствие того, что нагрев и плавление металла в зоне действия луча происходят в условиях сжатия материала давлением отдачи паров. Так как разгрузка в распла-вленном объеме после прекращения действия импульса энергии проис-ходит за время 10~3--10~4 с, т. е. со скоростью распространения волн напряжения (скоростью звука), то металл практически мгновенно заметно перегревается, что равносильно быстрому избыточному тепловыделе-нию в локальном объеме.