Сущность и физические основы процесса ЭЛ обработки

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 чистоту обрабатываемого материала, а также возможность полной автоматизации процесса.

Формирование электронного луча состоит из следующих стадий:

-получение свободных электронов;

-ускорение свободных электронов и формирование электронного пучка;

-фокусирование на загатовке;

-обеспечение необходимой траиктории.

Для получения электронного луча и управления им применяются устройства, называемые электронной пушкой.

Источником электронов в ЭП является катод 1, изготовленный из вольфрама или тантала. В зависимости от материала катода его рабочая температура может достигать 1600-2000⁰К. Свободный, не связанный с атомом электрон можно получить, если сообщить атому избыточную энергию, поглощая которую электрон переходит на более удаленные от ядра орбиты. При этом может потерять связь с ядром. Эта избыточная энергия сообщается при нагреве твердого тела. Процесс выхода термоэлектронов с поверхности твердого тела за счет их нагрева получил название термоэлектронной эмиссии.

На некотором расстоянии от катода находится анод 2, выполненный в виде массивной детали с отверстием. Между катодом и анодом от высоковольтного источника питания прикладывается ускоряющее напряжение 10-200кВ. Электроны ускоряются этим напряжением до скорости

V_е = 593,2 (км/с)

Большая часть электронов проходит через отверстие в аноде и в заанодном пространстве движется по инерции.

Значение ускоряющего напряжения при ЭЛО зависит от назначения процесса:

- низковольтная система (15-30кВ) наиболее проста по конструкции и эксплуатации. Применяется в основном для операций связанных с плавлением и сваркой различных материалов.

- 50-80кВ применяется для необходимости увеличения глубины проплавления обрабатываемого материала-сварка.

- Высоковольтное (100-200кВ) является более сложным и применяется в тех случаях, когда необходимо проведение прецизионной размерной обработки и микросварки.

Для фокусировки луча используется система дифрагм и магнитных линз 3. Магнитная линза представляет собой соленоид с магнитопроводом, создающий специальной формы магнитное поле, которое при взаимодествии с движущимися электронами смещает его траикторию в направлении оси системы. При этом можно добиться сходимости электронного луча до диаметра 1 мм.

Отклоняющая система 4 служит для перемещения ЭЛ по обрабатываемой поверхности 5. Перемещение ЭЛ осуществляется за счет его взаимодествия с поперечным мгнитным полем, создаваемым отклоняющей системой. ЭП обычно имеет две пары отклоняющих катушек, обеспечивающих перемещение ЭЛ по двум взаимноперпендикулярным направлениям (10*10).

В рабочем пространстве ЭП создается вакуум 6 с давлеием 10^-3 – 10^-5 Па. Вакуум необходим, чтобы молекулы остаточных газов не препятствовали свободному прохождению электронов.

Электроны двигаясь с определенной скоростью приобретают кинетическую энергию, которая определяется по формуле:

W_e = mV_e²/2;

В ЭЛО кинетическая энергия электронов не превышает, как правило 100-200 кэВ.

Достигая обрабатываемой поверхности электроны внедряются в вещество и тормозятся там, проходя некоторый путь. Длина пути определяется по формуле:

i = 2,1*10^-8 U² /r (м)

где, r-плотность вещества, кг/м³

Глубина проникновения не превышает 50мкм. Проходя сквозь вещество, электроны взаимодействуют с атомами вещества. При этом увеличивается амплитуда колебания состовляющих вещество частиц, изменяются параметры кристалической решетки, повышается температура в зоне действия ЭЛ до 6000⁰. На расстоянии 1 мкм от края температура составляет уже всего 300⁰. Не все электроны попадающие на обрабатываемую поверхность поглощаются. Некоторая часть (до 40%) отражается. Отражение ЭЛ увеличивается, при отклонении ЭЛ от нормали. Нагрев обрабатываемого материала осуществляется за счет превращения кинетической энергии ЭЛ в тепловую в поверхностных слоях вещества и дальнейшей теплопередачи во внутренние слои.

Т.к. диаметр ЭЛ очень мал (1мкм), то удельная мощность луча в зоне его воздействия на вещество достигает больших величин (r_N=10¹³Вт/м²).

N_л=U*I_лk_h

r_N=N/S

k_h-к.п.д. нагрева; I_л- сила тока луча;

При максимальном значении r_N можно проводить размерную обработку за счет локального расплавления материала в месте возжействия ЭЛ. При меньших значениях r_N, что достигается расфокусировкой луча, проводят плавку, сварку и микросварку, нанесение покрытий и термическую обработку.