Современные тенденции развития электронно-лучевых технологий и оборудования

В условиях постоянного повышения требований к технологическим режимам сварки, резки и перфорации разработчики вынуждены непрерывно совершенствовать выпускаемое оборудование. Основными современными тенденциями развития электронно-лучевых технологий и оборудования являются повышение плотности тока электронного пучка, частот модуляции и отклонения электронного пучка, обеспечение точности позиционирования пучка и изделия и воспроизводимости геометрических характеристик как при сварке, так и при сканировании поверхности при поиске стыка. Также присутствует общая тенденция к снижению технической сложности и себестоимости высоковольтной части источников питания и повсеместному внедрению унифицированных решений и интегральных элементов. Использование прикладных пакетов для моделирования электронных пучков позволяет снизить аберрации (ошибки формирования изображений) электронных линз, а внедрение новых способов бесконтактной передачи энергии в катодный узел снижает техническую сложность и себестоимость производства высоковольтных узлов. Кроме того, важной тенденцией является интеграция силовой и управляющей электроники в высоковольтной части. Основные тенденции развития современного электронно-лучевого оборудования для сварки, резки и перфорации приведены на рис. 1.12.

Основные направления совершенствования технологий обработки электронным пучком, в частности, технологий сварки, пайки, размерной обработки и перфорации, представлены на рисунке 1.13.

Например, использование высокочастотной пространственной развертки пучка, в том числе с растрами сложной формы, обеспечивает возможность проведения предварительного прогрева свариваемых деталей или послесварочной термической обработки. Применение технологий «многошовной» и «многованной» сварки путем одновременной модуляции токов отклоняющих катушек и тока луча обеспечивает снижение сварочных деформаций. Внедрение различных технологий непрерывного слежения за стыком при электронно-лучевой сварке с использованием сигналов отраженных электронов и модуляции тока луча позволяет предотвратить возникновение таких дефектов сварного соединения, как, например, непроваров. Повышение частот модуляции тока пучка применительно к технологии перфорации отверстий позволяет получать более трех тысяч отверстий с минимальным диаметром 0,1 мм в металлических листах. Сварка и пайка тонкостенных или.

Рис. 1.13. Основные тенденции развития технологии электронно-лучевой.

сварки и обработки материалов малогабаритных изделий в настоящее время может проводиться без механических перемещений с использованием растров.

Кроме того, существует постоянная тенденция к увеличению отношения глубины сварных швов к ширине, или глубины отверстий к их диаметру. В последние десятилетия возник большой интерес к развитию технологий сварки разнородных материалов, в том числе пар материалов, при сварке которых вследствие термоЭДС возникают магнитные поля, отклоняющие электронный луч от стыка.

Приведенные тенденции обуславливают формирование новых требований к оборудованию, которые характерны для последнего десятилетия. Нужно отметить, что одновременно с технологией электронно-лучевой сварки существенные успехи достигнуты и в смежных технологиях, реализуемых с применением сварочных электронных пушек и энергоблоков. Речь идет, прежде всего, о технологии электронно-лучевой перфорации (в западной терминологии более известной как электроннолучевое сверление), а также такого весьма перспективного направления как электронно-лучевое формообразование путем сплавления металлических порошков {Additive manufacturing).

Поскольку обе технологии реализуются на том же оборудовании, что и сварочные процессы, при создании энергетического комплекса для электронно-лучевой сварки необходимо принимать во внимание требования указанных смежных технологий.

Развивающаяся элементная база, номенклатура материалов и постоянно растущие технологические гребования не могуг не сказываться на конструкции электронно-лучевых установок и их отдельных элементов. В настоящее время можно выделить несколько основных направлений совершенствования электронно-лучевых технологических установок.

Конструкции электронных пушек и электронно-оптических систем за последние десятилетия изменились незначительно. Принципиально самыми востребованными остаются двухлинзовые схемы и трехэлектродные электростатические генераторы, которые более подробно будут рассмотрены далее. Совершенствование электронно-оптических характеристик пушек осуществляется за счет корректирования формы электродов и их взаимного расположения. Используются новые изоляционные материалы — высоковольтная керамика, кремнийорганические жидкости, гибкая кабельная изоляция. При изготовлении деталей используются высокоточные станки с программным управлением. Благодаря этому разработчики постепенно уходят от использования дорогостоящих узлов — сложных металлизированных керамических изделий, механических систем юстировки для обеспечения соосности деталей пушки, а также узлов с вакуумной пайкой.

Непрерывно совершенствуются системы электропитания установок. При этом разработчики преследуют такие цели, как повышение точности и быстродействия регуляторов токов и напряжений и стабильности режимов их работы, снижение массы, габаритов, а также стоимости производства источников электропитания. Основной тенденцией в развитии электрооборудования электронно-лучевых установок сегодня является внедрение инверторных схем с импульсными трансформаторами, работающих на частотах 20—100 кГц, цифровых систем управления и переход к модульным решениям в области построения инверторных и трансформаторно-выпрямительных систем.

Развитие вакуумной техники также сказывается на конструкциях электронно-лучевых технологических установок. Установки с малогабаритными вакуумными камерами все чаше оснащаются безмасляными средствами откачки — турбомолекулярными, винтовыми и спиральными насосами. Для измерения остаточного давления применяют так называемые активные датчики, содержащие аналого-цифровые преобразователи и автономные системы управления, отключающие датчик при повышении давления выше допустимого для его работы. Все откачные средства, затворы и клапаны, и также датчики давления производители вакуумного оборудования оснащают цифровыми системами управления, использующими промышленные протоколы обмена данными.

В настоящее время для перемещения изделия относительно электронного пучка повсеместно внедряется шаговый и сервопривод, безредукторные механизмы линейного перемещения, шариково-винтовые пары, оптические датчики углового и линейного положения и программное управление приводом перемещения изделия.

Одной из основных тенденций развития электронно-лучевого технологического оборудования является непрерывное совершенствование систем управления технологическим процессов. Поскольку оборудование является технически сложным, содержит генераторы электронных пучков, источники питания высокого напряжения, вакуумные насосы, многокоординатные механизмы перемещения оснастки и изделия, подобные системы управления необходимы для защиты дорогостоящего оборудования от ошибок оператора, снижения трудоемкости эксплуатации и повышения воспроизводимости параметров технологических режимов. Поэтому для того чтобы охватить такой широкий круг задач и реализовать технически надежную систему, необходим многоуровневый подход в построении систем управления и защиты.

Так, блокировки и защиты от аварий, представляющих опасность для оператора и оборудования, выполняются на аппаратном уровне, а выполнение команд, которые могут привести к возникновению таких ситуаций, должно быть исключено также и на программном уровне. Как показывает опыт создания автоматизированных систем управления электронно-лучевыми установками, в настоящее время в качестве элемента системы управления верхнего уровня целесообразно использовать промышленные компьютеры с программным комплексом, обеспечивающим безаварийную работу оборудования и программное управление технологическим процессом.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

• 1. Что представляет совой технологическая электронно-лучевая установка?
• 2. Каковы основные современные тенденции развития элек тронно-лучевого оборудования?
• 3. Каковы основные направления совершенствования технологий обработки электронным пучком?
• 4. Какие основные технологические процессы реализуются в современном производстве с применением электронно-лучевого нагрева?
• 5. Что представляет собой энергетический комплекс ЭЛУ?
• 6. Что представляет собой электромеханический комплекс ЭЛУ?
• 7. Как использовать модель с табулированнымит константами для расчета скорости испарения?
• 8. Каковы преимущества электронно-лучевого переплава?
• 9. Перечислите основные процессы, происходящие при взаимодействии электронных пучков с электропроводящими материалами.
• 10. Как оценить размеры области взаимодействия электронного пучка с материалами?