Введение. 
Технология обработки материалов. 
Оборудование электронно-лучевых комплексов

Электронно-лучевая обработка материалов, в том числе и материалов современной энергетики, стала интенсивно развиваться с середины двадцатого столетия. Сущность процесса электронно-лучевой обработки состоит в том, что кинетическая энергия сформированного в вакууме потока электронов преобразуется в тепловую в зоне взаимодействия с обрабатываемым материалом. Получаемые при этом диапазоны энергии и плотности мощности электронного луча, позволяют осуществлять практически все виды термического воздействия на материалы.

В последние годы развитие электронно-лучевой технологии идет по трем основным направлениям.

• 1) Плавка и испарение. Осуществляется для нанесения пленок и покрытий. Для этого используют мощные (до 1 МВт и более) электроннолучевые установки с ускоряющим напряжением 20—30 кВ. В этом случае используемая плотность мощности не превышает 10⁵ Вт/см².
• 2) Сварка металлов. Является основным технологическим процессом при получении неразъемных соединений из различных конструкционных материалов, в том числе и материалов современной энергетики. Для ее осуществления создано оборудование трех классов: низко-, среднеи высоковольтное, охватывающее диапазон ускоряющих напряжений от 20 до 150 кВ. Мощность используемых при сварке установок составляет от 1 до 120 кВт. Плотность мощности в зоне воздействия луча изменяется в диапазоне 10⁴—10⁸ Вт/см².
• 3) Прецизионная обработка материалов. Она осуществляется при закалке поверхностного слоя обрабатываемого изделия, нанесении покрытий, микролегировании, наплавке, прошивке отверстий, резке и т. п. Для этого используют высоковольтные установки с ускоряющим напряжением от 80 до 150 кВ и мощностью не более 1 кВт. Плотность мощности в этом случае может превышать 510⁸ Вт/см².

В последнее время наиболее интенсивно развивается технология электронно-лучевой сварки металлов, как наиболее востребованного технологического процесса при обработке материалов современной энергетики. Одновременно ведется совершенствование электроннолучевого оборудования и разработка аппаратуры для наблюдения, контроля и управления параметрами процесса сварки.

В настоящее время многие направления машиностроительного производства неразрывно связаны с применением высоколегированных жаропрочных и жаростойких сталей, сплавов на основе цветных и тугоплавких металлов, а также с созданием изделий, к которым предъявляются требования повышенной прочности, пластичности, коррозионной стойкости и др. Одним из перспективных направлений, позволяющим успешно преодолевать возникающие при этом технологические трудности, является успешно развивающаяся в последние десятилетия электронно-лучевая обработка, основанная на воздействии на обрабатываемый материал энергии ускоренного потока электронов — электронного луча. Современные технологии электронно-лучевой обработки базируются на передовых достижениях в области электронной оптики, систем управления потоками электронов, высокоэнергетических источниках питания, вычислительной технике, вакуумной аппаратуре и конструкциях рабочих камер, позволяющих проводить обработку изделий объемом до 600 м Широкие возможности автоматизации процесса, осуществление его в вакууме, обеспечивающем высокую чистоту материала, высокая концентрация энергии луча, недоступная традиционным источникам тепла, способствуют разнообразному применению электронно-лучевой обработки как в высокоточных отраслях производства, так и при производстве достаточно крупногабаритных изделий тяжелого машиностроения.

Современная электронно-лучевая установка (ЭЛУ) — это сложный комплекс оборудования, включающий в себя электронную пушку с электронно-оптическими системами, источники электропитания высокого напряжения (20—150 кВ), системы вакуумной откачки, роботизированные системы перемещения пушки или изделия с оснасткой, автоматизированные системы управления и регистрации параметров процесса. Разработка и эксплуатация такого оборудования требует от специалиста наличие знаний в самых различных областях теоретических и прикладных наук — электронной оптики, радиоэлектронике, вакуумной техники, электротехники и силовой электроники, электромеханики и систем управления.

При взаимодействии пучка ускоренных электронов с материалом обрабатываемого изделия обеспечивается возможность концентрации энергии во всем диапазоне термического воздействия (от 10³ до 10⁹ Вт/см²). Это преимущество делает элекгронный пучок высокоэффективным инструментом для осуществления таких технологических процессов, как сварка, сварко-i 1айка, термообработка, плавка, рафинирование, испарение, резка, перфорация и ряда других. Область применения электронно-лучевой технологии постоянно расширяется, что обусловлено непрерывным совершенствованием оборудования.

Первые исследования, показавшие потенциальную возможность плавления материалов под воздействием пучка ускоренных электронов, были проведены еще на рубеже XIX—XX вв.еков У. Круксом, а позже М. Пирани. В период становления электронной оптики (20—40-е годы XX века), Дж. Р. Пирсом, В. Глазером и др. были разработаны теоретические основы расчета электронных приборов и электронно-оптических систем. В это же время были созданы телевизионные электроннолучевые трубки (В.К. Зворыкин), просвечивающие и сканирующие электронные микроскопы (М. Руденберг, Э. Руска, М. фон Арденне). В начале 50-х годов независимо друг от друга К. Х. Штейгервальд (ФРГ) и Ж. А. Стор (Франция) впервые в мире провели процессы электроннолучевой сварки. Позднее К. Х. Штейгервальдом, Ж. А. Стором и А. Лоренцом (ФРГ) были созданы первые образцы сварочных электроннолучевых установок; кроме того, ими был опубликован ряд научных работ по данной тематике. Созданные установки отличались невысокой мощностью электронного пучка (менее 3 кВт), на них проводили сварку деталей толщиной до 5 мм.

В Советском Союзе в 1957—1958 гт. под руководством Н. А. Ольшанского (МЭИ) и Б. А. Мовчана (Институт электросварки им. Е.О. Патона) независимо от работ иностранных ученых были проведены исследования по применению электронно-лучевой сварки. В эти же годы был открыт эффект глубокого «кинжального» проплавления. Это открытие и определило направление развития технологии на последующие десятилетия.

В период 60—70 годов XX века сформировались научные школы и производства, специализирующиеся на разработке электроннолучевого оборудования и технологий. На западе разработки вели фирмы Steigerwald strahltechnik (ФРГ), Leybold-Heraeus (ФРГ), Von Ardenne Institute (ГДР), Pro Beam (ФРГ), Sciaky (Франция), Cambridge Vacuum Engineering (Великобритания), Lawrence Livermore Lab (США), Osaka university (Япония). В СССР разработки велись в ИЭС им. Е. О. Патона, ПО «Электрон», НПО «Орион», ПОМЗ, НПП «Исток», ВНИИЭТО, ВЭИ им. В. И. Ленина, НИ АТ. Следует отметить, что в этот период развитие оборудования шло преимущественно в направлении повышения мощности электронного пучка, что стало возможным благодаря появлению мощных высоковольтных электронных приборов (пролетных пентодов), обеспечивающих стабилизацию режима работы электронных пушек и защиту оборудования при возникновении эксплуатационных пробоев. Были созданы установки мощностью до 150 кВт, в которых за один проход осуществляли сварку металлов толщиной до 400 мм, и плавильные печи мощностью до 7,2 МВт.

Следующий условный этап развития технологии и оборудования для электронно-лучевой сварки обозначился на рубеже 1980;х годов и продолжается вплоть до настоящего времени. Благодаря появлению мощных IGBT-транзисторов, микроконтроллеров, промышленных компьютеров и широкому внедрению прецизионного шагового привода и сервопривода, наметились новые тенденции в развитии оборудования для электронно-лучевой сварки. К ним относятся, во-первых, повышение точности и гибкости управления параметрами в автоматическом режиме, во-вторых — снижение массы, габаритов и стоимости оборудования за счет использования современных материалов и компонентов.

В настоящее время в различных отраслях промышленности имеется целый ряд ЭЛУ, предназначенных для плавки, сварки, испарения, размерной обработки и др.

Основной задачей данного учебного пособия является изложение современного опыта создания и построения основных элементов электронно-лучевого технологического оборудования и рассмотрение основных тенденций развития электронно-лучевых технологий обработки материалов. В пособии рассмотрены общая характеристика, структура и состав основных элементов электронно-лучевых установок. Подробно изложена конструкция электронной пушки, представлены конструкции типовых пушек, а также приведен расчет отдельных элементов электронной пушки. Приведены рекомендации по конструированию вакуумных камер различного назначения. Описана методика расчета вакуумной системы в стационарном режиме работы.

Многие материалы, представленные в данном учебном пособии, получены в результате научных исследований и работ, выполненных на кафедрах Технологии металлов и АЭТУС МЭИ. Кроме того, большое внимание при подготовке учебного пособия уделялось обобщению и анализу данных, полученных ведущими коллективами России и других стран мира.

В результате освоения материала студент должен:

знать

• • области применения ЭЛУ и современные тенденции развития электронно-лучевых технологий обработки материалов;
• • физические основы формирования электронных пучков и принципы электронно-лучевой обработки материалов;
• • состав и технические характеристики оборудования, обеспечивающего проведение процесса электронно-лучевой обработки материалов;
• • особенности электрооборудования и систем управления электронно-лучевыми установками;
• • основные требования техники безопасности, которые необходимо выполнять при проектировании и эксплуатации ЭЛУ;

уметь

• • анализировать физические процессы, протекающие при формировании электронных пучков и их взаимодействии с материалами, проводить физические и вычислительные эксперименты и анализировать их результаты;
• • проводить расчет и проектирование элементов ЭЛ по заданным характеристикам технологического процесса;
• • использовать современные средства математического моделирования для проектировочных и проверочных расчетов элементов электронно-лучевого оборудования для обработки материалов;
• • выбирать рациональные конструктивные решения, обеспечивающие надежность, энергетическую эффективность, безопасность эксплуатации и достаточный ресурс;

владеть

• • навыками использования информационных ресурсов и специализированных программ для расчета элементов ЭЛУ;
• • методами расчета режимов работы ЭЛУ;
• • комплексной методикой проектирования элементов оборудования для обработки материалов КПЭ на основании технического задания с использованием унифицированных средств инженерного проектирования, математического моделирования и экспериментальных установок;
• • современными техническими средствами для измерения и контроля характеристик процессов электронно-лучевой обработки материалов;
• • навыками организации пуско-наладочных работ, безопасной эксплуатации и диагностики электрооборудования ЭЛУ