Технологические электронно-лучевые установки для обработки материалов

Структура и состав основных элементов типовой электронно-лучевой установки

Технологическая электронно-лучевая установка (ЭЛУ)—это технологическая машина для обработки материалов с помощью сфокусированного в пятно малых размеров электронного пучка (диаметр сфокусированного пятна может составлять десятые или даже сотые доли миллиметра). Его формирование осуществляется в специальном устройстве, называемом электронно-лучевым генератором или электронной пушкой.

Типовая структура ЭЛУ представлена на рисунке 1.1. Все входящие в нее элементы можно условно разделить на две группы:

• — энергетический комплекс (энергоблок) — это аппаратура, предназначенная непосредственно для формирования пучка электронов с заданными параметрами (которые определяются толщиной, теплофизическими характеристиками свариваемых материалов, а также требованиями к коэффициенту формы шва), управления его интенсивностью и положением в пространстве;
• — электромеханический комплекс — это аппаратура, не имеющая непосредственного отношения к пучку электронов, а предназначенная для герметизации и вакуумирования рабочего объема, обеспечения взаимного перемещения электронного луча и свариваемого изделия и управления всеми этими процессами.

Энергетический комплекс ЭЛУ включает в себя электронную пушку с источником питания и системой управления.

Электромеханический комплекс включает в свой состав вакуумную камеру с вакуумной системой, систему позиционирования и перемещения детали, систему наблюдения за ходом процесса и пр.

Вакуумная камера как базовый элемент ЭЛУ является одним из наиболее важных и сложных узлов и определяется видом технологического процесса. Наиболее часто используются цилиндрические и прямоугольные вакуумные камеры, изготовленные с помощью сварки из низкоуглеродистых конструкционных сталей (например, сталь 20). Вакуумная система более подробно будет рассмотрена далее.

Рис. 1.1. Структурная схема технологической ЭЛУ.

Иллюминаторы ЭЛУ выполняются из толстого стекла, выдерживающего давление атмосферного воздуха, и специального свинцового стекла для защиты от рентгеновского излучения. За счет испарения металла иллюминаторы интенсивно запыляются, что приводит к резкому ухудшению видимости. Для борьбы с запылением используют различные устройства с пленками, которые меняют по мере запыления.

Электронная пушка, входящая в состав энергетического блока, является основным элементом электронно-лучевой установки, непосредственно отвечающим за формирование электронного пучка. В состав электронной пушки входят генератор электронного пучка и система проведения его к обрабатываемому изделию. Электронная пушка может быть неподвижной, закрепленной на вакуумной камере, или подвижной, перемещаемой относительно неподвижного изделия (при сварке крупногабаритных изделий сложной формы). В последнем случае особые требования предъявляются к высоковольтному кабелю, соединяющему электронную пушку с источником питания.

Генератор электронного пучка — это система электродов электронной пушки, служащая для формирования пучка элекгронов. Наибольшее распространение получил трехэлектродный генератор, где помимо катода и анода имеется управляющий электрод, позволяющий, подобно сетке в электронной лампе, управлять силой тока пучка.

Система проведения служит для обеспечения заданного размера пятна нагрева, плотности мощности (тока) в этом пятне, а иногда и для распределения плотности мощности по радиусу пятна нагрева, предотвращая потери мощности пучка. Кроме того, зона обработки может располагаться и нс по оси пучка, она может располагаться в различных точках плоскости, и даже различных плоскостях, перемещаться во времени и пр. Система проведения, таким образом, выполняет две обязательные функции — это фокусировка и отклонение, которые могут быть как статическими, так и динамическими процессами.

Источник питания ЭЛУ служит для подачи высокого ускоряющего напряжения (20—150 кВ) на катод относительно анода и запирающего напряжения (от 0 до 3 кВ) на управляющий электрод относительно катода. Важным требованием является стабильность этих напряжений во времени не хуже 0,5—1 % для исключения пульсаций тока пучка более 3—5%. Обязательно предусматривается плавное регулирование указанных напряжений при работе электронной пушки. Стабилизация тока пучка обеспечивается за счет отрицательной обратной связи в источнике питания.

Блок питания отклоняющих и фокусирующих систем позволяет изменять силу тока в катушках: соответствующих систем. Тем самым производится перемещение пучка поведанной траектории и достигается требуемый уровень его фокусировки.

Система управления ЭЛУ обеспечивает управление электроприводами перемещения изделия и электронной пушкой, а при высоком уровне автоматизации также управление блоками источника питания и вакуумной системой, вплоть до полной автоматизации работы установки от момента загрузки в камеру до момента выгрузки изделия.

Электропривод — механизм перемещения (как ручного, так и автоматического) электронной пушки или изделия в процессе подготовки и технологической обработки. Он должен обеспечивать режим позиционирования (высокая скорость отработки смещения и точность положения остановки) и режим перемещения, когда важны высокая стабильность скорости и плавная ее регулировка.