Технологическое применение электронно-лучевого нагрева

Основные технологические операции электронно-лучевой обработки можно подразделить на четыре группы: плавка; испарение; термообработка; сварка.

Плавка электронным лучом в вакууме применяется в тех случаях, когда необходимо получить особо чистые металлы. Она имеет преимущества перед плавкой в вакуумных дуговых и индукционных печах, поскольку позволяет производить рафинирование жидкого металла в ванне после прекращения плавления электрода, а также осуществлять другие физико-химические процессы. Переплавляемый материал может быть использован практически в любой форме (шихта, пруток, лом, спеченные штабики, губка).

Для технологических процессов, связанных с нагревом веществ в ЭЛУ (сварка, плавка, и т.п.), необходимая удельная энергия электронного луча:

, (10.1)

здесь N_УД - удельная энергия для образования ванны расплава диаметром d_S,равным толщине металла, м; λ - коэффициент теплопроводности металла, Вт·м/К; Т_ПЛ - температура плавления, К; d_O - диаметр участка, на краях которого температура остается неизменной.

Важную роль при электронно-лучевой плавке играет вакуум:

1. В вакууме происходит интенсивное удаление растворенных в металле газов, что значительно улучшает его механические свойства, особенно пластичность.

2. Некоторые из вредных примесей (нитриды, оксиды) при нагреве в вакууме разлагаются, при этом происходит вакуумное рафинирование металла.

3. При плавке металла в вакууме непрерывно происходит удаление газов из зоны реакции, вследствие чего равновесие химических реакций сдвигается вправо, т.е. резко интенсифицируются раскислительные реакции.

Переплавляемый металл (рис. 10.3) используется в виде гранул или мелкого металлолома.

Электронно-лучевая плавка удобна при выращивании монокристаллов.

Испарение в вакууме материалов при нагреве их электронным лучом широко используют для получения тонких пленок. При испарении осуществляется прямой нагрев поверхности испаряемого материала. Это позволяет испарять материалы из водоохлаждаемых тиглей, что особенно важно при работе с химически активными и тугоплавкими материалами.

Принципиальная схема испарительной ЭЛУ для нанесения покрытий показана на рис. 10.4. Из бункера 5 испаряемый материал по желобу 7, приводимому в действие вибратором 6,поступает в водоохлаждаемый тигель 9. Электронный луч 3,получаемый с помощью электронной пушки 1, искривляется отклоняющей системой 2 в направлении испаряемого вещества 8. В результате воздействия луча 3 на вещество оно испаряется, частицы пара поднимаются вверх и оседают на поверхности подложки 4,образуя пленку.

С помощью размерной обработки заготовки электронным лучом в ней получают глухие или сквозные отверстия заданных размеров или заданный контур.

Электронный луч нашел применение для размерной обработки твердых материалов - алмазов, кварца, керамики, кристаллов кремния, германия.

Особой разновидностью размерной электронно-лучевой обработки является перфорация (получение мелких сквозных отверстий) различных материалов.

Электронно-лучевая термообработка заключается в локальном нагреве обрабатываемых участков поверхности с целью получении структурных превращений материала. Она применяется также для отжига материалов в вакууме, повышая их пластичность и очищая поверхность от адсорбированных газов.

Электронно-лучевая сварка является одним из самых распространенных технологических применений электронного луча. Ее производят с помощью тонкого пучка электронов, который фокусируется на стыке соединяемых деталей и нагревает их до плавления. Сварочный шов получается чистым и свободным от газов, оксидов и летучих примесей. Общее количество энергии, необходимое для расплавления материала, гораздо меньше, чем при других видах нагрева в процессе сварки. Обусловлено высокой концентрацией энергии в фокусе электронного луча.

Установки электронно-лучевой сварки делятся на два типа: низковольтные с рабочим ускоряющим напряжением до 15- 20 кВ и высоковольтные при ускоряющем напряжении 150-200 кВ.