Технологии

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) Electron-beam welding

Способ электронно лучевой сварки основан на использовании для нагрева и расплавления свариваемых деталей энергии пучка быстро движущихся электронов — электронного луча.

Электроны, испускаемые излучателем-катодом, разгоняются под действием электрического поля высокой напряженности до больших скоростей, сравнимых со скоростью света, и фокусируются в тонкий луч, направленный от излучателя к свариваемому изделию, которое является анодом.

Процесс электронно лучевой сварки осуществляется в вакууме не ниже 10-4 мм рт. ст., так как в противном случае большая часть энергии электронов будет расходоваться на нагрев и ионизацию газов окружающей атмосферы. Встретившись с поверхностью анода (свариваемой детали), электроны тормозятся и отдают свою кинетическую энергию изделию в виде тепла.

При хорошей фокусировке электронный луч является весьма концентрированным источником тепла, обеспечивающим получение узкой и глубокой зоны проплавления (глубиной более 50 мм при ширине 6-8 мм). Поскольку процесс электронно лучевой сварки протекает в вакууме, то создаются самые благоприятные условия для уменьшения газонасыщенности металла шва.  

Установка электронно лучевой сварки

Главной частью установки электронно лучевой сварки является сварочная электронная пушка, служащая для получения и ускорения электронов, а также для фокусировки электронного луча. Пушка помещена в вакуум-камеру, где установлена свариваемая деталь и механизм перемещения детали со скоростью, необходимой для сварки. Вакуум в установке электронно лучевой сварки создается с помощью насосов.

Применение электронно лучевой сварки

Этот способ применяется для сварки чистых активных и тугоплавких металлов, весьма чувствительных к воздействию газов окружающей атмосферы — W, Мо, Та и др.

В связи с трудностями создания вакуум-камер больших размеров таким путем свариваются пока преимущественно не очень крупные изделия. Некоторое сходство с электронно лучевой сваркой имеет сварка когерентным световым лучом, создаваемым специальными источниками — лазерами. Мощный световой луч с чрезвычайно высокой концентрацией энергии может плавить, сваривать, прожигать, резать металлы и другие материалы. Вакуум при этом не требуется. Обрабатываемый материал может быть удален от генератора светового луча — лазера.

Электронно-лучевая сварка использует для разогрева и плавления металла энергию сфокусированного потока электронов. Электронно-лучевую сварку используют для сварки изделий большой толщины при малом расстоянии между ними.

Способ обеспечивает большую глубину проплавления при очень маленькой ширине шва. Электронно-лучевая сварка используется в случаях, когда невозможно выполнить соединение изделий другим способом. Кроме того, он позволяет варить с большой скоростью. При работе установки с нити накала испускаются электроды, поток электронов контролируется (фокусируется и концентрируется) магнитными линзами. Электронный луч создается тем же путем, что и световой луч в телевизионном приемнике. Энергия электронно лучевой сварки контролируется током, подаваемым на нить накала.

Электронно-лучевая сварка, в основном, производится в вакууме, так как молекулы воздуха мешают движению луча. Вакуумная камера имеет защиту от радиационного излучения, появляющегося в процессе сварки. Сварщик контролирует процесс через оптическую систему и управляет лучом с помощью системы дистанционного управления.

Сварка электронным лучом имеет значительные преимущества:

Высокая концентрация ввода теплоты в изделие, которая выделяется не только на поверхности изделия, но и на некоторой глубине в объеме основного металла. Фокусировкой электронного луча можно получить пятно нагрева диаметром 0,0002 -5 мм, что позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм.

В результате можно получить швы, в которых соотношение глубины провара к ширине до 20:1 и более. Появляется возможность сварки тугоплавких металлов (вольфрама, тантала и др.), керамики и т. д. Уменьшение протяженности зоны термического влияния снижает вероятность рекристаллизации основного металла в этой зоне. Малое количество вводимой теплоты.

Как правило, для получения равной глубины проплавления при электронно-лучевой сварке требуется вводить теплоты в 4 -5 раз меньше, чем при дуговой. В результате резко снижаются коробления изделия. Отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла газами. Наоборот, в целом ряде случаев наблюдается дегазация металла шва и повышение его пластических свойств.

В результате достигается высокое качество сварных соединений на химически активных металлах и сплавах, таких как ниобий, цирконий, титан, молибден и др. Хорошее качество электронно-лучевой сварки достигается также на низкоуглеродистых, коррозионно-стойких сталях, меди и медных, никелевых, алюминиевых сплавах.

Вакуумное ионно-плазменное нанесение покрытий

Характеристики скоростного вакуумного ионно-плазменного магнетронного распыления:

Энергетическая цена атома, испаряемого с поверхности металла при работе магнетрона составляет от 250 до 1500 эВ/ат, причем на 1 атом аргона с Е = 500 эВ выбивается 0,6-0,7 атомов титана.

Это несколько хуже, чем при дуговом распылении, но при удельной мощности > 40 Вт/см2 происходит дополнительное испарение и сублимация материала, что снижает энергетическую цену испаряемых атомов.

ВИПР является экологически чистой технологией нанесения покрытий, отличающейся высокими плотностями мощности плазменного разряда (ПМ) от 40 до 500 Bт/см2 и соответственно высокими скоростями напыления пленок (от 10 до 100 мкм/час и более), что открывает новые возможности экологически безопасных физических методов осаждения материалов.  

Технология имеет следующие преимущества по сравнению с существующими методами нанесения покрытий:

• напыление материалов любого типа: проводники, полупроводники, углеродосодержащие и керамические материалы;
• широкий интервал скоростей напыления: 0,1-100 мкм/час и выше;
• высокое качество и однородность покрытий, в том числе, многокомпонентных и многослойных, как по составу, так и по слоям;
• равноскоростное распыление разнородных материалов из одной мишени мозаичного типа;
• высокая точность конструирования состава мозаичных мишеней и наносимых покрытий;
• низкая себестоимость процесса и получения мишеней;
• полная экологическая безопасность (отсутствие: жидких стоков, газообразных выбросов, транспортировки и хранения ядовитых реагентов).

Технология безопасная для человека и окружающей среды, является естественным заменителем экологически вредных химических и электрохимических методов нанесения покрытий; при этом она обеспечивает при сопоставимой производительности и себестоимости более высокое качество покрытий и исключительно широкую номенклатуру напыляемых материалов, соединений и композитов, которые не могут быть получены химическими методами.

Дуговые ионно-плазменные технологии

Характеристики дуговых ионно-плазменных технологий:

— Энергетическая цена атома, испаряемого с поверхности 50 эВ/ат для Cd и 850 эВ/ат для W.
— Средний показатель производительности материала в дуге 3х1018 ат/Кл для Cd и 0,2х1018 ат/Кл для W.
При среднем токе в стационарной дуге 100 А производительность, например, по титану будет 7х1019 ат/с ~ 20 г/час, при этом если осаждать это покрытие на площади 1000 см2, можно достичь производительности 50 мкм/час.

При зажигании вакуумной дуги, происходит контракция на мишени катода с образованием катодного пятна, из которого выходит пар испаряемого материала, ионизирующийся в электрическом поле вблизи катода. Образующаяся при этом плазма практически полностью ионизирована и состоит из многозарядных ионов и капельной фазы материала мишени, доля которой у легкоплавких металлов составляет ~10%, а у тугоплавких металлов ~1%. 

Для удаления капель применяются специальные сепараторы.

Области применения дуговых вакуумных ионно-плазменных технологий:

Получение износостойких покрытий для инструментальной промышленности и машиностроения.
Создание жаростойких, коррозионностойких, эрозиестойких покрытий для авиационных ГТД и турбин, компрессоров энергетических установок.

Для реализации дуговых ионно-плазменных технологий применяются дуговые испарители, обладающие высокой скоростью нанесения покрытий. Для них показатель среднего тока на один испаритель в различных конструкциях колеблется от 50 до 500 А, что указывает на перспективность применения дугового испарения металлов для задач высокоскоростного нанесения покрытий.