Электронно-лучевые установки

Принцип электронного нагрева. Если поместить два электрода в глубокий вакуум и нагреть катод до температуры более 2000 К, то он начнет и эмиттировать электроны, которые под действием электрического поля направятся к аноду. В вакууме при давлении 10−2−10−3 Па практически отсутствуют нейтральные частицы, положительно заряженные ионы не образуются, и ток можно считать чисто электронным.

Если ускоряющая электроны разность потенциалов достаточно велика, то при подходе к аноду электроны приобретают такую скорость, а следовательно, и кинетическую энергию, что оказываются способными разогревать анод своими ударами. При этом электрическая энергия превращается в тепловую в тонком поверхностном слое анода; дальнейшее распространение теплоты в последнем происходит теплопроводностью и конвекцией (если анод жидкий, например, жидкометаллическая ванна).

При еще больших скоростях электронов в результате бомбардировки анода электронным пучком возникает рентгеновское излучение аналогично тому, как это имеет место в рентгеновских трубках.

В электронном пучке электроны отталкиваются друг от друга и пучок расширяется. Поэтому если необходимо получить острый, сконцентрированный пучок, то ускоряющее напряжение должно быть весьма высоким, а на пути пучка следует применять магнитную фокусировку, сжимая его магнитным полем. Практически при широком несфокусированном пучке (установки с кольцевым катодом и радиальными пушками) ускоряющие напряжения составляют 5–15 кВ, а

при сфокусированном луче (установки с аксиальными пушками) – 30–40 кВ; при работе с остро сфокусированным лучом (сварочные установки) ускоряющие напряжения равны 70–100 кВ.

Если ускоряющее напряжение превосходит 20 кВ, то приходится принимать меры по защите персонала от рентгеновского излучения. При напряжениях до 40 кВ установки заключают в стальной кожух толщиной не менее 15 мм, в гляделках применяют свинцовое стекло толщиной 40 мм; при более высоком напряжении кожух обкладывают свинцовыми листами.

Электронно-лучевая (ЭЛУ) установка состоит из устройства для получения и формирования электронного пучка, рабочей камеры с расплавляемым электродом и кристаллизатором (плавильная печь) или с нагреваемым материалом (нагревательная печь) и откачной системы, поддерживающей в катодной области на пути пучка давление не более 10−2 Па.

Таким образом, в электронно-лучевой установке источник энергии вынесен из объема, где осуществляется технологический процесс, и поэтому в отличие от ВДП и печей ЭШП его мощность можно регулировать независимо от того, что происходит в рабочей камере ЭЛУ. Это позволяет перегревать металл в нужных пределах, осуществлять его выдержку при постоянной температуре, необходимой для глубокой очистки от примесей и газов, проводить операции рафинирования с использованием шлаков. Это дает возможность получить в ЭЛУ металл (главным образом, тугоплавкие металлы и сплавы) более высокого качества по сравнению с ВДП, где невозможно прекращать наплавление слитка.

Конструкции и области применения ЭЛУ. Наиболее простая конструкция электронной плавильной установки показана на рис. 2.93. Это – установка с кольцевым катодом и автоэлектронным нагревом, у которой анодом служит сам расплавляемый металл. Катод K представляет собой нагретую до 2500 К протекающим через нее током вольфрамовую спираль. Анодом А являются расплавляемый электрод и жидкометаллическая ванна, находящаяся в верхней части слитка, который образуется в кристаллизаторе.

Катод окружен молибденовым экраном, находящимся под тем же потенциалом. Электроны, выходящие из катода, отталкиваются

экраном и в виде кольцевого пучка устремляются на электрод и жидкометаллическую ванну слитка. Конец электрода под действием бомбардирующих его электронов расплавляется, и металл каплями стекает в ванну. Поднимая и опуская электрод, можно изменять долю попадающих на него электронов, например,

температуре (в зависимости от тока, а следовательно, и мощности пучка). Печи с кольцевым катодом работают на напряжении 5–15 кВ.

Их преимущество – простота устройства и большая проводимость, благодаря чему здесь можно получить токи пучка при низком напряжении. Однако эти печи обладают крупным недостатком; у них катод находится в плавильной камере, поэтому при газовыделении с поверхности ванны он оказывается в зоне повышенного давления. Выходящие из катода электроны, сталкиваясь с частицами газов, ионизируют их; образующиеся положительные ионы направляются к катоду и оседают на нем, при этом происходит отравление катода – сильно снижается его эмиссионная способность и сокращается срок службы. Кроме того, при значительном повышении давления может произойти разряд между электродом и катодом с разрушением последнего.

Ввиду этого плавильные установки с кольцевым катодом имеют ограниченное применение для переплава металлов с малым выделением газов.

Несколько лучше в этом отношении ЭЛУ с радиальными пушками (рис. 2.94.), у которых вокруг электрода по радиусам установлено несколько катодов и анодов с отверстиями, через которые движущиеся прямолинейно электроны проходят к концу электрода и к ванне. Таким образом, здесь анод отделен от расплавляемого металла, хотя они и находятся под одинаковым потенциалом. Анод является направляющим и формообразующим устройством. Устройство, состоящее из катода и направляющего пучок анода, носит название электронной пушки.

Пространство, в котором находятся электронные пушки, отделено от плавильного пространства перегородкой с отверстиями для электрода и пучков электронов. Верхняя и нижняя части камеры имеют самостоятельные откачные системы. Если выделение газов из

Поэтому в плавильных установках с радиальными пушками не наблюдается пробоев между катодом и анодом, однако их работа протекает удовлетворительно лишь при плавлении металлов с ограниченным газовыделением. Радиальные пушки работают с сравнительно низким ускоряющим напряжением (около 15 кВ), поэтому их мощность ограничена, и для создания, например, установки мощностью 150 кВт требуется расположить вокруг электрода девять пушек, что затрудняет управление ими.

Наибольшее распространение в настоящее время в качестве плавильных агрегатов получили ЭЛУ с аксиальными пушками (рис. 2.95).

Аксиальная пушка образует сильно сфокусированный электронный луч. Она имеет два катода. Основной катод K представляет собой массивную вогнутую снизу вольфрамовую пластину диаметром 2,5–4,0 см, разогреваемую до 2300–2500 К электронной бомбардировкой от вспомогательного катода К1, выполненного в виде нагреваемой током проволочной вольфрамовой спирали. Между обоими катодами

для вспомогательного. Анод А имеет специальную форму с тем, чтобы создать в пространстве между ним и катодом такое электрическое поле, которое сфокусировало бы электронный пучок так, чтобы он практически весь проходил через отверстие анода. Выйдя из анода, электронный пучок попадает в лучепровод Л, который соединяет катодную камеру с плавильной камерой установки. В последней находится электрод Э, который может перемещаться горизонтально: его можно вводить под пучок или выводить его конец из-под него. Часть электронов пучка проходит мимо конца электрода и попадает на поверхность жидкометаллической ванны, расположенной внизу плавильной камеры в кристаллизаторе.

Задача лучепровода – защитить катодный узел от прорыва в него газов из плавильной камеры. Для этой цели лучепровод откачивается своим насосом, помимо насосов, откачивающих катодный узел и рабочую камеру. Диафрагмы внизу лучепровода также затрудняют поступление газов по нему вверх. Так как на своем пути через лучеировод электронный пучок расширяется, производится его дополнительная магнитная фокусировка (сжатие) с помощью магнитных линз М (соленоидов).

В настоящее время плавильные электронные установки используются главным образом для переплава стали, молибдена и других тугоплавких и химически высокоактивных металлов. Электронные установки с аксиальными пушками работают при напряжениях 30–40 кВ, сварочные электронно-лучевые установки с особо остросфокусированным лучом работают при напряжениях 70–100 кВ.

Мощность плавильных ЭЛУ составляет от 50 (лабораторные установки) до 2000 кВт, сварочные ЭЛУ имеют мощность в десятки или

сотни киловатт.

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРКА

Сварка является одним из ведущих технологических процессов изготовления и упрочнения деталей, изготовления строительных конструкций, трубопроводов и судов, ремонта деталей и конструкций. Эффективно использование технологических приемов сварки и при резке металлов.

В настоящее время широкое развитие получили такие новые способы сварки как: порошковыми материалами, плазменная, контактная и электрошлаковая, сварка под водой и в космосе и др., многие из которых были разработаны в Институте электросварки имени Е.О. Патона, который в последние годы возглавлял сын основателя института - академик Борис Евгеньевич Патон.

Кроме головного, в этой отрасли, института сварки имени Е.О. Патона, вопросами сварки успешно занимаются многие учебные институты (УПИ, ЧИМЭСХ, ЛГАУ и др.), институты объединения «Ремдеталь».

Преимущества использования сварки перед заклепочными и резьбовыми соединениями деталей при изготовлении строительных конструкций следующие:

-рациональность конструкций;

-экономия металла ( до 15…20 %);

-более высокая производительность (на 15...20 %).;

-более низкая себестоимость( снижение на 20...45 %);

-высокая надежность соединения.

Сваркой называется процесс получения неразъемного соединения деталей местным сплавлением или пластической деформацией. Наплавка — это разновидность сварки, заключающаяся в том, что на поверхность детали наносят слой металла, предназначенный для восстановления размеров изношенной детали или для повышения её износостойкости.

При восстановлении деталей сваркой и наплавкой можно получать долговечность их сопоставимой или даже более высокой с долговечностью новых деталей, использовать механизацию и автоматизацию процессов.

Сварка происходит при молекулярном или атомном взаимодействии металлов (рис. 3.1.), для чего необходимо расплавление или пластическая деформация деталей. Расплавление металла происходит при температурах выше Т_пл. При сварке плавлением расплавленный металл образует сварочную ванну,, при кристаллизации которой происходит соединение поверхностей.

При пластическом деформировании как предварительно нагретых так и холодных металлов разрушаются окисные пленки и поверхности сближаются до расстояний возникновения межатомных связей и поэтому происходит прочное соединение деталей. Из рис. 3.1. видно, что при увеличении температуры нагрева металла требуется меньшие усилия для сварки давлением.

В настоящее время известны сотни и сотни различных способов сварки в зависимости от вида энергии, особенностей технологического процесса, защиты от воздуха и др. Самая приближенная классификация видов сварки представлена на рис 3.2. Расплавление металла происходит за счет энергии дуги при электродуговой сварке и электрического тока, проходящего через расплавленный флюс при электрошлаковой сварке, бомбардировки в вакууме свариваемых поверхностей электронами, энергии от горения газов при газовой сварке, энергии от горения порошковой смеси при термитной сварке и расплавлением кромок деталей перегретым расплавленным присадочным металлом при литейной сварке.

3.3. Тепловые процессы при сварке.

Энергия теплового источника (электрической .дуги, газового пламени и т.д.) расходуется на нагрев металла детали, на расплавление электрода или присадочного материала, на плавление защитного флюса (обмазки электрода) и на тепловые потери. Распределение температуры в свариваемом металле зависит от мощности теплоисточника, физических свойств металла (теплоемкость, температура плавления и др.), размеров конструкции, скорости перемещения и т.д.

На рис.3.4. показаны изотермы — овальные кривые, сгущающиеся впереди движущегося при сварке источника тепла (электрической дуги, пламени горелки,…) . Изотерма 1600 °С это температура плавления стали, она определяет ориентировочный размер сварочной ванны. Изотерма 1000°С указывает на зону перегрева металла, 800 °С изотерма показывает зону закалочных явлений, а 500°С- зону отпуска.

Отличия сварочной ванны от металлургической ванны :следующие:

- малый объем и кратковременность существования ванны ,поэтому плохо перемешивается металл, возможны поры (не успевают выделиться газы ) и шлаковые включения в сварном шве;

-значительная поверхность контакта расплавленного металла с атмосферой., поэтому происходит выгорание « полезных» кремния и магния и образование окислов железа (наличие кислорода в стали приводит к снижению её прочности , пластичности и коррозийной стойкости и сообщает стали красноломкость) и насыщение сварного шва азотом (увеличивается хрупкость ).

Сварной шов образуется за счет расплавления металла электрода и частично основного металла (рис. 3.5.). В зоне сплавления кристаллизуются зерна, принадлежащие как основному, так и присадочному металлу. В зоне термического влияния из-за быстрого нагрева и охлаждения металла происходят структурные изменения металла.

Величина зоны термического влияния составляет при ручной электродуговой сварке для обычного .электрода. 2...2,5 мм, а для электродов с повышенной толщиной обмазки — 4...10 мм. При газовой сварке зона термического влияния существенно возрастает (.до 20...25 мм).

В зоне термического влияния могут быть участки :

-старения ( 200... 300 °С );

-отпуска ( 250...650 °С );

-неполной перекристаллизации ( 700...870 °С );

-нормализации ( 840...1000 °С );

-перегрева ( 1000...1250 °С );

-околошовный участок , примыкающий к линии сплавления (от 1250 °С до 1600°С).

При сварке возможны два предельных случая :

-резкая закалка при быстром охлаждении околошовного участка;

-перегрев при медленном охлаждении и образование крупных зерен аустенита.