Электронно-лучевая установка для сварки, плавки и обработки стекла и керамики

Совместно с ООО "Новые плазменные технологии" и МГТУ им.Н.Э.Баумана реализован проект по созданию электронно-лучевой установки для сварки, плавки и обработки стекла и керамики.

Использование электронно-лучевого нагрева при резке и сварке деталей из электровакуумного стекла обеспечивает неизменный химический состав материала в зоне сварочного соединения. Использование электронно-лучевого нагрева при плавке стекла позволяет исключить влияние окружающей среды на состав и структуру материала и делает возможным более точное управление его свойствами. Дополнительные возможности по модификации поверхности дает электронно-лучевая полировка стекла, позволяющая существенно снизить шероховатость поверхности детали. При генерировании электронного пучка в диапазоне давлений от 5 до 20 Па в зоне обработки создается плазма, обеспечивающая стекание заряда с обрабатываемого диэлектрического объекта.

Целью создания установки является разработка базовой электроннолучевой технологии плавки, сварки и размерной обработки электровакуумного стекла. Разрабатываемая технология может найти применение в электронной, оптической промышленности и приборостроении при изготовлении деталей и узлов электронных и оптических приборов из электровакуумного и оптического стекла.

Основные требования к базовой технологии обработки изделий из электровакуумного стекла электроннолучевым методом приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные требования к технологии

№ п/п

Наименование параметра

Значение

1

Виды обработки стекла      

Сварка, плавка, размерная обработка.

2

Форма изделий

Трубчатая, плоская.

3

Скорость сварки, см/мин.

1,0

4

Глубина провара, мм          

до 5,0

Основные требования к образцам, обрабатываемым на электронно-лучевой установке, приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Требования к параметрам установки

№ п/п

Наименование параметра

Значение

1

Габаритные размеры установки, м           

2,0×2,0×3,0

2

Рабочий объем вакуумной камеры, м3     

0,3

3

Потребляемая мощность, кВА      

10,0

4

Управление  

Автоматизированное

5

Давление в рабочей камере, Па    

5,0 –  20,0

В состав технологической установки входят: вакуумная камера со средствами откачки и управления, внутрикамерная оснастка  для закрепления, вращения и перемещения обрабатываемых изделий, электронный источник (пушка), блок управления электронным источником. Вакуумная система оснащена безмасляными средствами откачки и обеспечивает предельное давление в камере 5,0.10-4 Па.

Электронно-лучевая пушка ЭЛТА-60, которая является покупным изделием (производство ООО «Текарте») представлена на рис. 1.

Габаритный чертеж электронно-лучевой пушки

Рисунок 1. Чертеж внешнего вида электронно-лучевой пушки ЭЛТА-60: 1 –  источник электронов, 2 –  промежуточный корпус, 3 – фокусирующе-отклоняющая система с двойным преломлением луча, 4 и 5 –  вакуумная система

Источник электронов 1 предназначен для создания и формирования электронного луча. Промежуточный корпус 2 является связующим звеном между источником электронов и фокусирующе-отклоняющей системой. В нем установлен механизм шлюзования 4, который служит для отсечения объема источника электронов от остального объема пушки. Фокусирующе-отклоняющая система 3 предназначена для фокусировки и отклонения электронного пучка при сварке. Вакуумная система предназначена для дифференциальной откачки пушки, она состоит из углового вакуумпровода с фланцем для подключения турбомолекулярного насоса (ТМН) 5. Система охлаждения пушки соединяется последовательно с системой охлаждения ТМН. Вакуумная система обеспечивает в источнике электронов давление, не более 10-2 Па.

Электроны, эмитированные нагревателем, ускоряются напряжением порядка 1кВ, бомбардируя катод, разогревают его. В качестве источника электронов используется таблетка из гексаборида лантана.

Регулировка и стабилизация тока электронного луча производится изменением напряжения смещения на управляющем электроде. Фокусировка и отклонение электронного луча осуществляется с помощью фокусирующей линзы и отклоняющей системы двойного преломления. Характеристики электронной пушки приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Характеристики электронной пушки

№ п/п

Наименование параметра

Значение

1

Величина ускоряющего напряжения, кВ

60±1

2

Диапазон изменения тока сварки, мА, не менее в режиме «сварка»

1-250

3

Частота модуляции тока, Гц

0 – 50

4

Максимальный угол отклонения, град., не менее

±10

5

Максимальный параллельный перенос электронного луча, мм, не менее

±12

6

Напряжение питания, В

380

7

Частота напряжения питания, Гц

50

8

Мощность, потребляемая аппаратурой, кВА, не более

50

9

Диапазон изменения тока бомбардировки, мА, не менее

10-50

10

Расход воды для охлаждения, м3/сек

3,58·10-4

Источник электронов располагается вертикально на верхней плите камеры, электронный луч направлен вниз.

Фотография разработанной установки представлена на рис. 2.

Внешний вид электронно-лучевой установки

Рисунок 2 - Внешний вид установки для электронно-лучевой обработки

Электронно-лучевая установка состоит из следующих узлов: вакуумная камера, шкаф с механическим приводом, рама, патрубок переходной, патрубок равнопроходной, насос Edwards XDS35i, насос Edwards EH250, насос Edwards STPXA4503C ISO320F, затвор VAT Series 14 DN320 (14050-PE44), клапан VAT Series 26 DN63 (26436-QE41) x 4 шт., клапан VAT Series 26 DN25 (26428-КE41) x 3 шт., датчик давления широкодиапазонный EdwardsWRG-S, датчик давления термопарный Edwards APG-100, шкаф управления.

Технические характеристики установки приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Технические характеристики установки

№ п/п

Наименование параметра

Значение

1

Объем вакуумной камеры, м3

0,3

2

Предельное остаточное давление, Па

- при использовании форвакуумных насосов;

- при использовании высоковакуумного насоса

 

5,0×10-1

5,0×10-4

3

Суммарный поток натекания и газоотделения, Па×м3/сек

5,0×10-3

4

Число каналов подачи технологических газов

2

5

Пределы регулировки потока технологического газа по каждому из каналов, sccm

10,0 – 200,0

6

Диапазон рабочих давлений, Па

1,0 – 25,0

7

Время откачки до давления 5,0×10-1 Па, мин

5

8

Время откачки до давления 5,0×10-4 Па, мин

15

Вакуумная камера имеет систему водяного охлаждения стенок, верхней и нижней плиты. На верхней плите рабочей камеры располагается фланец для установки электронно-лучевой пушки и устройства ее вертикального перемещения. Дверь камеры имеет систему водяного охлаждения. На двери камеры расположено окно диаметром 200 мм. Окно выполнено из материалов обеспечивающих защиту от ионизирующих излучений.

В модуле управления расположены элементы контроля систем установки: система пуска вакуумных насосов, система управления и регулирования клапанов. Основной частью модуля управления является специализированный промышленный контроллер, обеспечивающий передачу данных по стандарту Ethernet между сервером удаленного управления и блоками управления исполняющих механизмов.

Электрооборудование установки состоит из следующих систем: система управления откачкой, система измерения давлений в характерных точках установки, система питания и управления электронно-лучевым источником, система напуска технологических газов в объем вакуумной камеры, система позиционирования заготовок\изделий внутри вакуумной камеры относительно электронно-лучевого источника, система видеонаблюдения за технологическим процессом, система централизованного контроля и визуализации параметров работы установки.

Одним из преимуществ плазменных источников электронных пучков является возможность их эксплуатации в условиях среднего вакуума, однако разрабатываемая технология предполагает обработку изделий из электровакуумного стекла не допускающую изменение химического состава образца в зоне обработки. Исходя из этого, возникает необходимость не просто откачки рабочего объема до рабочего давления, а обеспечения замещения состава остаточной атмосферы в рабочей камере инертным газом. С этой целью в конструкции изделия предусмотрена система подачи  газа на базе регуляторов расхода.

Система напуска газов в объем вакуумной камеры состоит из двух идентичных каналов газонапуска. В состав канала газонапуска входят отсечной клапан и регулятор массового расхода газа типа РРГ-10 (MFC, Brooks). Система напуска газов обеспечивает следующие режимы работы: два независимых канала подачи газа, каждый из которых поддерживает фиксированный расход газа через себя; один канал работает в режиме фиксированного расхода газа, другой – в режиме стабилизации давления в камере; оба канала работают в режиме стабилизации давления в камере, при этом поддерживая заданное соотношение между массовыми расходами по каналам.

Обрабатываемое изделие помещается на водоохлаждаемый столик (рис. 3), установленный на нижней плите камеры, внутри ее. Столик оборудован устройствами шагового электропривода 1, 2 и обеспечивает перемещение обрабатываемого образца на 200 мм в горизонтальной плоскости в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а также, если образец закреплен во вращающихся планшайбах 3, вращение образца вокруг оси параллельной одной из осей горизонтального перемещения. Для обеспечения фокусировки электронного луча на обрабатываемой поверхности предусмотрено вертикальное перемещение электронно-лучевой пушки по вертикальной оси на 100 мм. Выбранное решение позволяет производить электронно-лучевую обработку как плоских, так и цилиндрических поверхностей изделий.

3Д модель оснастки для закрепления образцов

Рисунок 3 - Внешний вид столика для рамещения обрабатываемых образцов: 1 и 2 - двигатели, 3 - устройство для закрепления трубчатых образцов

Система позиционирования служит для изменения положения заготовок\изделий внутри вакуумной камеры относительно электронно-лучевого источника и состоит из следующих узлов: двух координатный стол, шпиндель для вращения детали, привод перемещения электронно-лучевого источника относительно детали в вертикальной оси с целью фокусировки электронного луча.

Система позиционирования состоит из 4 шаговых двигателей типа FL57STH, 4 драйверов шагового двигателя типа SMD-4.2, источников питания драйверов и 4 модулей расширения типа EM253 в управляющем контроллере. Контроллер задает необходимые скорости движения, времена разгона и торможения, проводит поиск референтных меток, отслеживает состояния датчиков крайних положений. Связь между контроллером и драйверами шаговых двигателей осуществляется по интерфейсу Шаг/Направление.

Работа была выполнена в рамках государственного контракта № 13411.1006899.11.063 при финансовой поддержке Министерства промышленности и торговли РФ.