Способ вневакуумной электронно-лучевой обработки

(19 4 В 23 К 15/О ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ и др. Особенностиостей и покрытий- Сварочное про 4, с.25-27.УУМНОЙ ЭЛЕКТРОННОГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Горбунов В.А. и др. Особенностинагрева металлической пластины неразвернутым пучком электронов с энергией 800-1500 кэВ мощностью до 70 кВт.Сварочное производство. 1979, У 1,с, 10-12.Фоминский А,П.оплавления поверхнпучком электронов,изводство, 1984, У(54) СПОСОБ ВНЕВАКЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ(57) Изобретение относится к электронно-лучевой обработке, в частности к наплавке электронным пучком ватмосфере воздуха или инертного газаизносостойких порошковых покрытий,Оно может быть использовако в черной металлургии для упрочнения и защиты поверхностей металлических изделий. Целью изобретения является повышение производительности и качества процесса обработки путем увеличения ширины и равномерности оплавления. Для этого воздействуют на пучок электронов, выведенных в область, повышенного дав ления, периодически изменяющимся вовремени полем напряженностью 11000140000 А/м. Магнитное поле, наложенное на пучок в газе или воздухе, заставляет электроны пучка отклонятьсяот прямолинейного движения. Чем больше напряженность магнитного поля,тембольше угол отклонения электронногопучка.,При сканировании пучка увеличивается Ширина области обработкиповерхности изделий до амплитудысканирования и соответственно возрастает ширина оплавления. Плотностьмощности электронного пучка выбираютв пределах от 10 до 10 Вт/м дляснижения рассеяния электронов в газовой среде. 7 ил., 4 табл, 1328114.4/5 ая наб. Производственно-полигр кое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,4 Тир ВНИИПИ Го по делам 113035, МоИзобретение относится к электрон- но"лучевой обработке, в частности к наплавке электронным пучком в атмосфере воздуха или инертного газа из5 носостойких порошковых покрытий, и может быть использовано в черной металлургии для упрочнения и защиты поверхностей металлических изделий.Цель изобретения - повышение про-,10 изводительности и качества процесса обработки путем увеличения ширины и равномерности оплавления.На фиг. 1 показана осциллограмма изменения во времени напряженности 15 магнитного поля; на фиг. 2 - валики оплавленной поверхности обрабатываемой детали, выполненные с шагом с; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг, 2; на фиг. 4 - валики оплавленной поверх ности детали, выполненные с перекрытием; на фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 4; на фиг. 6 - принципиальная схема установки для вневакуумной электронной обработки; на фиг. 7 - 25 электромагнит, отклоняющий электронный пучок от оси электронно-лучевой пушки,Способ состоит в воздействии на пучок электронов, выведенных в об ласть повышенного давления, периодически изменяющегося во времени поля напряженностью 11000-140000 А/м.Магнитное поле, наложенное на пучок в газе или воздухе, заставляет электроны пучка отклоняться от прямолинейного движения. Чем больше напряженность магнитного поля, тем больше угол отклонения электронного пучка. При периодическом изменении 40 магнитного поля во времени угол отклонения пучка изменяется также периодически, в результате пучок сканирует с частотой изменения магнитного поля, При этом направление ска нирования пучка перпендикулярно си-. ловым линиям магнитного поля, следовательно, перпендикулярно направлению перемещения изделия. При сканировании пучка увеличивается ширина области обработки поверхности изделия до амплитуды сканирования и соответственно возрастает ширина оплавления поверхности изделия, перемещаемого под пучком. Это приводит к улучшению качества покрытия за счет повышения однородности толщины оплавленного или,наплавленного слоя и уменьшения неровностей его поверхности. Поскольку электроны пучка. сильно рассеиваются в газовой среде, то плотность мощности пучка релятивистских электронов выбирают в пределах от 10 до 10 Вт/м, при которых становится возможным осуществлять сканировайие пучка без значительной расфокусировки (рассеяния) его.Верхний предел предлагаемого интервала амплитуды напряженности магнитного поля определяется тем, что при напряженности более 140000 А/м пучок электронов данной энергии отклоняется магнитным полем на слишком большой угол при заданном расстоянии от выпускного устройства до облучаемого изделия. Это ведет к тому, что при больших углах отклонения пучок падает на поверхность изделия наклонно и фокусное пятно (зона нагрева) сильно размазывается у краев полосы облучения, что ведет к меньшему нагреву этих мест по сравнению с серединой плоскости изделия. Кроме того, при напряженности поля более 140000 А/м происходит сильная расфокусировка электронного пучка в газе из-за того, что при повороте в столь сильном магнитном поле радиус поворота оказывается мал и длины пробега электронов в пучке, имеющем конечный диаметр, оказываются существенно разными у внешнего и внутреннего (по отношению к радиусу поворота) краев пучка. Это тоже ведет к неоднородности распределения мощности пучка при сканировании по поверхности изде. лия, а в результате - к неравномерности наплавки.Нижний предел предлагаемого интер вала амплитуды напряженности магнитного поля определяется тем, что при напряженности менее 11000 А/м пучок электронов данной энергии (0,4 1,5 МэВ) отклоняется магнитным полем на слишком малый угол, не обеспечивающий достаточную амплитуду сканирования пучка по поверхности изделия, большую двух диаметров пучка. Амплитуда сканирования пучка по поверхности иэделия зависит как от угла сканирования, так и от расстояния от выпускного отверстия до облучаемой поверхности изделия. Но с увеличением этого расстояния увеличивается диаметр пучка из-за рассеяния его в газовой среде и соответственно уменьшается плотность. мощности в15 20 25 30 35 40 45 50 55 пучке, которую нерационально уменьшать ниже 10 Вт/м . Поэтому рассто 9якие от выпускного отверстия до облучаемой поверхности ограничено этим условием. При таких ограничениях и с учетом того, что амплитуда сканирования не должна быть меньше двух диаметров пучка (иначе теряется смысл сканирования и выявляется неоднородность наплавки по ширине полосы), экспериментальна найдено,что амплитуда, напряженности магнитного поля не должна быть меньше 11000 А/м,Наиболее целесообразно изменять напряженность магнитного поля по,ли. нейному закону с нулевой длительностью заднего фронта. При этом осциллограмма магнитного поля имеет пилообразную Форму (Фиг.1), а пучок "рисуетна поверхности изделия ряд параллельных друг другу прямолинейных отрезков дорожки оплавления, расположенных под углом к направлению движения изделия (Фиг.2). Ширина дорожки оплавления равна диаметру пучка или несколько меньше него из-за того, что плотность мощности у краев пучка меньше, чем в его центре. Шаг расположения отрезков дорожки оплавления г. определяется скоростью Ч пе.ремещения изделия с частотой Й сканирования пучка. Если шаг С больше диаметра пучка а , то на поверхности изделия валики расплавленного металла не сливаются. При этом отсутствует сплошность полосы покрытия. Такое покрытие может быть рекомендовано с целью повышения износастойкости поверхности изделия. Она обеспечивает экономию наплавочнога порошка и энергии по сравнению со сплошными покрытиями,Для обеспечения сплошности покрытия необходимо брать шагменьше диаметра пучка ц . При этом отдельные отрезки дорожек оплавления перекрываются своими краями и сливаются в сплошную полосу оплавления, ширина которой Ь равна амплитуде сканирования пучка по поверхности изделия (Фиг.4 и 5). С уменьшением шага с увеличивается степень перекрытия соседних дорожек плавления и уменьшается неоднородность толщины оплавленного слоя и неровность его поверхности. Однако при этом возрастают энергозатраты на оплавление и уменьшается производительность процесса из-за того, что в зонах перекрытия дорожек материал покрытия приходится переплавлять пучком дважды.. Повышение однородности толщины оплавления или наплавленного слоя и устранение неровностей (гребенчатости) ега поверхности достигается, когда частоту сканирования пучка берут в пределах от 1 до 2 величин й = 2 Ч/а, где Г - частота (Гц), а - дйаметр пучка, Ч - скорость перемещения поверхности изделия (м/с), которую рекомендуется брать в пределах от 1 до 4 величин расчетной скорости обработки, опрделяемой полуэмпирической формулой Ч = Р/43 10 Ь, где Р - мощность пучка (кВт), Ь - ширина полосы оплавления (м), равная амплитуде сканирования пучка па поверхности изделия. КоэфФициент 4310 имеет размерность кВт с/м. За нижней границей предлагаемого интервала частоты Гр поверхность наплавленного покрытия перестает бытьгладкой и на ней проявляются гребенчатые неровности, А при достиженииверхней границы предлагаемого интер-. вала частоты толщина оплавленногослоя становится одинаковой во всехточках оплавленной поверхности и дальнейшее повышение частоты уже не ведет к улучшению однородности толщины, но ведет к повышению энергозатрат и снижению производительности.Установка для осуществления предлагаемога способа обработки (фиг.б)состоит из ускорителя 1 электронови устройства 2 вывода пучка электронов из вакуумной системы ускорителяв воздух или газ. Это устройство име.ет многоступенчатую систему откачкивоздуха или газа из канала, соединяю.щего вакуумную систему ускорителя сатмосферой. Многоступенчатая система,откачки снабжена вакуумными насосами 3, каждый из которых подсоединен к одной из ступеней системы откачки. Все ступени системы откачки отделены друг от друга медными диафрагмами 4 с отверстием в них для прохождения остросфокусированного пучка электронов. Последняя диафрагма 5 отделяет последнюю ступень откачки от атмосферного воздуха. В диафрагме 5 также имеется отверстие диаметром 11,5 мм для выпуска пучка в атмосферу. Под устройством 2 для вывода пучка в воздух установлено устройство6, выполненное в виде тележки дляперемещения изделия 7 относительнопучка с регулируемой скоростью, Расстояние от выпускного отверстия вдиафрагме 5 до поверхности изделия 5составляет 40-150 мм (регулируемое). Под диафрагмой 5 (между ней иповерхностью изделия 7) размещенэлектромагнит 8, обмотка которогоподключена к источнику 9 тока, генерирующему электрический ток, периодически изменяющийся во времени попилообразному закону с нулевой дли- .тельностью заднего фронта, частотакоторого может регулироваться. Между 15диафрагмой 5 и электромагнитом 8размещен ферромагнитный экран 10,в котором имеется отверстие для прохождения пучка, выполненное сооснос отверстием в диафрагме 5. Электромагнит 8 установлен так, что зазормежду его полюсами расположен сооснос отверстиями в диафрагме 5 и экране10, а вертикальные плоскости полюсоврасположены перпендикулярно направлению перемещения иэделия 7 поперекпучка, Один из возможных вариантоввыполнения электромагнита 8 показанна фиг. 7,Электромагнит состоит из двух Шобразных ферромагнитных магнитопроводов и двух катушек, намотанных набоковые ветви магнитопроводов. Катушки подключены к источнику 9 тока.Пучок электронов проходит между полюсами электромагнита, в зазоре между центральными ветвями магнитопровода,Установка работает следующим об 40разом.Пучок электронов, генерируемыйускорителем 1, выходит из вакуумнойсистемы ускорителя в устройство 2для вывода пучка электронов и движется вдоль ее оси,показанной на фиг. 4 штрихпунктирной линией.Проходя через отверстия в диафрагмах 4, разделяющих ступени откачки, пучок попадает в области все большего давления газа (все худшего вакуума), а после прохождения через отверстие в медной диафрагме 5 попадает в атмосферный воздух или защитный газ.Воздух или газ непрерывно натекает в ступени откачки устройства 2 через эти отверстия в диафрагмах. Затем он откачивается непрерывно действующими насосами 3. Попадая в атмосферный воздух или газ, из-за рассеивания пучок электронов начинает постепенно увеличиваться в диаметре, Но поскольку длина полного пробега релятивистских электронов в воздухе составляет1 м и более, то на расстоянии до 100-150 мм от выпускного отверстия в диафрагме 5 пучок остается еще достаточно концентрированным для осуществления оплавления порошковых покрытий. Проходя через зазор между полюсами электромагнита 8, пучок электронов подвергается воздействию магнитного поля и отклоняется им в направлении, перпендикулярном направлению силовых линий магнитного поля и направлению движения электронов пучка. При этом угол отклонения оси пучка от первоначального направления тем больше, чем больше напряженность магнитного поля. И при изменении напряженности магнитного поля по периодическому закону угол отклонения пучка также изменяется по периодическому закону. В результате пучок сканирует в направлении, перпендикулярном направлению движения тележки 6 с частотой Г, равной частоте изменения тока, питающего электромагнит 8.При работе электромагнита 8 создаваемое им поле рассеяния может достигать диафрагмы 5, если отсутствует магнитный экран 10, В этом случае пучок подвергается воздействию магнитного поля уже в пределах отверстия в медной диафрагме 5 и начинает сканировать, еще не выйдя из этого отверстия, При этом сканирующий пучок электронов сплавляет края отверстия и увеличивает его размеры в направлении сканирования, превращая круглое отверстие в эллипсное, Через увеличивающееся отверстие в диафрагме 5 усиливается натекание воздуха или газа в вакуумную систему установки, что вызывает необходимость устанавливать более мощные насосы 3 для откачки воздуха. Для избежания этого устанавливают между электромагнитом 8 и диафрагмой 5 тонкий ферромагнитный экран 10, препятствующий попаданию магнитного поля на диафрагму 5. В качестве ферромагнитного экрана 10 можно использовать стальную пластину с отверстием в ней для прохождения пучка. Экран 10 особенно необходим при работе с пучком электронов сравнительно низких (до 1 МэВ) энергий, 132811410 15 20 25 30 35 45 50 55 которые сильно отклоняются даже вслабых магнитных полях,П р и м е р 1. На установке (Фиг,6)осуществляют упрочнение поверхностипластин толщиной 10 мм из металлов,указанных в табл. 1, путем оплавления их в атмосферном воздухе пучкомэлектронов, генерируемым ускорителемЭлВ Ускоритель позволяет регулировать энергию электронов в пределах0,4-0,7 МэВ, Пластину каждого металла укладывают на тележку, перемещаемую под ускорителем поперек пучка соскоростью Ч. Расстояние от выпускного отверстия в диафрагме до поверхности обрабатываемой пластины устанавливают равной 1. На пучок электронов в воздухе между диафрагмой и поверхностью пластины накладывают магнитное поле, периодически изменяющееся во времени по линейному закону счастотой Г, Для этого на электромагнит, размещенный между диафрагмой иповерхностью изделия, подают пилообразный ток, Изменением амплитуды тока устанавливают в зазоре между полюсами электромагнита заданную амплитуду напряженности магнитного поляН, Сечение полюсных наконечников составляет 20 20 ммМежду электро.магнитом и диафрагмой устанавливаютферромагнитный экран из стальнойпластины толщиной 1 мм. В результатеобработки пластины за один проход тележки образуются валики оплавления сшириной Ь , равной амплитуде сканирования пучка.Результаты измерения геометрических размеров наплавленных валиковприведены в табл. 1, в которой приведены также и результаты экспериментов по износостойкости,Износостойкость поверхности изделия до и после оплавления определяютна машине Шкода-Савина. После испытаний на поверхности образцовконтролируют глубину лунок.Износостойкость поверхности определяют как отношение Я = г/Ь, где гпуть трения, Ь - глубина вытертойлунки, мм. При этом соблюдают условие Ьо , где ц - толщина оплавленного слоя. Результаты испытаний приведены в табл. 1.П р и м е р 2. Осуществляют обработку поверхности пластин толщиной6 мм из стали Ст 3 путем наплавкисплошного порошкового покрытия. Для этого на зачищенную поверхность пластины насыпают ровным слоем порошок,характеристика .и состав которого даны в табл, 2 и 3. Слой порошка разравнивают скребком до получения однородного по толщине слоя с гладкой и равной поверхностью, Пластину укладывают на тележку, .перемещаемую под ускорителем. Энергию электронов регулируют в пределах 0,8-1,5 МэВ. Облучение осуществляют в атмосферном воздухе. Расстояние от выпускногоотверстия в диафрагме до поверхностипластины выбирают равным 1, На пучокв воздухе между диафрагмой и поверхностью пластины накладывают магнитноеполе напряженностью Н, периодическиизменяющееся во времени по линейному закону с частотой Г. Между электромагнитом и диафрагмой устанавливаютферромагнитный экран из стальной пластины толщиной 1,5 мм. В результате обработки на поверхности пластины образуется наплавленный валик, имеющийширину, равную амплитуде сканирования пучка.Результаты экспериментов сведеныв табл. 2,П р и м е р 3. Осуществляют обработку поверхности пластин толщиной4 мм из стали Ст.3 и из меди путемнаплавки отдельных дорожек порошкового покрытия, образующего износостойкое рифление на поверхности пластины.Все операции обработки осуществляютаналогично примеру 2, с тем отличием,что шаг сканирования выбирают больше диаметра пучка и в установке отсутствует ферромагнитный экран. Это приводит к увеличению натекания воздуха.в вакуумную систему установки черезотверстие в диафрагме и к необходимости увеличения производительности и мощности насосов в 1,5 раза по сравнению с производительностью примера 2,П р и м е р 4. Осуществляют обработку поверхности пластин из дюралюминия марки Д 16 Т толщиной 20 мм путем наплавки.на них отдельных дорожек порошкового покрытия, образующего износостойкое рифление на поверхности пластины. Все операции осуществляют аналогично примеру 3, с тем отличием, что в установке между диафрагмой и электромагнитом размещают ферромаг-. нитный экран из стали толщиной 1 мм, а зону обработки на пластине непрерывно обдувают струей защитного га 9 13281 за - аргоном, с расходом 3 мз /ч. В результате обработки на поверхности изделия образуются валики, показанные на Фиг. 2.В табл. 4 приведены результаты обработки пластин согласно примерам Зи 4,Из табл. 1 и 2 видно, что при вы" ходе за граничные значения амплитуды .10 напряженности магнитного поля Н резко растет неоднородность толщины слоя оплавления или наплавки. Здесь под неоднородностью толщины слоя понимается отношение ширины краевых участ ков полосы оплавления, имеющих уменьшенную по сравнению со средним участком толщину, к ширине всей полосы оплавления, выраженное в Е, При выходе за верхнее граничное значение 20 скорости тележки ( ) 4 Ч ) резко растет неоднородность толщины оплавленного слоя. При выходе за нижнее граничное значение скорости тележки ( с 1 Ч ) не происходит дальнейшего улучшения ка чества поверхности, но чрезмерно возрастает величина проплавления в металле подложки и растут удельные энергозатраты обработки, При выходе за нижнее граничное значение интерва ла частоты сканирования ( с 1 Г ) по- .Р являются неровности поверхности наплавленного слоя и увеличивается неоднородность его толщины, а при выходе за верхнее граничное значение предлагаемого интервала частоты сканирования 2 К ) наблюдается плохое сплавление наплавляемого порошка с подложкой.При использовании предлагаемого 40 ,способа по сравнению с известным повышается производительность наплавления или оплавления поверхностей изделий за счет того, что увеличивается ширина полосы оплавления, по 1014лучаемой за один проход изделия под ускорителем, и отпадает необходимость в многократных возвратно-.поступательных перемещениях изделия под ускорителем, из которых одно перемещение является рабочим, а второе (в обратном направлении) холостым,Технологические возможности способа расширяются за счет появления возможности получать полосу наплавки заданной ширины, имеющую гладкую поверхность или, наоборот, имеющую рифленую поверхность с заданным (регулируемым) шагом рифления.Кроме того, при использовании предлагаемого способа повышается однородность толщины оплавленного или наплавленного слоя и уменьшаются неровности его поверхности за счет повышения ширины полосы оплавления и исключения образования выпуклых менисков на ее поверхности.формула изобретенияСпособ вневакуумной электроннолучевой обработки поверхностей изделий пучком электронов с энергией 0,4- 1,5 МэВ, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения производительности и качества процесса обработки путем увеличения ширины и равномерности оплавления, на пучок электронов воздействуют магнитным полем с напряженностью, периодически изменяющейся во времени по пилообразному закону с нулевой длительностью заднего Фронта, а силовые линии магнитного поля направляют перпендикулярно оси пучка и вдоль направления перемещения обрабатываемой поверхности, причем амплитуду напряженности магнитного поля выбирают от 11000 до 140000 А/м.12 1328114 аблипа 1 Фнэико-механические свойства пластин интервалах пр 0,7 0,5 0,4 О 0 0,4 О,лектроиовК Мэ Эн 0 30 40 40 28 Мощи ть пучкаР кВт впрякенности поля Н, кА/и туда тног 8,6 38,6 Э 8,6 3 11 15 3 нвг танцня облучения,5 4 Дивм мм а полосы оплавления,Вйр,05 0 ность поверкности 0 0,0 . 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 О 16 16 16 25 0,009 е оплавления Расчетная величинСкорость телекки Расчетная в Частота скв Неодиородност слоя оплавгени полосы оплввл еоднородность толщиныслоя оплавления по анриолосы оплавления, Х Яэиосостойкость поверхности Е Фдо оплавления Нокаэателн плвстня, нэготовленных иэ чугуна стати СЧ 32- 1 Х 18 Н 9 Т 52 0 60 , 60 50 4 4 5 25 253,7 . 3,7 25 0,35 0,3 О,Я О,5 0,005 0,005 0,002 0,0041 0,0 0,02 000 0,00 н степи стали45 1 Х 18 Н ва пределамиедлвгаемотервалв 0,005 О,ООЯ 0,008 0,0041 б 15 1328114 Таблица 3 Ьроаок с КР Сг Ь ЧА 1 Тк В 3 1,5 1,8 8,0 2,5 1,5 1,о О,4-1,5 2,5-3,3 3-5 27-3 2,8-4,2 8 о,О,ОЗ 035 ПРН 70930 2,0 Осн. 0,07 28-33 12-15 ПНР 85 Р 15 0,07 1,0 ПН 55 Т 45р 0,2 0,07 43-47 Таблица 4 Показатели в предлагаемых интервалак Параметры Дрор алкинийД 16 Т Сталь Ст,З Медь Металл пластины Ваплавляемый порощокЭнергия электронов Е МэВМонность пучка Р, кВт СормаЯт 1,2 1,2 12 1,2 12 1,5 1,2 1,2 40 40 40 40 70 40 40 50 50 Амплитуда напрякенности магнитного поля Н, кА(м 99 99 99 99 140 118 118 99 99 Дистанция облучения 1 ммДиаметр пучка а, мм 60 60 70 70 70 70 70 60 4 4 3,8 3,8 Амплитуда сканирования Ьмм 50 50 50 50 32 50 50 50 40 186 ,86 1,86 1,86 1 О 20 30 30 5 10 15 15 10 1 О 1 О 5 1 О 20 30 20 1,4 1,2 ,О 1 0 1 О 1 0 О 8Расчетная величина Чр,см(сСкорость телекки Ч, см(с 5,1 1,86 1,86 2,3 3,5 25 20 20 20 Расчетная величина р ГцЧастота сканированияГцщВаг сканирования С ммТолцииа слоя наплавкн 3, мм 16,7 13 10,5 О 10,5 15 20 1 О О 6,7 8,35 20 1 О 20 1,5 1,0,1,3 15 17 Высота слоя валлавкн Ч, мм 0,9 0,6 0,7 ВТН ПГ-УС 25СормайтПР-Х 18 К 9ПВРПРН 85 Ю 5 ПРХ 18 Н 9 ПВРПЖРПРВ 70 ЮЗО