• высоковольтный выпрямитель;
• стабилизатор ускоряющего напряжения;
• блок накала катода;
• модулятор;
• источник питания электромагнитных линз;
• электронно-лучевая пушка;
• вакуумная камера с вакуумной системой и люками загрузки;
• механизмы перемещения свариваемых деталей.
Преимущества ЭЛС:
• высокий к.п.д. установок ЭЛС, т. к. до 99 % кинетической энергии электронов, используемой для нагрева свариваемых деталей, переходит в тепловую энергию;
• температура в зоне сварки достигает 5000–6000 °C;
• при сварке электронным лучом теплота выделяется только в зоне сварки;
• за счет более интенсивного выделения теплоты в глубине зоны сварки получается кинжальное проплавление с отношением глубины к ширине до 20:1;
• высокая удельная мощность луча до 5–105 Вт/см2 и выше;
• фокусировка луча до диаметра 0,001 см;
• электронный луч используют для сварки, сверления, фрезерования практически любых современных материалов;
• широкий диапазон толщин заготовок (от 0,02 до 100 мм);
• высокая степень автоматизации сварочного процесса.
Недостатки ЭЛС:
• наличие специального оборудования требует подготовки высококвалифицированных кадров;
• наличие рентгеновского излучения при взаимодействии электронного луча со свариваемым материалом требует защиты оператора;
• высокая температура накала катода до 1700–2400 °C снижает срок службы катодов.
Плазменная сварка
Плазма (от греч. plasma, букв. – вылепленное, оформленное) – частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.
Термин «плазма» ввели в 1929 г. И. Ленгмюр и Л. Тонкс. Большой вклад в развитие учения о плазме внесли советские ученые – Л. Д. Ландау, А. А. Власов, А. Д. Сахаров, американские ученые И. Е. Тамм, Л. Спитцер.
Современные ученые выделяют плазму как четвертое состояние вещества, наряду с газом, жидкостью и твердыми телами. В состоянии плазмы находится большая часть вещества Вселенной – звезды, звездные атмосферы, межзвездная среда. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра, проявления которого мы наблюдаем в виде полярных сияний.
При сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т. е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превратятся в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана его взаимодействием с электромагнитным излучением (фотоионизация) или бомбардировкой газа заряженными частицами.
Свободные заряженные частицы, особенно электроны, легко перемещаются под действием электрического поля. Поэтому в состоянии равновесия пространственные заряды входящих в состав плазмы отрицательных электронов и положительных ионов должны компенсировать друг друга так, чтобы полное поле внутри плазмы было равно нулю. Именно отсюда вытекает необходимость практически точного равенства плотностей электронов и ионов в плазме – ее квазинейтральности. Нарушение квазинейтральности плазмы в объеме, ею занимаемом, ведет к немедленному появлению сильных электрических полей пространственных зарядов, тут же восстанавливающих квазинейтральность.
Принято выделять два типа плазмы:
• низкотемпературная плазма с температурой внутри её ниже 105 К;
• высокотемпературная плазма с температурой выше 106–108 К.
На сегодняшний день плазму получают следующими способами:
• электрическим разрядом в газах (дуговой, искровой, тлеющий);
• в процессах горения и взрыва.
Плазма обладает так называемыми коллективными процессами. Ее можно рассматривать как упругую среду, в которой легко возбуждаются и распространяются различные шумы, колебания и волны. Причем плазма обладает наличием собственных колебаний и волн. Таким образом, плазма резко отличается от газов. Например, электропроводность полностью ионизированной плазмы превосходит электропроводность серебра. Поэтому плазму можно рассматривать как идеальный проводник.
Плазменная технология подразумевает различные методы обработки и получения материалов с использованием плазменной струи или плазменной дуги.
Наиболее широкое распространение получили атмосферные (при нормальном давлении) плазменные методы обработки материалов – резание, напыление, наплавка, сварка, выращивание монокристаллов.
В 1980-х годах эффективное развитие получили ионно-плазменные технологии. Процессы обработки материалов с помощью ионно-плазменной технологии реализуются в вакууме с помощью плазменных ускорителей. Благодаря этому удается наносить сверхтвердые, жаростойкие, коррозионно-стойкие покрытия.
Плазму получают в специальных устройствах – плазмотронах. Плазмотрон – устройство для создания плотной (с давлением порядка атмосферного) низкотемпературной плазмы (до 104 К) с помощью электрического разряда в газах, дающее плазменный поток.
Принцип работы плазмотрона заключается в следующем: холодный газ непрерывным потоком продувают через область, где горит стационарный разряд. Газ нагревается, ионизируется, превращается в плазму, которая истекает в виде плазменной струи.
На практике применяют следующие виды плазмотронов, работающих:
• на дуговом разряде;
• пеннинг-разряде;
• ВЧ и СВЧ-разрядах (высоко– и сверхвысокочастотных);
• с ионизацией газа электронным пучком;
• фокусировкой оптического разряда с помощью лазера.
Наибольшее практическое применение получили плазмотроны на дуговом электрическом разряде. Дуговой плазмотрон может работать на постоянном или переменном токе. Мощность дуговых плазмотронов – от 102 до 107 Вт.
Температура на срезе сопла – 3000–20 000 °C. Скорость истечения струи 1–104 м/с, промышленный к.п. д – 50–90 %. Плотность тока в плазмотронах достигает 100 А/мм2.
В качестве плазмообразующего газа используют аргон (температура плазмы – 15000–30000 °C), азот (температура плазмы – 10000–15000 °C) или смесь газов, а также водяной пар (температура плазмы до 10000 °C).
Применяют два основных плазменных источника нагрева для сварки:
• плазменную струю, выделенную из столба косвенной дуги;
• плазменную дугу, совмещенную с плазменной струей.
Соответственно применяют два типа плазменных горелок.
В горелках (рис. 9а) для получения плазменной струи дуга (1) горит между вольфрамовым электродом (2) и соплом (4), к которому подключен положительный полюс источника тока. Электрод изолирован от корпуса горелки керамической прокладкой (3). Сопло интенсивно охлаждается водой. Из сопла выходит яркосветящаяся плазменная струя (5). Горелка питается током прямой полярности от источников с падающей характеристикой.
Плазменная струя представляет собой независимый источник теплоты, позволяющий в широких пределах изменять степень нагрева и глубину проплавления поверхности заготовок. Тепловая мощность плазменной струи ограничена, ее применяют для резки и сварки тонких металлических листов и диэлектрических материалов, а также для напыления тугоплавких материалов на поверхность заготовок.
Горелки, предназначенные для сварки, снабжены вторым концентрическим соплом (6), через которое подается защитный газ. Сопло электрически нейтрально и служит для сжатия и стабилизации дуги.
Сжатие столба происходит следующим образом: рабочий газ, проходя через столб дуги, нагревается, ионизируется и выходит из сопла плазмотрона в виде плазменной струи.
Плазменная струя имеет форму ярко выраженного конуса (рис. 9а) с вершиной, обращенной к изделию и окруженной факелом.
Устройство горелок для получения плазменной дуги (рис. 9б) принципиально не отличается от устройства горелок первого типа. Только дуга горит между электродом и изделием.
Процесс возбуждения плазменной дуги между электродом и изделием осуществить очень трудно. Поэтому дуга вначале возбуждается между электродом и соплом (дежурная дуга), а затем при касании ее факела изделия происходит автоматическое зажигание основной дуги между электродом и изделием. Для этого к соплу подключен токопровод от положительного полюса источника тока.
Плазменная дуга обладает большей тепловой мощностью по сравнению с плазменной струей, т. к. в изделие вводится дополнительное тепло от электрического тока дуги. Плотность теплового потока плазмотрона в десятки раз больше теплового потока при сварке плавящимся электродом.
