Prelucrarea Cu Fascicul de Electroni Proiect

PROIECT TEHNOLOGII NECONVENTIONALE NECONVENTIONALE UNIVERSITATEA TEHNICA CLUJ-NAPOCA

1.Introducere: 1. Introducere:

1.1 Considerații generale Din toate particulele cunoscute, electronii cel mai ușor pot fi concentrați într -un fascicul cu o energie specifică înaltă, deoarece ei posedă cel mai mare raport între sarcină și masă. Fasciculul de electroni privit ca o sursă de căldură, este superior pr actic asupra tuturor metodelor de concentrare a energiei după puterea specifică și precizie. Prelucrarea cu fascicul de electroni se bazează pe transformarea energiei cinetice a electronilor focusați, ce se mișcă cu o viteză înaltă, în căldură la atingerea suprafeței de prelucrat a piesei, conform schemei de principiu din figura 3.1: a – formarea – formarea sursei termice; b – formarea craterului de eroziune; c – – repetarea impulsului; 1 – – fascicul de electroni; 2 – piesă; 3 – – strat de material transparent pentru electroni; 4 – – crater de eroziune; 5 – zonă lichidă lichidă; 6 – zonă solidificată.

Figura 3.1 – 3.1 – Schema de principiu a prelucră prelucr ării cu fascicul de electroni

În rezultatul ciocnirii electronilor de suprafață, suprafață, aceștia pătrund pătrund prin stratul superficial al materialului şi ajung şi ajung până pân ă la o la o anumită anumit ă adâncime, adânci me, unde energia cinetică a electronilor acumulată în procesul de mișcare se transformă în căldură, în rezultatul căreia zona de prelucrarea se încălzește pînă la temperaturi mai mari de 6000ºC și materialul se vaporizează [1] [1].. 1


Este cunoscut că la încălzirea metalului de pe suprafața acestuia sînt emiși electroni. Energia cinetică a acestor electroni nu este prea mare, însă, acționînd asupra l or cu un cîmp electric, viteza de mișcare și respectiv valoarea energiei cinetice acumulate pot fi mărite considerabil. Valoarea energiei cinetice acumulate poate fi determinată cu relația: W 

mv 2 2

 eU ac  J  ,

(3.1)

unde: m este masa electronului, egală cu 9,1·10 -31 kg; e - sarcina electronului, egală cu 1,6·10

-19

C;

- viteza de mișcare a electronului, m/s; v Uac - diferența de potențial dintre catod și anod (tensiunea de accelerare), V.

Pentru Pentru a reduce rezistența opusă mișcării electronilor, în spațiul de lucru se asigură un vid destul de înaintat (10 -2-10-4 Pa), ca rezultat distanța parcursului liber al electronilor depășește dimensiunile liniare ale spațiului de lucru și electronii nu se ciocnesc cu moleculele mediului. Viteza de mișcare a electronilor poate fi determinată cu relația: v

2e 

m

U ac



5, 93 10 

5

U ac

 m / s .

(3.2)

Una din particularitățile caracteristice ale încălzirii prin bombardarea cu electroni este eliberarea interioară a energiei electronilor în material la frînarea acestora. S -a stabilit experimental, că electronii ce posedă o anumită cantitate de energie, pot pătrunde în adîncul materialului la bombardarea acestuia. Grosimea stratului de suprafață al substanței, în care are loc pierderea completă a energiei electronului în rezultatul unui șir de ciocni ri cu nucleele atomilor și electronii structurii cristaline, determină parcursul electronului, valoarea căruia se determină cu relația:   2,110 12

U ac 

cm ,

(3.3)

unde:  este densitatea substanței, g/cm 3. La pătrunderea electronilor în metal, mișcarea lor este treptat frînată în rezultatul interacțiunii cu electronii și nucleele atomilor. Pentru materialele utilizate pe scară largă și tensiunile de accelerare, adîncimea adîncime a parcursului electronilor constituie cîteva zeci de μm. Necătînd că această adîncime nu nu este mare, considerarea ei este destul de însemnată însemnată la 2


Este cunoscut că la încălzirea metalului de pe suprafața acestuia sînt emiși electroni. Energia cinetică a acestor electroni nu este prea mare, însă, acționînd asupra l or cu un cîmp electric, viteza de mișcare și respectiv valoarea energiei cinetice acumulate pot fi mărite considerabil. Valoarea energiei cinetice acumulate poate fi determinată cu relația: W 

mv 2 2

 eU ac  J  ,

(3.1)

unde: m este masa electronului, egală cu 9,1·10 -31 kg; e - sarcina electronului, egală cu 1,6·10

-19

C;

- viteza de mișcare a electronului, m/s; v Uac - diferența de potențial dintre catod și anod (tensiunea de accelerare), V.

Pentru Pentru a reduce rezistența opusă mișcării electronilor, în spațiul de lucru se asigură un vid destul de înaintat (10 -2-10-4 Pa), ca rezultat distanța parcursului liber al electronilor depășește dimensiunile liniare ale spațiului de lucru și electronii nu se ciocnesc cu moleculele mediului. Viteza de mișcare a electronilor poate fi determinată cu relația: v

2e 

m

U ac



5, 93 10 

5

U ac

 m / s .

(3.2)

Una din particularitățile caracteristice ale încălzirii prin bombardarea cu electroni este eliberarea interioară a energiei electronilor în material la frînarea acestora. S -a stabilit experimental, că electronii ce posedă o anumită cantitate de energie, pot pătrunde în adîncul materialului la bombardarea acestuia. Grosimea stratului de suprafață al substanței, în care are loc pierderea completă a energiei electronului în rezultatul unui șir de ciocni ri cu nucleele atomilor și electronii structurii cristaline, determină parcursul electronului, valoarea căruia se determină cu relația:   2,110 12

U ac 

cm ,

(3.3)

unde:  este densitatea substanței, g/cm 3. La pătrunderea electronilor în metal, mișcarea lor este treptat frînată în rezultatul interacțiunii cu electronii și nucleele atomilor. Pentru materialele utilizate pe scară largă și tensiunile de accelerare, adîncimea adîncime a parcursului electronilor constituie cîteva zeci de μm. Necătînd că această adîncime nu nu este mare, considerarea ei este destul de însemnată însemnată la 2


înțelegerea legităților de bază a mecanismului de prelucrare a materialelor cu fascicul de electroni, mai ales la valori mari a puterii specifice a faciculul de el ectroni. Astfel, spre deosebire de metodele simple de concentrare a căldurii, ce realizează încălzirea prin suprafața metalului, eliberarea energiei la prelucrarea cu fascicul de electroni are loc nemijlocit în material, cu atăt mai mult că eliberarea cea mai intensă a căldurii se observă la o oarecare adîncime. Energia cinetică acumulată de electroni în cea mai mare parte se transformă în căldură. Puterea specifică (densitatea puterii) în pata focală poate fi determinată cu relația: 7/ 4 P sp  kUac ie W / cm2  .

(3.4)

Aici k este constanta ce depinde de construcția și raportul dimensiunilor geometrice al sistemului electrono-optic; 2

i e - densitatea curentului de emisie pe catod, A/cm .

O parte din energia cinetică a electronilor (pînă la 3%) se transformă în radiație luminiscentă și radiație Roentgen, puterea cărora constituie: 7/ 4 P R  3 106 IZUac W ,

(3.5)

unde: I este intensitatea curentului fasciculului de electroni, A; - numărul de ordine al elementului în tabelul periodic. Z Factorul de bază, ce determină funcționarea instalației de prelucrare cu fascicul de electroni, îl constituie fluxul de electroni dintre doi electrozi - catodul, ce emite electroni, și anodul, care îi colectează (absoarbe). Emisia de electroni de pe catod, se efectuează în baza electronilor liberi ce rătăcesc între ionii structurii cristaline. După caracterul de apariție, se deosebesc următoarele tipuri de emisii electronice: termoelectronică, secundară, foto - și autoelectronică. Pentru instalațiile de prelucrare cu fascicul de electroni, un interes mai mare îl reprezintă primele două tipuri de emisii. Emisia termoelectronică determină valoarea energiei cinetice acumulate de fasciculul de electroni, sau curentul de emisie. Emisia secundară (fenomen foarte nedorit) apare la bombardarea suprafețelor metalice cu un flux de electroni, care duc la desprinderea electronilor de pe suprafața de prelucrat (ionizarea de șoc, sau emisia de șoc), în rezultatul căreia în zona de prelucrare se formează un flux de electroni secundari cu sens invers, care se

3

PROIECT TEHNOLOGII NECONVENTIONALE UNIVERSITATEA TEHNICA CLUJ-NAPOCA

mai numește „sarcină spațială negativă”. Valoarea cea mai mare, atinsă de emisia secundară se obține la acțiunea continuă a fluxului de electroni asupra piesei. Prezența „sarcinii spațiale negative” duce la pierderea focusării a fasciculului de electroni, abaterea a acestuia și micșorarea puterii specifice a acestuia [1]. Particularitățile de bază ale fasciculului de electroni ca un instrument pentru microprelucrări, sînt: este ușor de focusat și de modelat după putere; fasciculul nu posedă inerție, și poate fi momentan deplasat în orice punct al suprafeței de prelucrat. Aceste aspecte ale fasciculului de electroni, la fel ca și un șir de alte proprietăți, au dus la utilizarea pe scară largă a unor procese electrotehnologice ca prelucrarea dimensională cu fascicul de electroni, sudarea, topirea metalelor și semiconductoarelor. Cele mai multe procese se desf ăşoară în vid, deoarece atmosfera ar provoca o frânare şi dispersie a fasciculului Procedeul de prelucrare cu fascicul de electroni are şi neajunsuri. Unul dintre acestea este generarea radiaţiei X în timpul prelucrării, motiv pentru care se iau măsuri speciale de protecţie.

Fig. 1 – Fazele de încălzire ale materialului a – încălzirea locală; b – încălzirea cu topirea materialului; c,d – modificarea profilului zonei topite; e – eliminarea explozivă a topirii.

4


1.2 FENOMENE FIZICE LA PRELUCRAREA CU FASCICUL DE ELECTRONI Elementul primar, care stă la baza fenomenelor fizice ce au loc la prelucrarea cu fascicul de electroni , este particula elementară cu sarcina negativă – electronul –

caracterizat prin sarcina: e =1,602 10 -19C; masa: me=9,109 10-31kg; raza: r e=2,82 10-5m; sarcina specif ică: e/me=1,759 1011C/kg. Numărul electronilor dintr-un atom depinde de elementul respectiv şi este egal cu numărul atomic din tabelul periodic al lui Mendeleev. Electronii liberi se pot obţine prin încălzirea suprafeţei unui metal cu o anumită cantitate de energie, care se transferă electronilor, şi aceştia părăsesc suprafaţa metalului, având loc aşa numita emisie termo-el ectronică. Accelerarea electronilor se poare realiza pe două căi: prin aplicarea unui câmp electric sau prin aplicarea unui câmp magnetic.

1.2.1. Densitatea de curent Densitatea de curent, q e, realizată depinde de caracteristicile termofizice ale emiţătorului respectiv (catod), temperatura de încălzire, proprietăţile suprafeţei catodului şi se poate determina cu ajutorul relaţiei Richardson – Dashmann: unde : A – este constanta de emisie, care depinde de natura substan ţei emiţătoare şi are în general, valori de 40 ... 70A/cm2T2 pentru metalele pure; T – temperatura absolută a emiţătorului [K]; eΦ0 – energia specifică a emiţătorului [J]; k – constanta lui Boltzmann (k=1,38 1023J/K). Deşi densitatea curentului se impune a fi de valori cât mai ridicate, totuşi, datorită interdependenţei dintre mărimea acesteia şi temperatura de încălzire a emiţătorului, este necesară delimitarea acestor valori, întrucât supraîncălzirea emiţătorului duce la o evaporare accentuată a metalului de bază, şi implicit, la scăderea duratei de funcţionare a acesteia. 1.2.2 Bombardarea cu fascicul de electroni

Din punct de vedere fizic, bombardamentul cu fascicul de electroni este înso ţit de fenomene secundare, care consumă o parte din puterea fasciculului. Randamentul efectiv al sudării are valori de cca 60-95%. Într-un material de oţelcarbon s-au obţinut următoarele valori ale pierderilor energetice (fig. 2): prin electronii 5


retrodifuzaţi < 4%, prin vaporizare 0,5 – 2%, prin radiaţii X, 0,5%. Pentru cazul considerat, materialul de bază preia cca 93 – 95% din energia totală a fasciculului.

Fig. 2 – Fenomene secundare la bombardarea cu FE.

1.2.3. Încălzirea, topirea şi vaporizarea la bombardarea cu fascicul de electroni În momentul impactului electronilor acceleraţi cu suprafaţa piesei, energia cinetică a acestora este transferată atomilor de metal supuşi bombardamentului electronic. Acest transfer de energie duce la creşterea temperaturii materialului, fapt ce are ca rezultat încălzirea şi topirea rapidă (fig. 3.a) urmată de vaporizarea materialului. Acest fenomen de încălzire, topire, vaporizare are loc în trei faze succesive (fig 3.b) astfel:

6


a

b

Fig. 3. – Fazele succesive de încălzire, topire şi vaporizare a materialului a – încălzirea rapidă şi topirea materialului; b – vaporizarea – expulzarea materialului topit.

a) În prima fază la impactul cu piesa fasciculul electronic pătrunde în stratul superficial, până la adâncimea, δ, care poate fi calculată, în cazul unor tensiuni de accelerare de 10 – 82kV cu ajutorul relaţiei:

7


d = 2,6

⋅

10 −11U2 ρ

[mm]

(2)

unde : U – este tensiunea de accelerare [V]; ρ – este densitatea materialului prelucrat [g/cm2]. b) În faza a doua, la adâncimea δ, circa 60 – 95% din energia cinetică a electronilor este cedată sub forma de căldură, ducând la încălzirea prin inducţie a materialului metalic în zona respectivă. Încălzirea materialului metalic se poate analiza cu ajutorul ecua ţiei diferenţiale a conductivităţii termice dată de relaţia: 2 ∂T( x, t) a∂ T( x, t) C0 e = + ∂t

∂x

klT

2

(3)

cρ

8


unde : T – este temperatura mediului ambiant; x – distanţa măsurată de la supraf aţa piesei; t – timpul; a – coeficientul conductivităţii termice; c – căldura specif ică a metalului de prelucrat; k 1 – coeficient de absorbţie a energiei; Co – constanta procesului. În general pentru a se realiza topirea metalului sunt necesare densi tăţii de putere de ordinul 105 ... 108 W/cm2, care asigură – prin focalizarea spotului fasciculului de electroni – obţinerea unor temperaturi de 5000 ... 6000 oC. c) În faza a treia, are loc o creştere a presiunii specifice a vaporilor de metal topit, care duce la expulzarea sub forma unei microexplozii a stratului de metal topit şi evacuarea cu presiune a vaporilor de metal, piesa fiind străpunsă prin formarea unui crater pe suprafaţa acestuia. Prelucrarea cu fascicul de electroni se poate face şi în regim de impulsuri cu durata de 10-4 ... 10-5s.

1.3 Constituția instalației de prelucrare cu fascicul de electroni O instalaţie de prelucrare cu f ascicul de electroni este prezentată în figura 3.2 [2]: 1 – transformator coborâtor de tensiune; 2 – catod din W sau Ta, încălzit la 2.300 °C; 3 – grilă anodică; 4 – anod; 5 – bobine de focalizare; 6 – incintă vidată; 7 – fascicul de electroni; 8 – piesă; 9 – dispozitiv binocular de urmărire şi control; 10, 11 – sănii pentru deplasarea piesei în coordonate rectangulare (mişcările I şi II). Instalaţia se mai numeşte tun electronic. Vidul este destul de înaintat (10 -2...10-3 daN/cm2), pentru evitarea ciocnirii electronilor de moleculele de aer şi posibilitatea focalizării lor.


Figura 3.2 – Instalaţie de prelucrare cu fascicul de electroni

Legile mișcării electronilor în vid au multe puncte comune cu sistemele optice. Cîmpurile magnetice și electrice ce acționează asupra fluxului de electroni au aceleași funcții ca și lentilele de sticlă sau prismele în domeniul opticii. Deaceea pentru gestionarea cu fluxul de electroni sînt aplicate metode electrice de focusare și refracție a acestuia. Sistemul de deviere (abatere) servește pentru gestionarea mișcărilor a razei de electroni pe suprafața de prelucrare a piesei. Într -un șir de cazuri se utilizează plăci de deviere ce formează un cîmp electric transversal (Figura 3.3), însă o răspîndire mai largă au căpătato sistemele electromagnetice, confecționate în formă de bobine dreptunghiulare, asamblate în perechi, iar fiecare pereche este defazată sub un unghi de 90º una față de alta (Figura 3.4), împreună ele asigurînd abaterea razei pe două traiectorii perpendiculare una față de alta.

L1 Ф1

L2

Ф2

L1

Figura 3.3

Figura 3.4

L2


La trecerea curentului continuu cu valori diferite concomitent prin fiecare bobină (sau modificînd intensitatea cîmpului electric între plăci), se poate modifica traectoria fasciculului de electroni. Alegerea metodei de deviere (electrostatică sau electromagnetică) depinde de tipul și caracterul funcționării al tunului electronic reieșind din considerații energetice și tehnologice. Este cunoscut că, după energia cîmpului, acumulată în zona de deviere, devierea electrostatică este de 25 ori mai efectivă decît cea magnetică. Cu considerarea consumului total de energie și la aceeași bandă de trecere, utilizarea devierii electrostatice este mai rentabilă numai pentru unghiuri ce nu depășesc 3-7º; la unghiuri mai mari este mai rentabilă devierea magnetică. Dacă nu se întreprind măsuri corespunzătoare, fasciculul de electroni format de tun, pe durata mișcării se va lărgi sub acțiunea sarcinii spațiale, deaceea pentru menținerea formei și dimensiunilor acestuia se aplică focalizarea, utilizînd din nou fenomenul interacțiunii cîmpurilor electric și magnetic cu fluxul de electroni. După principiul de formare a fasciculului de electroni se deosebește focusarea electrostatică, electromagnetică sau magnetică. La ieșirea din orificiul anodului, fasciculul de electroni se risipește sub acțiunea sarcinii spațiale. Apariția sarcinii spațiale este legată de faptul că la densități relativ mari a fasciculului de electroni și la tensiunea anodică joasă, nu toți electronii emiși de catod, ajung la anod. O parte din electroni ce au pierdut din viteză în urma interacțiunii unuia cu altul sau cu moleculele gazului, se rețin în spațiul dintre anod și catod, se acumulează și formează așa numitul „nor de sarcină spațială”. O sarcină spațială negativă de același tip se formează și după anod, care împiedică trecerea liberă de mai departe a fluxului de electroni, deformînd traiectoria acestora, și în anumite condiții chiar favorizează întoarcerea unei cantități semnificative de electroni înapoi spre catod, micșorînd astfel valoarea curentului anodic. Deaceea, pentru a menține dimensiunile și forma fasciculului de elctroni, este necesar de a majora tensiunea pe anod pînă la limitele admisibile sau aplicarea uneia din metodele de focusare. Posibilitățile celei dintîi modalități sînt reduse, deoarece la majorarea tensiunii de accelerare crește și valoarea radiației Roentgen, anume din acest motiv o modalitate mai accesibilă și mai efectivă de obținere a unui fascicul de electroni cu o densitate mare îl constituie focusarea. Focusarea electrostatică se utilizează în instalațiile de prelucrare cu fascicul de electroni de putere mică, destinate pentru procesele de microsudare. Distanța de focusare f a lentilelor electrostatice se determină cu relația: U f  k ac , E

(3.6)


unde: k este coeficientul de proporționalitate; E - intensitatea cîmpului electric transversal, W/cm. Modificînd acești parametri se poate realiza relativ ușor schimbarea distanței de focusare a lentilei electrostatice. Trebuie de menționat însă, că din cauza unor dificultăților tehnice (pericolul apariției descărcărilor și străpungerii spațiului dintre electrozii de focusare din cauza vidului înaintat sau prezenței vaporilor de metal) focusarea electrostatică se aplică foarte rar. O altă metodă de focusare a fasc iculului de electroni este utilizarea lentilelor electromagnetice (asemănătoare cu cele utilizate în sistemele de deviere), funcționarea cărora se bazează pe legile interacțiunii cîmpului magnetic cu raza de electroni. Însă pentru focusare se utilizează numai lentilele magnetice „subțiri”, adică acele lentile ale căror lungime este cu mult mai mică decît diametrul. Pentru majorarea raportului diametru -lungime, bobinele de focusare de regulă sînt plasate într-o armură din ARMCO-fier cu grosimea pereților de 5-10 mm, ceea ce reduce considerbil cîmpurile de dispersie ale bobinelor, concentrează cîmpul magnetic efectiv într -o zonă mică (îngustă), datorită cărui fapt se micșorează numărul spirelor -Amper. Datorită faptului că cîmpurile de dispersie ale bobinelor de deviere pătrund în zona cîmpului de focusare și pot provoca aberații considerabile ale fasciculului, sistemul de deviere este amplasat la distanță și ecranat de sistemul de focusare. Calitatea instalațiilor de prelucrare cu fascicul de electroni este caracterizată de parametrii sistemului opto-electronic al acestora: tensiunea de accelerare limită, determinată de rigiditatea dielectrică a izolației dintre catod și anod; valoarea limită a curentului anodic; conductibilitatea sistemului opto-electronic.

1.3.1. Tunul electronic Turnul electronic este subansamblul principal al unei instalaţii de prelucrare cu fascicul de electroni, asigurând principalele funcţiuni: producerea electronilor liberi, fo rmarea fasciculului de electroni, focalizarea şi direcţionarea acestuia, (fig. 5) în care: 1 – catodul termorezistiv; 2 – catod – cilindru Wehnelt; 3 – anodul de accelerare; 4 – lentila electromagnetică; 5 – sistemul de deflexie (deflectorul); 6 – piesa de prelucrat; 7 – sursa de tensiune înaltă, iar in fig. 6, se prezintă tunul tip Steigerwald, care echipează instalaţia T15 prezentată în fig. 8.


Steigerwald

1.3.2 Tipuri constructiv – funcţionale de tunuri electronice Principalele tipuri de tunuri electronice (fig. 7) sunt: a) tunul diodă (tunul Pierce) (fig. 7.a) prezintă dezavantajul că nu permite reglarea intensităţii curentului fasciculului electronic independent de tensiunea de accelerare şi din această cauză sunt tot mai rar utilizate.


Fig. 7 – Tipuri de tunuri electronice a – tunul diodă; b – tunul triodă; c – tunul triodă cu focalizare la distanţă. unde: 1 – catod – cilindru Wehnelt; 2 – catodul termorezistiv; 3 – anodul; 4 – sistemul de focalizare; 5 – anodul de accelerare; 6 – piesa de prelucrare.

b) tunul triod ă (fig. 7.b) prezintă posibilitatea reglării independente a intensităţii curentului fasciculului electronic, datorită faptului că în construcţia sa este prevăzută legarea în circuit separat de alimentare a electrodului de polarizare. c) tunul trioda cu focalizare la distanţă (tunul Steigerwald) (fig. 7.c) permite focalizarea la distanţe relativ mari (circa 1m) a spotului fasciculului electronic, datorită tensiunilor mari de accelerare utilizate. În funcţie de mărimea tensiunii de accelerare produsă de echipamentul electric corespunzător, tunurile electronice sunt de trei tipuri, şi anu me, tunuri electronice cu tensiuni mici de accelerare: U=10 ... 60V; tunuri electronice cu tensiuni medii de accelerare: U=20 ... 100kV; tunuri electronice cu tensiuni mari de accelerare: U=80 ... 175kV.

Fig. 8 – Instalaţie cu fascicul de electroni tip T15, Steigerwald.

În fig. 8 se prezintă o instalaţie de prelucrare cu fascicul de electroni tip T15, Steigerwald – Germania, având o tensiune de accelerare reglabilă în domeniul 3 ... 60kV, cu dimensiunile camerei de lucru de 250 x 300mm, la un vid de 10 -2torr.


În cazul utilizării unor tensiuni înalte de accelerare (peste 100kV), se impune conducerea, proceselor cu circuite închise de televiziune, din cauza puternicelor emisiuni de raze X.

2. SUDAREA CU FASCICUL DE ELECTRONI 2.1. Principiul procedeului de sudare cu fascicul de electroni In cadrul procedeelor de sudare cu arc electric s-a aratat faptul ca materialul de baza si materialele de adaos se topesc datorita bombardamentului exercitat de electronii, respectiv ionii accelerati in coloana arcului. Bazandu-se pe acest fenomen, in 1956, francezul Stohr a brevetat procedeul de sudare prin bombardament electronic. El a plecat de la ideea ca electronii pot fi concentrati respectiv accelerati astfel incat sa bombardeze un material cu o densitate energetica ridicata. Deci sursa termica la sudarea cu fascicul de electroni o constituie un fascicul de electroni accelerati de un camp electrostatic, de o diferenta de potential inalta, avand deci o energie cinematica mare, care se transforma in caldura la impactul cu materialul de sudat.Fasciculul de


electroni

este

produs

intr-un

dispozitiv

numit

„tun

electronic”

(tun

Pierce),

Fig.1

Tunul electronic este format dintr-un catod 3 si un anod 4. Incalzirea catodului se realizeaza cu filamentul 2, alimentat printr-un transformator cu energie electrica 1. Catodul este de obicei dintr-o banda de wolfram sau tantal, incalzit la temperaturi inalte, el emite electroni prin efect termoelectronic. Anodul este o placa cu un orificiu central. Electronii emisi de catod sunt accelerati de anod si trec prin orificiul anodului spre metalul pieselor de sudat. Deplasarea electronilor, dupa trecerea prin orificiul anodic, se efectueaza datorita fortelor de inertie. Viteza electronilor accelerati este de circa 100 Km/s. Energia cinetica a electronilor accelerati se transforma in energie termica si rezulta o incalzire rapida a materialului de baza supus sudarii. Fasciculul de electroni are tendinta de dispersie dupa trecerea prin anod. Aceasta tendinta este impiedicata de o bobina de focalizare 5. Bobina de focalizare electromagnetica asigura concentrarea fasciculului si convergenta acestuia pe o zona foarte redusa. Instalatiile de sudat cu fascicul de electroni, sunt prevazute cu un dispozitiv optic pentru vizualizarea imbinarii sudate. Diferenta de potential intre catod si anod se numeste tensiune de accelerare. Modificarea acceleratiei fasciculului se poate face si modificand distanta dintre anod si catod. In plus, catodul este sub forma unei oglinzi (clopot) contribuind la convergenta fasciculului spre centrul anodului. Intensitatea fasciculului este materializata de numarul de electroni existenti in fascicul si acesta depinde de temperatura de incalzire a catodului, precum si de tendinta de focalizare a oglinzii catodului.


Ca atare, puterea fasciculului poate fi reglata fie prin tensiunea de accelerare, fie prin temperatura catodului. Variatia tensiunii de accelerare nu are acelasi efect ca variatia de intensitate. O crestere a tensiunii de accelerare produce un fasicul lung si ingust cu o mica suprafata de impact cu piesele de sudat si ca atare cu o penetratie (patrundere) mare. Fasciculul cu intensitate mai mare are o densitate energetica mai mica asigurand incalzirea unei zone mai mari a pieselor de sudat. In tubul electronic, vidul este de ordinul 10 -410-5 torr, iar in incinta de sudare vidul creat de catre pompa de vid este de ordinul 10 -110-2 torr. Vidul in camera de lucru, respectiv in incinta in care se lucreaza, este necesar din doua puncte de vedere. In primul rand evita reducerea energiei cinetice a electronilor accelerati ca urmare a impactului cu ionii din aer. In al doilea rand asigura protectia suprafetei libere a baii de metal topit, a cordonului, impotriva actiunii elementelor din mediul inconjurator, din aer. Astfel in figura 2 se prezinta diferenta de patrundere a unei imbinari sudate cu fascicul de electroni, in conditiile unei presiuni a incintei de 10 -2 torr, respectiv de 0,5 torr.

Fig. 2. Deci, cu cresterea presiunii in camera de sudare, patrunderea si coeficientul de suplete al cusaturii scad. Sudarea cu fascicul de electroni, sub aspect energetic, se caracterizeaza printr-un randament relativ ridicat, astfel circa 6090% din energia cinetica a fasciculului de electroni (fig. 3) este transformata in caldura si administrata pieselor de sudat.

Fig. 3.


Randamentul este cu atat mai mare, cu cat supletea fasciculului de electroni, este mai mare. In procesul de sudare se pierde energie prin efectul electronilor retrodifuzati si secundari, care preiau circa 540% din energia fasiculului. Totodata, cu importanta minora sunt si razele X, ce apar cu o pondere energetica de 1% sau lumina, cu o pondere de aceeasi proportie. Producerea razelor X impune masuri de protectie pentru operatori. Referindu-ne la energia propriu-zisa pentru realizarea cordonului, circa 1560% din energia cedata pieselor si transformata in caldura, este folosita la operatia de topire a materialelor, in vederea realizarii cusaturii. Restul cantitatii de caldura transmisa componentelor este folosita pentru incalzirea acestora, pierderi de energie prin conductie termica, in materialul ce se sudeaza, precum si pentru vaporizarea materialului sudat, respectiv absorbtia caldurii latente de vaporizare. 2.1 Performantele sudarii cu fascicul de electroni Sudarea cu fascicul de electroni se caracterizeaza printr-o puternica concentrare de energie, densitatile de putere sunt cuprinse intre 10 5108 W/cm2. Ca urmare a concentrarii puternice a energiei, patrunderea cusaturii este mare si foarte mare. Se pot suda dintr-o singura trecere piese cu grosimi cuprinse intre 0,5300 mm. Cusaturile sunt, ca atare, foarte inguste si prin urmare, zonele influentate termic sunt de dimensiuni reduse. Vitezele mari de topire si solidificare favorizeaza formarea unor structuri cu granulatie fina. Practic, tensiunile de accelerare sunt cuprinse intre 2060 KV, realizand patrunderi de ordinul a 50200 mm la oteluri. Puterea specifica (puterea raportata la suprafata de actiune) a sudarii cu fascicul de electroni este de circa. 1000 mai mare decat cea corespunzatoare sudarii cu arcul electric normal. Sudarea cu fascicul de electroni se considera sub aspect energetic, de 10100 ori mai eficienta decat cea cu arcul electric. Sudarea cu fascicul de electroni prezinta insa si unele dezavantaje. Dintre acestea se mentioneaza faptul ca marginile pieselor de sudat trebuie sa fie pregatite foarte precis, astfel incat latimea rostului sa fie cuprinsa intre 0,050,2 mm, constanta pe intreaga lungime. In procesul producerii operatiei de topire cu fascicul de electroni, apar radiatii secundare sub forma razelor X, periculoase pentru operator, ceea ce implica masuri speciale de protectie. Instalatiile de sudare sunt de obicei stationare datorita lungimii mari a tunului electronic. Uneori pentru puteri mici, se folosesc si pistolete, ce pot fi deplasate la componentele de sudat. In octombrie 1969, URSS a sudat cu bombardament electronic, in cosmos, in absenta atmosferei. 2.2 Design constructiv-tehnologic La proiectarea imbinarilor sudate cu fascicul de electroni se are in vedere patrunderea foarte mare si latimea redusa a imbinarii sudate. Astfel, la sudarile cap la cap, asa cum s-a aratat, este necesara prelucrarea foarte precisa a celor componente, astfel incat latimea rostului sa fie de ordinul 0,050,2 mm.


Pentru evitarea strapungerii tablelor si scurgerea metalului topit, respectiv vaporizat, pe partea opusa, se practica fie aplicarea unui adaos la radacina cordonului (fig. 4.a), fie ingrosarea zonei in care se realizeaza cordonul (fig. 4.b), fie realizarea unui guler la una dintre componente (fig. 4.c).

Fig. 4. La imbinarile sudate de colt in T, cordonul de sudura joaca rolul unui „cui”, ca in cazul asamblarilor din lemn. El, datorita patrunderii mari, asigura imbinarea dintre componente, in conditiile in care axa cordonului este perpendiculara pe una dintre componente si paralela cu cealalta. Astfel daca, capacitatea de rezistenta a imbinarii din figura 5.a este insuficienta , se poate practica imbinarea cu doua „cuie” de sudura (fig. 5.b.).

Fig. 5. Aceleasi considerente se aplica si la sudarea de colt prin suprapunere, in care fasciculul de electroni, poate fi dirijat perpendicular pe componentele de sudat (fig. 5.c.) sau in lungul suprafetei de separatie a acestora (fig. 5.d.). Pentru structurile din tevi, sudarea cu fascicul de electroni poate asigura fie compartimentarea longitudinala a tevii (fig. 6.a), fie compartimentarea transversala (fig. 6.b). Uneori este posibila sudarea a doua piese in zone inaccesibile, dupa ce fasciculul de electroni a traversat una din piese. Astfel, in figura 6.c, se sudeaza intre ele doua tevi, prin strapungerea uneia si solidificarea cordonului la piesa strapunsa initial.


Fig. 6. 2.3. Tehnologia sudarii cu fascicul de electroni Sudarea cu fascicul de electroni poate fi realizata functie de utilajul folosit in trei variante: - sudarea in vid inaintat, in conditiile in care, piesele de sudat introduse intr-o incinta, sub tunul electronic, aflata la o presiune sub 20 torr; - sudarea in vid partial, la care piesele de sudat sunt intr-o incinta diferita de a tunului electronic, cu presiunea cuprinsa intre 50250 torr; - sudarea in atmosfera ambianta, in care piesele de sudat sunt plasate in afara incintei tubului electronic. Este de remarcat faptul ca, vidul inaintat de la operatia de sudare, asigura o concentrare puternica a fasciculului de electroni, pe cand sudarea in atmosfera ambianta, datorita ciocnirii electronilor de moleculele de aer, se realizeaza o defocalizare a acestora. La sudarea cu fascicul de electroni, se defineste, coeficientul de suplete ca raport dintre patrundere si latimea cordonului. In cazul sudarii in vid inaintat, coeficientul de suplete este de 50, obtinandu-se deci, un cordon cu o patrundere foarte mare si o latime redusa. La sudarea in atmosfera ambianta, coeficientul de suplete este de 56. Datorita concentrarii mari de energie, mai ales la sudarea in vid inaintat, vitezele de sudare sunt mari si foarte mari. Astfel, la sudarea otelurilor cu grosimi de 610 mm, vitezele de sudare sunt cuprinse intre 45 m/min. La sudarea otelurilor cu grosimi de 4060 mm, vitezele de sudare sunt cuprinse intre 0,41 m/min. Comparand ciclurile termice ale sudarii cu fascicul de electroni cu cele ale sudarii cu arcul electric normal se constata: - timpii de incalzire sunt mult mai redusi; - durata de mentinere la temperatura inalta a materialului de baza este mai redusa. - timpul de racire t8/5 are valori apropiate la componentele subtiri si este mult mai mare la componentele groase. Datorita acestei viteze mari de racire, zona influentata termic este relativ redusa. Ea are o latime de (12) ori latimea sudurii. Tot din acest punct de vedere poate fi privita si sudarea pieselor


tratate, sudarea acestora nu influenteaza tratamentul termic al pieselor sudate pe zone largi, ci doar, in stricta vecinatate a cordonului. Fasciculul de electroni poate produce sublimarea instantanee a materialului de sudat, in punctul de impact si formeaza un tub capilar adanc care se umple cu vapori metalici de tip plasma, fiind inconjurat de o zona de material topit. Specific este faptul ca energia fasciculului este transferata piesei pe intreaga adancime a tubului capilar si nu prin conductie de la suprafata, ca la procesele cu arc electric. Sudarea materialelor groase, are la baza efectul „key-hole” (gaura de cheie). Acest efect se produce ca urmare a tendintei de topire accentuata si vaporizare a materialului din interiorul cordonului de sudura. Suprafata marginala a cordonului este sub forma unei gauri de cheie, aceasta cavitate urmand sa fie umpluta de materialul topit. Tot sub influenta jetului electronic (fig. 7), are loc si retinerea baii de metal topit pe inaltimea mare a patrunderii cordonului, evitand curgerea gravitationala a acesteia in sensul umplerii gaurii de cheie.

Fig. 7. Cavitatea cu pereti lichizi se mentine in echilibru sub actiunea presiunii fasciculului, a presiunii vaporilor materialului, a tensiunii superficiale, a presiunii de evaporare precum si a greutatii metalului lichid. Operatia de sudare cu fascicul de electroni, poate fi realizata cu preincalzirea materialului in conditiile in care fasciculul este defocalizat. Uneori, cu fascicul de electroni se pot realiza numai operatii de tratament termic sau de preincalzire sau postincalzire in urma procesului de sudare. Comportarea la sudarea cu fascicul de electroni se caracterizeaza, deci, prin: - aport caloric foarte scazut, administrat intr-un timp foarte scurt. Deci ZIT foarte redus si granulatie fina a cusaturii; - forma geometrica cu patrundere mare a cordonului, latime constanta pe grosime si de dimensiuni mici. Deci tensiuni remanente reduse; - sudarea in vid, in absenta oxigenului, hidrogenului, azotului conduce la o compozitie chimica neafectata a cordonului si lipsa fragilizarii la rece. In schimb exista tendinta vaporizarii elementelor cu tensiune de vapori inalta; - viteza mare de racire la materialele groase duce la marirea duritatii ZIT. Acest dezavantaj se diminueaza prin preincalzire, oscilarea fasciculului sau tratament termic dupa sudare. Cu fascicul de electroni se sudeaza, de obicei, urmatoarele categorii de materiale:


- materiale active (Ti, Zr, Be). Aceste materiale cu tendinta mare de oxidare, iar sudarea cu fascicul de electroni in vid inaintat, asigura o imbinare de calitate; - materiale refractare (Mo, Ta, W, V, Nb). Se sudeaza datorita temperaturii mari dezvoltata de fasciculul de electroni pe adancimi, respectiv grosimi importante ale componentelor: - oteluri inoxidabile, cu grosimi mari; - aluminiu sau aliaje de Al cu viteze foarte mari. Nu se recomanda sudarea cu fascicul de electroni la materiale cu punct de vaporizare scazut (Zn, Mg) sau aliaje ce contin aceste materiale. Vaporizarea acestor materiale este avantajata si de existenta vidului in incinta pieselor de sudat. Rezultate bune la sudarea cu fascicul de electroni se obtin si la realizarea imbinarilor eterogene, a materialelor cu puncte de topire si conductibilitati termice apropiate. Sudarea se realizeaza, de obicei, fara material de adaos, datorita latimii foarte mici a imbinarii. Uneori, sudarea poate fi asigurata si cu material de adaos, prin folie de material de adaos dispusa intre suprafetele pieselor de imbinat. Grosimea foliei este relativ redusa, submilimetrica. Majoritatea imbinarilor cu fascicul de electroni se executa in pozitie orizontala, dar in cazul componentelor cu grosime mare se prefera pozitia de cornisa pentru evitarea sau limitarea efectului Key-hole. Sudarea cu fascicul de electroni prezinta urmatoarele calitati sub aspect economic: utilizarea rosturilor in forma I, practic fara deschidere, nu foloseste material de adaos, consum de energie scazut, viteza mare de sudare, nu necesita operatii auxiliare dupa sudare (indepartarea zgurii, prelucrari mecanice etc)

3. GĂURIREA CU FASCICUL DE ELECTRONI 3.1.

Principiul găuririi (perforării) cu fascicul de electroni

Procedeul de găurire a materialelor are la bază fenomenele de topire şi vaporizare, cu desf ăşurarea acestora extrem de rapidă.

Fig. 12 – Mecanismul de formare a găurii în impulsuri.


Dacă forma şi dimensiunile dorite ale găurii nu pot fi realizate printr -un singur impuls, se aplică tehnica de găurire prin mai multe impulsuri. În fig. 12, se prezintă mecanismul de formare a găurii cu fascicul de electroni, în mai multe impulsuri.

3.2

Principalii parametri la găurire

Principalii parametri electrotehnologici ai procesului de găurire sunt aceeaşi ca şi la procesul de sudare cu deosebirea că, în loc ul frecvenţei oscilaţiilor fasciculului de electroni este vorba, în cazul găuririi, despre durata impulsului şi pauza dintre impulsurile fasciculului de electroni. Caracteristicile tehnologice principale ale găurii sunt: volumul de material îndepărtat, G, diametrul găurii, dg şi adâncimea găurii, D.

a) volumul de material îndep ărtat, este o funcţie raport între puterea aplicată şi materialul piesei. În fig. 13 se arată cum variază raportul materialului îndepărtat odată cu schimbarea puterii pentru diferite material ale piesei. Penetrarea se face la 0,25 mm/s

Fig. 13 – Cantitatea de material îndepărtat funcţie de puterea FE şi de materialul de prelucrat.


b) diametrul găurii este În funcţie de mărimea timpului de impuls, diametrul găurii prelucrate poate fi determinat cu ajutorul relaţiei: ds ti

=

a

⋅

mg ln ⋅

⋅

[mm]

(6)

unde: a – constantă funcţie de înclinarea fasciculului; mg – constantă funcţie de înclinarea materialului prelucrat; t i – timpul de impuls [μs].

c) adâncimea găurii, obţinută de un singur impuls (pulsaţie) este dată de relaţia: D =α α =

⋅

τ

[mm]

(7)

Q m

în care: α – mărimea creşterii adâncimii; Q – puterea fasciculului; R – raza fasciculului; ρ – densitatea materialului piesei; L m – căldura latentă a fuziunii; c – căldura specifică; Tb – temperatura la care metalul topit este „deplasat” faţă de piesă; τ – durata pulsaţiei. Adâncimea de găurire obţinută dintr-un număr de impulsuri (pulsaţii), este dată de relaţia: τ D = − e −αkn k


1.12.

Instalaţii de găurire

Instalaţiile de găurire cu fascicul de electroni sunt, în general, aceleaşi instalaţii ca şi la sudarea cu fascicul de electroni. Descrierea şi schema unei instalaţii de sudare cu fascicul de electroni este prezentată în materialul de faţă la pct. 4.

Fig. 14 – Echipament de găurire cu fascicul de electroni cu tambur rotitor.

La instalaţiile de găurire, se iau unele măsuri constructive, pe de o parte la nivelul tunului de electroni pentru asigurarea posibilităţii de comandă în impulsuri a fasciculului (curentului de fascicul), iar pe de altă parte la nivelul camerei de lucru pentru ca sistemul de vidare să fie capabil să elimine vaporii de material care se degajă în timpul procesului. De asemenea, la găurire, sistemul adecvat pentru a ţine sub control procesul este comanda numerică. În ultimul timp, pe plan mondial echipamentele de găurire de fascicul de electroni, precum şi metodele de găurire au cunoscut o continuă diversificare. În continuare, se prezintă una din acestea, astfel: În fig. 14 se prezintă un echipament de găurire cu fascicul de electroni cu tambur rotitor, la care găurirea se face în mişcare de rotaţie continuă, există pericolul apariţiei unor forme eliptice ale orificiilor, datorită deplasării piesei f aţă de fasciculul de electroni. Pentru a elimina acest neajuns, fasciculul de electroni se deviază simultan, corelat sincron cu viteza de rotaţie la supraf aţa piesei pe durata impulsului, iar pentru perforarea orificiului următor se readuce în poziţia iniţială.

1.13.

Aplicaţii

Dintre cele mai importante aplicaţii ale găuririi (perf orării) cu fascicul de electroni, sunt de menţionat: realizarea perforaţiilor pentru site şi filtre, fiind singurul procedeu care asigur ă o transparenţă corespunzătoare la grosimi relativ mari; realizarea prin perforarea duzelor;


realizarea orificiilor cu unghiuri variabile în piesele active ale turbinelor de gaz, pentru r ăcire, injecţie şi pentru absorbţie de zgomot, realizarea de orificii în materialele superrezistente la temperatură şi rezistenţă mecanică, spre exemplu capetele de filiere pentru fibrele de sticlă.

4. ELECTRON BEAM MELTING EBM( TOPIRE SELECTIVA CU FASCICOL DE ELECTRONI) In procesul EBM piesele de metal sun construite strat cu strat din pulbere de metal (metalul se alege in functie de cerinte si piesa) topita de un fascicol de electroni. Straturile de pulbere de metal depuse sunt foarte subtiri, iar pulberea se topeste exact urmarind conturul piesei definita de un model CAD 3D. Modelul CAD reprezinta desenul piesei 3D, acesta poate fi importat in programul masinii EBM si din alte programe cum ar fi Solid Works.


Masinile de taiere si de suduracu jet de electroni au aceleratii pana la viteze foarte mari,cica junatare din viteza luminii. Acest sir de electroni cu viteza foarte mare este focalizat intr-un spot de diametru mic, unde energia cinetica a electronilor este transformata in energie termica,topind sau vaporizand local materialele, in functie de ce se doreste, taierea sau sudura materialului. Procesul se desfasoara de obicei in vid pentru a preveni coliziunile dintre electroni si moleculele de gaz. Electronii pot fi accelerate si distri buiti intr-un fascicol subtire de catre un camp electric. Acest fascicol de electroni poate fi focalizat si dirijat prin lentilele de sticla.

4.1 Principiul de functionare Principiul de prelucrare se bazeaza pe utilizarea unui fascicol de electroni cu viteza foarte mare,care bombardeasa si vaporizeaza local piesa. Se pare ca vaporizarea termica nu este singurul mechanism ce concura la indepartarea materialului din semifabricat. Procesul de functionare: -

fascicolul de electroni loveste materialul pe fundul cavitatii materialului;


-

transferal energetic produce o crestere a temperaturii;

-

are loc o emisie termo ionica exponentiala din materialul piesei;

-

electronii emisi tind sa reduca curentul generat in piesa:

-

reducerea curentului din piesa este intrerupta de o explozie a materialului supraincalzit in zona de transfer energetic si apoi se expune alt material rece;

-

cu reducerea emisiei termoionice datorate materialului rece, curentul electronic crescut ridica din nou temperatura in zona energetica si cilcul se repeta.

Materialul este inlaturat printr-o serie de expulzari rapide, de scurta durata. Fascicolul de electroni Se formeaza intr-un tun electronic, care este o trioda ce se compune din: -catod, care este un filament de tungsten si care emite electroni; -o grila de dirijare si accelerare; -un anod prin care trec electronii accelerate. Sirul de electroni emis pe suprafata filamentului de tungsten, este accelerat catre anod. Imediat dup ace au trecut prin anod, ei si-au atins viteza maxima pentru tensiunea de accelerare. Electronii isi vor mentine viteza pana cand se lovesc de piesa. Numarul de electroni dintr-un atom depinde de elementul respectiva si este egal cu nr atomic di tabelul lui Mendeleev. Electronii liberi se pot obtine prin incalzirea suprafetei unui metal cu o cantitate de energie care sa transfere electronilor si acestia parasesc suprafata metalului. Accelerarea electronilor se poate realiza cu ajutorul unui camp electric. Daca electronii sunt accelerati intr-un camp electric atunci electronilor le este imprimata o viteza ridicata, in functie de tensiunea de accelerare. Controlul si focalizarea fascicolului de elecroni


Fascicolul de electroni este controlat cu dispozitive optice precise si este cea mai puternica sursa de calcura disponibila comercial. Razele luminoase produc radiatii cu unde electromagnetice, a caror continut energetic depinde de temperatura sursei de lumina. Razele luminoase nu pot fi accelerate pentru a depasi continutul lor energetic. Emisia de electroni este diferita ca principiu. Fascicolul de electroni consta in particule incarcate energetic este determinat de masa si viteza particulelor.

negativ,

a

caror

continut

Sistemul optic de control permite operatorului ca printr-un stereo-microscop sa observe operatia de prelucrare marita circa 40 de ori. Inainte ca electronii sa loveasca piesa, se foloseste un sistem de control cu lentile electromagnetice de putere variabila pentru a putea regla: -diametru fascicolului de electroni la diametrul dorit -pozitia piesei. Tehnologia EBM este utila la taierea unor canale inguste sau unor gauri fine. Procesul de perelucrare EBM este eficient doar la gauri de diametru mic, deoarece viteza de indepartare a materialului este mica. 4.2 Aplicatii Cele mai frecvente aplicatii ale EBM sunt : Sudura Taiarea Tratamente termice Gaurirea Diferite aplicatii necesita diferite tipuri de fascicole de electroni, cu anumite densitati de putere pe diferite suprafete. -Gaurirea –


Fascicolul de electroni vaporizeaza materialul pana cand se atinge adincimea dorita a gaurii, sau se penetreaza complet piesa respectiva. Diametrul gaurii depinde de fascicolul de electroni, de densitate,de putere si de energie. -Taierea unor canaleViteza de taiere este dependenta de cantitatea de material ce trebuie indepartata. La grosimi de piese sub 0.55 mm se obtin pereti paraleli ai canalului de 0.03 mm. La grosimi cuprinse intre 0.13-3.2 mm apare o conicitate nedorita a peretilor laterali de circa 1…2 grade.iar tolerantele de 0.05 mm. Uneori sunt necesare mai multe treceri pana se obtine o rugozitate buna. -FrezareaEBM se foloseste si la frezarea unor posibile profile foarte fine. Piesa este staationara. Fascicolul de electroni este programat pentru a se deplasa. -SudareaSudarea cu fascicol de electroni se poate face in aer, daca nu se cere o precizi ridicata. Cand se impune o precizie ridicata atunci se opteaza pentru sudarea sub vid. Avantaje ale prelucrarii EBM -

este cea mai precisa tehnologie de taiere posibila;

-

poate taia gauri foarte mici, pana la 0.05 mm diametrul;

-

poate taia orice metal sau nemetal cunoscut care poate exista in vid;

-

nu exista uzura a sculei in acest proces;

-

se pot executa gauri adanci:

-

preceizia de pozitionare este de circa 0.013 mm, iar diametrul fascicolului de 0.13 mm.


-

nu apar defecte de material pe suprafata taiata.

Dezavantaje -

toate prelucrarile EBM trebuie sa aiba loc in vid, ceea ce ridica pretul echipamentului si restrange gabaritul pieselor;

-

deoarece EBM are o viteza mica de prelucrare(0.1 mg/s) comparativ cu frezarea,este eficienta doar la prelucrari fine la piese de gabarit mic.

EXEMPLU DE ALTE UTILIZARI ALE EBM: -IN MEDICINA (IMPLANTURI)


RECONSTRUCTIE CRANIU

EXEMPLU DE PRELUCRARE PRIN EBM:


-DESEN 3D AL PIESEI

-SIMULARE EBM

-REZULTATUL FINAL


EXECUTAREA PIESEI

PRIN TEHNOLOGIE NOUA Piesa trebuie realizata din otel inox. -se alimenteaza masina cu pulbere de metal; -se introduce desenul piesei in programul CAD al masinii; -se prelucreaza piesa. Avantaje: -precizia piesei; -piesa se executa in intregime pe acceasi masina; Dezavantaje:


-costul ridicat de prelcurare; -timpul de prelucrare mare. PRIN TEHNOLOGIE VECHIE -se alege materialul;

-se debiteaza materialul in functie de dimensiunea piesei; -se frezeaza locasul in care se monteaza roata;

-se executa gaurile de fixare pentru roata si pentru prinderea suportului de carucior(facut prin strunjire) -se asambleaza suportul de furca prin sudura; Avantaje:

-costul redus de prelucrare.

Dezavantaje: -pentru prelucrare este nevoie de mai multe masini unelte(masina de gaurit,freza, strung)


5. Concluzii Instalațiile de prelucrare cu fascicul de electroni au un șir de avantaje, ceea ce a dus la utilizarea pe scară largă a metodei date: posibilitatea obținerii unei densități mari a puterii; concentrarea energiei pe o suprafață mică și respectiv obținerea unor zone reduse de încălzire, ce permite prelucrarea unor piese de dimensiuni mici, obținerea unor găuri fo arte înguste etc.; posibilitatea reglării regimurilor într-un diapazon larg și controlul fin al proceselor de încălzire; impurificarea minimă a mediului la prelucrare și lipsa oxidanților, ce permite prelucrarea materialelor active și a celor ce se oxidează rapid; lipsa unei scule speciale de prelucrare sau uzura electrozilor etc. Cu ajutorul fasciculului de electroni se pot prelucra atît materialele conductoare de curent cît și cele neconductoare cu diverse proprietăți mecanice. Însă o preferință mai mare li se acordă materialelor conductoare sau celor cu o acoperire conductoare, deoarece în acest caz sarcina electrostatică poate fi ușor înlăturată prin legarea la pămînt a piesei de prelucrat. Caracteristicile tehnologice ale prelucrării cu fascicul de elec troni (productivitatea, precizia, calitatea suprafeței prelucrare) în mare parte sînt determinate de posibilitățile echipamentului, parametrii energetici ai razei de electroni, proprietățile materialului prelucrat. Productivitatea procesului depinde de puterea fasciculului, dimensiunile zonei pe care acesta este focusat, durata impulsurilor etc. Viteza de înlăturare a materialului cu fasciculul de electroni poate atinge 20-30 mm 3/min. Din aceste considerente metoda dată se potrivește mai bine pentru obținerea pieselor de dimensiuni foarte mici sau efectuarea unor lucrări în domeniul microprelucrării.


Cuprins 1.Introducere………………………………………………………………………………………………………………………..pag. 1 1.1 Consideratii generale……………………………………………………………………………………………………….pag. 1 1.2 Fenomene fizice la prelucrarea cu fascicul de electroni………………………………………………….pag. 4 1.2.1 Densitatea de curent……………………………………………………………………………………….…………..pag. 5 1.2.2 Bombardarea cu fascicul de electroni………………………………………………………………………….pag. 5 1.2.3. Încălzirea, topirea şi vaporizarea la bombardarea cu fascicul de electroni…………………pag. 6 1.3 Constituția instalației de prelucrare cu fascicul de electroni…………………………………………..pag. 8 1.3.1. Tunul electronic…………………………………………………………………………………………………………..pag. 11 1.3.2 Tipuri constructiv – funcţionale de tunuri electronice………………………………………………….pag. 12 2. Sudarea cu fascicul de electroni………………………………………………………………………………………..pag. 14 2.1 Principiul procedeului de sudare cu fascicul de electroni..............................................pag. 14 2.2 Performantele sudarii cu fascicul de electroni..............................................................pag. 17 2.3 Design constructiv-tehnologic......................................................................................pag. 17 2.4. Tehnologia sudarii cu fascicul de electroni...................................................................pag. 19 3. Gaurirea cu fascicul de electroni.....................................................................................pag. 21 3.1. Principiul găuririi (perforării) cu fascicul de electroni……………………………………………………..pag. 21 3.2 Principalii parametri la găurire………………………………………………………………………………………..pag. 22 3.3 Instalaţii de găurire………………………………………………………………………………………………………….pag. 24 3.4 Aplicatii…………………………………………………………………………………………………………………………….pag. 23 4. Electron Beam Mealting…………………………………………………………………………………………………….pag. 25 4.1 Principiu de functionare…………………………………………………………………………………………………..pag. 27 4.2 Aplicatii…………………………………………………………………………………………………………………………….pag. 29 5. Concluzii…………………………………………………………………………………………………………………………….pag.36


Bibliografie: 1. Aplicatii ale fasciculului de electroni – Dr. Ing. Dumitru Neagu ( http://www.dumitruneagu.ro/pdf/(6.3.2)APLICATIIale%20FE.pdf )

2. Tehnologiile neconvenţionale – Memorium (http://conspecte.ro/cursuri/nu-este-specificat/tehnologiileneconventionale-memorium-34644.html) 3. Sudarea cu fasicul de electroni – (http://www.scrigroup.com/tehnologie/tehnicamecanica/SUDAREA-CU-FASCICUL-DE-ELECTRO53479.php ) 4. Electron beam mealting EBM – (http://www.scrigroup.com/tehnologie/electronicaelectricitate/TOPIRE-SELECTIVA-CU-FASCICOL-D13921.php )

Prelucrarea Cu Fascicul de Electroni Proiect

Recommend Documents