Оборудование для электронно-лучевого нанесения покрытий. Основными его элементами являются тигель с испаряемым материалом и генератор электронного луча — электронно-лучевая пушка.
В настоящее время получили распространение два типа электронно-лучевых пушек для испарения материалов: аксиальные, формирующие осесимметричный пучок электронов; плосколучевые, преобразующие первоначальный плоский пучок электронов в цилиндрический. Аксиальные пушки обычно имеют две независимые электромагнитные линзы для фокусировки луча и управления им. Катод в аксиальных пушках выполнен в виде массивной шайбы из вольфрама или тантала и имеет косвенный нагрев. В плосколучевых пушках прямолинейный катод из вольфрамовой проволоки нагревают прямым пропусканием тока. Электромагнитная система преобразования плоского луча в цилиндрический и управления лучом выполнена в виде одного блока. Мощность пушек, применяемых для осаждения жаростойких покрытий, изменяется в достаточно широких пределах в зависимости от типа покрытий и размеров изделий (25… 150 кВт), ускоряющее напряжение 20 кВ.
Типичные аксиальные пушки разработаны институтом М. фон Арденне и фирмой Лей-больд-Гереус (Германия). Плосколучевые пушки используются в установках для испарения материалов, созданных фирмой Аирко Темескал (США) и ИЭС им. Е. О. Патона.
Современные электронно-лучевые установки для нанесения покрытий рассчитаны на непрерывную работу в течение 10… 15 ч и один или несколько испарителей. Разработан ряд промышленных установок для нанесения защитных покрытий на партии турбинных лопаток. Основными требованиями, предъявляемыми к таким установкам, являются: получение равномерно осажденного по перу лопаток защитного слоя, воспроизводимость химического состава и толщины покрытия, возможность непрерывного ведения процесса испарения в течение длительного времени, обеспечение высокой производительности.
На рис. приведена схема специализированной электронно-лучевой установки периодического действия для нанесения защитных покрытий испарением в вакууме из одного источника. Рабочая камера установки разделена на камеру испарения и полость электронно-лучевой пушки . Пушка является составной частью испарителя, который установлен в нижней части рабочей камеры. Специальными полюсными наконечниками электронный луч изгибается на 270° и фокусируется на торце слитка . Расплавленный металл разогревается до температуры, при которой скорость осаждения парового потока на подложке достигает 15 мкм/мин. Процесс испарения ведется при разрежении не ниже 10~3 Па. В установке предусмотрено раздельное вакуу-мирование камеры испарения и полости электронно-лучевой пушки механическими и диффузионными насосами.
Рабочая камера объединена с двумя вспомогательными камерами б, в которых осуществляется предварительный подогрев деталей, собранных в приспособлении. В установке применен предварительный нагрев элементами сопротивления и непосредственный подогрев изделий в процессе осаждения парового потока. Загрузка изделий производится через специальные шлюзовые камеры. Детали, собранные в приспособлении, подающими штоками 5 вводятся во вспомогательную камеру, где они прогреваются перед осаждением покрытия. Одновременно защитный слой наносится на детали, подаваемые в паровой поток из другой вспомогательной камеры.
Рабочая камера оснащена устройством 3 для дозированного впуска инертного газа (аргона). При введении газа в небольшом количестве происходит рассеяние парового потока, в результате чего толщина осажденного слоя получается примерно равной как на открытых, так и на затененных участках лопаток. Одновременно осуществляется частичная ионизация инертного газа и парового потока испаряемого металла путем подачи на покрываемые детали источником 15 отрицательного потенциала (1…2 кВ) по отношению к испарителю. Ионизация способствует получению покрытий с благоприятной дисперсной структурой, лишенной кристаллографических дефектов, которые возникают в конденсированном слое при подаче газа. Мощность электроннолучевого испарителя с плосколучевой пушкой в данной установке доставляет 200 кВт.
Производительность установок определ I-ется непрерывностью ведения процесса испарения и согласованием времени выполнения ряда технологических операций (загрузки деталей, нагрев, осаждение покрытия) с операциями охлаждения деталей, извлечения из вспомогательной камеры, загрузки новой партии лопаток. Для решения этих задач в установке ESC-30/300SC фирмы Лей-бол ьд-Гереус предусмотрены четыре шлюзовые устройства (по два с каждой стороны камеры испарения). После подогрева лопаток в промежуточной камере детали вводятся в рабочую камеру, оснащенную прямоугольным испарителем, где на них наносится покрытие. Электронно-лучевой испаритель состоит из водоохлаждаемого медного тигля 3 (120 х 480 мм), через днище которого снизу вверх одновременно подаются пять слитков, и двух аксиальных электронно-лучевых пушек 12 мощностью 150 кВт каждая. Для подогрева изделий в процессе осаждения покрытия применяются дополнительные электронные пушки, которые снабжены отклоняющей системой, разворачивающей лучи на угол более 90°.
В установке ESC-30/300SC лопатки располагают в шахматном порядке точно над испарителем и закрепляют посредством держателей в шпиндельных головках, установленных в параллельных консолях манипулятора. Движение на лопатки передается от привода, расположенного вне вакуумных камер. Боковые консоли манипулятора имеют возможность качания. При трехсменной работе установка выпускает 800 — 1500 лопаток с покрытиями в сутки в зависимости от их типоразмеров. Многотигельные испарители с линейным расположением источников применяют в электронно-лучевых установках УЭ-137, разработанных в Институте электросварки им. Е. О. Патона
На рис. 1.10 показана электронно-лучевая установка УЭ-175М периодического действия, предназначенная для нанесения защитных покрытий на лопатки газовых турбин. Мощность установки 350 кВт. Особенностью установки является возможность одновременного испарения нескольких материалов с помощью четырех- или пятитигельного электронно-лучевого испарителя и получения не только покрытий типа Ме—Сг—А1—У, но и композиционных покрытий с равномерным или градиентным распределением дисперсных фаз, двухслойных и многослойных покрытий металл—керамика.
Установка состоит из нескольких вакуумных камер, конструктивно соединенных между собой: основной технологической , двух шлюзовых и трех камер,” в которых расположены пушки для нагрева лопаток. Основная камера разделена вертикальной стенкой на две секции. В задней секции расположены пять электронно-лучевых пушек 6, предназначенных для испарения материалов, в передней — испаритель . Основная камера отделе- на от шлюзовых вакуумным затвором . Лопатки закрепляются на подающих штоках с помощью устройства . Автоматическая система управления на базе микроЭВМ “Электро-ника-60″ обеспечивает измерение и контроль толщины покрытий, стабилизацию температуры нагрева деталей, уровня жидкометалличе-ской ванны в цилиндрических испарителях, разрежения в основной рабочей и шлюзовой камерах, программирует электрические параметры электронных пучков, определяет последовательность выполняемых операций. Время нанесения покрытия и важнейшие технологические параметры процесса — давление остаточных газов в камере, расход испаряемых материалов, температура нагрева, показания датчика контроля массы — фиксируются и печатаются в специальном паспорте.
Установка для сварки изделий из порошковых материалов модернизирована и изготовлена на основе установки СДВУ, работает в комплекте с высокочастотным генератором мощностью 60 кВт. Стойки имеют свободное перемещение по направляющим рамы, что позволяет с помощью обычных болтовых соединений осуществлять жесткое крепление кварцевой трубы любой длины нанаправляющей. Втулки, подготовленные к сварке, собирают последовательно (по длине) друг за другом на стержень, стягивают гайками-упорами и (для облегчения центрирования).
Собранные элементы помещают внутрь кварцевой трубы и упорами прижимают к толкателю Один из концов собранной трубы удерживается сферической частью упора в крышке . Крышка уплотняется резиновым кольцом и прижимается эксцентриком . На другом конце кварцевой трубы смонтирован сильфонный вентиль для поджатая свариваемых деталей. После загрузки в пневматическую камеру через регулятор давления, обеспечивающий регулировку давления (до 60 МПа), подводится сжатый воздух, который с помощью толкателя передает давление на свариваемую трубку из порошкового материала. Усилие сжатия поддерживается в процессе сварки постоянным. Нагрев зоны шва осуществляется токами высокой частоты через одно-витковый индуктор , расположенный на внешней стороне кварцевой трубы. После окончания сварки одного шва стойки передвигаются с помощью маховика механизма подачи относительно индуктора на следующий шов.
Установки П133 и П114 предназначены для диффузионной сварки в вакууме секционированных трубок из порошкового материала электронных ускорителей диаметром 200…350 мм. Эти установки содержат печи сопротивления с экранной теплоизоляцией, безмасляные средства откачки, системы сжатия с электромеханическим и гидравлическим приводами, системы управления работой установок в ручном и полуавтоматическом режимах. Конструктивная особенность установок состоит в том, что элементы печи сопротивления (нагреватели, экраны и токоподводы) смонтированы на двух открывающихся боковых дверях вакуумной камеры. Благодаря этому обеспечивается свободный доступ ко всем внутренним элементам вакуумной камеры, упрощается процесс сборки и проверка качества сборки свариваемых деталей и оснастки, их фиксация между опорными элементами системы сжатия.
Для диффузионной сварки силовых полупроводниковых приборов создан конвейерный комплекс УДС-5. Основными элементами комплекса являются рабочая и две шлюзовые вакуумные камеры, проходная электропечь, гидравлический пресс, холодильник, механизмы перемещения свариваемых деталей, системы откачки воздуха, водяного охлаждения и измерение основных параметров сварки. Сварочный цикл комплекса автоматизирован полностью.
Соединение неметаллических тугоплавких материалов между собой и с металлами может быть осуществлено и другими известными способами сварки: дуговой и электронно-лучевой сваркой (с подогревом керамического или узла из порошкового материала до температуры, при которой материал становится электропроводным и нечувствительным к термоудару), сваркой трением (преимущественно через пластичную алюминиевую прослойку). В этих случаях используют соответствующее сварочное оборудование, оснащенное специальными устройствами, источниками нагрева, оснасткой и др. Для сварки керамических материалов перспективно применение также энергии излучения СВЧ, лазера, электрического взрыва проводника, взрывного компактирова-ния, самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и пр.
После включения пушки происходит сварка кольцевого шва изделия. По завершении сварки и вывода кратера пучок выключается, клапан отсекает сварочную камеру и она заполняется воздухом. Камера изделия тем же пневмоцилиндром опускается в гнездо поворотного стола, который поворачивается на следующую позицию, цикл повторяется. Все операции на установке, кроме загрузки и выгрузки, автоматизированы и происходят без участия человека. Производительность установки 50…80 изделий в 1 ч.
Специализированное оборудование повышенной производительности используется и для сварки более крупных изделий, в частности корпусов мостов автомобилей [18].
Одним из путей развития оборудования высокой производительности являются установки со шлюзовыми системами подачи изделий под сварку. Эти установки имеют наиболее высокую производительность вследствие выполнения вспомогательных операций, таких как загрузка и выгрузка свариваемых деталей, откачка и другие, параллельно со сварочным процессом. Шлюзовые системы могут быть периодического и непрерывного действия. Выбор той или иной системы зависит от свариваемых изделий. При сварке штучных изделий применяются системы периодического действия, у которых подача очередного изделия на сварочную позицию или перемещение сварочной пушки (или пучка) к очередному изделию требуют, как правило, остановки сварочного процесса. Шлюзовые системы непрерывного действия используются обычно при сварке изделий бесконечной или достаточно большой длины: полотен ленточных пил, триметаллической ленты для держателей маски кинескопов и др.
Конструкции шлюзовых устройств периодического действия весьма разнообразны. Необходимость исключения из конструкции поточно-вакуумной системы часто срабатывающих и недостаточно надежных вакуумных затворов привела к созданию установок, в которых в качестве затворов используются свариваемые изделия или “спутники”, в которых находятся изделия. В установках такого типа загрузка и выгрузка производятся проталкиванием или протягиванием изделий через уплотнения. При этом наружная поверхность изделий или “спутников” плотно прилегает к внутренней поверхности кольцевых уплотнителей. В месте контакта изделия или “спутника” с уплотнителем достигается герметичность. Кольцевые уплотнители и соответствующее количество свариваемых изделий образуют в устройствах загрузки и выгрузки своеобразные шлюзовые камеры между двумя соседними изделиями. Откачка из этих камер по мере продвижения изделия в рабочую камеру осуществляется отдельными насосами. Подобные установки (типа У579) созданы для сварки кольцевых швов на корпусах реле, для сварки малогабаритных изделий радиоэлектроники.
В ряде случаев через шлюзовые окна свариваемые изделия и спутники могут проходить без трения с гарантированным зазором (0,05…0,1 мм). При этом значительно повышается надежность установки вследствие резкого снижения усилий проталкивания заготовок, исключения вакуумной смазки и износа уплотнителей. Недостатком такой системы является необходимость высокой точности изготовления устройств. Установки, построенные по схеме проталкивания свариваемых изделий через вакуумные уплотнения, имеют производительность до 500 изделий в 1 ч, т. е. вполне приемлемую для серийного или массового производства.
Установка УЛ со шлюзовой системой на основе скользящих вакуумных уплотнителей предназначена для изготовления поршней с масляной полостью охлаждения применительно к мощным двигателям внутреннего сгорания. Она имеет пятипозиционный поворотный стол, на рабочей поверхности которого закреплен уплотнитель, а на противоположной — гнезда для сварочных камер. Стол с уплотнителем прижат к неподвижной плите, в которой выполнены сквозные отверстия, форма, число и расположение которых соответствуют гнездам поворотного стола. Свариваемый поршень загружается в сварочную камеру, которая специальным механизмом на позиции загрузки выводится из-под стола для удобства обслуживания. Поворотный механизм возвращает камеру с заготовкой в рабочее положение и поднимает ее до стыковки с гнездом поворотного стола. Тем же ходом поворотного механизма на позицию перегрузки подается следующая камера со сваренным изделием. Камера с заготовкой после позиции загрузки попадает на позицию предварительной откачки, затем на позицию форвакуумной откачки. Время откачки камер на этих позициях не превышает 15 с. Время сварки одного шва диаметром 120… 125 мм при двух проходах составляет 25…30 с. При этих условиях производительность установки достигает 120 деталей віч.
На основе скользящего уплотнения выполнена и шлюзовая система установки Патон. Установка предназначена для сварки блоков шестерен. Конструкции стола и оснастки позволяют выполнять сварку деталей диаметром менее 170 мм и высотой до 300 мм.
В некоторых конструкциях шлюзовых систем на основе скользящих уплотнителей вместо поворотных столов применены поворотные барабаны. На этом принципе создана установка УЛ барабанного типа со шлюзовой системой для сварки изделий 2 средних и крупных габаритов . Неподвижным корпусом служит цилиндр диаметром 600 мм, внутренняя полость которого соединена с атмосферой. Внутри этого цилиндра размещены сварочная пушка 1 и патрубки откачной системы, а снаружи смонтирован поворотный барабан. Сварочные камеры закрепляют на наружной поверхности барабана, причем их форма может быть самой разнообразной, а размеры, особенно по длине, могут превышать размеры поворотного барабана.
