1. Проекты
  2. Электронно-лучевая установка для сварки, плавки и обработки стекла и керамики

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

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

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

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

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

Таблица 1 - Основные требования к технологии

№ п/п

Наименование параметра

Значение

1

Виды обработки стекла      

Сварка, плавка, размерная обработка.

2

Форма изделий

Трубчатая, плоская.

3

Скорость сварки, см/мин.

1,0

4

Глубина провара, мм          

до 5,0

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

Таблица 2 - Требования к параметрам установки

№ п/п

Наименование параметра

Значение

1

Габаритные размеры установки, м           

2,0×2,0×3,0

2

Рабочий объем вакуумной камеры, м3     

0,3

3

Потребляемая мощность, кВА      

10,0

4

Управление  

Автоматизированное

5

Давление в рабочей камере, Па    

5,0 –  20,0

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

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

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

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

Таблица 3 - Характеристики электронной пушки

№ п/п

Наименование параметра

Значение

1

Величина ускоряющего напряжения, кВ

60±1

2

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

1-250

3

Частота модуляции тока, Гц

0 – 50

4

Максимальный угол отклонения, град., не менее

±10

5

Максимальный параллельный перенос электронного луча, мм, не менее

±12

6

Напряжение питания, В

380

7

Частота напряжения питания, Гц

50

8

Мощность, потребляемая аппаратурой, кВА, не более

50

9

Диапазон изменения тока бомбардировки, мА, не менее

10-50

10

Расход воды для охлаждения, м3/сек

3,58·10-4

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

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

Технические характеристики установки приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Технические характеристики установки

№ п/п

Наименование параметра

Значение

1

Объем вакуумной камеры, м3

0,3

2

Предельное остаточное давление, Па

- при использовании форвакуумных насосов;

- при использовании высоковакуумного насоса

5,0×10-1

5,0×10-4

3

Суммарный поток натекания и газоотделения, Па×м3/сек

5,0×10-3

4

Число каналов подачи технологических газов

2

5

Пределы регулировки потока технологического газа по каждому из каналов, sccm

10,0 – 200,0

6

Диапазон рабочих давлений, Па

1,0 – 25,0

7

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

5

8

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

15

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

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

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

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

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

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

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

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

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