Электронно-лучевая установка для сварки, плавки и обработки стекла и керамики
Технология предназначена для применения при изготовлении деталей и узлов электронных и оптических приборов.
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.
Основные требования к базовой технологии обработки изделий из электровакуумного стекла электроннолучевым методом и образцам приведены в таблицах.
|
№ 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 |
|
№ п/п |
Наименование параметра |
Значение |
|---|---|---|
|
1 |
Габаритные размеры установки, м |
2,0x2,0x3,0 |
|
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 является покупным изделием (производство ООО «Текарте»).
Вид электроно-лучевой пушки во время монтажа. Фотография из архива компании.
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.
|
№ 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 ISO320 °F, 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.
|
№ 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 |
5,0x10-1 5,0x10-4 |
|
3 |
Суммарный поток натекания и газоотделения, Паxм3/сек |
5,0x10-3 |
|
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 5,0x10-1 Па, мин |
5 |
|
8 |
Время откачки до давления 5,0x10-4 Па, мин |
15 |
Вид на вакуумную камеру во время монтажаВакуумная камера:
- 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.
Система управления
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 удалённого управления и блоками управления исполняющих механизмов.
Электрооборудование установки состоит из следующих систем: управления откачкой, измерения давлений в характерных точках установки, питания и управления электронно-лучевым источником, напуска технологических газов в объем вакуумной камеры, позиционирования заготовок/изделий внутри вакуумной камеры относительно электронно-лучевого источника, видеонаблюдения за технологическим процессом, централизованного контроля и визуализации параметров работы установки.
Система подачи газа
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. В состав канала входят отсечной клапан и регулятор массового расхода газа. 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.
Система размещения и позиционирования образцов
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 для закрепления цилиндрических образцов.
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.
- двухкоординатный стол в вакуумной камере
- шпиндель для вращения детали
- привод перемещения электронно-лучевого источника
- относительно детали в вертикальной оси с целью фокусировки электронного луча.
Система для закрепления цилиндрических образцов.
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.
Финансирование
Работа была выполнена в рамках государственного контракта № 13411.1006899.11.063 при финансовой поддержке Министерства промышленности и торговли РФ.