Установки для электронно-лучевой сварки и их компоненты

Существуют технологические задачи по герметичной сварке корпусов микросхем, фотоприемников, радиоприборов и т.д., изготовленных из тонкостенных материалов. Это могут быть ковар, медь, алюминий, цирконий, специальные сплавы и т.д. Кроме того, бывает необходимо соединить детали из различных материалов, например ковар с медью. Обычно детали из ковара имеют спаи со стеклом, что накладывает свои ограничения на режимы сварки. Толщины таких деталей, обычно применяемых в сборках 0,1÷0,2 мм. Для решения таких задач в своё время были специально разработаны установки электронно-лучевой микросварки.

Дело в том, что обычные установки электронно-лучевой сварки выпускаются на мощность от 6 кВт и выше. Конечно, такой мощности хватает с запасом, но возникают трудности в работе, когда ток сварки составляет единицы процента от всего диапазона. Установить нужный ток и воспроизвести его при последующих процессах сварки можно, используя цифровое регулирование. Но в этом диапазоне уже сказываются пульсации, помехи в цепях питания и управления. С решением такой задачи мы столкнулись, выполняя один из договоров поставки установки электронно-лучевой сварки. По ТЗ заказчика была изготовлена установка с размерами вакуумной камеры 1700х600х550 на базе энергоблока ЭЛА 50/5. Установка предназначена для сварки деталей из нержавеющей стали, алюминия и его сплавов, а также циркониевых сплавов, с диаметром кольцевых и продольных швов от 3 до 25 мм. На вакуумной камере имеется два посадочных места под электронно-лучевую пушку и два смотровых окна для выполнения швов в различных местах деталей. Установка оснащена турбомолекулярным насосом (фланец Ду400) и криогенной ловушкой. После сварки кругового шва мощность электронного луча плавно уменьшается за угол поворота детали, устанавливаемый оператором заранее. Угол устанавливается в диапазоне от 0 до 270 градусов.

Основной объем проводимой сварки выполняется на режимах единицы миллиампера, а энергоблок способен обеспечить 100 мА. Пришлось обеспечить два диапазона регулировки тока сварки: один диапазон 0÷100 мА и второй 0÷10 мА. И, тем не менее, лучше было поставить энергоблок, предназначенный специально для микросварки. Технологические возможности, управляемость пучка, система визуального наблюдения предназначены специально для малых размеров.

Чем отличается установка для микросварки от обычной сварочной? В состав установки электронно-лучевой микросварки входят следующие основные системы:
• Электронно-оптическая система;
• Система источников питания высокой стабильности;
• Вакуумная камера и высокопроизводительная система откачки;
• Система перемещения обрабатываемого изделия;
• Система программного управления.

Каждая из систем представляет собой весьма сложный комплекс устройств, создание которых требует всесторонней проработки ряда электронно-оптических, системотехнических и конструктивных вопросов. Исходя из структурной схемы установки микросварки, можно выделить следующие основные задачи, успешное решение которых позволяет создать такую установку.

Собственно электронно-оптическая система должна формировать электронный пучок с необходимыми для микросварки параметрами. Также электронно-оптическая система должна включать в себя систему визуального наблюдения за процессом сварки, обеспечивающую необходимое увеличение изображения. Исходя из необходимых параметров пучка, вытекают требования к источнику питания электронной пушки: высоковольтному источнику ускоряющего напряжения, накала и управляющего напряжения. Эти требования распространяются и на источники питания элементов электронно-оптической системы.

Основными параметрами, характеризующими электронный пучок, сформированный электронной пушкой, являются: диаметр пучка в месте наименьшего сечения (кроссовере), положение кроссовера относительно электродов пушки, распределение плотности тока в кроссовере и угол расходимости (апертура пучка). По этим параметрам с учетом электронно-оптических характеристик фокусирующей и отклоняющей системы установки рассчитываются параметры пучка в зоне его взаимодействия с обрабатываемым объектом.

Решающее влияние на техническое исполнение электронной пушки оказывают параметры пучка, необходимые для осуществления технологического процесса. Главным из этих параметров является мощность пучка, удельная поверхностная мощность и диаметр пучка. За исключением ускоряющего напряжения, эти параметры могут существенно отличаться. Это обуславливает и специфику форм исполнения пушек, например для сварки и плавки, для процессов распыления и т.д. Разработанные в НИИ ЭИО электронно-лучевые установки для размерной обработки и микросварки имеют достаточно однотипные конструктивные решения электронных пушек.
Электронная пушка устанавливается на электронно-оптическую колонну и операции по замене катода и обслуживанию пушки осуществляются сверху при повороте пушки. Электронная пушка состоит из: корпуса с защитой от рентгена, высоковольтного изолятора с высоковольтным вводом, сменного катодного узла. Корпус электронной пушки выполнен из магнито-мягкого материала для уменьшения влияния внешних электрических и магнитных полей на электронный пучок в зоне его формирования. Для ввода в объем пушки высокого напряжения, напряжения смещения и накала используется высоковольтный ввод, который монтируется в боковую поверхность высоковольтного изолятора.

Электронно-оптическая колонна. В состав электронно-оптической системы ЭЛУ технологического назначения входят: юстирующая система, фокусирующая система, стигматор, отклоняющая система.

Юстирующая система предназначена для совмещения оси сформированного электронного пучка с осью электронно-оптической колонны. Юстирующая система обычно состоит из двух отклоняющих систем, рассчитанных таким образом, что изменение тока в них позволяет осуществлять параллельный перенос пучка или поворот относительно заданной на оптической оси точки, например, центра формирующей линзы.

Фокусирующая система в зависимости от назначения установки состоит из одной или более электромагнитных линз. Она представляет собой бронированную катушку с током, оформленную полюсными наконечниками различной формы. Электронно-оптические характеристики магнитных линз определяются магнитодвижущей силой обмотки (ампер-витки катушки) и геометрическими параметрами полюсных наконечников (шириной немагнитного зазора полюсного наконечника и диаметром канала). Известно, что электронные линзы, в том числе магнитные, обладают значительными аберрациями, обусловленными тем, что условия фокусировки параксиальных электронов и электронов, проходящих через линзу на значительном расстоянии от оси, отличаются. Главные характеристики фокусирующих систем ЭЛУ технологического назначения: фокусное расстояние, рабочий отрезок (расстояние от последней фокусирующей линзы до плоскости обработки), постоянная сферической аберрации (характеризует радиус кружка размытия пучка в плоскости обработки от апертурного угла фокусируемого пучка), коэффициент хроматической аберрации (характеризует размытие электронного пучка за счет разброса скоростей электронов). Снижение апертурного угла пучка приводит к снижению тока в пучке, поэтому оптимальным путем снижения влияния сферической аберрации является минимизация коэффициента сферической аберрации линзы за счет изменения её геометрических параметров. Необходимо заметить, что коэффициент сферической аберрации значительно возрастает по мере увеличения рабочего отрезка. Однако выбор рабочего отрезка определяется компромиссом между аберрациями фокусирующей системы и аберрациями отклоняющей системы при заданном размере поверхности обработки, так как при уменьшении рабочего отрезка в этом случае возрастает угол отклонения пучка (для обеспечения размера обработки). Кроме того, необходимо учитывать влияние магнитопровода линзы на аберрации отклонения, когда отклоняющая система располагается достаточно близко от последней. Это влияние возрастает по мере увеличения частоты отклонения. Снижение влияния хроматической аберрации достигается повышением стабильности источников питания всех элементов электронно-оптической колонны.
Отклонение электронных пучков в ЭЛУ технологического назначения осуществляется в большинстве случаев магнитными отклоняющими системами тороидального типа с синусоидальным распределением обмотки по периметру сердечника. Материал сердечника определяется частотой сканирования электронного пучка. При отклонении поперечное сечение электронного пучка и распределение плотности тока в нем может существенно изменяться вследствие так называемых апертурных аберраций отклонения, астигматизма и комы. Коэффициенты пропорциональности – аберрационные коэффициенты астигматизма и комы тороидальных отклоняющих систем определяются их геометрическими параметрами сердечника, распределением обмотки по периметру и расположением отклоняющей системы относительно плоскости фокусировки пучка.

Наблюдение за проведением технологического процесса в ЭЛУ, корректировка взаимного положения пучка и обрабатываемого изделия осуществляются с помощью светооптической системы. Даже если работа установки автоматизирована, наблюдение необходимо для первоначальной настройки системы совмещения электронного пучка с местом обработки и периодического контроля. Кроме широко применяемого для этих целей микроскопа МБС, были разработаны и специальные светооптические устройства, значительно расширяющие возможности наблюдения.

Для питания электронно-лучевой пушки специально был разработан источник питания инверторного типа с преобразованием на частоте 44кГц. Источник питания смещения и накала выполнены так, что необходимые выходные напряжения определяются согласующим трансформатором. Эти источники находятся под высоким потенциалом. В блоке питания ЭЛУ реализована схема автосмещения для задания потенциала управляющего электрода эмиссионной системы. При задании тока электронного луча за счет обратной связи, снимаемой с датчика тока, находящегося под потенциалом земли, автоматически регулируется напряжение смещения, и ток электронного пучка поддерживается на заданной величине. Ускоряющее напряжение имеет десять фиксированных значений от 15 кВ до 60 кВ с шагом 5 кВ. Выходные трансформаторы и выпрямители высоковольтных источников расположены в масляном баке, с размерами 200×250×400 мм. Этот бак расположен внизу под вакуумной камерой. Инвертор источника питания имеет такие же малые размеры и расположен в стойке питания в середине первого этажа. Благодаря малым размерам инвертора, стойка питания электронной оптики, мощностью 1 кВт занимает всего три этажа в стойке «Вишня».
Что касается размерной обработки поверхности электронным лучом, то она нашла применение при изготовлении деталей авиационной и космической техники, что является экономически целесообразным. Стоимость размерной обработки деталей из жаропрочных и труднообрабатываемых сплавов благодаря короткому циклу и отсутствию расходов на инструмент на десятки процентов ниже стоимости других методов обработки.