Раздел 7. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ, ЛАЗЕРНЫЙ И ИОННЫЙ НАГРЕВ

Электронно-лучевой нагрев

Электронно-лучевой нагрев выполняют лучом (пучком) электронов, эмитируемых нагретым катодом, в глубоком вакууме. Устройство, формирующее электронный луч для технологического использования, называют электронной пушкой. Электроны, эмитируемые нагретым катодом пушки, ускоряются и фокусируются электрическим полем. На электрон в электрическом поле действует сила F=е·Е, под действием которой он ускоряется и приобретает энергию:

, (7.1)

где m_e, v и е - масса, скорость и заряд электрона; U - ускоряющее напряжение.

Разогнанный в электрическом поле поток электронов направляется на нагреваемый материал, при встрече с которым электроны тормозятся и их кинетическая энергия преобразуется в теплоту. Чтобы энергия электронов не рассеивалась в молекулах газа, электронный луч разгоняют в вакууме при давлении 10^-2...10^-3 Па. В зависимости от технологического назначения электронно-лучевых установок ускоряющее напряжение U изменяется от 15...20 до 100...200 кВ. Наиболее распространены электронно-лучевые установки с напряжением равным 20...30 кВ.

При напряжениях больше 20 кВ торможение электронов на металлической поверхности сопровождается не только нагревом, но и рентгеновским излучением (наподобие излучения рентгеновских трубок), что требует специальных мер защиты обслуживающего персонала.

Мощность выделяемая электронным пучком в месте столкновения с материалом, Р= U·I·η (где I – сила тока пучка; η – КПД). Величина мощности может иметь значение от десятков до тысяч киловатт в единице объема. Площадь же сечения луча на поверхности тела 10^-3…10^-5 мм².

Основные технологические особенности электронно-лучевого нагрева заключаются в следующем: высокая концентрация мощности; нагрев материалов в вакууме, обеспечивающий высокое качество сварки и других процессов (что особенно важно для химически активных материалов); возможность плавного регулирования мощности; малоразмерная зона воздействия луча на материал (что позволяет выполнять тонкие термические операции на микродеталях).

К недостаткам электронно-лучевого нагрева относят: необходимость использования высокого вакуума; повышенная опасность при обслуживании из-за рентгеновского излучения; высокая стоимость и сложность эксплуатации оборудования. Поэтому его применяют там, где выполнить операции иными способами невозможно или должного эффекта не получается: сварка и термообработка деталей из молибдена, вольфрама, ниобия и других тугоплавких и химически активных металлов, микросварка радиодеталей, микросхем и т. п., размерная обработка деталей, нанесение покрытий.

Электронная пушка состоит из электронно-оптической системы (ЭОС), формирующей пучок электронов, и системы проведения пучка. ЭОС включает катод с косвенным подогревом (температура катода 2300...2500 К) и анод. Система проведения обеспечивает перемещение пучка электронов до заданной точки поверхности по заданному закону. По особенностям формирования электронного луча, определяемым технологическим назначением ЭЛУ, электронные пушки подразде­ляют на аксиальные, радиальные, щелевые. Наиболее распространены первые. Они отвечают требованиям выполнения различных технологических процессов (рис. 7.1). Источником электронов служит основной катод 2, подогреваемый вспомогательным 1 (вольфрамовая спираль). На вспомогательный электрод подают отрицательный относительно основного катода потенциал. Основной катод служит одновременно и фокусирующим электродом, обеспечивающим предварительное формирование луча. Ускоренный в электрическом поле луч проходит через диафрагму 3 анода, а затем, не снижая скорость, через фокусирующие магнитные линзы (соленоиды) 4 и 6. Между линзами установлена вольфрамовая диафрагма 5, улавливающая рассеянные электроны. Катушка 7 предназначена для автоматического перемещения луча по свариваемой детали 8 согласно заданной программе.

Рис. 7.1. Схема сварочной электронно-лучевой установки с аксиальной пушкой:

1 - …………………….

Лазерный нагрев

Лазеры или оптические квантовые генераторы – источники оптического излучения, отличающегося высокой когерентностью, узкой направленностью, большой концентрацией мощности, высокой степенью монохроматичности, способностью к фокусированию.

Лазерное излучение является индуцированным. Его испускают возбужденные внешним источником энергии (системой накачки) атомы или молекулы оптически активных веществ, электроны которых при возбуждении переходят на более высокие энергетические уровни, а затем, возвращаясь в первоначальное состояние, отдают приобретенную энергию в виде лавины квантов, тождественных по направлению, частоте, фазе и поляризации фотонам возбуждающей энергии.

Энергия перехода электрона с верхнего на нижний энергетический уровень определяется законом Планка:

, (10.3)

где Е₂ – Е₁ – энергия уровней, между которыми происходит переход;
h = 6,62·10^-34 Дж∙с - постоянная Планка; v - частота переходов, с^-1.

Энергия излучения, которую имеет единица объема активного вещества концентрацией частиц N₀ (м^-3), зависит от степени инверсии активного вещества – количества N возбужденных атомов, электроны которых могут находиться на верхнем энергетическом уровне. Формально инверсное состояние можно описать формулой, определяющей распределение атомов по энергетическим уровням:

, (10.4)

где E - энергия верхнего уровня; k = 1,38 ∙10^-23 Дж·К^-1 - постоянная Больцмана.

Если считать температуру Т вещества отрицательной, ибо с пониже­нием температуры генерация возникает при меньшей энергии накачки. Инверсное состояние называют также "состоянием с отрицательной температурой".

Энергия излучения, которую потенциально имеет единица объема активного вещества (Дж·м^-3):

. (10.5)

Основные технологические особенности лазерного нагрева: наи­высшая плотность мощности, известная на Земле, возможность передавать энергию лазера на расстояние и осуществлять, таким образом, бесконтактный нагрев тел; плавность регулирования интенсивности лазерного излучения и др.

Технологические особенности и свойства лазерного нагрева во многом совпадают со свойствами электронно-лучевого нагрева, схожи и области их применения. Однако лазерный нагрев имеет свои преи­мущества: он осуществляется на воздухе и не сопровождается рент­геновским излучением, стоимость установок лазерного нагрева меньше и они проще в обслуживании. Механизм воздействия лазерного излучения в зависимости от параметров может быть тепловым (при достаточно малой энергии квантов) и химическим (при высоких параметрах излучения), связанным с разрывом старых и установлением новых химических связей, так как кванты энергии оптического диапазона, определяемые формулой (10.3), соизмеримы с энергией некоторых химических связей в молекулах вещества. Это свойство лазерных лучей особенно важно при использовании в селекционной работе для индуцированного мутагенеза семян с целью получения растений с комплексом хозяйственно ценных свойств, в процессе предпосевной обработки семян, дефектоскопии и прединкубационной обработки яиц, в ветеринарии.

Отмеченными особенностями объясняется более широкое рас­пространение лазерного нагрева по сравнению с электронным. Техно­логические лазерные установки (ТЛУ) применяют в машиностроении и на ремонтных предприятиях для пайки, сварки, сверления, резки металлов, нанесения покрытий, поверхностной закалки стальных деталей, оплавления и прошивки отверстий в керамических изделиях, в голографии, для резки и раскроя неметаллических материалов, в научных исследованиях.

Лазер состоит из трех основных узлов: излучателя (рабочее тело), системы накачки, оптического резонатора.

Излучатель – оптически активное вещество (тело), предназначенное для преобразования энергии накачки в лазерное излучение. Активное вещество может быть твердым диэлектриком, полупроводником, жидкостью, газом. Соответственно различают твердотельные, полупроводниковые, жидкостные и газовые лазеры. Наиболее рас­пространены твердотельные и газовые лазеры.

Система накачки предназначена для возбуждения атомов активных веществ. Накачка может выполняться электрическими разрядами (газовые лазеры), оптическим излучением с помощью специальных ламп (твердотельные и жидкостные лазеры) и другим путем.

Оптический резонатор включает систему отражательных, преломляющих, фокусирующих и других оптических элементов, служащих для взаимодействия излучения с рабочим веществом.

Рис. 10.2. Схема устройства газового лазера на СО₂:

а – однотрубная; б – многотрубная.

Для технологических целей используют газовые лазеры на аргоне, ксеноне, углекислом газе и твердотельные лазеры на неодимовых стеклах. Наибольшую мощность (до 5 кВт, а опытные образцы – до 20 кВт) имеют лазеры на углекислом газе с примесью азота и гелия (СО₂-лазеры). На рисунке 10.2 показана схема устройства СО₂-лазера, представляющего собой стеклянную водоохлаждаемую трубку 1 диаметром до 60 мм, через которую непрерывно подается (в данном случае лазер с продольной прокачкой) углекислый газ с примесью азота и гелия, давление газа 0,1…1 кПа. Внутри трубки по ее концам размещены электроды 2, к которым поступает от источника 4 питания постоянное напряжение (около 2000 В). Между электродами возникает стационарный тлеющий разряд, возбуждающий молекулы газа. Лазерное излучение выходит через окно 3. Концентрация активных частиц в газовой среде (10¹⁹...10²² м^-3) намного ниже, чем в твердотельных излучателях (10²³…10²⁶ м^-3). По этой причине и в соответствии с зависимостью (10.5) с 1 м длины трубки можно снять мощность не более 50 Вт, поэтому газовые лазеры делают многотрубными (рис. 10.2,б). Лазеры на СО₂ относятся к молекулярным, в них возбуждаются молекулы, испускающие лазерное излучение с волнами длиной 10,6 мкм, лежащее в инфракрасной области спектра.

Лазеры работают в непрерывном и импульсном режимах. Первый характеризуется мощностью луча, второй – мощностью, длительностью, энергией импульса и частотой их повторения. СО₂ - лазер в непрерывном режиме имеет мощность 10...10² Вт, в импульсном – 10⁶...10⁹ Вт, длительность импульсов 1...10 мкс, частота 25...100 Гц, КПД 8...30 %. Наиболее высоким КПД (50...60 %) отличаются полупроводниковые лазеры, работающие преимущественно в импульсном режиме.

В таблице 10.1 приведены некоторые типы газовых лазеров, работающие в непрерывном режиме и применяемые в сельскохозяй­ственном производстве. Используются ТЛУ и с твердотельными лазерами: "Квант:16" мощностью 30 кВт, работающий в импульсном режиме (используются в ремонтном производстве), установки малой мощности: "Львов-1", "Урожай" (для предпосевной обработки семян). Номенклатура и область применения ТЛУ непрерывно расширяются.

Таблица 7.1. Основные технические данные газовых лазеров некоторых типов

Ионный нагрев

Ионный нагрев металлических тел осуществляют потоком положи­тельных ионов низкотемпературной плазмы, создаваемой в вакууме тлеющим электрическим разрядом.

Нагреваемое тело (изделие) помещают в металлическую вакуумированную (давление порядка 10^-3 Па) камеру и подводят к нему отрицательный полюс источника питания постоянного тока, а к стенкам камеры – положительный полюс. В камеру подают рабочие летучие вещества: газ (аммиак, бор и др.), твердые летучие вещества, пары металлов (их получают в той же камере электродуговым испарением). Между изделием и стенками камеры возбуждают тлеющий электрический разряд (рис. 10.3). Катод – изделие нагревается потоком положительных ионов летучих присадочных веществ, извлекаемых из низкотемпературной плазмы. Ионы, устремляющиеся к изделию, не только нагревают его, отдавая запасенную в электрическом поле энергию, но и вступают с поверхностью изделия в сложные взаимодействия, поэтому ионный нагрев используют в процессах химико-термической обработки металлов, таким как:

– диффузное поверхностное упрочнение (азотирование, цементация, борирование и др.) металлических изделий (инструмента, шестерен, гильз двигателей внутреннего сгорания, коленчатых валов и др.) путем насыщения легирующими элементами слоев изделий при диффузном взаимодействии ионов с изделием, сопровождаемым нагревом. Процесс протекает при скорости диффузии ионов в металл, превышающей скорость осаждения ионов;

– поверхностное покрытие изделий путем ионно-плазменного напыления нитридов (молибдена, титана и др.), карбидов, карбонитридов и других веществ. Процесс протекает при скорости конденсации ионов, превышающей скорость их диффузного взаимодействия с подложкой.

Преимущества ионно-плазменной обработки по сравнению с химико-термической обработкой в плазменных печах состоят в повы­шении производительности в 8...10 раз, уменьшении деформации и повышении износостойкости деталей в 1,5...3 раза, режущего инструмента в 2...10 раз, существенного снижения энергозатрат.

Установки ионного нагрева выпускают на мощности в десятки и сотни киловатт. Для возбуждения плазмы используют источники постоянного тока с выходным напряжением от десятков вольт до 1,5 кВ.

Рис. 10.3. Схема ионного нагрева:

1 – герметическая рабочая камера; 2 – обрабатываемое тело; 3 – подвод газа; 4 – вакуумная система; 5 – плазма.

Источники питания

Установки электронно-лучевого, лазерного и ионного нагрева питаются от источников постоянного тока (напряжения). Общий элемент источников питания (ИП) – преобразователь переменного тока в постоянный. Различаются установки мощностью и выходным напряжением (десятки и сотни вольт в установках ионного нагрева, единицы киловольт в установках лазерного нагрева, десятки кило­вольт в установках электронно-лучевого нагрева).

Основные требования к источникам питания: возможность регу­лирования мощности; устойчивость к коммутационным перенапряжениям; обеспечение управления по заданному режиму или программе.

Структурная схема ИП включает в общем случае следующие блоки: преобразования напряжения сети в необходимое напряжение установки (повышающий трансформатор); преобразования переменного тока в постоянный (неуправляемый или управляемый выпрямитель, фильтры, устройства стабилизации и защиты); собственных нужд (системы накачки, поджига, фокусирования и др.); управления, регулирования, контроля.

При общих принципах структуры ИП установок каждого вида имеют особенности, обусловленные видом вольт-амперных характеристик, спецификой работы, технологическими и другими требованиями.

Вольт-амперные характеристики электронных пушек электронно­лучевых установок возрастающие. В них возможны короткие замыкания между электродами, поэтому ИП должны иметь жесткую внешнюю характеристику и быть устойчивыми к пробоям. На рисунке 10.4 показана принципиальная электрическая схема силовых цепей источника питания таких установок. Он представляет собой регулируемый трехфазный выпрямитель с тиристорными регулирующими элементами VS в первичной обмотке повышающего трансформатора TV1. Две вторичные обмотки нагружены выпрямителями UZ1 и UZ2, выходы которых могут соединяться параллельно или последовательно, обеспечивая требуемое для работы установки напряжение. Накал катода электронной пушки Е питается от трансформатора TV2. В главной цепи тока включен шунт Rш, параллельно которому подключено токовое реле КА для защиты от перегрузки.

Рис. 10.4. Схема силовых цепей источника питания электронно-лучевой установки

Вольт-амперные характеристики газовых лазеров непрерывного режима и устройств ионного нагрева падающие. Чтобы обеспечить их устойчивую работу в источниках питания предусматривают балластные элементы в виде резисторов, катушек индуктивности, конденсаторов, применяют параметрические источники тока или управляемые источники напряжения с автоматической стабилизацией тока. Важный элемент ИП – система поджига разряда, который обычно осуществляется инициированием высоковольтными импульсами, подаваемыми к разрядному промежутку.

На рисунке 10.5 показана структурно-принципиальная схема маломощной лазерной установки "Львов-1", применяемой для пред­посевной обработки семян. Она включает атомарный газовый лазер А типа ЛГН-104, работающий в непрерывном режиме на смеси неона и гелия (длина волны излучения 0,63 мкм), и источник питания, изображенный в виде условно изображенных функциональных блоков (заключены в рамки). Мощность лазерного излучения 50 мВт, потребляемая мощность 0,6 кВт. Особенность излучателя – наличие двух катодов (К1 и К2) при одном аноде, что вызвано требованиями получения необходимой мощности излучения при минимальных габаритных размерах и простоте конструкции излучателя. Охлаждение излучателя воздушное, постоянный состав газовой смеси поддерживается распыляемым газопоглотителем-баллончиком, сообщающимся с трубкой активного элемента.

Установка (рис. 10.5) включает высоковольтный источник питания G, в который входит повышающий трансформатор TV1, выпрямитель с удвоением напряжения (VD1, VD2, C1, С2), делитель напряжения (R1 - R4), диодный мост UZ с тиристорным ключом VS в диагонали; схему импульсно-фазового управления (СИФУ); устройство зажигания излучателя (УЗИ); два стабилизатора тока (СТ); усилитель обратной связи (УОС). СИФУ предназначена для управления моментом включе­ния тиристора и регулирования тем самым выходного напряжения и тока разряда. СИФУ совместно с УЗИ формируют импульсы высокого напряжения, подаваемые на катоды К1 и К2 для возбуждения разряда. После возбуждения разряда схема формирования импульсов выключается. Высоковольтный выпрямитель вместе с СИФУ и УОС образуют стабилизатор напряжения, который в режиме холостого хода повышает напряжение до 2,8 кВ, необходимое для зажигания лазера, в режиме генерации снижает напряжение до 2,4 кВ, а при перегрузке до 2 кВ. Стабилизатор тока согласовывает падающую вольт-амперную характеристику газового разряда с выходными параметрами источника питания и обеспечивает устойчивую работу излучателя при колебаниях напряжения питающей сети.

Рис. 10.5. Структурно-принципиальная схема лазерной установки «Львов-1»

Схемы источников питания установок каждого вида нагрева весьма разнообразны. Помимо вольт-амперных характеристик они определяются назначением установок, их мощностью, конструктивным исполнением, требованиями к регулированию и другими факторами.

Контрольные вопросы и задания. 1. Каковы физические принципы электронно-лучевого, лазерного и ионного способов нагрева, их технологические возможности и основные области применения?. 2. Объясните принципы устройства и работы аксиальной электронной пушки, технологического газового лазера, установки для ионного нагрева? 3. Что общего в источниках питания технологических установок электронно-лучевого, лазерного и ионного нагрева, в чем различия и чем обусловлены?

Библиографический список

1. Альтгаузен, А.П. Низкотемпературный электронагрев [Текст] / А.П. Альтгаузен, М.Б. Гутман, С.А. Малышев [и др.]; под ред. А.Д. Свенчанского. – М.: Энергия, 1978. – 208 с.

2. Баранов, Л.А. Светотехника и электротехнология [Текст] / Л.А. Баранов, В.А. Захаров. – М.: КолосС, 2006. – 344 с.

3. Басов, А.М. Электротехнология [Текст] / А.М. Басов, В.Г. Быков, А.В. Лаптев, В.Б. Файн. – М.: Агропромиздат, 1985. – 256 с.

4. Белавин, Ю.А. Трубчатые электрические нагреватели и установки с их применением [Текст] / Ю.А. Белавин, М.А. Евстигнеев, А.Н. Чернявский. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 160 с.

5. Герасимович, Л.С. Низкотемпературные электронагреватели в сельском хозяйстве [Текст] / Л.С. Герасимович, В.П. Степанцов, В.А. Коротинский [и др.]; под общ. ред. Л.С. Герасимовича. – Мн.: Урожай, 1984. – 118 с.

6. Егиазаров, А.Г. Отопление и вентиляция зданий и сооружений сельскохозяйственных комплексов [Текст] / А.Г. Егиазаров. – М.: Стройиздат, 1981. – 299 с.

7. Живописцев, Е.Н. Электротехнология и электрическое освещение [Текст] / Е.Н. Живописцев, О.А. Косицын. – М.: Агропромиздат, 1990. – 303 с.

8. Каган, В.Г. Электротермическое оборудование для сельскохозяйственного производства [Текст] / Н.Б. Каган, В.Г. Кауфман, М.Г. Пронько [и др.]. – М.: Энергия, 1980. – 192 с.

9. Карасенко, В.А. Электрификация тепловых процессов в животноводстве [Текст] / В.А. Карасенко. – Минск: Ураджай, 1976. – 160 с.

10. Карасенко, В.А. Электротехнология [Текст] / В.А. Карасенко, Е.М. Заяц, А.Н. Баран, В.С. Корко. – М.: Колос, 1992. – 304 с.

11. Кудрявцев, И.Ф. Электрический нагрев и электротехнология [Текст] / И.Ф. Кудрявцев, В.А. Карасенко. – М.: Колос, 1975. – 384 с.

12. Материалы для электротермических установок: Справочное пособие [Текст] / под ред. М.Б. Гутмана. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 296 с.

13. Практикум по электротехнологии [Текст]: учебн. пособие для вузов / В.Н. Гайдук, В.Н. Шмигель. – М.: Агропромиздат, 1989.

14. Расстригин, В.Н. Электронагревательные установки в сельскохозяйственном производстве [Текст] / В.Н. Расстригин, И.И. Дацков, Л.И. Сухарева, В.М. Голубев; под общ. ред. В.Н. Расстригина. – М.: Агропромиздат, 1985. – 304 с.

15. Расстригин, В.Н. Применение систем и средств электротеплоснабжнения в животноводстве [Текст] / В.Н. Расстригин, С.А. Растимешин, С.С. Трунов [и др.]. – М.: ВНИИТЭИСХ, 1985. – 61 с.

16. Справочник инженера-электрика сельскохозяйственного производства [текст]: учебное пособие. – М.: Информагротех, 1999. – 536 с.

18. Электротермическое оборудование [Текст]: справочник. / под ред. А.П. Альтгаузена. – 2-е изд. – М. Энергия, 1980.

19. Электротехнический справочник в 4 т. [Текст]: Т. 4. Использование электрической энергии / под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова [и др.] (гл. ред. А.И. Попов). – 9-е изд. стер. – М.: Издательство МЭИ, 2004. – 696 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: