Lucrarea nr. 12

INSTALAŢIA DE PRELUCRARE CU FASCICUL DE ELECTRONI

12.1. Scopul lucrării

Lucrarea permite cunoaşterea particularităţilor constructive şi funcţionale ale instalaţiilor de prelucrare cu fascicul de electroni. În mod particular se urmăreşte cunoaşterea domeniului de utilizare a tunului CTW 5/60, precum şi a modului de exploatare a acestuia.

12.2. Consideraţii teoretice

Utilizarea fasciculului de electroni în aplicaţii industriale (sudare, topire, găurire, tratamente termice, etc.) este determinată de o serie de factori şi anume: energia puternic concentrată a fasciculului, focalizarea şi rezoluţia sa înaltă, posibilitatea de reglare cu mare precizie a parametrilor săi, posibilitatea de poziţionare şi mişcare fină, randamentul ridicat. În general instalaţiile de prelucrare cu fascicul de electroni sunt realizate din următoarele componente:

a) sursa de electroni - tunul electronic are în componenţă:- catodul de emisie electronică – termocatod, catod cu emisie la rece

sau catod cu emisie bazată pe plasmă;- electrodul de accelerare – anod;- electrodul de focalizare şi comandă a fasciculului – electrod

Wehnelt;-optica electronică cu dispozitivele (magnetice sau electrostatice)

pentru centrare, focalizare şi deflexie;b) camera de lucru vidată, cu dispozitive aferente mişcării piesei

prelucrate;c) sistem de vidare a tunului şi camerei de lucru;

d) sistem de alimentare;e) sistem de comandă şi reglare.

Tunul electronic este elementul principal al instalaţiei de prelucrare şi asigură realizarea următoarelor funcţii: producerea electronilor liberi, formarea unui fascicul de electroni coerent şi de energie ridicată, centrarea, focalizarea şi deflexia acestuia.

Principial, un tun electronic este format dintr-un catod care emite

electroni liberi, un electrod de polarizare (Wehnelt) care asigură formarea fasciculului de electroni, un electrod de accelerare (anod), conectat la o diferenţă de potenţial mare faţă de catod, bobine de focalizare şi bobine de deflexie (fig.12.1 şi fig.12.2).

Fig.12.1 Tunul electronic-schema de principiu

Fig. 12.2 Construcţia tipică a instalaţiei de prelucrare cu fascicul de electroniAnodul tunului este găurit pentru a permite trecerea fasciculului de

electroni. Electronii emişi de catod sunt acceleraţi spre anod datorită diferenţei de potenţial dintre catod şi anod, tunul putând funcţiona în regim de sarcină spaţială sau în regim de saturaţie termică. Electronii eliberaţi de catod produc în faţa acestuia o sarcină spaţială negativă (nor de electroni); prin aceasta, repartiţia potenţialului electric între catod şi anod este perturbată, în faţa catodului apărând o zonă de potenţial minim. Ca urmare, nu toţi electronii emişi de catod ajung la anod şi curentul anodic va fi mai mic decât curentul de emisie, acest regim de funcţionare fiind de emisie în sarcină spaţială, cu densitatea curentului de emisie j dată de legea Child-Langmuir:

(12.1)

unde:ε0 este constanta dielectrică a vidului, în [F/m];e - sarcina electronului, în [As];m - masa electronului, în [kg];V - potenţialul de accelerare, în [V];d - distanţa dintre anod şi catod, în [m];P - perveanţa, mărime dependentă de geometria tunului.

Dacă se măreşte tensiunea de accelerare, curentul anodic va creşte până când toţi electronii emişi de catod vor fi acceleraţi spre anod. În acest caz, curentul anodic este egal cu curentul de emisie şi tunul funcţionează în regim de saturaţie termică, densitatea curentului de emisie jsat fiind dată de relaţia:

(12.2)unde:

T este temperatura absolută a catodului, în [K];W - echivalentul termic al lucrului mecanic de ieşire al electronilor, în [W];k – constanta Boltzman;A – constantă.

Densitatea de curent de saturaţie este independentă de tensiunea de accelerare dar depinde de temperatura catodului, parametru greu de controlat

şi de menţinut constant în timpul funcţionării. Cele mai multe tunuri electronice funcţionează în regim de sarcină spaţială, curentul fasciculului de electroni fiind, în acest caz, independent de caracteristicile emisive ale catodului.

Electronii acceleraţi spre anod sunt focalizaţi electrostatic într-un fascicul datorită configuraţiei sistemului catod - electrod de polarizare - anod. Fasciculul de electroni astfel creat are un diametru minim într-un punct situat în dreptul orificiului anodului; după trecerea prin acest punct, fasciculul de electroni diverge puternic. Pentru a se asigura obţinerea unei puteri specifice ridicate este necesară focalizarea fasciculului de electroni cu ajutorul unui câmp magnetic creat de o bobină de focalizare având aceeaşi axă de simetrie cu axa electronooptică a tunului.

Prin modificarea curentului de focalizare se poate modifica poziţia focarului fasciculului de electroni. În punctul de focalizare electrostatică (cross-over) acţionează sarcina spaţială care limitează diametrul minim al fasciculului prin respingerea mutuală a electronilor. În focarul fasciculului de electroni nu se mai exercită această influenţă, fapt care asigură posibilitatea reducerii considerabile a diametrului fasciculului şi deci, a ridicării puterii specifice a acestuia.

Tunul electronic este prevăzut de asemenea, cu un sistem de deflexie format din două bobine cu axele perpendiculare care asigură posibilitatea deflexiei fasciculului după orice direcţie.

Camera de lucru, destinată menţinerii vidului necesar bunei desfăşurări a procesului tehnologic de prelucrare cu fascicul de electroni, are pereţii realizaţi din oţel inoxidabil nemagnetic sau din fier de grosime echivalentă, astfel determinată încât să asigure protecţia împotriva radiaţiei X. Procesul de prelucrare se desfăşoară în vid pentru a se elimina dispersia de energie datorată ciocnirii electronilor cu moleculele de aer. Există şi instalaţii care lucrează la o presiune apropiată de cea atmosferică dar în acest caz distanţa de lucru este foarte mică (sudarea unor piese de dimensiuni foarte mari care nu pot fi amplasate în camere vidate).

Sistemul de vidare cuprinde una sau două agregate de vid autonome care realizează vidul înalt în spaţiul catodic, necesar producerii fasciculului de electroni şi vidul necesar în camera de lucru, pentru desfăşurarea procesului de prelucrare.

Sistemul de alimentare cuprinde sursele de energie necesare funcţionării întregii instalaţii.

Sistemul de comandă şi reglare asigură posibilitatea execuţiei operaţiilor necesare deservirii echipamentului de prelucrare, respectiv a urmăririi modului de funcţionare a acestuia. Instalaţiile de prelucrare moderne asigură o autoreglare a parametrilor în funcţie de starea momentană a procesului, fiind dotate cu sisteme de poziţionare a fasciculului pe zona de lucru, înainte sau în timpul procesului de prelucrare. Pe baza prelucrării datelor de referinţă, sistemul de reglare intervine în procesul de prelucrare acţionând asupra puterii fasciculului de electroni, focalizării acestuia şi vitezei de lucru.

Parametrii fasciculului de electroni, sunt următorii:- curentul fasciculului de electroni If ;

- tensiunea de accelerare Uacc ;- curentul sistemului de focalizare Ifoc;- distanţa de lucru l (distanţa de la centrul sistemului de focalizare la

suprafaţa piesei de prelucrat);- viteza de deplasare a fasciculului de electroni v.

Puterea fasciculului de electroni se determină cu relaţia:

(1.3)

unde randamentul η= ηe. ηt se determină în funcţie de randamentul electric şi cel termic.

Relaţia empirică pentru determinarea diametrului fasciculului df este:

(1.4)

unde: S0 este constanta sistemului electrono-optic.

Puterea specifică Psf este:

(1.6)

Materialul de bază intervine în procesul de sudare prin următoarele caracteristici: compoziţia chimică; constantele de material: temperatura de topire; temperatura de vaporizare; căldura specifică; căldura latentă de topire şi de vaporizare; conductibilitatea termică; difuzivitatea; presiunea de vapori; densitatea.

La parametrii enumeraţi mai sus se adaugă: presiunea în camera tunului; presiunea în camera de lucru; forma, amplitudinea, frecvenţa şi direcţia de oscilare a fasciculului de electroni; direcţia şi unghiul de deflexie al fasciculului faţă de axa electrono-optică a tunului; forma şi durata impulsurilor la sudarea în regim de impulsuri; natura, dimensiunile şi viteza de introducere a materialului de adaos în sudură, în cazul sudării cu material de adaos.

12.3. Utilaje şi materiale folosite

Schema bloc a instalaţiei de prelucrare cu fascicul de electroni, realizată la Universitatea "Petru Maior" Tg. Mureş este prezentată în figura 12.3, completată cu imaginile din figura12.4 şi figura 12.5.

Tunul cu fasciculul de electroni este alimentat de la o sursă de înaltă tensiune reglată şi filtrată la o valoare constantă şi, pe lângă cele menţionate, asigură:

- separarea spaţiului catodic de spaţiul de lucru printr-un ventil sferic;- vizualizarea suprafeţei de lucru cu ajutorul sistemului de captare a

electronilor reflectaţi.

Regulatorul de înaltă tensiune asigură:- menţinerea tensiunii catodice la valoarea prescrisă în condiţii de

sarcină variabilă;-protecţie selectivă la curent maxim, străpungeri repetate,

supratensiune, supravegherea fazelor, erori de aprindere a tiristoarelor;- măsurarea curenţilor şi tensiunilor din primarul transformatorului

ridicător;-transmiterea semnalelor de stare a sistemului către echipamentul de

comandă numerică şi filtrarea perturbaţiilor.Ansamblul catodic se compune din catodul primar şi un catod masiv tip

bolţ, ambele situate la potenţialul înalt de 60 kV. Regulatorul de catod trebuie să asigure o temperatură constantă, respectiv o emisie constantă de electroni de pe suprafaţa catodului bolţ, suficient de mare pentru a obţine un curent de fascicul impus de tehnologia de prelucrare. Catodul primar, alimentat de la un variator cu tiristoare permite modificarea curentului, astfel ca puterea activă absorbită de catodul masiv să se menţină constantă. Valorile de stare ale alimentării ansamblului de catod sunt menţinute în domeniul admis prin limitarea curentului de catod primar şi masiv.

Fig. 12.3 Schema bloc a instalaţiei de prelucrare cu fascicul de electroni

Fig.12.4 Tunul cu FE, camera de Fig.12.5 Echipamentul electric de

lucru şi pupitrul de comandă alimentare şi comandă

Regulatorul curentului de fascicul este realizat pe principiul modulării în amplitudine a unui oscilator de 2,5 kHz, metodă care permite şi realizarea izolării galvanice de sursa de înaltă tensiune şi are în componenţă:

- regulatorul tensiunii de comandă;- circuitul de măsurare şi adaptare a curentului de fascicul;- circuite de limitare şi protecţie;

Prin intermediul celor menţionate se asigură:- generarea tensiunii de comandă;- reglarea curentului fasciculului la o valoare impusă;- generarea tensiunii de referinţă pentru regulatorul curentului de

fascicul;- posibilitatea funcţionării în regim manual/automat.

Sistemul de conducere a fasciculului asigură:- centrarea magnetică a fasciculului emis de catod după două direcţii

x, y;- focalizarea magnetică a fasciculului centrat;- deflexia magnetică a fasciculului focalizat după două direcţii

perpendiculare, în vederea realizării incidenţei în punctul de lucru;- variaţia rapidă a distanţei focale (dinamică) în funcţie de

configuraţia piesei;- măsurarea şi transmiterea către blocul de comandă a mărimii

curentului de focalizare dinamică.Procesul este comandat şi supervizat de un sistem numeric distribuit.

Sistemul de control al echipamentelor de vidare şi de achiziţii de date din proces este realizat cu un calculator de proces care asigură comenzile secvenţiale pentru vidare tun, vidare cameră de lucru, respectiv faze de prelucrare. Totodată sistemul asigură şi achiziţia, respectiv transmisia datelor analogice prelucrate de sistemul distribuit, spre proces, prin interfeţe cu separare galvanică. Comanda numerică a instalaţiei permite supravegherea în timpul funcţionării a parametrilor tehnologici, respectiv introducerea uşoară a acestora de către operator cu ajutorul unui protocol adecvat.

Pupitrul de comandă conţine toate elementele de comandă curentă pentru conducerea procesului tehnologic, permiţând emiterea comenzilor în timpul urmăririi prelucrării precum şi oprirea în caz de avarie. Permite de asemenea corecţii şi ajustări pentru următorii parametri:

- centrare x, y;- deflexie x, y;- corecţie curent fascicul;- corecţie curent de focalizare;- reglare putere de încălzire catod secundar.

Instalaţia are următoarele caracteristici tehnice:a) Tun de electroni axial, cu electrod de comandă, încălzire indirectă:

- tip triodă CTW 5/60 (CTW10/60);- tensiune de accelerare 60 kV;- putere utilă reglabilă până la 5 kW (până la 10 kW);- curent de fascicul 85 (170) mA;- diametrul maxim al fasciculului în focar 0,3 mm;

b) camera de lucru:- gabarit exterior 690x690x530 mm;- gabarit interior 650x650x500 mm;

c) Linie de vidare cameră compusă din:

- pompă de vid preliminar A2 DS 150 debit 150 m 3 /oră;

- pompă Roots RPW 1800 Sp-Sch debit 1800 m 3 /oră;- valoare vid în camera de lucru: 5 x 10-2 Pa;

d) Linie de vidare tun compusă din:

- pompă de vid preliminar A2 DS 60 debit 60 m3 /oră;- pompă de difuzie EDO 160 debit 1000 l/s;

- valoare vid în tun (10-4 ... 10-3) Pa;

12.4. Modul de lucru

După parcurgerea părţii teoretice a lucrării, studenţi vor identifica componentele instalaţiei cu fascicul de electroni din laborator, insistându-se asupra tipurilor şi formelor constructive ale catodului, captatoarelor de electroni, parametri ai regimului de lucru.

12.5. Prelucrarea şi interpretarea rezultatelor. Concluzii

Referatul întocmit de studenţi va cuprinde schema bloc a instalaţiei, cu marcarea elementelor componente, descrierea sumară a acestora şi răspunsuri la următoarele întrebări:

- care este rolul electrodului Wehnelt şi care este regimul de funcţionare al tunului dacă acest electrod şi catodul se află la acelaşi potenţial ?

- ce fenomene au loc în spaţiul catod – electrod de accelerare - anod ?

PAGE 90UTILAJE ŞI ECHIPAMENTE DE PRODUCŢIE

- LUCRĂRI DE LABORATOR -

PAGE 91ANALIZA SISTEMULUI DE ACÞIONARE HIDRAULICĂ AL UNEI MAŞINI

DE RECTIFICAT PLAN

84