История электротехники - Коллектив авторов

В 1979 г. советскими космонавтами в космических условиях успешно испытана экспериментальная аппаратура «Испаритель» с применением электронно-лучевого нагрева. В перспективе возможно создание металлических покрытий (защитных, отражающих и др.) на конструкциях непосредственно в космическом пространстве, т.е. с использованием космического вакуума.

Плавка тугоплавких металлов, в том числе зонная плавка — получение монокристаллов тугоплавких металлов. В конце 50-х в США ряд фирм, в том числе и «Темескал металлургикал», разработали оборудование для получения ниобия, тантала, молибдена и других тугоплавких металлов высокой чистоты. В 1959 г. появилась публикация данных о печи фирмы «Темескал металлургикал», позволяющей выплавлять слитки тугоплавких металлов массой до 90 кг с двумя, электронными пушками для плавления шихты и подогрева металла в кристаллизаторе. При плавке ниобия скорость плавления достигала 110 кг/ч при расходе энергии 1100 кВт∙ч/т. Мощность установки 225 кВт. К 1970 г. в различных странах имелось более 100 электронно-лучевых плавильных печей мощностью до 1200 кВт, выплавлявших слитки массой до 12 т.

Уже в 60-х годах прорабатывались конструкции ЭЛУ с кольцевым катодом или тремя аксиальными пушками для вертикальной зонной плавки с целью получения монокристаллов тугоплавких металлов. Такие работы проводились в Институте металлургии им. А.А. Байкова АН СССР. В 1967 г. в США эта же технология использовалась для получения монокристаллов кремния.

Важная проблема утилизации отходов титана также была решена с использованием ЭЛУ. Фирма «Эйрко Темескал» (США, 1977 г.) проводила плавку стружки сплава титана в установке с шестью пушками общей мощностью 1200 кВт. Качество полученного слитка оказалось выше, чем при вакуумно-дуговом переплаве.

Японская фирма «Джапан электрон оптике лаб. корп.» в конце 60-х — начале 70-х годов выпускала плавильные ЭЛУ для переплава первичных слитков и сыпучей шихты. Подобные же установки выпускались в нашей стране по разработке ИЭС им. Е.О. Патона и в ГДР по разработке М. фон Арденне.

Для рафинирования стали при разливке электронно-лучевые установки используются с 1963 г., когда в США впервые была продемонстрирована опытная установка. Для холодноподового рафинирования применяют каскады камер с несколькими электронно-лучевыми пушками (до 18), при этом увеличивается обрабатываемая поверхность расплава.

В СССР плавильные электронно-лучевые печи разработанные ВНИИЭТО, стали внедряться в 70-е годы: в 1977 г. осуществлен пуск в промышленную эксплуатацию ЭЛУ емкостью 1 т на Узбекском комбинате тугоплавких и жаропрочных металлов; в 1980 г. на Новосибирском ЗЭТО изготовлена ЭЛУ для получения слитков массой 30 т.

Для получения порошков тугоплавких металлов (с последующим изготовлением деталей горячим прессованием) методом центробежного распыления вращающейся оплавляемой заготовки в 70-х годах начал использоваться электронно-лучевой нагрев (США, ФРГ, СССР).

Термообработка металлов. Электронно-лучевой нагрев позволяет реализовать технологические процессы поверхностной закалки и оплавления поверхности деталей. Для деталей сложной формы и больших габаритов электронно-лучевая закалка, которая стала применяться в 70-х годах, имеет преимущества по сравнению с индукционной закалкой. Оплавление поверхности деталей позволяет улучшить механические характеристики деталей из сталей, чугунов и алюминия.

С 1961 г. фирма «Темескал» (США) эксплуатирует установку с плосколучевой пушкой для рекристаллизационного отжига металлической ленты в вакууме. Подобную установку разработала также фирма «Дегусса» (ФРГ). Изготовленная в ГДР установка для термообработки ленты была оснащена аксиальной пушкой с системой управления перемещением электронного луча.

Размерная обработка материалов. В 1938 г. электронный луч был использован для получения мельчайших отверстий в металле (использовался электронный микроскоп). С помощью ЭЛУ в обрабатываемом изделии можно получать отверстия заданного диаметра и пазы различной формы и глубины в твердых и тугоплавких материалах. В таких установках используют аксиальные пушки на рабочее напряжение 60–150 кВ. Мощности установок в непрерывном режиме 1 кВт и в импульсном режиме до 15 кВт. В 1953 г. такие установки выпускала фирма ФРГ «Штайгервальд — Штальтехник» для сверления и перфорации металлических листов. Фирма «Роллс-Ройс» (Великобритания) использовала ЭЛУ в производстве газотурбинных двигателей и барабанов центрифуг.

В США в 70-х годах ЭЛУ использовалась для микрообработки полупроводниковых приборов. Промышленные установки для размерной обработки электронным лучом выпускались также в Японии, ГДР и других странах.

В нашей стране в 80-е годы для электроннолучевой обработки выпускались специализированные промышленные установки типов А306 и ЭЛУРО мощностью до 100 кВт, оборудованные системой перемещения заготовки. 

7.1.7. ЛАЗЕРНЫЙ НАГРЕВ

Начальный период. Лазер (сокращение английского Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) создан во второй половине XX в. и нашел определенное применение в электротехнологии.

Идею процесса вынужденного излучения высказал еще А. Эйнштейн в 1916 г. В 40-х годах В.А. Фабрикант (МЭИ) впервые экспериментально подтвердил возможность усиления света и получил диплом СССР на открытие (1951 г.), Н.Г. Басов, A.M. Прохоров, (СССР), Ч.Х. Таунс (США) получили Нобелевскую премию (1964 г.) за работы по квантовой электронике.

Первые лазеры создали:

Т.Х. Майман (США, 1960 г.) — импульсный твердотельный лазер (на рубине);

А. Яван, В.Р Беннет, Д.Р. Херриот (США, 1961 г.) — непрерывно работающий гелиево-неоновый лазер;

Р.Н. Холл, М.Дж. Натан, Т.М. Квист (США, 1962 г.) — лазер на арсениде галлия;

С. Пател (США, 1964 г.) — лазер на углекислом газе.

В 90-х годах известны уже около 200 рабочих тел для получения лазерного излучения, однако для электротехнологии наиболее часто применяют лазеры на углекислом газе, позволяющие получить наибольшие значения мощности и КПД, и твердотельные (рубиновые), имеющие меньшие габариты и удобные в эксплуатации.

Плотность потока энергии в лазерном луче достигает весьма высоких значений (до 1∙1013 Вт/м2), чем главным образом и определяются технологические возможности лазерного нагрева.

Технологическое применение. Разработки лазерного оружия для «звездных войн» начались в США с начала 60-х годов, когда около 40 фирм получили правительственные заказы. С 1962 г. практически одновременно во всем мире началось технологическое применение лазеров: изготовление мельчайших отверстий, резка, сварка, поверхностная закалка. Фирма «Дженерал электрик» создала установку с использованием рубинового лазера для получения отверстий диаметром 0, 5 мм в алмазе за 0, 2 мс.

Первым процессом, внедренным в промышленность, являлось упрочение картера рулевого управления автомобиля в отделении фирмы «Дженерал моторе» (США) в 1974 г., при этом использовался лазер на углекислом газе мощностью 1 кВт.

В СССР первые лазерные технологические установки для поверхностной обработки были выпущены в 1964 г. на базе твердотельных лазеров типа «Квант» и газовых типа «Катунь», «Кардамон» и др. У первых установок с твердотельными лазерами для поверхностной обработки производительность и размеры обрабатываемого изделия были невелики. Переход на газовые лазеры позволил обеспечить значительно большую производительность.

В 1976 г. начались опытные работы по лазерному нагреву на ЗИЛе с участием МГУ им. М.В. Ломоносова и Института атомной энергии им. И.В. Курчатова (Е.П. Велихов). На предприятии запущена в производство автоматическая линия поверхностной лазерной обработки головок блоков цилиндров из алюминиевого сплава для двигателей внутреннего сгорания, внедрено упрочнение кромок вырубного пуансона, разработан процесс повышения износостойкости чугунного корпуса подшипника водяного насоса.

В 1978 г. началось промышленное применение лазерного нагрева на АЗЛК (г. Москва). Разработаны технология и оборудование с использованием газового лазера «Кардамон» для упрочнения коробки дифференциала заднего моста легкового автомобиля.

С 1964 г. лазерный луч нашел применение в биологии и медицине, например для приваривания сетчатой оболочки глаза.

С середины 70-х годов к работам по лазерному нагреву подключился ВНИИЭТО, где была создана лаборатория по использованию лазерного нагрева в промышленности.

7.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРКА

7.2.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА

Электрическая дуговая сварка была изобретена в России. Н.Н. Бенардос 6 июля 1885 г. подал заявку и получил привилегию Департамента торговли и мануфактур № 11982 (1886 г.) на способ «соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока» (рис. 7.11). Изобретение было запатентовано в Англии, Германии и некоторых других странах, причем эти патенты получены Н.Н. Бенардосом совместно с петербургским купцом С.А. Ольшевским, который финансировал зарубежное патентование.