УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО АДДИТИВНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ

Полезная модель относится к области проволочных аддитивных технологий и может быть использована для электронно-лучевой проволочной наплавки и электронно-лучевой сварки с присадочной проволокой.
Известно устройство (патент США на изобретение US 10695835B2, B22F 3/1055, 2020) для электронно-лучевой проволочной наплавки, содержащее специализированный кольцевой катод формирующий электронный луч в виде перевернутого конуса. При этом, проволока подается аксиально через полость конусного электронного луча, а процесс производится в вакууме.
Устройство характеризуют следующие признаки: специализированная электронно-лучевая пушка с кольцевым катодом, подающий механизм для присадочной проволоки подаваемой в зону наплавки через центральное отверстие кольцевого катода.
В корпусе специализированной электронно-лучевой пушки центральную часть занимает направляющий канал для присадочной проволоки вокруг которого располагается кольцевой катод, рабочая поверхность которого выполнена в форме близкой к части сферы. Катод изнутри закреплен к корпусу электронно-лучевой пушки через электрический изолятор и может иметь контур охлаждения. В корпусе электронно-лучевой пушки выполнено отверстие через которое электрически изолированно подводится питание к катоду. Электронно-лучевая пушка устанавливается внутри вакуумной камеры в которую также помещают изделие с механизмом позиционирования. При этом, источник питания, система управления и газовое оборудование находятся снаружи вакуумной камеры, а накопитель с присадочной проволокой и механизм ее подачи могут размещать как внутри, так и снаружи вакуумной камеры.
К недостаткам известного устройства можно отнести потребность в специализированной электронно-лучевой пушке, что не позволяющей использовать распространенное стандартное сварочное или наплавочное электронно-лучевое оборудование. Также, конструкция специализированной электронно-лучевой пушки не позволяет выполнять динамическое позиционирование электронного луча для регулирования распределения тепловложения по обрабатываемой поверхности или для выполнения сопутствующего подогрева и термической обработки. Отсутствие в конструкции возможности подключения источника питания для подачи напряжения на присадочную проволоку не позволяет формировать дуговой разряд в области между торцом проволоки и поверхностью наплавки. Не предусмотрено использование датчиков для позиционирования электронных лучей на основе сигналов обратной связи.
Также известно устройство (патент Китая на изобретение CN106392290, B23K 15/00, 2019) для многолучевой электронно-лучевой проволочной наплавки с центральной подачей проволоки, содержащее не менее двух электронно-лучевых пушек равномерно расположенных относительно центральной оси конструкции. При этом проволока подается аксиально через трубку, расположенную на центральной оси конструкции.
Устройство характеризуют следующие признаки: центрально подаваемая присадочная проволока, две, три или четыре стандартные сварочные или наплавочные электронно-лучевые пушки, равномерно расположенные вокруг оси канала для подачи проволоки.
Канал для подачи присадочной проволоки состоит из прямой трубки и наконечника с проходным отверстием для подачи проволоки. Электронно-лучевые пушки содержат источник электронов и системы их ускорения, накопления и отклонения, что является стандартными элементами электронно-лучевого оборудования для обработки металлов. Используются по меньшей мере две электронно-лучевые пушки, которые равномерно распределяются вокруг оси канала подачи проволоки для создания условий изотропного распределения тепловложения по обрабатываемой поверхности. При этом электронно-лучевые пушки одновременно воздействуют электронными лучами на область наплавки не взаимодействуя друг с другом, механизм подачи присадочной проволоки изолирован от них.
Отсутствие в конструкции возможности подключения источника питания для подачи напряжения на присадочную проволоку не позволяет формировать дуговой разряд в области между торцом проволоки и поверхностью наплавки. Не предусмотрено использование датчиков для позиционирования электронных лучей на основе сигналов обратной связи.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является устройство (патент РФ на изобретение №2753069, B23K 15/00, 2021) для электронно-лучевой наплавки вертикальной проволокой с использованием по меньшей мере двух электронно-лучевых пушек с датчиками вторичного излучения и системой позиционирования электронных лучей. Устройство включает корпус из немагнитного металлического материала с установочными патрубками для герметичного монтажа сварочных электронно-лучевых пушек с соблюдением сходимости их осей внутри вакуумной камеры на центральной оси корпуса на рабочей дистанции электронно-лучевых пушек, в центре корпуса расположен вводной патрубок со сквозным отверстием через корпус и уплотнением для герметичного ввода проволоки, направляющая трубка установлена в центральное отверстие кронштейна и расположена соосно с центральным отверстием корпуса, в резьбовое отверстие нижнего края направляющей трубки  вкручен наконечник.
Данное устройство принято за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемой полезной модели – корпус из немагнитного металлического материала; установочные патрубки из немагнитного металлического материала, герметично выполненные в корпусе и предназначенные для монтажа сварочных электронно-лучевых пушек, с соблюдением сходимости осей электронно-лучевых пушек, использование которых предполагается, на их рабочей дистанции внутри вакуумной камеры на центральной оси корпуса; в центре корпуса расположен вводной патрубок со сквозным отверстием через корпус, выполненный из немагнитного металлического материала и герметично закрепленный к корпусу; внутри вводного патрубка  расположены центрирующие втулки между которыми установлена уплотняющая прокладка, способная деформироваться под давлением и обеспечивать герметизацию; в вводной патрубок вкручена полая гайка; направляющая трубка установлена в кронштейн и расположена соосно с центральным отверстием корпуса, в резьбовое отверстие нижнего края направляющей трубки вкручен наконечник.
Отсутствие в конструкции возможности подключения источника питания для подачи напряжения на присадочную проволоку не позволяет формировать дуговой разряд в области между торцом проволоки и поверхностью наплавки.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, – это расширение возможностей по управлению структурой материала через тепловложение при электронно-лучевом аддитивном формировании изделия.
Поставленная задача была решена за счет того, что известное устройство для электронно-лучевого аддитивного формирования изделий, содержащее корпус из немагнитного металлического материала, установочные патрубки из немагнитного металлического материала, герметично выполненные в корпусе и предназначенные для монтажа сварочных электронно-лучевых пушек, с соблюдением сходимости осей электронно-лучевых пушек, использование которых предполагается, на их рабочей дистанции внутри вакуумной камеры на центральной оси корпуса, в центре корпуса расположен вводной патрубок со сквозным отверстием через корпус, выполненный из немагнитного металлического материала и герметично закрепленный к корпусу, внутри вводного патрубка  расположены центрирующие втулки между которыми установлена уплотняющая прокладка, способная деформироваться под давлением и обеспечивать герметизацию, в вводной патрубок вкручена полая гайка, направляющая трубка установлена в кронштейн и расположена соосно с центральным отверстием корпуса, в резьбовое отверстие нижнего края направляющей трубки вкручен наконечник, согласно полезной модели содержит две изолирующие трубки, протянутые от центрирующих втулок, одна из которых предназначена для закрепления к подающему механизму, другая установлена внутрь направляющей трубки, при этом внутри изолирующих трубок расположены направляющие каналы для проволоки, направляющая трубка электрически изолирована от корпуса, к направляющей трубке подключен токоподводящий хомут, имеющий герметичную полость для циркуляции охлаждающей жидкости, к выходам из которой герметично присоединены охлаждающие трубки, внутри охлаждающих трубок расположены токоподводящие жилы, подключенные изнутри к токоподводящему хомуту, при этом центрирующие втулки выполнены из электроизоляционного материала.
В частности, в качестве электроизоляционного материала использован капролон.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа – содержит две изолирующие трубки, протянутые от центрирующих втулок, одна из которых предназначена для закрепления к подающему механизму, другая установлена внутрь направляющей трубки;  внутри изолирующих трубок расположены направляющие каналы для проволоки; направляющая трубка электрически изолирована от корпуса; к направляющей трубке подключен токоподводящий хомут, имеющий герметичную полость для циркуляции охлаждающей жидкости, к выходам из которой герметично присоединены охлаждающие трубки; внутри охлаждающих трубок расположены токоподводящие жилы, подключенные изнутри к токоподводящему хомуту; центрирующие втулки выполнены из электроизоляционного материала; в качестве электроизоляционного материала использован капролон.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволят обеспечить возможность применения дополнительного источника теплоты для воздействия на область наплавляемой поверхности, на которую невозможно прямое воздействие электронными лучами из-за экранирования этой области присадочной проволокой. Заявляемое устройство, в том числе, обеспечивает возможность использования в качестве этого дополнительного источника теплоты электрическую дугу между торцом проволоки и наплавляемой поверхностью, инициирование и стабильное горение которой обеспечивается процессами испарения и взрывного вскипания части материала наплавляемой поверхности под действием электронного луча. Для этого к изолированной от технологической вакуумной камеры проволоке подводят напряжение от источника постоянного тока, второй полюс которого подключают к подложке, на которую производится послойная наплавка металла. Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет выполнять более точное регулирование распределения энергии теплового источника между нагреваемой поверхностью металла, на который накладывается наплавляемый валик, и оплавляемого участка присадочной проволоки при послойном формировании металла. Эффектом это этого будет расширение диапазона регулирования тепловложения и, за счет этого, более гибкое управление структурой наплавляемого материала.
На фиг. 1 показана схема примера выполнения заявляемого устройства для электронно-лучевого аддитивного формирования изделий (в разрезе).
На фиг. 2 представлен поперечный шлиф валика, наплавленного проволокой диаметром 1,6 мм из титанового сплава ВТ6 на подложку толщиной 10 мм из сплава ВТ6 двумя электронными лучами и дополнительным дуговым источником тепла с общим суммарным уровнем мощности 720 Вт при скорости наплавки 5 мм/с и скорости подачи проволоки 0,8 м/мин.
На фиг. 3 представлен увеличенный фрагмент шлифа валика наплавленного проволокой диаметром 1,6 мм из титанового сплава ВТ6 на подложку толщиной 10 мм из сплава ВТ6 двумя электронными лучами и дополнительным дуговым источником тепла с общим суммарным уровнем мощности 720 Вт при скорости наплавки 5 мм/с и скорости подачи проволоки 0,8 м/мин.
На фиг. 4 представлен поперечный шлиф валика наплавленного проволокой диаметром 1,6 мм из титанового сплава ВТ6 на подложку толщиной 10 мм из сплава ВТ6 двумя электронными лучами с общим уровнем мощности 720 Вт при скорости наплавки 5 мм/с и скорости подачи проволоки 0,8 м/мин.
На фиг. 5 представлен увеличенный фрагмент шлифа валика наплавленного проволокой диаметром 1,6 мм из титанового сплава ВТ6 на подложку толщиной 10 мм из сплава ВТ6 двумя электронными лучами с общим уровнем мощности 720 Вт при скорости наплавки 5 мм/с и скорости подачи проволоки 0,8 м/мин.
На фиг. 6 представлен поперечный шлиф многослойной наплавки проволокой диаметром 1,6 мм из титанового сплава ВТ6 на подложку толщиной 10 мм из сплава ВТ6 двумя электронными лучами с общим уровнем мощности 1,1 кВт при скорости наплавки 5 мм/с и скорости подачи проволоки 0,8 м/мин. Отмечена линия сплавления первого слоя с основным металлом.
Устройство (фиг.1) содержит корпус 1, из немагнитного металлического материала, например, нержавеющей стали 12Х18Н10Т, выполненный в виде плоской круглой пластины выполняющую роль фланца для присоединения к вакуумной камере, которая не является частью устройства. В корпусе 1 имеются отверстия с установленными в них двумя установочными патрубками 2, 3, выполненными из материала корпуса 1 и предназначенными для монтажа сварочных электронно-лучевых пушек, которые не являются частью устройства. Установочные патрубки 2, 3 установлены в корпусе 1 зеркально относительно центра корпуса 1, при этом, нижняя часть установочных патрубков 2, 3 расположена со стороны, предназначенной для прилегания к вакуумной камере. Установочные патрубки 2, 3 имеют наклон относительно плоскости корпуса 1, а угол наклона выбирают с целью обеспечения сходимости осей электронно-лучевых пушек внутри вакуумной камеры на центральной оси корпуса 1 на рабочей дистанции электронно-лучевых пушек при установке их в установочные патрубки 2, 3. Верхняя часть установочных патрубков 2, 3 выполнена в виде фланца с канавкой под уплотнение и с элементами для закрепления электронно-лучевых пушек, например, с канавкой под струбцины, а на нижней части установочных патрубков 2, 3 предусматрено место для закрепления датчиков вторичного излучения, не являющихся частью устройства, или другого оборудования, не являющегося частью устройства, например, выполняют резьбовые отверстия. Установочные патрубки 2, 3 герметично приварены к корпусу 1. В центре корпуса 1 выполнено отверстие для ввода проволоки внутрь вакуумной камеры. Ввод проволоки осуществляется через вводной патрубок 4, выполненный из материала корпуса 1 и герметично приваренный к корпусу 1 соосно с центральным отверстием корпуса 1. Внутри вводного патрубка 4 расположены центрирующие втулки 5, 6 выполненные из электроизоляционного материала, например, из капролона. Между центрирующими втулками 5, 6 устанавлена уплотняющая прокладка 7, выполненная из вакуумной резины, которая деформируется под давлением от втулки 8 при закручивании полой гайки 9 в вводной патрубок 4, при этом обеспечивает герметизацию между поверхностью проволоки и внутренней цилиндрической поверхностью вводного патрубка 4. Втулка 8 и полая гайка 9 выполнена из металлических материалов, например, нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Для изоляции проволоки от корпуса 1, в верхней части вводного патрубка 4 установлена изолирующая трубка 10 из электроизолирующего материала, например, полиуретана, а внутри изолирующей трубки 10 расположен направляющий канал 11, который является стандартной расходной частью в сварочном производстве и выбирается исходя из диаметра и материала применяемой проволоки. Изолирующая трубка 10 и направляющий канал 11 протягиваются от верхней центрирующей втулки 6 и предназначены для закрепления к подающему механизму, который не является частью устройства. На корпусе 1 со стороны, предназначенной для прилегания к вакуумной камере расположены четыре пластины 12, 13, выполненные из материала корпуса 1 и приваренные к корпусу 1 вокруг его центрального отверстия. К пластинам 12, 13 прикреплен кронштейн 14 из немагнитного металлического материала, например, нержавеющей стали 12Х18Н10Т, болтами 15, 16, выполненными из электроизоляционного материала, например, полиамида, через электрические изоляторы 17, 18, например, вакуумную резину. В центральное резьбовое отверстие кронштейна 14 закручена направляющая трубка 19, выполненная из материала с хорошими электропроводящими и теплопроводящими свойствами, например, из бронзы БрХ1. При этом центральное отверстие кронштейна 14 и ось направляющей трубки 19 центрированы относительно оси центрального отверстия корпуса 1. Внутри направляющей трубки 19 установлены изолирующая трубка 20 и направляющий канал 21, который является стандартной расходной частью в сварочном производстве и выбирается исходя из диаметра и материала применяемой проволоки. Причем, изолирующая трубка 20 и направляющий канал 21 протягиваются от нижней части направляющей трубки 19 до нижней центрирующей втулки 5 внутри вводного патрубка 4. Снаружи направляющей трубки 19, на некотором удалении от ее нижнего края, закрепляется за счет плотного обжатия токоподводящий хомут 22, выполненный из материала с хорошими электропроводящими и теплопроводящими свойствами, например, из бронзы БрХ1. Токоподводящий хомут 22 имеет герметичную полость для циркуляции охлаждающей жидкости, к выходам из которой герметично присоединены охлаждающие трубки 23, 24, выполненные, например, из полиуретана. Внутри охлаждающих трубок 23, 24 расположены токоподводящие жилы 25, 26, выполненные из материала с хорошими электропроводящими и теплопроводящими свойствами, например, из меди М1, и припаянные изнутри к токоподводящему хомуту 22. Охлаждающие трубки 23, 24 протягиваются от токоподводящего хомута 22 и предназначены для подключения к устройству жидкостного охлаждения, которое не является частью заявляемого устройства. Токоподводящие жилы 25, 26, протягиваются от токоподводящего хомута 22 и предназначены для подключения к источнику питания электрической дуги, который не является частью заявляемого устройства. В резьбовое отверстие нижнего края направляющей трубки 19 вкручен наконечник 27, который является стандартной расходной частью в сварочном производстве и выбирается исходя из диаметра и материала применяемой проволоки. Для монтажа и фиксации заявляемого устройства на вакуумной камере круглая пластина 1 содержит элементы для закрепления, например, отверстия для болтов.
Устройство работает следующим образом.
Корпус 1 герметично устанавливают и фиксируют на корпусе вакуумной камере или закрепляют на манипуляторе внутри вакуумной камеры. В установочные патрубки 2, 3 устанавливают электронно-лучевые пушки для сварки или наплавки. Изолирующая трубка 10 с направляющим каналом 11 протягиваются до механизма подачи проволоки, отличительной особенностью которого является электрическая изоляция проволоки. Проволоку пропускают через направляющий канал 11, центрирующие втулки 6, уплотняющую прокладку 7, центрирующую втулку 5, направляющий канал 21, наконечник 27. Закручиванием полой гайки 9 регулируют степень деформации уплотняющей прокладки 7 и обеспечивают герметизацию между поверхностью проволоки и внутренней цилиндрической поверхности вводного патрубка 4. Охлаждающие трубки 23, 24 протягиваются и подключаются к устройству жидкостного охлаждения. Токоведущие жилы 25, 26 протягиваются и совместно подключаются, в том числе через переходники, к одной из клемм источника питания электрической дуги. Ко второй клемме источника питания электрической дуги электрически подключается изделие. Также изделие электрически подключается к корпусу вакуумной камеры и к контуру заземления. Электронно-лучевыми пушками формируют, фокусируют и направляют в область наплавки электронные лучи. Выполняют позиционирование электронных лучей на основе сигналов обратной связи, получаемых с датчиков вторичного сигнала. Электронными лучами расплавляют поверхность области наплавки требуемой формы и размеров, при необходимости выполняют дополнительное воздействие электронными лучами на проволоку для её плавления и воздействие на области, прилегающие к области наплавки для регулирования скоростей нагрева и охлаждения материала. Подающим механизмом подают в область наплавки проволоку. После начала плавления под действием электронных лучей и испарения части металла из зоны наплавки включают источник питания электрической дуги для формирования электрической дуги между торцом проволоки и поверхностью изделия. При этом получают дополнительный источник тепла в той части области наплавки, прямое воздействие на которую электронными лучами невозможно.
Были выполнены практические эксперименты по электронно-лучевому аддитивному формированию прямолинейных участков изделия с использованием лабораторного стенда имитирующего работу заявляемого устройства. На фиг. 2 представлена фотография поперечного шлифа валика, наплавленного проволокой диаметром 1,6 мм из титанового сплава ВТ6 на подложку толщиной 10 мм из сплава ВТ6 двумя электронными лучами и электрической дугой с общим уровнем мощности этих трех тепловых источников 720 Вт при скорости наплавки 5 мм/с и скорости подачи проволоки 0,8 м/мин. На фиг. 3 представлена увеличенная часть центральной части линии сплавления этого поперечного шлифа, из чего видно наличие сплавления в этой области.
Результаты электронно-лучевой наплавки двумя электронными лучами с общим уровнем мощности этих двух тепловых источников 720 Вт без включения электрической дуги при прочих равных условиях показало отсутствие сплавления между наплавляемой проволокой и экранированной от электронного луча областью. На фиг. 4 представлена фотография поперечного шлифа этого наплавленного валика. На фиг. 5 представлена увеличенная часть этого поперечного шлифа, из чего видно наличие сплавления на краю наплавленного валика и наличие несплавления в области, которая была экранирована от прямого воздействия электронным лучом. Для обеспечения бездефектного сплавления потребовалось увеличение общего уровня мощности тепловых источников до 1,1 кВт при прочих равных условиях. На фиг. 6 показана фотография поперечного шлифа многослойной наплавки, выполненной на этом режиме. При этом, отмечена линия сплавления первого слоя с основным металлом. Отчетливо виден результат воздействия двух лучей и участок, затененный проволокой, который несколько смещен влево относительно центральной точки наплавки (объясняется смещением проволоки от центрального положения). Такой характер проплавления обусловлен неравномерностью распределения тепловложения в области наплавки.
Экранирование присадочной проволокой участка области наплавки от прямого воздействия электронных лучей накладывает ограничение на нижнюю границу регулирования тепловложения. В то время как, использование дополнительного дугового источника тепла в этой экранированной области позволяет распределять тепло более равномерно и снизить общий уровень тепловложения без образования дефектов сплавления.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет расширить возможности по управлению структурой материала через тепловложение при электронно-лучевом аддитивном формировании изделия.