История электротехники

Особенно эффективна электронно-лучевая сварка толстых стальных листов, для чего обычно использовались пушки на напряжение 100 кВ и выше (Франция, ФРГ). В 1970–1975 гг. в МЭИ (Н.А. Ольшанский, Л.Г.Ткачев) была показана возможность высококачественной сварки стальных изделий толщиной до 200 мм и более при относительно небольших ускоряющих напряжениях 30–40 кВ.

В СССР промышленные сварочные ЭЛУ различных типов создавали ИЭС им. Е.О. Патона и ЦНИИТмаш.

Плазменная сварка. Одними из первых применений плазмотронов были сварка и резка металлов. В СССР с начала 60-х годов этими вопросами занимались Институт металлургии АН СССР (Н.Н. Рыкалин, И.Д. Кулагин, А.В. Николаев) и ИЭС (В.И. Лакомский, Б.А. Мовчан). Плазменная сварка используется для соединения как массивных, так и тонких изделий, так как дуга в потоке газа горит стабильно и при малых токах.

Лазерная сварка. Это одно из наиболее эффективных применений лазерного нагрева (см, подпараграф 7.1.7). Лазерная сварка стала широко использоваться в 70–80-е годы в электронике, приборостроении, автомобильной промышленности и других отраслях. В нашей стране и за рубежом применяется лазерная сварка микросхем, корпусов полупроводниковых приборов, анероидных коробок. В США с помощью лазера сваривают аэрозольные баллончики, в ФРГ — катоды кинескопов, в Японии — цилиндрические литиевые батареи.

Для точечной и шовной лазерной сварки в СССР выпускались лазерные твердотельные установки типов «Квант-10», «Квант-40», «Квант-50» средней мощностью до 0,15 кВт. Установка с газовым лазером «Латус-31» имела уже большую среднюю мощность — 1,5 кВт.

7.3. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

7.3.1. ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА

Электрическая эрозия, т.е. разрушение контактов под действием электрических разрядов известна была давно. Много исследований было посвящено устранению или хотя бы уменьшению разрушения контактов.

Исследованиями явления управляемой электрической эрозии начали заниматься в 40-х годах нашего столетия отечественные ученые Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко. Электрод-инструмент и электрод-заготовка помещались в ванну с жидким диэлектриком. В качестве генератора импульсов использовался конденсатор, заряжаемый от источника постоянного тока через резистор. При достижении определенной напряженности электрического поля между электродами возникал электрический разряд, который приводил к разрушению участка заготовки. Продукты обработки попадали в жидкость, где охлаждались, не достигнув электрода-инструмента, и осаждались на дне ванны. По истечении определенного времени электрод-инструмент прошивал заготовку, причем контур отверстия точно соответствовал профилю инструмента.

В начале 50-х годов были разработаны специальные генераторы импульсов, которые позволили вести обработку не только короткими импульсами (электроискровый разряд), но и более длительными (искродуговой и дуговой разряды). Большой вклад в развитие методов электроэрозионной обработки внесли отечественные ученые Б.Н. Золотых, А.Н. Лившиц, Л.С. Палатник, М.Ш. Отто.

В настоящее время применяют следующие виды электроэрозионной обработки: прошивание — удаление металла из полостей, углублений, отверстий и т.д.; электроэрозионное шлифование, при котором электрод-инструмент в форме диска совершает вращательное или поступательное движение относительно обрабатываемой заготовки; разрезание профильным или непрофильным инструментом заготовки на части; электроэрозионное упрочнение, осуществляемое, как правило, на воздухе (обеспечивает легирование и наращивание поверхности заготовки, причем нанесенный слой в процессе обработки закаливается и получает повышенную износостойкость). 

7.3.2. ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНАЯ ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ

Электроимпульсную обработку давлением (электровзрывную обработку) применяют для формообразования и разделения заготовок, например для штамповки, гибки, чеканки, вытяжки, раздачи, дробления хрупких материалов, очистки крупных отливок от пригара, резки и развальцовки труб.

Известны две основные разновидности электровзрывного формообразования, отличающиеся способом создания ударной волны.

При высоковольтном разряде (электрогидравлическая обработка) используют электрогидравлический эффект, впервые примененный для технологических целей Л.А. Юткиным (1946 г.).

Рабочим веществом, как правило, служит техническая вода. Электрический разряд протекает в герметичной камере. В канале разряда происходит почти мгновенное испарение жидкости и образуется ударная волна. Силы, деформирующие заготовку, создаются главным образом ударной волной, а также высоким давлением в возникающем парогазовом пузыре. Энергия разряда может достигать десятков килоджоулей, а его длительность составляет несколько десятков микросекунд при токах до 50 кА и длине разрядного промежутка в несколько сантиметров. Скорость фронта ударной волны превышает скорость звука в воде и доходит до 3000 м/с. Максимальное давление в газовом пузыре доходит до 1∙10¹⁰ Па. Линейные размеры обрабатываемых листовых заготовок толщиной до 5 мм могут превышать 1 м.

При электрическом взрыве генератор электрического импульса (накопительный конденсатор) разряжается на проводник, состоящий из одной или нескольких проволок, фольги или сетки. Проводник располагают в диэлектрической жидкости. При протекании импульса тока большой силы проводник нагревается и происходит его взрывное испарение. Дальнейший механизм воздействия на обрабатываемую заготовку и параметры взрывной волны аналогичны рассмотренным выше.

Применяют еще одну разновидность электровзрывной обработки — электрический взрыв в вакууме, который используют для нанесения покрытий. Покрытия наносят на различные материалы (в том числе на керамику и стекло) без предварительного нагрева изделия. 

7.3.3. ПРОЧИЕ МЕТОДЫ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

К числу новых направлений электротехнологии относится применение сильных электрических полей для непосредственного воздействия на частицы диспергированных материалов с целью получения готового продукта. В нашей стране это направление получило название «эллектронно-ионная технология», а за рубежом — «промышленное применение электростатики».

В России первые установки электронно-ионной технологии появились в начале XX в. Это были электрофильтры небольшой производительности для очистки дымовых газов от золы. Заметное распространение электрофильтры получили в 20-х годах нашего столетия.

Интенсивное развитие различных направлений электронно-ионной технологии в СССР началось в 60-х годах и связано с именем академика В.И. Попкова, который объединил усилия известных ученых Е.М. Балабанова, И.П. Верещагина, С.П. Жебровского, В.И. Левитова, Н.Ф. Олофинского, работавших в различных областях техники по применению сильных электрических полей.

В настоящее время сформировались следующие основные направления использования сильных электрических полей в электротехнологии.

Электрогазоочистка — удаление из промышленных газовых выбросов взвешенных в них частиц пыли или золы за счет действия электрического поля на предварительно заряженные частицы.

Нанесение защитных и декоративных покрытий в электрическом поле — зарядка и организация под действием поля движения заряженных частиц краски или полимерного порошка в направлении окрашиваемой поверхности и равномерное распределение их по поверхности при осаждении.

Электросепарация — использование различия в физических свойствах частиц различных материалов для разделения их смеси в процессе зарядки и движения в электрическом поле.

Электропечать — использование избирательного осаждения частиц проявителя на фотополупроводящие слои, на которых формируется скрытое электростатическое изображение объекта.