Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) (рис. 1) является одним из наиболее высокопроизводительных способов сварки. Развитие ЭЛС началось с исследований, проведенных в 1950 гг. в ФРГ, Франции и США. Первое сообщение об ЭЛС было опубликовано в ноябре 1957 года. Для этого способа сварки, как правило, не используют расходные сварочные материалы (проволоку, электроды, флюсы, защитные газы).

Упрощенное изображение электронно-лучевой сварки в вакууме

Рис. 1. Упрощенное изображение электронно-лучевой сварки в вакууме

По эксплуатационным расходам сварка электронным лучом в вакууме существенно дешевле дуговой сварки в камерах с контролируемой атмосферой. Все основные энергетические и геометрические параметры электронного пучка регулируются с высокой скоростью и быстродействием. Это позволяет вводить в металл точно дозированную энергию, реализовывать различные технологические приемы и обеспечивать высокую воспроизводимость процесса сварки. Можно производить сварку сложных сборок в углублениях и труднодоступных местах.

При ЭЛС используется кинетическая энергия потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме. Для снижения потери кинетической энергии электронов за счет соударения с молекулами газов воздуха, а также для химической и тепловой защиты катода в электронной пушке создают вакуум порядка 10-4...10-6 мм рт. ст.

Преимущества ЭЛС

  • Высокая концентрация ввода мощности в изделие, которая выделяется не только на поверхности, но и на значительной глубине в объеме основного металла. Фокусировкой электронного луча можно получить пятно нагрева диаметром 2·10-4...5 мм, что позволяет сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. В результате можно получить швы, в которых соотношение ψ глубины к ширине провара достигает 20 и более. Появляется возможность сварки тугоплавких металлов: вольфрама, тантала, керамики. Технически возможно уменьшение ширины зоны термического влияния по сравнению с другими способами сварки плавлением, что повышает качество сварного соединения.
  • Малое количество затрачиваемой энергии. Расходы характеризуются удельной энергией (Дж/см2), приходящейся на единицу площади образуемого соединения.

    • Так как эффективные мощности при ЭЛС близки к мощностям дуговой сварки, то благодаря высокой скорости соединения для получения равной глубины проплавления при ЭЛС требуется вводить энергии в 4…5 раз меньше, чем при дуговой сварке. В результате значительно снижаются сварочные остаточные напряжения и деформации изделия.

    Эффективность способа сварки плавлением можно оценить показателем, которому авторы дали название частоты сварки. При сварке плавлением обычно значительная мощность затрачивается нерационально на переплавление большого количества металла, чтобы обеспечить расплавление точек, наиболее удаленных от источника тепла.

  • Вследствие сварки в высоком вакууме снижается насыщение расплавленного и нагретого металла газами. Наоборот, в целом ряде случаев наблюдается дегазация металла шва и повышение его пластических свойств. В результате достигается высокое качество сварных соединений химически активных металлов и сплавов, таких как ниобий, цирконий, титан, молибден и др. Хорошее качество шва при элс достигается также на низкоуглеродистых, коррозионностойких сталях, меди и медных, никелевых, алюминиевых сплавах.

ЭЛС рассматривается как наиболее перспективный способ соединения изделий из тугоплавких металлов, изделий из термически упрочнённых материалов, когда нежелательна, затруднена или невозможна последующая термообработка изделий после завершающей механической обработки при необходимости обеспечения минимальных сварочных деформаций и ряда толстостенных конструкций ответственного назначения.

При сварке электронным лучом проплавление имеет форму конуса (рис. 2). Плавление металла происходит на передней стенке кратера, а расплавляемый металл перемещается по боковым стенкам к задней стенке, где он и кристаллизуется.

Схема переноса жидкого металла при электронно-лучевой сварке

Рис. 2. Схема переноса жидкого металла при электронно-лучевой сварке:

1 – электронный луч; 2 – передняя стенка кратера; 3 – зона кристаллизации; 4 – путь движения жидкого металла

Проплавление при элс обусловлено в основном давлением потока электронов, характером выделения теплоты в объеме твердого металла и реактивным давлением испаряющегося металла, вторичных и тепловых электронов и излучением. Часто сварку ведут электронным лучом со стабильной мощностью, но при сварке легкоиспаряющихся металлов (алюминия, магния) эффективность электронного потока и количество выделяющейся в изделии теплоты уменьшаются вследствие потери энергии на ионизацию паров металлов. В таком случае сварку нужно вести импульсным электронным лучом с большой плотностью энергии и частотой импульсов 100...500 Гц. При правильном выборе соотношения времени паузы и импульса можно сваривать очень тонкие листы. При формировании сварного шва возможно протекание двух типов процессов: периодическое испарение (с частотой до 10 кГц) и колебания жидкого металла в сварочной ванне (с частотой порядка 1...100 Гц). Применение высоких скоростей сварки обеспечивает минимальное термическое воздействие на свариваемый материал в околошовной зоне, а высокие скорости кристаллизации при эффективном теплоотводе – получение высоких механических свойств сварных соединений.

ЭЛС применяется в различных отраслях промышленности. Она позволяет соединить за один проход металлы и сплавы толщиной от 0,1 до 400 мм и обладает очень обширными технологическими возможностями.

Высокое качество сварных соединений в изделиях достигается с помощью оптимальных конструктивных решений и технологических приемов сварки, выбор которых должны осуществлять совместно технолог-сварщик и проектировщик изделия. Качество шва при ЭЛС, определяется общностью заданных технологических и энергетических параметров процесса. Поддержание на стабильном уровне энергетических параметров процесса сварки обеспечивает при неизменных технологических условиях постоянство эксплуатационных параметров сварного соединения. Неверный выбор режима или нарушение оптимального режима ЭЛС нередко приводят к появлению в швах дефектов. Классификация дефектов следующая: непровары, подрезы, провисание шва, повышенное разбрызгивание корневые, протяженные полости в объеме сварного шва, срединные трещины, отклонения сварного шва от стыка из-за остаточных или наведенных магнитных полей, периодическая бугристость сварного шва и периодические выплески расплава. Корневые дефекты шва - это самый распространенный вид дефектов при сварке, обычно с глубиной шва более 5 мм, в любом пространственном положении. Протяженные полости встречаются при сварке сталей, титановых и алюминиевых сплавов с глубиной шва более 15 мм.

Свариваемые материалы

С помощью электронного пучка можно сваривать только электропроводящие материалы, т. е. металлы, химические соединения и сплавы на их основе. Большинство современных конструкционных металлов и сплавов хорошо свариваются электронным лучом.

Диапазон свариваемости может быть расширен путем использования более чистых материалов. Применение сталей, полученных методом электрошлакового переплава, позволяет, получать высококачественные сварные соединения более простыми технологическими приемами при гораздо более низкой доле неисправимого брака.

Не свариваются с помощью электронного луча легкоиспаряющиеся материалы: автоматные, цементированные и низкоуглеродистые стали с высокой концентрацией углерода, кадмий, медь, олово, свинец, цинк, бронза, латунь. Это объясняют тем, что под действием высококонцентрированного электронного луча в вакууме происходит их взрывное вскипание, это приводит к выбросу основной массы расплава. ЭЛС позволяет соединять довольно большое количество комбинаций разнородных и разноименных материалов, в том числе из растворимых и нерастворимых друг в друге материалов.

Количество соединяемых пар может быть увеличено, если в стык свариваемых деталей вводить вставку в виде фольги толщиной 0,1…0,8 мм из специально подобранного связующего металла. Для соединения разнородных материалов используется как режим сварки, так и режим пайки, при котором электронный пучок смещается относительно плоскости симметрии стыка в сторону более тугоплавкого металла, величина же смещения либо рассчитывается, либо определяется экспериментально. Значения эффективного КПД при ЭЛС порядка 0,85…0,95.

В результате высокой концентрации мощности в направлении распространения тепла при сварке электронный луч – один из самых эффективных, по сравнению с другими сварочными источниками энергии.

Технологические схемы сварки

Сварку электронным лучом можно осуществлять с определенными ограничениями в любых пространственных положениях. Для листовых материалов сварку в нижнем положении (рис. 3) выполняют как без подкладки, так и на подкладке. Ее применяют для соединения сталей толщиной до 40 мм, титановых и алюминиевых сплавов толщиной до 80 мм. Наиболее предпочтительна сварка на боку и на подъем, которую выполняют для металлов любой толщины, в основном без подкладки. Для предотвращения вытекания расплава из сварочной ванны при сварке с глубоким проплавлением иногда устанавливают ограничительную планку вдоль нижней кромки стыка. Сварку в потолочном положении выполняют на металлах толщиной до 20 мм и применяют чрезвычайно редко.

Основные типы соединений деталей при электронно-лучевой сварке

Рис. 3. Основные типы соединений деталей при электронно-лучевой сварке:

а – в стык тонколистовых деталей на подкладке и без нее;

б – с отбортовкой кромок различной толщины; в – внахлестку;

г – в узких разделках и труднодоступных местах;

д – однопроходная сварка одновременно нескольких стыков проникающим лучом;

е – сварка двух цилиндров электронным лучом через ребро жесткости

Подготовка поверхности к сварке

Предварительная очистка свариваемых поверхностей и самих деталей выполняется механически. Очистке подлежат стыкуемые поверхности, внешние и внутренние поверхности деталей на расстоянии до 100 мм от кромки при сварке толстолистовых металлов и до 10 мм при сварке тонколистовых металлов.

Размагничивание

Элементы конструкций, детали механизмов и конструкции в целом в зависимости от марки материала в процессе изготовления приобретают остаточную намагниченность.

Остаточная намагниченность изделий приводит к ряду негативных явлений:

  • возникновению «магнитного дутья» при дуговой электросварке и наплавке, что ведет к повышенному разбрызгиванию жидкого металла из сварочной ванны и образованию различных дефектов сварного соединения, а также к непопаданию дуги в свариваемый стык или место наплавки;
  • искривлению траектории электронного луча при ЭЛС и соответствующему непровару стыка по всей толщине;
  • налипанию металлической стружки при штамповке или обработке деталей металлорежущим инструментом, что ухудшает качество обработки и ускоряет изнашивание штампов и инструмента.

Операцию размагничивания необходимо осуществлять после сборки стыкового соединения непосредственно перед загрузкой изделия в вакуумную камеру или подачей в зону сварки.

Размагничивание – это процесс воздействия внешнего магнитного поля, в результате которого уменьшается намагниченность ферромагнитного материала. Полное размагничивание достигается в том случае, если возможен предварительный подогрев изделия до температуры Кюри с последующим охлаждением в отсутствие магнитного поля и механических воздействий.

Наиболее применяемым способом размагничивания является периодическое перемагничивание с убывающей амплитудой.

Схемы установок для ЭЛС

Электронно-лучевые сварочные пушки (рис. 4) могут быть стационарными или перемещаемыми внутри вакуумной камеры. Размеры вакуумных камер электронно-лучевых сварочных установок определяются габаритами свариваемых изделий. Установки для сварки изделий малых и средних габаритов обычно снабжаются универсальными многопозиционными механизмами для перемещения либо вращения изделий.

Схема установки для электронно-лучевой сварки

Рис. 4. Схема установки для электронно-лучевой сварки:

1 – стационарная электронно-лучевая сварочная пушка; 2 – катод и прикатодный электрод;

3 – смотровое окно; 4 – вакуумная камера; 5 – механизм перемещения свариваемого изделия;

6 – система электромагнитного отклонения луча; 7 – система фокусировки луча

Основным элементом любой сварочной установки для элс является электронная пушка (рис. 5), назначение которой состоит в формировании электронного пучка с большой плотностью энергии.

Принципиальная схема электронно-лучевой сварки

Рис. 5. Принципиальная схема элс:

1 – катод; 2 – фокусирующий электрод; 3 – анод; 4 – магнитная линза;

5 – магнитная отклоняющая система; 6 – площадка для детали;

7 – источник высокого напряжения постоянного тока;

8 - электронный пучок; 9 - плавление материала

Пушка состоит из катода 1, помещённого в центре фокусирующего электрода 2, и анода 3 с отверстием, расположенного на некотором удалении от катода. Прикатодный фокусирующий электрод и анод имеют форму, обеспечивающую такое строение электрического поля, которое формирует узкий электронный пучок. Пушка питается электрической энергией от источника высокого напряжения постоянного тока 7. Положительный потенциал анода может достигать нескольких десятков тысяч вольт, поэтому электроны, эмитированные катодом на пути к аноду, приобретают значительную энергию.

Для увеличения плотности энергии в луче электроны после выхода из анода фокусируются с помощью магнитной линзы 4. Сфокусированные в плотный пучок электроны с большой скоростью ударяются о малую, резко ограниченную площадку на детали 6. При этом кинетическая энергия электронов вследствие торможения в веществе превращается в тепло, нагревая материал до температуры его кипения. Для перемещения луча по свариваемому изделию устанавливается магнитная отклоняющая система 5.

Для обеспечения свободного движения электронов от катода к изделию, а также для предотвращения возможности дугового разряда между электродами в установке создается вакуум порядка 1∙10-4 мм рт. ст., который обеспечивается системой откачки.

Электронные пушки, используемые для целей сварки, должны удовлетворять ряду требований:

  • обеспечивать требуемую мощность пучка при определенном разгоняющем напряжении;
  • фокусировать электронный пучок до весьма малых диаметров;
  • быть достаточно простыми в управлении и надежными в эксплуатации.

Рабочие камеры

Ввиду необходимости вакуума в камере, где образуется и формируется поток электронов, в большинстве случаев при элс и само изделие размещают внутри вакуумной камеры, чтобы устранить рассеяние электронов на атомах и молекулах газов. Это обеспечивает хорошую защиту сварного шва. Поэтому наряду с высоковакуумными установками разрабатывают и такие, где электронный луч выводится из камеры пушки, в которой поддерживается высокий вакуум, и сварка производится в низком вакууме 10-2…10-1 мм рт. ст. Специальные установки разрабатывают для микросварки в производстве модульных элементов и различного рода твердых радиосхем. Особенности заключаются в первую очередь в точном дозировании тепловой энергии, перемещении луча по изделию с помощью отклоняющих электрических и магнитных полей, совмещении нескольких технологических функций, выполняемых электронным лучом в одной камере. Поскольку вакуумные камеры вакуумных систем стоят очень дорого.

Существующие конструкции можно разделить на следующие группы:

  • универсальные установки для сварки изделий средних размеров;
  • универсальные и специализированные установки для микросварки малогабаритных деталей;
  • установки для сварки изделий малых и средних размеров;
  • установки для сварки крупногабаритных изделий с полной герметизацией;
  • установки для сварки крупногабаритных изделий с частичной герметизацией места стыка;
  • установки для сварки в промежуточном вакууме. Установки первой группы предназначены в основном для использования в исследовательских и заводских лабораториях, а также в промышленности при единичном и мелкосерийном производстве.

Они имеют вакуумные камеры объемом 0,001…4,0 м3 и манипуляторы для перемещения свариваемых деталей, позволяющие выполнять более универсальные перемещения при сварке. Такие установки оснащают также системами наблюдения за областью сварки. Электронная пушка может быть стационарной или перемещается внутри камеры с целью начального направления луча на стык.

Установки для сварки крупногабаритных деталей отличаются наличием дорогостоящих вакуумных камер большого объема, куда детали помещаются целиком. Часто электронные пушки, которые имеют гораздо меньшие размеры, чем изделие, размещают внутри камеры. В этом случае сварной шов выполняется при перемещении самой электронной пушки. Иногда, особенно при сварке обечаек кольцевыми швами, на камере размещают несколько пушек позволяющих за счет ликвидации продольного перемещения изделия также уменьшить размеры камеры.

Для снижения затрат на оборудование и повышения производительности установок последние иногда выполняют лишь с местным вакуумированием в области свариваемого стыка. Тогда откачиваемый объем сокращается, размеры установки в целом также получаются меньше, чем в том случае, если все изделие помещать в камеру. В некоторых случаях рабочая камера установки может быть откачана лишь до промежуточного вакуума 1330…13300 Па. Диффузионный насос для откачки рабочей камеры становится ненужным.

Область применения электронно-лучевых установок

ЭЛС является наиболее перспективным способом соединения деталей из химически активных и тугоплавких металлов и сплавов, изделий из термически упрочняемых материалов, когда нежелательна, затруднена или невозможна термическая обработка. ЭЛС широко применяют в авиакосмической отрасли, ядерной энергетике, энергетическом машиностроении, производстве электровакуумных приборов, автомобильной промышленности при серийном изготовлении подшипников.

Техника безопасности при работе на установках элс

Источниками опасности при работе на установке для ЭЛС являются работающие механизмы, электрические цепи с напряжением до 1000 В, сосуды давления, свечение сварочной ванны, газоаэрозольный выхлоп, шум и вибрация форвакуумных насосов. Источники повышенной опасности для персонала – тормозное рентгеновское излучение из зоны воздействия электронного пучка на материал.

Защита от всех источников опасности и повышенной опасности предусмотрена в конструкции сварочных установок. Все защитные меры описаны в инструкциях по эксплуатации и ремонту установок с учетом возможных аварийных ситуаций. При этом защита разработана на основании правил безопасной эксплуатации электроустановок и санитарных норм допустимой дозы радиационного облучения и допустимой концентрации в воздухе рабочей зоны масляных аэрозолей.

Надеюсь теперь вы разобрались с электронно-лучевой сваркой, как это устроено, достоинства и недостатки этого процесса. Если у вас остались вопросы, можете их задать тут. Так же рекомендую зайти на наш YouTube канал.