Электронно-лучевая сварка — технология, процесс и особенности

Электронно-лучевая сварка — это надежный способ соединения тугоплавких материалов с разной температурой плавления, сокращенно ЭЛС. Технология развивается с середины прошлого века и с успехом используется в авиационной, космической промышленности. Там, где необходимо особо точное и крепкое соединение компонентов.

Общая информация

Электронно-лучевая сварка — метод сварки, в основе которого лежит применение луча. Луч выделяет тепло, которое формируется в результате столкновения пучка заряженных частиц. Технология непростая, но в ней все же лучше разобраться. Поскольку ЭЛС сварка получила широкое распространение во многих сферах, начиная от микроэлектроники заканчивая оптикой.

Данная технология просто не могла ни появиться. Существовала потребность сварки тугоплавких металлов, а добиться хорошего качества швов просто не получалось. Классические сварочные технологии просто не могли обеспечить должный уровень качества. Для решения этой проблемы была изобретена электронно-лучевая сварка, которая концентрирует тепло в одной точке, при этом сварочная зона остается защищенной.

Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка (или просто лучевая, ЭЛС.) является одним из быстро развивающихся способов соединения различных тугоплавких металлов, разнородных, химически активных, качественных сталей, сплавов высокой прочности на основе титана и алюминия.

Лучевая сварка — процесс, основанный на использовании тепла, выделяемого во время торможения остросфокусированного пучка заряженных частиц, ускоренных до высоких энергий. Широкое применение этот источник нагрева приобрел лишь с развитием вакуумной техники и электронной оптики, только после этого он стал применяться в металлургической технике.

Стимулом для поиска нового способа соединения послужили сложности с трудносвариваемыми металлами: молибден, тантал, цирконий, ниобий и вольфрам отличаются высокой температурой плавления и химической активностью, что требовало использования источников тепла большой концентрации и большой защищенности зоны сварки.

Сущность

Электронно-лучевая сварка проводится электронным лучом в вакуумных камерах. Размеры камер зависят от размеров свариваемых деталей и составляют от 0.1 до нескольких сотен кубических метров.

Плавление металла при электронно-лучевой сварке и образование зоны проплавления обусловлено давлением потока электронов в электронно-лучевой пушке, выделением теплоты в объеме твердого металла, реактивным давлением испаряющегося металла, вторичных и тепловых электронов и излучением.

Сварка производится непрерывным или импульсным электронным лучом. Импульсные лучи с большой плотностью энергии и частотой импульсов 100—500 Гц используются при сварке легкоиспаряющихся металлов, таких как алюминий, магний. При этом повышается глубина проплавления металла. Использование импульсных лучей позволяет сваривать тонкие металлические листы.

В камере, формирующей электронный луч, откачивается воздух вплоть до давлений 1—10 Па. Это приводит к высокой защите расплавленного металла от газов воздуха.

Мат. часть процесса

Электронно лучевая сварка — это технологически сложный процесс, предъявляющий высокие требования к оборудованию. Установки отличаются производительностью, мощностью, управлением и объемом, но неизменно имеют в составе:

• электронную пушку, которых может быть несколько;
• вакуумную камеру;
• блок управления;
• смотровое окно для наблюдения за процессом (или монитор).

В электронно лучевой пушке для сварки формируется поток электронов, который производится катодом, подогреваемым спиралью. Около катода расположены дополнительные электроды, которые предварительно фокусируют электроны, формируя луч. На катод подается отрицательное напряжение. На ускоряющий электрод, размещенный на расстоянии нескольких сантиметров от катода, прикладывается положительное напряжение. Высокая разность потенциалов разгоняет электроны до скорости выше 100 000 км/с. В связи с тем, что электроны имеют свойство взаимно отталкиваться, их необходимо сфокусировать электромагнитной фокусирующей системой. Для точного управления лучом в электроннолучевой пушке установлена электромагнитная отклоняющая система.

Все процессы происходят в вакуумной камере. Безвоздушная среда:

• уменьшает потери энергии электронов от ударов об молекулы воздуха;
• почти полностью снижается вероятность возникновения оксидной пленки на свариваемых материалах;
• предотвращает образование дугового разряда.

Для сварки может применяться постоянное или импульсное напряжение с частотой 100-500 Гц. Использовать импульсное напряжение эффективнее, особенно при варке легкоиспаряющихся металлов:  алюминий или магний. Энергия луча не тратится на ионизацию паров.

При правильно выборе частоты и скважности колебаний можно сваривать тонкие листы.

Технология электронно-лучевой сварки

Техника ЭЛС

Электронно-лучевую сварку можно выполнять в нижнем положении вертикальным лучом, а также её можно применять при сварке вертикальных и горизонтальных швов на вертикальной стене. В этом случае электронный луч будет горизонтальным.

Сварка в нижнем положении рекомендуется при сваривании сталей толщиной до 40мм, или при сварке титановых и сварке алюминиевых сплавов толщиной до 80мм. С помощью горизонтального луча можно проварить металл толщиной до 400 мм со сквозным проплавлением. Для однопроходной ЭЛС конструкция должна учитывать глубокое проникновение луча в металл. На рисунке слева даны распространённые примеры конструкций, свариваемые электронным лучом.

Зазор в стыке составляет 0,1-0,2мм при сварке металла толщиной до 30мм. При сварке металла с толщиной более 30мм, величина зазора составляет 0,3мм. В общем случае, диаметр луча должен быть больше величины зазора.

Технологические приёмы ЭЛС

При электронно-лучевой сварке есть ряд специальных приёмов, позволяющих улучшить качество сварного шва:

1. Сварка наклонным лучом (отклонение луча составляет порядка 5-7°) позволяет уменьшить такие дефекты в сварном шве, как поры и несплошность металла, а также позволяет добиться равномерной кристаллизации металла.

2. Для легирования металла шва и для восполнения испаряющихся в процессе сварки элементов, используют присадку.

3. Для улучшения отхождения газов и пара из металла, сварку ведут на дисперсной прокладке из гранул или мелко нарубленной сварочной проволоки. Толщина прокладки составляет 40мм.

4. Сварку в узкую разделку (0,8-8мм) выполняют в нижнем положении за счёт наплавки присадочного материала в прямоугольную разделку кромок.

5. Сварку ведут тандемом из двух электронных пушек разной мощности. Более мощная пушка выполняет проплавление, а менее мощная пушка формирует корень канала, либо хвостовую часть ванны.

6. Для проверки позиционирования луча и очистки свариваемых кромок применяют предварительные проходы лучом.

7. Двустороннюю сварку выполняют одновременно с двух сторон стыка или последовательно, примерно на половину толщины металла.

8. В процессе сварки применяют развёртку электронного луча, тем самым создают лучшие газо- и гидродинамические условия формирования канала. Развёртка может быть продольная, поперечная, Х-образная, по окружности, по эллипсу и др. Двойное преломление луча в процессе развёртки позволяет качественнее проварить корень шва и снизить дефекты в нём.

9. Для сварки одновременно двух и более стыков выполняют расщепление луча с помощью отклоняющей системы.

10. Для управления теплоотдачей в сварной шов используют модуляцию тока луча, чаще всего с частотой 1-100Гц.

11. По окончании сварки выполняют так называемый «косметический» проход. Это повторный проход, который призван устранить дефекты сварного шва как внешние, так и внутренние.

Преимущества

Технология электронно-лучевой сварки обладает рядом существенных преимуществ, если сравнивать ее с другими методиками соединения металла. Среди основных плюсов стоит отметить:

• Здесь очень высокий коэффициент полезного действия, что позволяет тратить в 10, а то и в 15 раз меньше энергии, чем это требуется для ручной электродуговой сварки;
• Благодаря высокой концентрации энергии, здесь можно всего за один проход сварить металл толщиной до 20 см, тогда как при использовании других методов потребовалась бы многослойная сварка;
• Это весьма безопасный способ применения сварки, который не подвергает жизнь человека сильно большой опасности;
• Здесь отсутствует процесс насыщения расплавленного металла сварочными газами, а также теми, которые находятся в атмосфере.

Недостатки

Несмотря на ряд явных преимуществ, которые существенно выделяют методику среди остальных, здесь есть и свои недостатки:

• Процесс в рабочей камере невозможен без создания вакуума вокруг места сварки;
• В корне шва могут образовываться полости и не провары, который приводят к ухудшению эксплуатационных характеристик;
• Оборудование обладает высокой стоимостью и для многих сфер является недоступным;
• Настройка происходит очень долго, так что далеко не всегда удобно создавать швы таким способом.

Режимы

Для проведения качественного процесса сваривания, следует учитывать все особенности настроек, а также металла, с которым ведется работа. К основным параметрам, которые определяют режим, относятся:

• Ускоряющее напряжение;
• Величина тока в выпускаемом луче;
• Скорость передвижения пучка по поверхности свариваемой заготовки;
• Точность фокусирования луча;
• Продолжительность пауз и импульсов;
• Степень вакуумизации.

Сами режимы для каждого типа свариваемого металла выглядят следующим образом:

Вид металла	Толщина заготовки, мм	Режим сваривания			Ширина шва, мм
		Напряжение ускоряющее, кВ	Величина тока на луче, мА	Скорость сварки, м/ч
Вольфрам	0,5	19	45	60
	21	77	50	1,5
Тантал	2	50	50	1,5
Сталь марки 18-8	1,5	19	55	65
	21	270	50
	21	500	20	—
Сплав молибдена и вольфрам	0,5 + 0,5	19	47	44

Технология

Электронно-лучевая сварка осуществляется при помощи пучка электрона, который распространяется в вакуумной камере.

«Важно!

Какими размерами должна обладать камера, зависит от того, какие габариты у свариваемой детали.»

Минимальный размер составляет от 10 квадратных сантиметров, а максимальный может превышать несколько сотен кубических метров. Образование зоны проплавления, а также само расплавление металла в определенном месте осуществляется при помощи давления потока, которое получается в электронно-лучевой пушке. Когда данный поток под давлением воздействует на поверхность, то выделяется кинетическая энергия, поглощаемая металлом, что приводит к повышению его температуры. Со временем это расплавляет конкретный участок.

Данный процесс сопровождается реактивным давлением испаряющегося металла, излучением, а также выделением тепловых и вторичных электронов. Сварка производится при помощи импульсного или непрерывного луча. Если применяются импульсные лучи, у которых наблюдается более высокая плотность излучаемой энергии, а также повышенная частота, достигающая до 500 Гц, то их применяют для сваривания легко испаряющихся металлов. К ним можно отнести алюминий и магний. Данная технология позволяет максимально увеличить глубину проплавляемого металла, но при необходимости, таким методом можно сварить и тонкие листы. В камере, где производится сварка, давление понижается до 1-10 Па, так что газы воздуха практически ни как не влияют на качество соединения.

Схема электронно-лучевой сварки

Используемое оборудование

Одной из главных особенностей, которым обеспечивается электронно-лучевая сварка, является принцип действия ее оборудования. Для этого используются специально разработанные установки. Среди всех вариантов используемого оборудования можно выделить специализированные и универсальные установки, которые работают с давлением от 1 до 10 Па. Также встречаются установки промежуточного вакуума, давление в которых достигает до 10 Па. Также может проводиться сварка в защитном газе, но тогда в камере давление значительно выше и составляет чуть более 100 Па.

Помимо этого можно выделить различные типы по конструкции. Это могут быть камерные установки, которые устанавливаются внутри какой-либо камеры, где есть возможность выкачивать воздух. Также есть установки с локальным вакуумированием, которые создают герметичную зону с вакуумом в месте непосредственного сваривания, а не во всем пространстве вокруг.

Пример оборудования для электронно-лучевой сварки

Практически все установки содержат в своем составе такие конструкционные элементы как:

• Блок питания;
• Электронная пушка.

Заключение

На данный момент электронно-лучевая сварка является современным высокотехнологичным способом соединения металла. Несмотря на свою сложность и дороговизну, он обеспечивает высокое качество и достаточную глубину проварки, что недостижимо для других способов. Это и обуславливает узость его применения.

 

Виды сварочных лучевых установок

Электронно лучевые установки бывают камерными (обрабатываемые изделия помещаются целиком в камеру) и бескамерные (вакуум создается локально, только в месте сварки).

Камерная электронно лучевая установка

По величине рабочего ускоряющего напряжения установки делятся на:

• низковольтные (10-30 кВ);
• средние (40-60 кВ);
• высоковольтные (100-200 кВ).

Промышленность производит универсальные установки и специализированные. Универсальные системы можно применять для ремонтной и экспериментальной сварки изделий. Специализированные системы настраиваются на изготовление однотипных деталей.

Системы могут применяться не только для сварки металлов, в том числе тугоплавких, но и для обработки керамики, стекла, алмазов и других материалов. Установки можно использовать для:

• сварки;
• резки;
• гравировки;
• сверления;
• легирования
• напыления.

Некоторые агрегаты оснащаются механизмом горизонтального вращения для обработки деталей трубчатой формы.

Современные установки отличаются особой точностью позиционирования луча, поэтому они с успехом используется в микроэлектронике. Например, аппарат MEBW-60, который производит предприятие Focus, может сваривать детали из нержавеющей стали толщиной от 0,02 мм. Максимальная толщина стыка до 12 мм.

Использование сварки в промышленности

Расширение использования ЭЛС в промышленности продолжается. Несмотря на некоторые недостатки, как необходимость работы в вакууме и образование в некоторых случаях полостей в теле шва, ЭЛС остается наиболее экономичным и точным способом сварки. Эффективность КПД при электронно лучевой сварке составляет 85-95 %. Это на порядок выше, чем у дуговой сварки.

Без электроннолучевой сварки не обойтись во время обработки:

• активных металлов;
• термоупрочненных материалов;
• деталей ответственного назначения;
• тугоплавких металлов,
• изделий из керамики, камня.

Метод лучевой сварки используется и для производства в металлургии. Титан выплавляется из титановой губки при помощи электронно лучевых пушек.

Японские строители атомных станций применяют лучевую сварку для соединения аустенитной нержавеющей стали, используемой в активной части реактора, используют электронно-лучевые установки. Исследования показали, что качество сварного шва, полученного лучевым способом, по многим показателям превосходит шов дуговой сварки.

ЭЛС широко применяются в электронной промышленности. С ее помощью герметизируют микросхемы и полупроводниковые приборы. Температура нагрева изделия не превышает 200 градусов. Сварочный аппарат ЭЛУМС-25/0,5, разработанный в НПО «Орион», может приваривать золотые проводники микросборок диаметром 5 мкм.

Наиболее мощные и большие установки применяются в авиационной промышленности. Объем камер составляет около 1500 кубических метров.

В последнее время, после некоторого спада интереса к электронно-лучевой сварке, из-за общего кризиса в экономике, активизировались работы по производству и разработке новых технологий ЭЛС. Если вы специалист в этой сфере, и вам есть что рассказать, добавить или поспорить по теме, высказывайтесь в блоке .

Поиск записей с помощью фильтра:

Особенности сварки лучевого типа

Процесс лучевой сварки характеризуют две особенности:

• процесс сварки реализуется в вакуумной среде, что гарантирует получение максимально чистой поверхности и дегазацию расплавленного металла;
• нагрев происходит до очень высоких температур, таким образом металл быстро плавится, а шов в результате обработки получается мелкозернистый и минимальной ширины.

Данные особенности позволяют работать со сплавами, чувствительными к интенсивному нагреву. Электронно-лучевой сваркой изготовляют детали из алюминиевых и титановых сплавов, высоколегированных сталей. Металлы и сплавы подвергаются сварке в однородных и разнородных комбинациях, разными по толщине и температуре плавления. Минимальная толщина свариваемых заготовок — 0,02 мм, а максимальная – до 100 мм.

Достоинства и недостатки ЭЛС

Как и любой горячий метод соединения деталей, электронно-лучевая сварка имеет ряд преимуществ и недостатков. Сначала о достоинствах:

• можно соединять детали толщиной от 0,2 мм;
• во время плавки металла ванна расплава перемещается в нижнюю зону, стык заполняется полностью, затем начинается кристаллизация;
• глубокое соединение образуется за один проход луча, высокая производительность процесса;
• пучок электронов генерируется в постоянном или импульсном режиме, при обработке магниево-алюминиевых сплавов применяется импульсное воздействие;
• вакуумизация улучшает качество шва, металл не реагирует с компонентами воздуха;
• большой диапазон силы тока луча расширяет возможности установки.

Недостатки:

• сложность технологического оборудования, для работы на нем требуется длительная подготовка;
• быстрый износ катода, тугоплавкая проволока под воздействием электрического поля разогревается до 2400°C;
• при генерации электронов возникает рентгеновское излучение, необходимо обеспечить защиту сварщиков.

Расчёт некоторых параметров режима ЭЛС

Скорость сварки, необходимая для проникновения луча на глубину Н, определяется по формуле:

Vсв<4Q/(3,14dHSкип)

Для сварки титана экспериментально установлены значения: Q=54кВт, Н=10см, Vсв=0,5м/с, d=2,7мм, Sкип=50 кДж/см3.

На рисунке ниже представлена экспериментальная зависимость термического КПД nт проплавления от параметра Q/(HVсв) для сварки сталей:

Связь параметров электронного луча с геометрическими характеристиками определяется по формуле:

B=(4nпnтQd/3,14VсвHSпл)1/2, где В — ширина сварного шва.

Основные типы сварных соединений

Рассмотрим основные типы сварных соединений, которые рекомендуются для электронно-лучевой сварки. Рисунок ниже демонстрирует следующие виды:

• а) — стыковое;
• б) — замковое;
• в) — стыковое с деталями разной толщины;
• г) — угловое;
• д), е) — стыковое при сварке шестерен;
• ж) — стыковое с отбортовкой кромок.

Оборудование ЭЛС

Устройство любой промышленной установки включает несколько обязательных элементов:

• пушка – генератор плотного луча;
• блок электропитания, обычно они подключаются к стандартной сети 220 В, дополнительно встраивается трансформатор;
• электронный блок управления, визуально контролировать процесс варки нельзя, нужна точная контролирующая аппаратура;
• вакуумная система, различается по мощности.

В зависимости от назначения, установки способны образовывать криволинейные стыки, проваривать металл на всю глубину. Различают:

По типу вакуумирования:

• камерные установки электронно-лучевой сварки предусматривают размещение деталей в камере, из нее полностью откачивают воздух;
• локальные – изолируют только зону сварки, вакуум создается в небольшом объеме.

По параметрам разряжения:

• специализированные установки создают разряжение до 10-2Па;
• универсальные установки ЭЛС рассчитаны на максимальное давление до 10Па;
• с параметрами так называемого промежуточного вакуума, давление инертного газа – от 10 до 100 Па;
• ЭЛС с защитной атмосферой, в зону стыка аргон нагнетается под давлением свыше 100 Па.

Электронная пушка во всех установках устроена по одному принципу. Поток электронов создается между:

• катодом, он бывает двух видов: плазменный (косвенного накала) или прямого накаливания (по сути, катод – это спираль из вольфрама, тантала или другого тугоплавкого сплава);
• анодом, его делают их меди или стальной.

Поток меняет направление, отклоняется в одну или другую сторону, когда на управляющем электроде меняется потенциал.

На установках ЭЛС проводят сварку тугоплавких сплавов, стык проваривается насквозь за один проход. Метод электронно-лучевой сварки применяется в наукоемких областях, бытового распространения не получил из-за сложности и высокой стоимости оборудования.

Вместо заключения

Установка электронно лучевой сварки хоть и стоит недешево, но с ее помощью можно сварить даже металл с керамикой, не говоря уже о простой сварке двух металлических деталей. Да и сама ЭЛС сварка очень технологична и шагает в ногу со временем. При этом сварочный процесс очень экономичный, не требует больших затрат.

Вы когда-нибудь сталкивались с электронно-лучевой сваркой? Может быть вы мастер высокого уровня и готовы поделиться своим опытом? Добро пожаловать в .

Видео: Электронно-лучевая сварка

Дополнительные материалы по теме:

Литература

• Николаев Г. А. Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х т. — М.: Машиностроение, 1978 (1-4 т).
• Электронно-лучевая сварка/О. К. Назаренко, А. А. Кайдалов, С. Н. Ковбасенко и др./Под ред. Б. Е. Патона.— Киев: Наукова думка, 1987.— 256 с.
• З. Шиллер, У. Гайзиг, З. Панцер. Электронно-лучевая технология. — М.: Энергия, 1980. — 528 с.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...