Понятие и применение электронно-лучевой сварки

Электронно-лучевая сварка

Главная / Библиотека / Виды сварки / Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевую сварку успешно применяют в нижнем положении вертикальным лучом, для вертикальных и горизонтальных швов – горизонтальным лучом с неполным и сквозным проплавлением.

Сварка в нижнем положении рекомендуется для стальных изделий толщиной до 40 мм и изделий из титановых и алюминиевых сплавов толщиной до 80 мм. Горизонтальным лучом со сквозным проплавлением сваривают металлы толщиной до 400 мм.

Для сварки металлов, имеющих высокую теплопроводность или большую температуру плавления, а также деталей больших толщин применяется электронный луч с высокой плотностью энергии.

При сварке легкоплавких и легкоиспаряющихся металлов (Al, Mg) и деталей небольших толщин (до 3 мм) применяют электронный луч с малой плотностью энергии или с импульсным нагревом, когда действие луча на изделие чередуется с паузами. В этом случае испарение металла с поверхности сварочной ванны незначительно.

Основными параметрами режима электронно-лучевой сварки являются сила тока (мА), ускоряющее напряжение (кВ), скорость сварки (см/с).

Зазор в стыке не превышает 0,3 мм и должен быть меньше диаметра луча.

Для электронно-лучевой сварки характерны специфические виды дефектов сварных соединений.

Такими дефектами при сварке с несквозным проплавлением являются не заполненные металлом полости толщиной до 5–10 мм и длиной до 20–30 мм и периодическое несплавление корня шва. При ЭЛС также возможно отклонение канала проплавления от линии стыка вследствие отклонения луча.

Для улучшения качества сварных швов и уменьшения возможности возникновения дефектов используют ряд технологических приемов:

• сварка наклоненным на 5-7 градусов в направлении движения лучом для уменьшения вероятности образования пор и несплошностей и создания более благоприятных условий для кристаллизации;
• сварка с присадкой для легирования металла шва или восстановления концентрации легкоиспаряющихся в вакууме элементов;
• тандемная сварка двумя электронными пушками, из которых одна осуществляет проплавление, а вторая, меньшей мощности, формирует либо корень шва, либо хвостовую часть ванны;
• предварительные проходы для проверки позиционирования луча и очистки кромок свариваемых металлов от поверхностных загрязнений и адсорбированных газов;
• безынерционное отклонение электронного луча в магнитном поле по сложным контурам в соответствии с программой, заложенной в ЭВМ, что позволяет создавать более благоприятные газо- и гидродинамические условия формирования канала, подавлять возникновение корневых дефектов, одновременно сваривать два и более стыков;
• модуляция тока луча (обычно с частотой 1–100 Гц) для управления теплоотдачей в сварной шов.

К несомненным преимуществам электронно-лучевой сварки относятся следующие:

• получение очень узкого с глубоким проплавлением шва, что обеспечивает значительную экономию металла;
• большая сосредоточенность вводимого в изделие тепла, малое его количество (в 4–5 раз меньшее, чем при дуговой сварке) позволяют получить небольшую зону термовлияния и минимальные изменения формы изделия;
• благодаря вакууму, в котором происходит сварка, отсутствует насыщение металла шва газами, а имевшиеся в нем газы успевают удалиться, чем достигается высокое качество сварных соединений;
• для сварки характерен пониженный расход электроэнергии по сравнению с дуговыми методами.

К числу недостатков электронно-лучевой сварки можно отнести следующие:

• создание вакуума в рабочей камере, загрузка и выгрузка изделий из нее требуют значительного времени, что не только снижает производительность процесса, но и затрудняет осуществление комплексной автоматизации;
• вследствие торможения электронов в свариваемом металле, особенно при большом ускоряющем напряжении (> 100 кВ), возникает жесткое рентгеновское излучение, что требует дополнительной защиты обслуживающего персонала и, кроме того, усложняет и без того непростое оборудование;
• необходимость высококвалифицированного персонала.

Источник: http://www.deltasvar.ru/biblioteka/48-vidy-svarki/84-ehlektronno-luchevaja-svarka

Электронно-лучевая сварка. Сущность и область применения электронно­лучевой сварки | Плазморез

Сущность электронно-лучевой сварки (ЭЛС) состоит в исполь­зовании кинетической энергии направленного потока электро­нов, движущихся в вакууме (рабочий вакуум 10“2… 10-3 Па) без столкновений с остаточными молекулами воздуха.

При достиже­нии потоком электронов, ускоренных электрическим полем с разностью потенциалов 10… 100 кВ и более, поверхности свари­ваемой детали подавляющая часть кинетической энергии элект­ронов превращается в тепловую.

Вакуум применяют как для эф­фективной генерации электронного пучка и беспрепятственного прохождения его до свариваемой детали, так и для создания инертной среды без вредных примесей (кислорода, азота и водо­рода).

Это позволяет получать сварные соединения высокого каче­ства при сварке таких химически активных сплавов, как титано­вые, циркониевые, ниобиевые, молибденовые.

При выходе электронного луча в атмосферу рассеяние пучка электронов столь велико, что не удается увеличить рабочее рас­стояние от пушки до изделия больше чем на 30 мм, поэтому свар­ку с использованием электронного луча производят только в ва­куумных камерах.

Электронный луч в зоне сварки обладает высокой мощностью, превосходящей традиционные сварочные источники нагрева, ус­тупая только лучу лазера.

Впервые использовать сконцентрированные пучки электронов в вакууме для сварки предложил в Германии К. Г. Штайгервальд, а в СССР Н. А. Ольшанский (1959 г.).

В специальных электронно-лучевых установках Штайгервальда электронные пучки формировались магнитными линзами после излучения электронов из термокатодов и ускорения их в поле с разностью потенциалов до 100 кВ. Плотность мощности в них пре­восходила 108 Вт/см2, что на 2 — 3 порядка выше концентрации мощности в сварочной дуге.

Максимальная глубина, пройдя которую электрон теряет
свою энергию, зависит от ускоряющего напряжения и плотности металла:

5 = 2,35 • 10-|2У2/р,

где 5 — глубина проникновения, см; U — ускоряющее напряже­ние, В; р — плотность обрабатываемого металла, г/см3. Для стали с плотностью 7,8 г/см3 при U — 60 кВ 8 = 12 мкм.

Энергия электронного луча может преобразоваться в тепловую внутри тонкого поверхностного слоя.

Тепловое и рентгеновское излучения, отражен­ные, вторичные и тепловые электроны снижают эффективно ис­пользуемую долю энергии электронного луча.

Значения эффективного КПД при ЭЛС составляют 0,85…0,95. Таким образом, электронный луч, по сравнению с другими сва­рочными источниками энергии, самый эффективный. Проплав­ление существенно ограничено по глубине и в поперечном сече­нии близко по форме к полусфере.

Такой процесс применяют для сварки металлов малых толщин (до 3 мм). Переход от сварки ме­таллов малых толщин к однопроходной сварке металлов больших толщин осуществляют при условии достижения критической плот­ности мощности q2, для металлов q2 = 105… 106 Вт/см2.

В этом случае эффективная мощность электронного луча уже не может быть отведена в глубь металла за счет теплопроводности и тепловое равновесие поверхности нагрева наступает при испа­рении части металла.

Давление паров на 3 — 5 порядков превышает давление электронного луча.

1 2аб

Чем выше плотность мощности луча, тем сильнее нагрев по­верхности сварочной ванны и эффективнее передача энергии элек­тронов по всей толщине свариваемого металла. Электронно-лучевое воздействие в диапазоне плотности мощности q2 = 105… 106 Вт/см2 характеризуется явлением узкого проплавления с соотношением глубины проплавления к его ширине до 10: 1 и более (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Типичная форма попереч­ного сечения сварного шва в ме­

талле:

а — выполненного аргонодуговой свар­кой; б — электронным лучом; 1,2 —

литой металл шва

Высокая концентрация энергии позволяет получать сварные швы с малой зоной термического влияния. Поперечное сечение шва имеет слабосходящиеся или параллельные боковые стенки, что обеспечивает минимальные угловые деформации. Формирование сварного шва при ЭЛС имеет ряд особенностей, обусловленных испарением свариваемого металла и силовым воздействием дав­ления паров на расплавленный металл.

При формировании сварного шва наблюдается два типа про­цессов: периодическое испарение (при частоте до 10 кГц) и коле­бания жидкого металла в сварочной ванне за счет подплавления передней стенки ванны (при частоте 1… 100 Гц).

Образование кра­тера на всю глубину проплавления позволяет получить исключи­тельно малый объем сварочной ванны и, следовательно, мини­мальные деформации свариваемых деталей.

Применение высоких скоростей сварки обеспечивает минимальное термическое воздей­ствие на свариваемый металл в околошовной зоне, а высоких ско­ростях кристаллизации при эффективном теплоотводе — получе­ние высоких механических свойств сварных соединений.

Области применения ЭЛС.

• сварка деталей из химически активных и тугоплавких метал­лов и сплавов;

• сварка деталей и узлов из термически упрочняемых материа­лов, когда нежелательна, затруднена или невозможна термичес­кая обработка;

• сварка деталей после завершающей механической обработки при необходимости обеспечения минимальных сварочных дефор­маций;

• сварка толстостенных и тонкостенных конструкций ответствен­ного назначения.

Наиболее широко в мире освоено промышленное применение ЭЛС в авиакосмической промышленности, ядерной энергетике, энергетическом машиностроении, турбиностроении, приборост­роении, автомобильной промышленности при массовом изготов­лении подшипников.

Источник: http://plazmorez.com/?p=2319

Лазерная сварка и другие инновационные сварочные технологии

Лазерная сварка и другие современные сварочные технологии дают возможность изменять коренным образом стандартные технологические процессы и создавать совершенно новые конструкции разнообразных агрегатов. Рассмотрим наиболее инновационные виды сварки, используемые в наш высокотехнологичный век.

При выполнении операции соединения материалов лазерным лучом используются разные по виду лазерные агрегаты:

• газовые;
• твердотельные;
• полупроводниковые.

Непосредственно процесс базируется на том, что при направлении энергии квантов на свариваемые изделия наблюдается поглощение ими этой самой энергии, приводящее к увеличению температуры поверхности деталей за счет образования теплоты.

Лазерная сварка позволяет выполнять соединение конструкций с весьма крупными габаритами, так как для ее выполнения не требуется вакуум. Кроме того, использование луча лазера характеризуется следующими важными достоинствами:

• получение в процессе сварки по-настоящему безупречного качества соединения изделий из таких материалов, которые иными сварочными методами свариваются очень и очень плохо (популярная стыковая сварка, например, по своим качественным показателям не идет ни в какое сравнение с лазерной);
• отсутствие на обрабатываемой поверхности холодных и горячих трещин за счет того, что лазер обеспечивает большие скорости охлаждения и нагрева металла (при этом на околошовный участок оказывается несущественное тепловое влияние);
• легкая регулировка и управление лучом лазера посредством оптических зеркальных комплексов дают возможность направлять тепловое воздействие в наиболее труднодоступные области конструкции, а значит, сварка может производиться практически в любом ее месте;
• лазерный луч гарантирует стабильное образование соединительного шва, так как на его характеристики не оказывают влияния магнитные поля, как это отмечается при выполнении сварочных работ при помощи электродуги либо электронного луча.

Также стоит отметить и то, что сварка изделий с применением лазерного оборудования обеспечивает минимальный уровень деформации конструкций, уникальную прочность (технологическую) полученных соединений.

Стандартный газовый лазер, используемый в настоящее время, представляет собой достаточно простой агрегат. Выполнен он в виде трубки, в которую накачивают газ.

Данная трубка ограничивается параллельными зеркалами с обеих сторон (с одной стороны устанавливают полупрозрачное зеркало, с другой – полностью непрозрачное). В описанную конструкцию вводят электроды, между ними формируются так называемые «быстрые электроны».

Добавим – лазерная технология может выполняться по двум схемам:

• сварка в среде защитных газов;
• сварка на воздухе.

Первая из указанных технологий позволяет осуществлять соединение самых разных металлов, которые ранее считались непригодными для сваривания (сварка нержавеющей стали, металлов тугоплавкой группы и т. д.).

Суть технологии заключается в эксплуатации энергии (кинетической) пучка электронов, которые перемещаются в вакууме с большими скоростями. Достоинства электронно-лучевой сварки таковы:

• Небольшой объем вводимой теплоты (по сравнению с электродуговой сваркой – меньше в 4–5 раз). Это уменьшает (и весьма значительно) степень деформации свариваемой детали.
• Концентрация ввода тепловой энергии в конструкцию на очень высоком уровне. Луч в данном случае проникает в глубину материала, а не воздействует исключительно на его поверхность. За счет этого факта электронно-лучевая методика применяется для соединения керамики, изделий из плохо поддающихся плавке металлов (например, тантала и вольфрама).
• Насыщение газами нагретого и расплавленного металла отсутствует, благодаря чему обеспечивается достойное качество сваривания молибдена, циркония, ниобия и иных химически активных сплавов и активных с точки зрения химического взаимодействия сплавов и металлов.

К недостаткам описываемой технологии относят:

• продолжительнее время, требуемое для формирования в рабочей камере сварочного агрегата вакуума;
• высокая вероятность появления на материалах с высоким показателем теплопроводности полостей и зон несплавления (они, как правило, образуются в корне шва).

При этой технологии металл нагревается посредством специального состава, называемого термитом. Его компонентами являются:

• железная окалина;
• магний либо алюминий в порошкообразной форме.

Смесь на базе магния рекомендуется для сваривания жил кабелей, телеграфных и телефонных проводов. Ее также можно применять для соединения малых по диаметру трубных изделий. А вот термит с алюминиевым компонентом чаще используется для сварки чугунных и стальных конструкций, в частности, труб, железнодорожных рельсов.

Основывается данный сварочный процесс на горении по принципу самораспространения восстановителей и смесей (экзотермических) окислов металлов. Его главные преимущества:

• высокая производительность;
• простота выполнения операции;
• оперативность процесса.

Бездуговая технология, предполагающая использование теплоты шлаковой ванны для нагрева участка плавления материала. Сама ванна получает необходимую температуру за счет подогрева электротоком. По типу используемых электродов такая технология может выполняться плавящимся мундштуком и пластинчатым либо проволочным сварочным стержнем.

По количеству электродов электрошлаковую сварку делят на:

• многоэлектродную;
• одноэлектродную;
• двухэлектродную.

Чаще всего описанный вид соединения металлов используется для сварки изделий толщиной не более 60 и не менее 1,5 миллиметров.

Технология, которая появилась совсем недавно, и была признана специалистами одним из наиболее перспективных вариантов выполнения сварочных работ. Взрывная сварка – это способ соединения металлов под влиянием энергии, высвобождающейся в результате взрыва специального соединения.

Такой сварочный процесс обычно выполняют во взрывных спецкамерах либо на подземных и открытых полигонах, которые располагаются далеко от промышленных и жилых объектов.

Подобные предосторожности важны, так как при взрыве фиксируется небезопасный разлет осколков, есть вероятность сейсмических возмущений (если заряд взрывчатого соединения достаточно велик), нередко наблюдается и ударная волна, способная разрушить какое-либо сооружение или нанести вред здоровью человека.

Взрывные сварочные мероприятия теоретически позволяют соединять все известные сейчас металлы. Но при этом необходимо учитывать то, что сваренные изделия могут сильно нагреться, что приведет к появлению интерметаллидных фаз и образованию в зоне соединения весьма активных диффузионных явлений.

Источник: http://tutmet.ru/svarka-lazernaja-termitnaja-jelektroshlakovaja-jelektronno-luchevaja.html

Электронно-лучевая сварка металлов — Слесарное дело

Электронно-лучевая сварка – это технология термической стыковки металлических материалов за счёт энергии электронного луча (чаще всего в вакууме), применяемая при нормальных глубинах проплавления сварного шва.

Очень тонкая форма сварного шва с узкими зонами термического влияния резко сокращает затраты подводимой энергии и сводит к минимуму деформацию всей свариваемой заготовки. Эта технология обеспечивает возможность щадящего соединения подверженных деформации деталей или узлов, имеющих высокую степень механической обработки.

Принцип действия

Посредством эмиссии в электронно-лучевом генераторе создаётся поток электронов, которые ускоряются в вакууме под действием высокого напряжения (до 150 кВ и выше). Генератор установлен на вакуумируемой сварочной камере, внутрь которой помещается свариваемая заготовка. Для осуществления сварки поток электронов фокусируется на стыке частей заготовки.

Сварка деталей, как правило, осуществляется без присадочного металла.

При электронно-лучевой сварке необходимая энергия в зоне сварки создаётся электронами, ускоренными под действием высокого напряжения величиной 60-150 кВ.

Электронный луч генерируется в глубоком вакууме (давление ниже 10–4 мбар) посредством триодной системы, состоящей из катода, управляющего электрода и анода.

Процесс сварки чаще всего протекает в вакууме, однако может осуществляться и при нормальном атмосферном давлении (технология невакуумной электронно-лучевой сварки).

Переход от глубокого вакуума к атмосферному давлению происходит в несколько ступеней.

При ударе электронов о заготовку основная часть их кинетической энергии преобразуется в тепло. Кроме того, при этом возникает рентгеновское излучение, поэтому сварочная камера должны быть экранирована.

Электронно-лучевая сварка обеспечивает приблизительно такую же плотность потока мощности излучения, что и лазерная сварка, но характеризуется значительно более высоким коэффициентом полезного действия (КПД лазерной сварки: 3-14 %, КПД электронно-лучевой сварки: около 70 %). А это напрямую влияет на производственные издержки.

Области применения

Основными областями применения электронно-лучевой сварки являются:

– автомобилестроение;

– машиностроение;

– производство медицинской техники;

– производство авиационной и космической техники;

– производство энергетического оборудования;

– производство вакуумной техники.

Электронно-лучевая сварка применяется даже для выполнения коротких сварных швов, так как электронный луч может точно отклоняться под действием приложенных электрических полей. Это позволяет обойтись без перемещения заготовки, ведь движется сам электронный луч (например, при сварке осевого шва).

Диапазон возможных глубин проплавления сварного шва составляет от 0,1 мм до 300 мм (для алюминия), до 150 мм (для стали), до 100 мм (для меди) и до 100 мм (для титана).

Рабочее расстояние до заготовки, как правило, составляет от 200 мм до 700 мм, однако может достигать и 2 метров.

Высокая плотность энергии позволяет сваривать любые, в том числе и самые тугоплавкие, металлы, а также получать гибридные соединения путём сварки разнородных материалов, например, стали и бронзы.

Благодаря прогрессу в области вакуумной техники и использования сложных технологических систем, время ожидания, требующееся для создания необходимого давления (около 0,1 Па), практически утратило свою актуальность (в результате параллелизации процессов). Более того, отсутствие вредных технологических газов позволяет сваривать даже высокореактивные материалы. Например, электронно-лучевая сварка является единственным допустимым методом (глубокой) сварки титана в аэрокосмической промышленности.

Машины электронно-лучевой сварки часто применяются для массового производства деталей коробок переключения передач в автомобильной промышленности (особенно в Японии и Германии).

Источник: http://slesario.ru/payanie-luzhenie-svarka-i-skleivanie/elektronno-luchevaya-svarka-metallov.html

Электроннолучевая сварка — Страница 8

ПодробностиОпубликовано 25.05.2012 15:53Просмотров: 15708

Страница 8 из 19

Широкое применение новых конструкционных материалов на основе тугоплавких и высокоактивных металлов (титан, цирконий, молибден, вольфрам и др.) потребовало создания способа их обработки источником тепла с высокой плотностью энергии в условиях защиты от взаимодействия с газами воздуха (кислород, азот). Наиболее полно этим условиям отвечает электроннолучевая технология.

Сущность электронно-лучевой обработки материалов состоит в использовании кинетической энергии пучка электронов, движущихся в вакууме без столкновений с остаточными молекулами воздуха. При бомбардировке электронами поверхности обрабатываемого материала подавляющая часть кинетической энергии электронов превращается в тепловую, которая и используется для обработки.

Изменяя плотность энергии на обрабатываемом материале и управляя процессами теплоотвода, можно проводить обработку материалов в твердом, жидком и парообразном состояниях.

Электроннолучевая технология широко применяется в промышленности для плавки и переплава металлов и сплавов с целью их очистки от вредных примесей и газов, сварки и разделительной резки, пайки и обработки точных отверстий малого диаметра, нанесения покрытий различного назначения испарением и конденсацией в вакууме.

Первая успешная плавка тантала электронным лучом была осуществлена в Германии в 1905 г. С тех пор благодаря развитию вакуумной техники и электронной оптики созданы промышленное оборудование и технологии, позволяющие решать многие технические проблемы производства современных конструкций.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ

При электронно-лучевой сварке кинетическая энергия пучка электронов используется для расплавления стыка примыкающих друг к другу деталей и образования сварного шва.

Электронный луч обеспечивает высокую удельную мощность на поверхности пятна нагрева. По этому показателю (табл.

24) электронный луч почти одинаков со световым лучом оптического квантового генератора (лазера) и существенно превосходит традиционные источники нагрева, применяемые при сварке.

Электрон является наименьшей заряженной частицей, которая наиболее простым образом может быть получена в свободном состоянии. Он имеет отрицательный заряд е =1,602-10″19 Кл, массу Ме = 9,109-10″31 кг, удельный заряд е/Ме = 1,759-10й Кл/кг.

Нагрев катода ограничивается термостойкостью и скоростью испарения его материала.

Если электрон находится в однородном электрическом поле напряженностью Е, на него действует сила, равная произведению заряда электрона на напряженность поля:

Так как электрон имеет отрицательный заряд, сила F направлена противоположно вектору напряженности электрического поля. Работа, произведенная электрическим полем на перемещение электрона из одной точки поля в другую, может быть выражена, где U — разность потенциалов между этими точками.

Эта разность потенциалов в практике электронно-лучевой сварки называется ускоряющим напряжением U. Работа затрачивается на сообщение электрону кинетической энергии. В современных технологических установках для электронно-лучевой сварки ускоряющее напряжение U = 10…

100 кВ, скорость электронов в пучке может достигать 0,2…0,5 скорости света.

Для любой технологической электронно-лучевой установки важно создание условий, при которых ускоренный электронный пучок достигает поверхность обрабатываемого материала, не испытывая столкновений с молекулами газов и паров в рабочей камере.

Это достигается созданием в рабочем объеме установок вакуума, при котором длина свободного пробега молекул остаточного газа больше или равна расстоянию от катода электронной пушки до обрабатываемого изделия. При температуре 20 °С чем меньше давление воздуха, тем больше средняя длина свободного пробега молекул (табл. 25).

В камерах установок для электронно-лучевой сварки применяют давление Ы0~3…1-10~5 мм рт. ст. Это позволяет избежать взаимодействия электронов с остаточными молекулами паров даже таких высокоактивных металлов, как титан и алюминий.

Электроны, обладающие энергией, могут проникать в обрабатываемый материал на некоторую глубину. При этом они испытывают упругие и неупругие столкновения с атомами и молекулами вещества, отдавая им свою энергию и меняя скорость и направление движения.

Толщина слоя обрабатываемого материала, пройдя который электрон теряет свою энергию, зависит от ускоряющего напряжения, плотности и может быть выражена зависимостью

где 8 — толщина слоя, см; U — ускоряющее напряжение, В; р — плотность обрабатываемого материала, г/см3.

Так, для стали с плотностью 7,8 г/см3 при U = 60 кВ 8 = 12 мкм. Следовательно, энергия электронного луча преобразуется в тепловую внутри тонкого поверхностного слоя. Взаимодействие электронного луча с обрабатываемым материалом вызывает ряд явлений, оказывающих влияние на технологию сварки и конструкцию сварочных установок (рис. 127).

Тепловое и рентгеновское излучение, отраженные, вторичные и тепловые электроны снижают эффективно используемую долю энергии электронного луча для нагрева и плавления свариваемого материала.

Меры по защите операторов от рентгеновского излучения учитываются при проектировании электроннолучевых установок выбором технологических параметров сварки, конструкцией и толщиной стенок рабочей камеры.

Так как проникающая способность рентгеновского излучения возрастает с энергией электронов в луче, меры по экранированию и защите определяются прежде всего максимальным ускоряющим напряжением.

В большинстве технологических сварочных установок при ускоряющем напряжении от 10 до 70 кВ для защиты от рентгеновского излучения достаточно толщины стальных стенок рабочих камер, выбранных из конструктивных соображений. Разъемные соединения и вакуумные уплотнения должны располагаться в местах, не совпадающих по направлению с направлением максимальной интенсивности рентгеновских лучей. В смотровых окнах технологических установок применяют специальные стекла с добавками свинца.

При определенном значении плотности и достаточной общей мощности электронного луча в сварочной ванне образуется канал-кратер, который может распространяться на всю толщину свариваемого материала, так же как и при сварке лучом лазера.

Перемещение свариваемого изделия или электронного луча приводит к периодическому переносу жидкого металла из зоны плавления в зону кристаллизации при непрерывном воздействии электронного пучка на свариваемый материал.

Образование кратера на всю глубину проплавления позволяет получить исключительно малый объем сварочной ванны и, следующие требования ко всем типам соединений — это высокая точность сборки деталей перед сваркой. Допустимые зазоры в свариваемых стыках не должны превышать 0,2 мм.

При ЭЛС требуется более тщательная очистка свариваемых кромок от различных загрязнений и особенно от органических веществ.

Воздействие электронного луча на жидкий металл приводит к микровзрывам в вакууме, в результате чего часть металла сварочной ванны разбрызгивается, поверхность шва становится неровной, в шве могут возникнуть дефекты.

Для ЭЛС предпочтительны стыковые соединения, так как в этом случае удается получать узкие сварные швы с минимальной деформацией изделий. Сварка с отбортовкой кромок на телах вращения применяется чаще в приборостроении.

Изделия, значительно различающиеся по толщине (например, приварка мембраны к корпусу), сваривают с предварительной обработкой кромки большей толщины для выравнивания температурного поля, что обеспечивает симметричное проплавление деталей.

Возможность сварки в узких разделках и труднодоступных местах является одним из преимуществ ЭЛС перед другими способами сварки плавлением.

Эта возможность достигается благодаря малым размерам сечения электронного луча и его автономности по отношению к свариваемому изделию.

Однопроходная сварка нескольких расположенных друг над другом стыков может быть выполнена проникающим лучом, а в некоторых конструкциях соединение двух оболочек может быть осуществлено через ребро жесткости.

При сварке деталей толщиной 1…2 мм, может наблюдаться неравномерное формирование шва, которое можно устранить регулированием фокусировки луча.

Наиболее часто встречающийся дефект при сварке небольшой толщины — неравномерность проплавления из-за провисания жидкого металла под действием давления испаряющегося металла и фиксации этого провисания за счет высокой скорости кристаллизации.

Для избежания этого дефекта при сварке ответственных конструкций следует применять остающиеся подкладки из свариваемого металла. Высокие скорости электронно-лучевой сварки могут привести к подрезам, размеры которых определяются теплофизическими свойствами свариваемого металла.

В середине шва при этом образуется выступ. Снижение скорости сварки уменьшает возможность образования подрезов. Если они образовались, то их можно устранить повторным оплавлением поверхности шва при меньшей мощности луча или расфокусированным лучом.

Один из характерных для ЭЛС дефектов — это газовая пористость металла шва. Основная причина образования пор — загрязненность свариваемого металла газами, которые при кристаллизации сварочной ванны могут выделяться вследствие разной их растворимости в жидком и твердом металле.

Пористости способствует также химическое взаимодействие компонентов и примесей в свариваемом металле при высокой температуре с образованием газовой фазы. Высокая скорость кристаллизации металла ванны при ЭЛС не позволяет газовым пузырькам всплыть и выделиться из сварочной ванны.

Лучший способ борьбы с газовой пористостью при ЭЛС — это использование чистых исходных металлов, которые получают вакуумно-дуговым, электрошлаковым и электронно-лучевым переплавом.

Источник: http://electrowelder.ru/index.php/drugievidy.html?start=7

Электронно-лучевая и лазерная сварка

При электронно-лучевой и лазерной сварке используют лучевые источники энергии. При ЭЛС носителем энергии являются электроны, при лазерной – фотоны.

Характерным признаком для лучевых источников является высокая плотность энергии в пятне нагрева. Концентрация потока энергии достигается специальными фокусирующими устройствами. Площадь нагрева может быть по сравнению с дугой в 1000 раз меньше при плотности энергии в 1000 раз большей. При использовании фотонного луча эта разница еще значительнее.

Высокая плотность энергии в малом пятне нагрева определяет основные преимущества при сварке электронным лучом и лазером: – выгодная форма проплавления (ножевая, кинжальная); – возможность получения прецизионных соединений; – сварные соединения получаются с благоприятной структурой и свойствами, особенно, из высокопрочных сталей с пониженной трещиностойкостью.

Схемы процесса, преимущества, недостатки и область применения

Электронно-лучевая сварка – сварка плавлением, при которой нагрев металла осуществляется быстродвижущимися в вакууме электронами. Электронный луч создается в электронной пушке с высоковольтным источником постоянного тока. Вакуум порядка до 133·10–4 Па обеспечивается вакуумной насосной системой.

Основные параметры режима ЭЛС сила тока, напряжение электронного луча, скорость сварки. Мощность источников энергии составляет от 2 кВт до 60 кВт, позволяющие выполнять сварку при использовании малой мощности изделий микроэлектроники, при больших мощностях – для сварки больших толщин до 200…500 мм.

Лазерная сварка – для местного расплавления соединяемых частей используют энергию светового луча, полученного от оптического квантового генератора-лазера. Фотон представляет собой элементарную частицу, порцию света, обладающую нулевой массой покоя и движущуюся со скоростью, равной скорости света в вакууме.

Преимущества лазерного луча являются возможность передачи энергии на большие расстояния неконтактным способом, сварка через прозрачные оболочки, так как для световых лучей прозрачные среды не служат преградами, получение качественных соединений на металлах, особо чувствительных к длительному действию теплоты. Сварка выполняется на воздухе, в защитной атмосфере и вакууме. Основной недостаток – низкие значения КПД установок, высокая стоимость и недостаточная мощность серийного оборудования. ЛС применяется для соединения мелких деталей.

В основе действия оптических квантовых генераторов и усилителей лежит индуцированное излучение возбужденных атомов, т.е. атомов, в которых значительное число электронов переведено на верхний уровень. Такое состояние называют состоянием с инверсной заселенностью уровней.

Оно может быть создано, например, внешним источником излучения с определенной длиной волны. Это состояние неустойчиво и через некоторый промежуток времени возбужденный атом может спонтанно перейти в равновесное состояние и излучать энергию в виде фотонов.

Пока атом находится в возбужденном состоянии, его можно стимулировать, т.е. побудить испускать энергию под воздействием внешнего фотона. Такое излучение называется индуцированным и используется в квантовых усилителях.

Для сварки металлов используются твердотельные и газовые лазеры.

Твердотельные лазеры имеют средние мощности излучения достигающие лишь до сотен ватт. Ограничения по мощности связаны с малыми линейными размерами искусственно выращиваемых кристаллов и их низкой теплопроводностью, что затрудняет их охлаждение в лазерных установках.

Газовые лазеры, в которых в качестве активной среды используется диоксид углерода СО2, способны развивать в настоящее время среднюю мощность от нескольких сотен ватт до десятков киловатт в непрерывном и импульсно–периодическом режимах работы.

Особенностью лазерного излучения является возможность легкой его транспортировки. С помощью зеркальных оптических систем лазерный луч можно направлять в труднодоступные места, подавать на значительные расстояния, одновременно или последовательно использовать на нескольких рабочих местах.

В отличие от электронного луча, дуги и плазмы на лазерный луч не влияют магнитные поля свариваемых деталей и технологической оснастки, что позволяет получать устойчивое качественное формирование сварного шва по всей длине.

По сравнению с дуговой сваркой плавлением лазерная имеет следующие преимущества:

1. За счет высокой концентрации энергии и малого пятна нагрева объем сварочной ванны в несколько раз меньше. Этот фактор положительно сказывается на целом ряде характеристик сварного соединения: снижение ширины шва в 2…5 раз, ограничивается тепловое воздействие на свариваемый металл, получение швов с глубоким проплавлением, что дает возможность уменьшить деформации деталей до 10 раз (позволяет уменьшить размеры допусков, экономия времени на правку, исключение механической обработки после сварки); малый объем расплавленного металла и специфическая форма шва улучшает условия кристаллизации сварных швов.
2. Острая фокусировка луча и возможность передачи его на значительные расстояния позволяет вести сварку в труднодоступных местах, например, в углублениях гофрированных конструкций, внутренних полостей и др.
3. Жесткий термический цикл с высокими скоростями нагрева и охлаждения дает возможность существенно сократить зону термического влияния. Это позволяет снизить эффект фазовых и структурных превращений в околошовной зоне, приводящих к разупрочнению; трещинообразованию, снижению коррозионной стойкости.
4. Процесс сварки осуществляется в атмосфере воздуха, либо в среде защитных нейтральных газов (Аr, Ge), в среде углекислого газа (СО2) и др. Поэтому создается возможность сварки для соединения элементов конструкций любых габаритов.

Однако, при сварке с присадочной проволоки (для легирования или снижения требований при сборке) необходимо обеспечивать точную с большой скоростью подачу проволоки Ø 1,0…1,5 мм в зону плавления шириной 1,0…2,0 мм. К.п.д. лазерных установок не превышает 10%.

Сварка взрывом >
Теория по ТКМ >

Источник: http://dprm.ru/tkm/elektronno-luchevaa-i-lazernaa-svarka

Электронно-лучевая сварка

содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

Лекция № 4.

Электронно-лучевая сварка

4.1. Сущность электронно-лучевой сварки

Электронно-лучевая сварка – сварка плавлением, при которой нагрев металла производится потоком — лучом быстродвижущихся электронов, ускоряемых электрическим полем.  Попадая на поверхность изделия, электроны отдают свою кинетическую энергию, превращающуюся в тепловую и нагревают металл.

Процесс обычно ведется в герметически закрытой камере, в которой поддерживается вакуум 10-1-10-3 Па. Вакуум необходим  для  свободного  движения  электронов,  уменьшения числа их столкновения с газовыми молекулами в процессе  ионизации.

  Вакуум также  необходим  для  обеспечения чистоты наплавляемого металла, предупреждения его окисления и азотирования, уменьшения количества растворенных в нем газов. Вакуум поддерживается непрерывно работающими вакуумными насосами.

Источником электронов служит накаливаемый катод, питаемый от низковольтного трансформатора. Электроны ускоряются от низковольтного трансформатора высоким напряжением 10-100 кВ; обычно применяют напряжения не более 30 кВ,  т.к.

Высокое напряжение создается специальным  трансформатором с выпрямительным устройством:  минус подается на  катод,  анодом  служит свариваемое  изделие.  Поток электронов на пути от катода к аноду фокусируется электростатическими линзами в виде металлических колец  и электромагнитными в форме катушек с железным каркасом.

  За счет фокусировки и изменения силы тока можно получить  нагреваемую поверхность на изделии площадью 0,1¸20 мм2. Катод и фокусирующие линзы конструктивно объединены в одно устройство, называемое электронной  пушкой и создающее электронный луч.

  Электронный луч можно смещать отклоняющими устройствами и  смещением  электронной пушки;  ему можно придать колебания вдоль и поперек сварного шва.

Перемещение по линии сварки осуществляется передвижением или поворотом изделия.

Температура в месте бомбардировки  достигает  5000-60000С,  что достаточно  для плавления металла при сварке и для тепловой обработки материалов.

4.1.1.Преимущество электронно-лучевой сварки:

1) Для сварки электронным лучом характерна примерно такая же концентрация энергии в пятне нагрева,  что и при сварке  лазером.

Благодаря столь высокой концентрации количество теплоты, расходуемое на расплавление металла,  при  электронно-лучевой  сварке  в десятки раз меньше, чем при других способах.

Например, для однопроходной стыковой аргоно-дуговой сварки стальных листов толщиной  необходима погонная энергия около 1260 кДж/м.

2) Другим положительным свойством электронного луча, выгодно отличающим его от остальных сварочных источников теплоты, является возможность глубокого проплавления металла благодаря тому, что электронный луч высокой интенсивности может проникать в металл на глубину в несколько миллиметров.

  При этом образуется узкий канал с достаточно высокой проницаемостью для  электронов,  заполненный металлическими парами. Давлением паров жидкий металл оттесняется к стенкам канала,  а при включении или перемещении луча  стекает  в него,  образуя после кристаллизации шов.

  Зона расплавления имеет форму вытянутого клина,  а отношение глубины проплавления к ширине может достигать 26:1.  Этот эффект называется кинжальным проплавлением. При дуговой сварке форма зоны расплавления приближается к полусфере.

  Толщина заготовок,  свариваемых электронным лучом, может достигать от 0,01 до  и более.

Для ограничения размеров зоны проплавления и нагрева материала в зонах,  прилегающих к месту сварки, а также при сварке легкоиспаряющихся металлов осуществляют подачу тока короткими мощными  импульсами с частотой от 1 до 3000 Гц и продолжительностью от 0,01 до 0,00005 с.

3) Преимущество электронно-лучевой сварки и обработки заключается также в отсутствии загрязнений,  попадающих в шов из окружающей среды.

4) Электронным лучом можно сваривать металлы без существенного  изменения свойств литой структуры шва и рекристаллизированной зоны.

  Например, при сварке алюминия и меди пятно луча на 2/3 располагается на медной детали и на  1/3  на  алюминиевой. Соединение получается типа паяного,  практически без расплавления меди.

При сварке меди со сталью с небольшой нахлесткой необходимо сначала подогреть медную деталь, а затем производить сварку.

4.2. Устройство сварочной электронно-лучевой установки

Устройство для эмиссии электронов 1 состоит из вольфрамового катода,  заключенного в кольцеобразный формирующий электрод  (цилиндр  Венельта),  и  расположенного  под ним дискового анода 2 с центральным отверстием.

При нагреве катода с его поверхности   излучаются  электроны, формирующиеся в пучок электродом, расположенным непосредственно за катодом, и под воздействием электрического поля, создаваемого высокой разностью потенциалов между катодом и анодом,  ускоряются в определенном направлении.

Магнитное поле юстировочных катушек 3,  питаемых  постоянным регулируемым  током,  направляет луч по оси катушки.

  Диафрагма 4 отсекает энергетически малоэффективные краевые зоны луча,  а магнитная  линза 5 фокусирует его в круглое пятно на поверхности заготовки.

  В современных установках для сварки и термической обработки  электронный  луч  фокусируется  на площади диаметром менее . (рис 1)

Рис. 4.1. Схема электронно-лучевой установки

Важным узлом электронно-лучевой установки является камера, в которой производится сварка. Ее конструкция и размеры определяются назначением установки.  Универсальные сварочные  камеры  имеют относительно небольшой объем и снабжаются приводными устройствами для сварки листового металла и труб.

  Эти устройства должны обеспечивать плавное регулирование, стабильность скорости перемещения рабочего стола, на котором крепятся свариваемые детали, и возможность  вращения трубных заготовок в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

В некоторых камерах предусмотрена возможность перемещения пушки внутри камеры по горизонтали или по вертикали.

Это позволяет перемещать в камере только участок стыка, в то время как обе свариваемые трубы находятся вне рабочего пространства камеры.

  Загрузку камеры свариваемыми  заготовками можно производить с нарушением вакуума или непрерывно через шлюзовые камеры.

В зависимости  от величины напряжения между катодом и анодом (ускоряющее напряжение) различают 2 типа  электронно-лучевых  пушек:  низковольтные  с  ускоряющим напряжением 10¸30 кВ и высоковольтные с ускоряющим напряжением до 150 кВ. Ток электронного луча в установках для электронно-лучевой сварки невелик и составляет от нескольких миллиампер до единиц ампер.

Контрольные вопросы:

1. В чем состоит сущность электронно-лучевой сварки?

3. Почему напряжение, ускоряющее электроны, ограничивается 30кВ?

4. Назовите основные преимущества и недостатки электроннолучевой сварки.

содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

Источник: https://www.zinref.ru/000_uchebniki/03400metalurg/001_00_Spetsialnye_sposoby_svarkiLEKTsII_Ivanova/004.htm

Разбираемся в электронно лучевой сварке

Источником энергии при этом способе сварки является не традиционная дуга, а поток электронов с высокой энергией из электронно-лучевой пушки.

Для того чтобы поток электронов не терял энергию при столкновении с атомами воздушной среды, создают вакуум в пространстве проведения сварочных работ.

Эта электронно-лучевая сварка обеспечивает выход энергии с разогревом непосредственно в месте соединения металлов без потерь в прослойке воздуха, а также гарантирует отсутствие окисления поверхности, свариваемых заготовок. Об этом методе сварки расскажем более подробно.

Метод ЭЛС и область его применения

Этот метод позволяет воздействовать на соединяемые металлы пучком электронов с высокой энергетикой, которые вызывают в вакууме расплав металла или сплава с последующим свариванием заготовок. Один проход позволяет соединить детали от 0,1 мм до 400 мм независимо от химического состава, свариваемых металлов.

Для беспрепятственного прохождения электронно-лучевого потока необходимо разрешение газов от 10-2Па, чтобы обеспечить заданные параметры для соединения титана, алюминия, химически активных металлов и сплавов, а также тугоплавких элементов.

Особенно важно применять этот метод при сварке термостойких деталей, которые в условиях дугового способа очень плохо соединяются.

Существуют два компонента, которые обеспечивают бесперебойный процесс электроннолучевой сварки металлов и сплавов, и основным из них является энергетическая составляющая. Формирует пучок электронов раскалённый катод, а электроны ускоряются напряжением до 200 кВ до 0,5 скорости света, что вызывает расплавление зоны сварочного шва.

Плотность энергетического выброса при столкновении с материалом деталей значительно превышает энергетику сварочной дуги.

Вторая составляющая сварки является электромеханическим комплексом, обеспечивающим перемещение луча и деталей относительно друг друга, угловое отклонение потока электронов и гарантирующим наличие вакуума в зоне сварки.

Электронно-лучевой тип сварки используется в заводских условиях в вакуумной среде и применяется для соединения следующих материалов и сплавов:

1. сплавов на основе титана;
2. бериллиевых сплавов;
3. сплавов алюминия;
4. молибдена, циркония, тантала и ниобия;
5. высокопрочных легированных сплавов.

Такое сварочное оборудование позволяет применять результаты работы в ракетостроении, атомной энергетике и освоении космоса.

Достоинства и недостатки ЭЛТ сварки

Сварка электронно-лучевым методом применяется в различных отраслях промышленности, поскольку позволяет вести работу в труднодоступных местах с заготовками различной толщины.

При этом не происходит коробления заготовок по причине импульсного характера воздействия пучка электронов на металл, а также тонкой фокусировки в месте сварки.

Изменение ускоряющего напряжения от 35 до 220 кВ меняет скорость электронов в широких пределах, а, следовательно, и глубину провара заготовок.

При торможении энергия пучка преобразуется в тепловое воздействие, которое и вызывает плавление металла с возникновением сварочной ванночки.

Таким образом, лучевая сварка обладает следующими преимуществами:

• производительность, экономичность и высокий уровень автоматизации процесса работ;
• регулируемая мощность позволяет сваривать детали различной толщины в труднодоступных для дуговой сварки местах;
• регулируемое соотношение ширины шва, к глубине провара достигающее величины 1:50;
• отсутствие загрязнения и окисления зоны шва, поскольку процесс происходит в вакууме;
• узкий шов с большой глубиной провара позволяет получить высокое качество и прочность соединения;
• импульсный характер воздействия пучка электронов позволяет избежать деформаций свариваемых деталей;
• метод может использоваться для термообработки, напыления, перфорации и резки материалов;
• ЭЛС используется для сварки легкоплавких металлов и сплавов, благодаря импульсному воздействию и малой ширине шва.

К недостаткам метода относятся высокая стоимость аппаратуры, конечные размеры заготовок в связи с размерами вакуумных камер и точная подгонка деталей перед сваркой.

Оборудование и технология метода ЭЛС

Существует несколько видов оборудования для электронно-лучевой сварки, которые характеризуются мощностью пучка, величиной ускоряющего напряжения и, как следствие, толщиной свариваемых деталей.

Большое значение имеет размер камеры и степень создания вакуума в её пределах, поскольку при низком уровне откачки насосами воздуха происходит значительное рассеивание пучка электронов.

В воздушной среде работа может происходить только с тонкостенными деталями и на малых расстояниях от источника до свариваемого материала. Для качественного соединения требуется также точное позиционирование места сварки относительно излучателя и его фокусировка.

В схему оборудования для электронно-лучевой сварки входят следующие элементы:

• блок питания установки;
• вакуумная камера со шлюзами и насосами, обеспечивающими скоростную откачку воздуха;
• блок управления пушки;
• катод с управляющими электродами и юстировочными катушками;
• анод и расположенные за ним фокусирующие катушки;
• отклоняющие катушки;
• координатный стол для точного позиционирования свариваемых заготовок.

Наиболее эффективным технологическим способом является полное проплавление соединяемого стыка, которое сводит к минимуму возникновение дефектов шва. Также используют способ развёртки пучка электронов с различной амплитудой и частотной регулировкой, что позволяет улучшить качество, уменьшить перегрев деталей и сформировать стабильный шов с учётом свойств конкретного металла.

Заготовки большой толщины могут свариваться наклонным пучком электронов с углом отклонения от 4о до 7о. Этот способ подразумевает двустороннюю, либо многопроходную сварку.

Подводим итог

Мы рассказали о лучевой сварке потоком электронов трудно свариваемых или тугоплавких металлов и сплавов с различными физическими свойствами. Этот промышленный метод используется при производстве высокотехнологичного оборудования различного назначения, а обеспечиваемые качество и точность, существенно отличают его от дуговой сварки.

Сергей Одинцов

Источник: https://electrod.biz/vidy/razbiraemsya-v-elektronno-luchevoy-svarke.html