Электронно лучевая сварка оборудование

Обновлено: 24.01.2025

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) относится к методам сварки высококонцентрированными источниками энергии и обладает широкими технологическими возможностями, позволяя соединять за один проход металлы и сплавы толщиной от 0,1 мм до 400 мм.

Сущность процесса сварки электронным лучом состоит в использовании кинетической энергии, электронов, движущихся в глубоком вакууме. При бомбардировке электронами поверхности металла подавляющая часть кинетической энергии электронов превращается в тепловую и используется для расплавления металла.

Получение свободных электронов достигается применением раскаленного металлического катода, испускающего электроны. Ускорение электронов обеспечивается электрическим полем с высоким потенциалом между катодом и анодом. Фокусировка – концентрация электронов – осуществляется магнитным полем. Резкое торможение электронного потока происходит при соударении электронов с металлом.

Принципиальная схема установки (пушки) для сварки электронным лучом представлена на рисунке 1. Устройство предназначено для получения узких электронных пучков высокой концентрации энергии.

Рисунок 1 — Схема установки для сварки электронным лучом: 1-высокотемпературный катод; 2-прикатодный электрод; 3-анод; 4-магнитная линза; 5-магнитная отклоняющая система; 6-изделие

Катод 1 нагревается до высоких температур. Он размещается внутри прикатодного электрода 2. На некотором расстоянии от катода размещается ускоряющий электрод (анод) 3 с отверстием. Прикатодный и ускоряющий электроды имеют форму, обеспечивающую такое строение электрического поля, которое фокусирует электроны в пучок с диаметром, равным диаметру отверстия в аноде. Положительный потенциал ускоряющего электрода может достигать нескольких тысяч вольт. Поэтому электроны, испускаемые катодом на пути к аноду, приобретают значительную скорость и энергию.

Электроны имеют одинаковый заряд и поэтому отталкиваются друг от друга. Диаметр пучка увеличивается, а плотность энергии в пучке уменьшается.

С целью увеличения плотности энергии в пучке электроны фокусируются магнитным полем в магнитной линзе 4 и высококонцентрированный пучок электронов с большой скоростью ударяется о малую ограниченную площадку изделия 6. Кинетическая энергия электронов, вследствие торможения в веществе, превращается в тепло, нагревая металл до высоких температур.

Управление пучком электронов по поверхности свариваемых изделий производится отклоняющей системой 5.

Для обеспечения свободного движения электронов от катода к изделиям, тепловой и химической изоляции катода, и также предотвращения возможности возникновения дугового разряда между электродами в установке создается глубокий вакуум порядка 10 -2 Па.

Пучок электронов ускоряется в вакууме напряжением до 100кВ и более. При изменении напряжении от 30 до 200 кВ скорость электронов изменяется от 0,33 до 0,67 скорости света.

Кинетическая энергия электронов при торможении внутри металла и вблизи его поверхности превращается в тепловую, расходуемую на плавление свариваемых кромок и образование в жидком углублении (канала) на всю толщину свариваемого металла. Этот процесс характеризуется высоким КПД, достигающим 90 %.

Источник нагрева в виде пучка электронов сосредоточен на малом пятне, диаметром в десятые и даже сотые доли миллиметра. При мощности пучка в десятки КВт плотность энергии превышает плотность энергии электрической сварочной дуги на два-пять порядков (от 10 5 до 10 9 Вт/см 2 ).

Такая концентрация энергии позволяет осуществить сварку с недостижимым для электродуговых методов отношения глубины к ширине проплавления (до 50:1).

Узкий шов, параллельность его границ и малая протяженность обусловливает незначительные линейные и угловые деформации свариваемых изделий. Практически отсутствует коробление. Это самое важное достоинство электронно-лучевой сварки.

Глубокое проплавление металла при низких значениях погонной энергии приводит к повышенной скорости кристаллизации малой по объему сварочной ванны, благодаря чему измельчается структура сварного шва.

Электронный луч является практически безынерционным источником тепловой энергии. Возможность тонкой регулировки мощности, фокусировки и положения луча на поверхности изделия позволяет широко использовать системы автоматизированного управления и программирования режимов сварки.

Сварку можно вести отдельными импульсами с различной скважностью, а перемещая луч непрерывно вдоль или поперек стыка, что позволяет сваривать с наименьшими производственными затратами крупные партии однотипных изделий. Номенклатура изделий свариваемых электронным лучом распространяется от деталей из тонкой фольги до деталей толщиной более 100 мм, соединяемых за один проход; от деталей микромеханики до сегментов корпусов самолетов и подводных лодок; от отдельных частей космических аппаратов до крупных серий в электро- и автомобилестроении.

При конструировании и выборе способа сварки следует учитывать следующие достоинства электронно-лучевой сварки.

широкий диапазон толщин свариваемых изделий — от долей миллиметра до 100 мм и более;
возможность получения узких швов с глубоким проплавлением;
возможность регулирования отношения глубины проплавления к ширине шва;
уменьшение роста зерна в шве;
большие скорости нагрева и охлаждения металла в вакууме, что позволяет получать максимальную степень чистоты и высокие физико- механические свойства соединения;
возможность сварки соединений различных типов, в том числе принципиально новых не выполняемых известными способами сварки плавлением.

Широкое внедрение электронно-лучевой сварки в высокотехнологичное производство затрудняется ее экономическими и техническими особенностями:

Электронно-лучевая сварка

Существует достаточно большое количество различных тугоплавких металлов, которые соединить между собой можно только при применении специальной технологии электронно-лучевой сварки. Ее суть заключается в фокусировании пучка света, который при воздействии на поверхность проводит ее нагрев.

Электронно лучевая сварка

Сегодня электроннолучевая сварка считается одной из быстро развивающихся технологий. Она применяется для работы с тугоплавкими и химическими активными, разновидными веществами и качественными сплавами. Среди ключевых моментов электронно лучевой сварки можно отнести следующие моменты:

Сваривание проводится за счет использования кинетической энергии летящих электронов, которые при соприкосновении с поверхностью становятся причиной нагрева поверхности.
Развитие подобного метода электронной сварки можно связать с появлением современной вакуумной техникой и электронной оптики. Только после того как стали производить подобное оборудование технология стала часто использоваться в металлургической области.

Установка для электронно-лучевой сварки

Электронно лучевая сварка может оказывать требуемое воздействие на твердые и тугоплавкие сплавы. За счет локального воздействия температуры можно получить качественное соединение.

Сущность процесса ЭЛС

Электронная пушка применяется в качестве генератора светового пучка. К ее особенностям отнесем следующие моменты:

В качестве генератора пучка и его перенаправления устанавливаются электроды и катоды.
Для того чтобы сфокусировать луч устанавливается оптический элемент. В зависимости от типа оборудования он может изготавливаться из различных материалов.
В качестве питания применяется бытовая сеть. Увеличить напряжение и другие параметры можно за счет встроенного трансформатора.

Технология электронно лучевой сварки предусматривает фокусирование луча за счет магнитной линзы. При касании электроны соударяются на большой скорости с небольшой поверхностью, при возникновении трения вырабатывается тепловая энергия. На этом этапе пучок кинетическая энергия становится тепловой, повышается пластичность обрабатываемого материала, и он плавится.

Процесс электронно лучевой сварки связан с применением специального оборудования. Оно позволяет получить качественное соединение, которое будет выдерживать существенное механическое воздействие и окружающей среды.

Существенно снизить потери энергии можно при проведении рассматриваемого процесса в условиях вакуума. За счет этого исключается вероятность термической деформации. Вакуумная среда выполняет несколько основных функций, которые должны учитываться:

Если сравнивать применение вакуумной среды с газовой или флюсом, то она защищает обрабатываемую поверхность более эффективно.
Обеспечивается высокая химическая защита катода.
Снижается потеря кинетической энергии. Это связано с тем, что частицы сфокусированного луча не соприкасаются с молекулами воздуха.
Повышается эффективность дегазации сварочной ванной. Вакуумная среда исключает вероятность появления оксидной пленки.

Однако, применение вакуумной среды существенно повышается стоимость процедуры. Это связано с тем, что специальное оборудование обходится достаточно дорого.

Техника ЭЛС

Электронно лучевая сварка характеризуется определенными особенностями, которые нужно учитывать. Среди особенностей выделим следующие моменты:

Плавка проходит по средней стенке углубления. Выполнять сварку нужно с учетом того, что расплавленный металл будет перемещаться к задней части сварочной ванной. После этого он начинает кристаллизоваться.
Можно проводить плавку непрерывным лучом. Исключением можно назвать обработку сплавов из алюминия или магния. Слишком высокая температура становится причиной ионизации паров. Именно поэтому в подобном случае рекомендуется применять импульсный луч.

При применении технологии, которая связана с воздействием на поверхность импульсного луча можно провести обработку заготовок небольшой толщины.

Параметры режима лучевой сварки и типы сварных соединений

Для качественной обработки поверхности материала следует рассмотреть основные параметры проведения электронной лучевой сварки. Они следующие:

Степень вакуумизации. Вышеприведенная информация определяет то, что при сварке в условиях вакуума существенно повышается эффективность процесса.
Показатели подаваемого тока в луче могут варьировать в большом диапазоне. Это связано с тем, что для толстых заготовок повышается показатель силы тока.
Скорость передвижения луча по поверхности определяет производительность технологии. Кроме этого, скорость передвижения увеличивается для исключения вероятности прожига металла.
Точность фокусировки луча также определяет эффективность процедуры. Этот показатель зависит от того, какое применяется оборудование.
Продолжительность пауз. Некоторые технологии предусматривают прерывистое воздействие светового импульса.

Образцы электронно-лучевой сварки

Основные параметры можно найти в специальных таблицах. Применяемое оборудование позволяет вводить основные параметры.

Особенности сварки лучевого типа

Технология применения сфокусированного луча встречается крайне редко. Рассматривая особенности сварки лучевого типа уделяется внимание следующим моментам:

Получить чистую поверхность и обеспечить максимальную степень дегазации металла можно только в случае проведения работы в условии вакуума.
Нагрев проводится до высокой температуры, за счет обеспечивается плавка металла в зоне контакта. За счет этого получается мелкозернистый шов с привлекательными характеристиками.

Подобный метод не приводит к образованию трещин. Именно поэтому он используется для работы с материалами, которые восприимчивы к сильному нагреванию и могут плавится.

Примером можно назвать процесс изготовления деталей из различных алюминиевых сплавов. Минимальная толщина обрабатываемых деталей составляет 0,02 мм, максимальный показатель около 100 мм.

Достоинства и недостатки электронно лучевой сварки

Как и у многих других технологий, у рассматриваемой также есть достоинства и недостатки. К положительным сторонам можно отнести:

На поверхность воздействует меньшее количество тепла. Как правило, при дуговой сварке оказывается более высокое тепловое воздействие. За счет этого существенно повышается степень коробления металла. Слишком высокая температура приводит к изменению кристаллической структуры.
Есть возможность провести обработку керамики и некоторых других трудноплавких металлов. При фокусировании луча можно проводить обработку поверхности диаметром менее одного миллиметра.
Высокое качество получаемого шва определяет то, что технология может применяться для получения ответственных изделий и декоративных элементов. Сфокусированный луч приводит к дегазации металлического шва, за счет чего повышается степень пластичности и некоторые другие параметры. Провести электронную сварку можно также и коррозионностойких сплавов.
Применяемое оборудование позволяет проводить регулировку мощности в достаточно большом диапазоне. Поэтому электронно лучевая сварка может использоваться для работы с различными заготовками.
Можно получить узкий, но глубокий шов. За счет этого существенно повышается прочность соединения.
При выборе импульсного режима можно исключить вероятность деформации поверхности из-за воздействия высокой температуры.
Метод может использоваться для термической обработки и перфорации, а также резки металла.

Есть и определенные недостатки. Они следующие:

Для создания вакуумной среды требуется определенное время. Именно поэтому существенно снижается показатель производительности подобной технологии.
В корне шва может появится полое отверстие. Именно поэтому следует проводить контроль качества соединения при применении специального оборудования.

Электронно лучевая сварка оправдана в том случае, если нужно провести обработку труднодоступных мест. Экономичность связана с небольшим показателем потребления энергии.

Виды сварочных лучевых установок

Оборудование для электронно лучевой сварки характеризуется высокой эффективность применения. Однако, сложность конструкции определяет ее высокую стоимость. В продаже встречается:

С элементом прямого накала катодов.
С элементом косвенного накала.

Некоторые установки электронно лучевой сварки могут проводить обработку поверхности по криволинейным траекториям. Для этого проводится установка компьютера, который и контролирует положение исполнительного органа относительно обрабатываемой поверхности.

Электронно-лучевая сварочная установка

Модели, выпускаемые зарубежными производителями, характеризуются высокой степенью автоматизации. Наибольшей эффективностью пользуется метод полного проплавления соединительного стыка.

Область применения

Как ранее было отмечено, рассматриваемый метод применяется для соединения различных материалов и сплавов, которые характеризуются высокой устойчивостью к воздействию тепла. Область применения следующая:

Обработка алюминия.
Соединение изделий, представленных сплавов из титана.
Обработка бериллиевых металлов.
Работа с танталом, ниобием, цирконием.
Обработка легированных сталей.

Качественные изделия могут получать в ракетостроении и атомной энергетике. Это связано с тем, что лучевая технология позволяет получить однородный шов.

Использование сварки в промышленности

Применение ЭЛС постоянно расширяется несмотря высокую себестоимость процесса и некоторые ее недостатки. Технология характеризуется показателем КПД почти 95%. Этот показатель больше чем у более распространенной дуговой сварки.

Промышленное применение выражено следующим образом:

При работе с активными металлами.
При обработке термоупрачненных металлов.
Для соединения тугоплавких материалов.
При работе с камнем и керамикой.
Для создания ответственных деталей.

Сегодня ЭЛС получила широкое распространение в сфере производства электронных изделий. За счет вакуума можно обеспечить герметизацию микросхем. При этом на поверхность может оказывать воздействие самая различная температура. Производительные установки подходят для работы в сфере авиации. Объем камер может варьировать в большом диапазоне. В заключение отметим, что в последнее время технология активно развивается. Это связано с возможностью получения качественных изделий при небольших затратах.

Оборудование для электронно-лучевой сварки

Классификация и состав электронно-лучевых установок

Рис. 5.9. Структура камерной электронно-лучевой установки:
ЭЛП — электронно-лучевая пушка; РК — рабочая камера; ВС ЭЛП — вакуумная система ЭЛП; ИУН — источник ускоряющего напряжения; ВС РК — вакуумная система РК: СУ — система управления установкой

В состав любой электронно-лучевой установки (рис. 5.9) входит: электронно-лучевая пушка (ЭЛП); источник питания ЭЛП; вакуумная система; система управления.

Электронно-лучевые пушки (ЭЛП)

ЭЛП служат для генерации и формирования электронного луча. Основные узлы ЭЛП: генератор электронови система проведения луча (рис. 5.10). Генератор электронов состоит из катода, управляющего электрода, или электрода Венельта, анода. Система проведения луча включает юстирующие, фокусирующие и отклоняющие катушки.

Катоды выполняются накальными (термокатоды прямого или косвенного накала) или плазменными. Материал термокатодов — вольфрам, тантал, сплавы этих металлов с рением, гексаборид лантана (LaB₆).

В случае термокатодов прямого нагрева нагрев осуществляется за счет пропускания через катод тока накала, а в термокатодах косвенного нагрева — за счет бомбардировки катода электронами от вспомогательного катода Материал высоковольтного изолятора — керамика, стекло, специальные пластмассы. Типичные материалы для анода и управляющего электрода — нержавеющая сталь, медь.

Ускоряющее напряжение приложено между анодом и катодом. Управление током луча осуществляется, как правило, путем изменения потенциала управляющего электрода по отношению к катоду.

Рис. 5.10. Типичная структура ЭЛП:
К — катод; УЭ — управляющий электрод; ЮК — юстирующие катушки; А — анод. ЭЛ — электронный луч; ФК — фокусирующие катушки; ОК — отклоняющие катушки; И — свариваемое изделие

Источники питания ЭЛП

Источники питания ЭЛП состоят из источника ускоряющего напряжения, а также источников питания УЭ, К, ЮК, ФК, ОК.

Источники ускоряющего напряжения выполняются с регулирующим элементом на первичной или вторичной стороне высоковольтного трансформатора, с преобразованием или без преобразования частоты питающего напряжения (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Функциональные схемы источников ускоряющего напряжения:
а — с тиристорным регулятором (ТР); б — с регулирующим элементом (РЭ) на вторичной стороне трансформатора; ВТ — высоковольтный трансформатор; ВВ — высоковольтный выпрямитель; Ф — фильтр; ВД — высоковольтный делитель

Регулировку на первичной стороне осуществляют тиристорными или транзисторными регуляторами, на вторичной стороне — специальной высоковольтной лампой. Для защиты от пробоев в ЭЛП источники ускоряющего напряжения обычно снабжаются устройствами автоматического повторного включения. Это позволяет без заметного ухудшения качества сварки проводить ЭЛС даже в условиях частых пробоев. Конструктивно источники ускоряющего напряжения размещают в баке с трансформаторным маслом, которое одновременно выполняет функции охлаждающей среды. Известны также источники ускоряющего напряжения на напряжение до 60 кВ, в которых в качестве изолирующей среды используется воздух или компаунды.

Для гальванического разделения в источнике питания управляющего электрода используют высокочастотные трансформаторы или пару светодиод/фототранзистор, соединенную световодом. Для обеспечения постоянства характеристик системы проведения электронного луча питание катушек ЮК, ФК, ОК (см. рис. 5.10) осуществляется от регуляторов тока.

Вакуумная система электронно-лучевой установки

Вакуумная система ЭЛУ служит для создания необходимого давления в ЭЛП и рабочей камере: как правило 10 -2 —10 -4 Па в ЭЛП и 10—10 -3 Па в рабочей камере. ЭЛП отсекается от рабочей камеры с помощью специального вакуумного клапана, который открывается на время проведения сварки (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Типичная вакуумная камера электронно-лучевой установки для сварки в промежуточном вакууме:
N1 — механический насос ЭЛП; N2 — высоковакуумный насос ЭЛП; N3 — двухроторный механический насос; N4 — золотниковый или пластинчато-роторный насос; VI — клапан откачки высоковакуумного насоса; V2 — клапан откачки ЭЛП высоковакуумным насосом; V3 — клапан откачки ЭЛП механическим насосом; V4 — клапан напуска в ЭЛП; V5 — клапан отсечки ЭЛП; V6 — клапан напуска в рабочую камеру (РК); V7 — клапан откачки рабочей камеры; V8 — напуск в насосы откачки рабочей камеры

В качестве механических насосов с предельным давлением 0,1—10 Па используются шиберные или золотниковые насосы и агрегаты на их основе, в состав которых включаются также двухроторные насосы (насосы Рутса). В качестве высоковакуумных насосов используются паромасляные или турбомолекулярные насосы.

Система управления электронно-лучевой установкой

Система управления (СУ) должна выполнять следующие основные функции:

программное управление работой всех систем установки;
диагностику работы всех систем установки;
контроль и управление положением электронного луча по отношению к стыку;
контроль и управление пространственными, энергетическими и временными характеристиками электронного луча;
связь с СУ более высокого уровня при работе в составе гибкой производственной системы.

Элементная база СУ — мини- и микроЭВМ, микропроцессоры. Все программное управление осуществляется либо одной достаточно мощной ЭВМ, либо центральной микроЭВМ и местными микроЭВМ, на которых реализуется локальное управление одним или несколькими устройствами.

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС)

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) осуществляется в вакууме за счет расплавления кромок основного металла сфокусированным потоком электронов, имеющим высокую удельную мощность q₂. Технологический диапазон для целей нагрева, плавления, испарения составляет ~10 4 —5*10 8 Вт/см 2 . Сварка металлов малых толщин (до 3 мм) ведется с удельной мощностью q₂≈10 4 Вт/см 2 , когда испарение с поверхности сварочной ванны незначительно. Однопроходная сварка металлов больших толщин (до 200—300 мм) требует q₂=10 5 ÷10 6 Вт/см 2 . В этом случае проникновение электронного луча на большую глубину сопровождается испарением металла и формированием канала проплавления, на стенках которого рассеивается практически вся мощность электронного луча. Канал проплавления, поверхность которого сильно перегрета относительно температуры плавления металла Т_пл и может достигать температуры кипения T_кип, движется через толщу металла, образуя по всей глубине канала область расплава металла, который перемещается в хвостовую часть ванны и гам кристаллизуется.Переход от сварки металлов малых толщин к однопроходной сварке металлов больших толщин осуществляется по достижении критической удельной мощности q₂*, величина которой для большинства металлов q₂*=10 5 ÷10 6 Вт/см 2 . Верхнее значение удельной мощности электронного луча для технологических целей ограничено уровнем q₂≤ Вт/см 2 (выше процесс обработки материала становится неуправляемым из-за взрывного характера разлета образующейся плазмы). Высокая концентрация энергии в луче позволяет получать при больших скоростях ЭЛС узкие и глубокие сварные швы с минимальной зоной термического влияния и высокими механическими свойствами металла шва и околошовной зоны.

Параметры и показатели ЭЛС

Параметрами электронного луча, измеряемыми в процессе сварки, являются: ток луча I, ускоряющее напряжение U, ток фокусирующей системы I_ф, рабочее расстояние (расстояние от центра фокусирующей системы до поверхности свариваемого изделия) l, угол сходимости луча α, скорость перемещения луча v.

При заданных значениях параметров: мощности (Вт) q=IU, l, I_ф, α можно определить диаметр электронного луча d и соответственно удельную мощность q₂, Вт/см 2 .

При использовании импульсно-периодического режима сварки средняя мощность луча, Вт, равна:

где I_и — ток луча в импульсе. A; U — ускоряющее напряжение. В; f — частота следования импульсов, Гц; τ — длительность импульса, с. Скорость сварки в импульсном режиме, см/с:

где К — коэффициент перекрытия точек (обычно K=0,5÷0,9); b — диаметр сварной точки, см. Количественными показателями ЭЛС являются: погонная энергия Q₁=q/v_св (Дж/см) — затраты энергии на единицу длины сварного шва; Q₂=q/v_свH (Дж/см 2 ) — затраты энергии на формирование единицы площади стыка; q/H (Вт/см) — затраты мощности на единицу глубины сварного шва; К=Н/В (здесь В — ширина шва, К — коэффициент формы шва; Н — глубина шва).

Типичные интервалы значений параметров электронного луча для сварки следующие: q=1÷120 кВт при U=25÷120 кВ, α= 1÷5°, l=20÷200 мм. v_св=0,1÷3 см/с, d=0,1÷3 мм, f=1÷100 Гц, τ=5÷100 мс, К>10.

Камеры и вакуум для электронно-лучевой сварки

Электронно-лучевую сварку осуществляют чаще всего вертикальным либо горизонтальным лучом (рис 5.1) в вакуумных камерах, размеры которых зависят от габаритов свариваемых изделий. Объем камер современных установок составляет от 0.1 (и менее) до сотен кубических метров.

Рис. 5.1. Схема установки электронно-лучевой сварки:
1 — пушка; 2 — электронный луч; 3 — изделие (труба); 4 — откачка; 5 — камера

Камера с находящейся на ней (или в ней) электронной пушкой, формирующей электронный луч, может откачиваться как до высокого (~10 -3 Па), так и до низкого (~1—10 Па) вакуума, но с отдельной откачкой объема электронной пушки до 10 -3 Па.

Даже в низком вакууме ~1 Па содержание кислорода в 17 раз, а азота в 10 раз меньше, чем в особо чистом аргоне, поэтому при ЭЛС защита расплавленного металла очень эффективна.

Установки с выпуском электронного луча в атмосферу на расстояние 15—20 мм при U = 175÷200 кВ обеспечивают мощность до 40 кВт и коэффициент формы шва K≈3 из-за малой удельной мощности вследствие сильного рассеяния луча.

Техника электронно-лучевой сварки

Сварку электронным лучом можно успешно применять в нижнем положении вертикальным лучом, вертикальным и горизонтальным швом на вертикальной стене (горизонтальным лучом) с неполным и сквозным проплавлением. Сварка в нижнем положении рекомендуется для толщин до 40 (стали) и до 80 мм (титановые и алюминиевые сплавы). Горизонтальным лучом со сквозным проплавлением сваривают металлы толщиной до 400 мм. Типичная взаимосвязь глубины проплавления с параметрами сварки представлена на рис. 5.6. Конструкция соединения для однопроходной ЭЛС выполняется с учетом глубокого проникновения луча в металл (рис. 5.7). Толщина зазора в стыке составляет 0,1—0,2 мм при глубине шва ≤20÷30 мм и 0,3 мм при глубине шва >30 мм. В общем случае, зазор должен быть меньше диаметра луча.

Рис. 5.7. Типы конструкций стыка при ЭЛС

При ЭЛС используют ряд технологических приемов для улучшения качества шва:

сварку наклонным лучом (отклонение в направлении перемещения на 5—7°) для уменьшения пор и несплошностей и создания более равномерных условий кристаллизации;
сварку с присадкой для легирования металла шва или восстановления концентрации легкоиспаряющихся в вакууме элементов;
сварку на дисперсной подкладке для улучшения выхода паров и газов из канала (подкладка толщиной ~40 мм из гранул или рубленой сварочной проволоки);
сварку в узкую разделку (0,8—8 мм) в нижнем положении за счет наплавки присадки в прямоугольную разделку кромок;
тандемную сварку двумя электронными пушками, из которых одна осуществляет проплавление, а вторая (меньшей мощности) формирует либо корень канала, либо хвостовую часть ванны. При квазитандемной сварке используют один луч, но периодически отклоняя его, например в хвост ванны, получают практически два луча;
предварительные проходы для проверки позиционирования луча и очистки и обезгаживания кромок свариваемых металлов;
двустороннюю сварку одновременно или последовательно двух противоположных сторон стыка примерно на половину толщины стыка. Одновременную двустороннюю сварку осуществляют как с общей ванной, так и с раздельными;
развертку электронного луча: продольную, поперечную, Х-образную, круговую, по эллипсу, дуге и т. п. с амплитудой порядка диаметра луча и частотами до 1—2 кГц для создания более благоприятных газо- и гидродинамических условий формирования канала (резонансные режимы нагрева). Двойное преломление луча в процессе развертки позволяет, например, расширить корневую часть канала, что необходимо для подавления корневых дефектов;
расщепление луча (за счет отклоняющей системы) для одновременной сварки двух и более стыков (точек);
модуляцию тока луча (обычно с частотой 1—100 Гц) для управления теплоподачей в сварной шов;
«косметическое» заглаживание — повторный проход для ремонта видимых дефектов шва как с внешней, так и с внутренней сторон. В некоторых случаях «косметические» проходы осуществляют с присадкой.

Особенности технологии сварки цветных, тугоплавких металлов и сплавов, а также конструкционных сталей подробно изложены в монографии: 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.

Электронно-лучевая сварка. Оборудование для электронно-лучевой сварки

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 сварочная технология. Минимальная толщина свариваемых деталей – 0,02 мм, максимальная – до 100 мм.

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

Электронно-лучевая технология широко применяется в промышленности для плавки и переплава металлов и сплавов в целях очистки их 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.

При электронно-лучевой сварке (ЭЛС) кинетическую энергию пучка электронов используют для расплавления кромок стыка примыкающих друг к другу деталей и образования сварного шва. Электронный луч обеспечивает высокую удельную мощность на поверхности пятна нагрева. По этому показателю электронный луч почти одинаков со световым лучом оптического квантового генератора (лазера) и существенно превосходит традиционные источники нагрева, применяемые при сварке.

Технологические параметры ЭЛС – это ускоряющее напряжение U, кВ; скорость сварки vcв, м/ч; сила тока (луча) Iл, мА; сила тока магнитной фокусирующей линзы Iм.л, мА. Последний параметр определяет диаметр пятна воздействия электронов на изделие. Изменением скорости сварки можно регулировать скорость кристаллизации металла сварного шва и термическое воздействие на основной металл в околошовной зоне.

При ЭЛС применяют традиционные для сварки плавлением типы соединений и новые, присущие только этому способу. Общие требования ко всем типам соединений – 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, особенно от органических веществ.

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

Основной узел установки для ЭЛС – электронно-лучевая пушка с системами электропитания и управления, формирующая электронный луч. На рисунке показана схема ЭЛС.

Схема электронно-лучевой сварки: 1 – электрическая спираль; 2 – катод; 3 – прикатодный электрод; 4 – ускоряющий электрод; 5 – магнитная фокусирующая система; 6 – вакуум; 7 – отклоняющая система; 8 – свариваемое изделие; 9 – вакуумная камера; 10 – электронный луч

Ведутся работы по созданию малогабаритных стационарных и передвижных вакуумных камер, обеспечивающих необходимое разрежение только в местах сварки. К большим достижениям при создании передвижных вакуумных сварочных камер следует отнести использование для подвижных вакуумных уплотнений ферромагнитных жидкостей, густеющих и даже твердеющих под действием магнитного поля.

Перспективным направлением исследований является вывод электронного луча достаточной мощности в атмосферу с местной защитой места сварки инертными газами. Очевидно, что проблема создания необходимого разрежения отсутствует в космосе, поэтому основным способом соединения при монтаже космических конструкций может стать ЭЛС. Первыми операторами электронно-лучевых установок, осуществившими сварку в открытом космосе, стали космонавты С.Е. Савицкая и В.А. Джанибеков.

2. Устройство установок электронно-лучевой сварки

Разработаны различные установки для ЭЛС широкого круга изделий, обеспечивающие стабильность процесса и высокое качество сварных соединений в условиях массового производства.

Создана база унифицированных узлов, технических решений, источников питания, электронно-лучевых и ионных пушек, программаторов процесса сварки и управления работой узлов установок, откачных и шлюзовых систем, систем визуального и телевизионного наблюдения, наведения и ведения луча по стыку, а также регистрации и документирования параметров сварки и технологического процесса. Специальные программы позволяют проводить паспортизацию и аттестацию изделий, основных параметров технологического процесса и качества сварного соединения.

По назначению оборудование для ЭЛС состоит из следующих установок:

для сварки кольцевых швов трубчатых изделий диаметром 6–140 мм и длиной до 4000 мм с концевыми деталями (заглушки, хвостовики, переходники);
универсальных для сварки кольцевых, торцовых и продольных швов изделий диаметром до 500 мм, длиной продольного шва до 700 и поперечного до 400 мм;
специализированных для сварки различных швов конкретных изделий;
энергетического оборудования (энергоблоки) для комплектования и модернизации электронно-лучевого оборудования, имеющегося на предприятиях заказчика;
телевизионного оборудования для наблюдения и ведения луча по стыку;
системы регистрации и документирования параметров технологического процесса сварки.

Рассмотрим три первых типа установок.

Первый тип установок создавался для нужд атомной энергетики, в частности для герметизации тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), сварки технологических каналов и других элементов активных зон реакторов типа РБМК и ВВЭР в условиях массового производства. К этому типу относятся установки СА-330, СА-340 и СА-413.

Установка СА-330 предназначена для сварки трубчатых изделий диаметром 6–14 мм и длиной до 4000 мм с концевыми деталями того же диаметра. Конструктивно установка состоит из цилиндрической вакуумной камеры, в которой помещается выкатываемый барабан вместимостью на 120 изделий, вакуумной стойки, стойки автоматики, энергоблока и системы регистрации технологического процесса сварки. Сварка изделий проводится в водоохлаждаемой цанге. Все системы установки работают в автоматическом режиме. Установка может эксплуатироваться как автономно, так и в составе автоматической линии, при этом она оснащается агрегатами загрузки и выгрузки изделий.

Ко второму типу установок относят универсальные установки для ЭЛС изделий из тугоплавких, химически активных и цветных металлов, специальных сталей и сплавов. Выполняют сварку кольцевых, торцовых и продольных швов изделий толщиной до 30, диаметром до 50 и длиной до 700 мм.

Наличие координатного стола с программным управлением, на который устанавливают различное технологическое оборудование, энергоблока с широкими технологическими возможностями и современных систем управления технологическим циклом делает этот тип установок универсальным для сварки широкой номенклатуры изделий и различных типов швов с заданными параметрами соединения.

К этому типу относят установки СА-424, СА-424М, СА-445, СА-451.

Установка СА-424 базовая и предназначена для сварки кольцевых и торцовых швов длиной до 300 мм изделий диаметром до 300 мм. Установка легко встраивается в состав технологических цепочек производства. Остальные установки этого типа являются ее модификациями и отличаются различным исполнением и размером вакуумной камеры, ходами координатного стола, откачными системами, наличием дополнительных механизмов и других систем, расширяющих технологические возможности установки при сварке самых разных изделий промышленного производства.

Так, установка СА-445 оснащена соосными, синхронными и раздвижными вращателями с изменяемой по углу осью вращения и дополнительной пушкой для ионной очистки поверхности изделий перед сваркой. Установка имеет безмасляную систему откачки и может встраиваться в технологический цикл сварки ответственных изделий.

Установка СА-451 предназначена для работы в цеховых и лабораторных условиях и снабжена откатываемой дверью и приемным столом, на который выкатывается координатный стол с технологическим оборудованием для загрузки и выгрузки изделий.

Отличительные особенности установки: безмасляная система откачки камеры и пушки; наличие ионной пушки, многопозиционного вращателя, телевизионной системы наведения луча на стык и системы регистрации параметров сварочного процесса.

Технические характеристики установки приведены в таблице.

Технические характеристики установки СА-451

Регистрируемые параметры технологического процесса сварки: ток луча; ускоряющее напряжение; скорость сварки; ток фокусировки.

К третьему типу оборудования относят специализированные установки для ЭЛС конкретных изделий различных отраслей промышленности.

В зависимости от свариваемых материалов и требований к качеству сварного соединения установки оснащают безмасляными системами откачки, ионными пушками для ионной очистки изделий перед сваркой, датчиками активного контроля и управления параметрами технологического процесса, устройствами параллельного переноса луча и т. д.

Для повышения производительности в установках предусмотрены шлюзовые устройства загрузки-выгрузки, позиционеры, питатели, накопители и другие устройства. К этой группе относятся установки СА-252, СА-472, СА-508, СА-613.

Установка СА-252 предназначена для герметизации химически активных материалов в алюминиевых оболочках, оснащена передаточным шлюзом, сборочным боксом с перчаточными узлами, позиционером на 12 изделий.

Установка СА-472 рассчитана на сварку кольцевых швов при укрупнении деталей из металла монокристаллической структуры и приварку крышек к пеналам из тугоплавких материалов. Конструктивно установка выполнена в модульном исполнении, для чего постоянная часть вакуумной камеры с установленной на ней пушкой имеет косой стыковочный фланец для подсоединения модулей с технологической оснасткой для различных изделий.

Модуль для сварки изделий из монокристаллической структуры содержит накопитель заготовок и сборочно-сварочное приспособление, позволяющее ориентировать оси монокристаллов заготовок перед сваркой. В модуле для приварки крышек к пеналам из тугоплавких металлов предусмотрен специальный четырехпозиционный загрузочный шлюз.

Для контроля температуры поверхности изделий монокристаллической структуры имеется система бесконтактного метода измерения температуры. Установка оснащена безмасляной системой откачки вакуумной камеры и пушкой для ионной очистки поверхности изделия перед сваркой.

Установка СА-508 рассчитана на вварку труб в трубные доски, имеет блок параллельного переноса луча, позволяющий выполнять сварку в труднодоступных местах.

Установка СА-613, предназначенная для сварки деталей и узлов двигателя автомобиля, оснащена шлюзом загрузкивыгрузки и двумя пушками для выполнения различных швов в разных пространственных положениях.

Рассмотренные установки оснащены унифицированным энергоблоком типа СА-505 в различных исполнениях и различной комплектности. Энергоблок состоит из источника питания ЭР224, в состав которого входят силовой шкаф на базе тиристорного инвертора частотой 5 кГц; высоковольтный масляный бак; электронно-лучевая пушка типа СА-449; стойка «Управление» СА-424; телевизионная система наблюдения, наведения луча на стык и пульт управления.

Силовой шкаф состоит из инверторов и блоков управления ими. Управление током луча и его стабилизация могут осуществляться как за счет обратной связи по накалу катода, так и по запирающему напряжению.

Высоковольтный масляный бак предназначен для размещения в нем высоковольтной части источника, для обслуживания и ремонта бак снабжен встроенным подъемником.

Стойка «Управление» предназначена для управления параметрами электронного луча – технологическим процессом сварки. Стойка включает программатор на базе микропроцессора для программирования функции пути или времени основных параметров сварочного цикла с памятью на 64 программы и возможностью циклического перехода программ; блок регистрации параметров технологического процесса сварки на основе микропроцессора с формирователем интерфейса; блок отклонения луча по осям с переключением выбора частоты, амплитуды и формы сигнала; блок фокусировки, работающий в режиме жесткой стабилизации тока фокусирующей катушки; блок автоматической фокусировки электронного датчика с оптическим для обеспечения заданной глубины проплавления; генератор импульсов; блок запирающего напряжения и два стабилизированных привода.

3. Электронно-лучевые пушки

Электронно-лучевая пушка СА-449 предназначена для формирования электронного луча и конструктивно состоит из законченных функциональных узлов с унифицированными стыковочными фланцами, что позволяет компоновать разные исполнения.

Пушка трехэлектродная с прямонакальным катодом и дифференциальной системой откачки.

Высоковольтный изолятор выполнен на основе компаунда МБК-1 и материалов, исключающих образование токопроводящих следов на поверхности изолятора после возможных высоковольтных пробоев. Поверхность изолятора не накапливает электрических зарядов.

Конструкция катодного блока позволяет быстро заменять катод без нарушения юстировки, что обеспечивается специальной оснасткой для постановки катода в катодный узел.

Электронно-лучевую пушку выпускают в нескольких исполнениях в зависимости от величины ускоряющего напряжения и комплектации дополнительными узлами, такими как устройство визуального осевого наблюдения зоны сварки, вакуумный затвор с ручным или электромеханическим приводом и т. д.

На базе энергоблока ЭР224 создан энергоблок М57/58 для применения совместно с газовой электронно- и ионно-лучевыми пушками. Газовая пушка СА-458 формирует пучок ионов или электронов из плазмы газового разряда. В качестве плазмообразующего газа используют воздух, аргон или гелий. Энергоблок применяют при сварке химически активных металлов со значительным коэффициентом испарения. Пушка СА-458М предназначена для получения пучков ионов инертных газов при обработке изделий высокоактивных металлов, имплантации атомов инертных газов в поверхностный слой изделий.

Системы управления некоторых установок, разработанных в Научно-исследовательском и конструкторском институте монтажной технологии – НИКИМТ (г. Москва), были построены на базе микропроцессорных программируемых контроллеров, в частности установка СА-340 – на базе контроллера «Гранит-КЗ», ряд установок типа СА-330 (СА-330М, СА-330М1 и СА-330М2) – на базе контроллеров КМС-1. Внедрение этих контроллеров позволило создать систему управления нового поколения для данного типа сварочных установок.

Для автоматизации управления параметрами технологического процесса сварки используют специализированный программируемый контроллер (программатор) СА-424.10. Во встроенной энергонезависимой памяти контроллера можно хранить до 64 программ сварочных циклов. Данный контроллер позволяет проводить сложные исследования по усовершенствованию сварочной технологии и обеспечивает высокую повторяемость качества сварных швов по уже разработанным программам.

Специфика сварки тепловыделяющих элементов потребовала внедрения особых методов разработки программного обеспечения для контроллеров, управляющих этими сварочными установками. Была предложена специальная методика параллельного программирования контроллеров, обеспечивающая их параллельную работу по единому алгоритму в режиме реального времени.

С помощью программной системы управления на базе контроллеров впервые была полностью автоматизирована работа вакуумной установки. Одна из самых продолжительных подготовительных операций проводится в автоматическом режиме и не требует от оператора постоянного внимания и присутствия у пульта управления.

В программе управления сваркой было введено несколько режимов:

автоматический, в котором выполняется основная сварка изделий;
ручной, когда отлаживается цикл сварки с устанавливаемыми в программаторе параметрами сварки;
наладочный, используемый в основном для ремонта и последующей наладки отдельных узлов, а также для проверки работоспособности устройств и агрегатов при профилактических мероприятиях;
настроечный, служащий для настройки электронного луча, программатора и системы управления высоковольтным источником питания.

В автоматическом цикле сварки при возникновении ситуаций сбоя в ходе выполнения некоторых операций (невыход изделия на позицию сварки за установленное время, нефиксирование изделия в определенной позиции также за фиксированное время и т. д.) в программе управления предусмотрены выход из этих ситуаций без участия оператора и продолжение сварки остальных изделий в автоматическом режиме. Это существенно сэкономило время выхода из таких сбоев.

Программная система управления в процессе сварки изделий позволила проводить переключение автоматического режима на ручной и обратно без останова работы системы. Обычно это применяется при настройке режимов цикла сварки для получения необходимого качества сварного шва изделий.

Читайте также: