Понятие и применение электронно-лучевой сварки

Понятие и применение электронно-лучевой сварки

Идея электронно-лучевой сварки появилась в 50-х годах прошлого века во Франции. Она заключалась в том, что сваривать большинство видов металлов можно, бомбардируя их потоком отрицательно заряженных частиц.

Довольно быстро на свет появились первые опытные установки ЭЛС, и к настоящему моменту они с успехом применяются во многих областях промышленности, как правило — в высокотехнологичном и высокоточном производствах.

Принцип действия

Лучевая сварка в целом — это метод создания неразрывно-монолитного соединения металлов воздействием на их стыки высокоэнергетического луча. При этом природа луча может быть различной.

В электронно-лучевой сварке луч представляет собой плотно скомпонованный поток быстро движущихся электронов, которым сообщается большая кинетическая энергия. При столкновении с металлической поверхностью эта энергия переходит в теплоту, вызывая расплавление металлов.

Воздействие возможно как непрерывным, так и импульсным лучом. В последнем случае частота импульсов обычно находится в диапазоне от 100 до 500 Гц.

Существует и такое понятие, как сварка световым лучом. Изредка так ошибочно называют электронно-лучевую сварку. На самом деле этот термин к ней неприменим, поскольку электронный луч не относится к видам светового излучения, так как невидим.

Свет — это диапазон электромагнитных излучений, видимых человеческому глазу. Сваркой световым лучом правильнее называть лазерную сварку. Лазерный луч действительно представляет собой поток когерентного светового излучения.

Для инициирования электронного потока используются специальные установки — электронные пушки. Луч инициируется мощным электрическим полем, напряжение которого достигает 100 кВ.

При этом в установке создается максимально приближенное к абсолютному вакууму состояние. Из нее выкачивают воздух, создавая давление порядка 10 в минус 4…10 в минус 6 степени мм рт. ст. Это практический предел вакуума, которого можно достичь в промышленности.

Вакуумирование установки необходимо для того, чтобы электроны не теряли кинетическую энергию, сталкиваясь с атомами воздуха. Оно дает приятный побочный эффект — в результате этого происходит дегазация шва. Сварочное соединение не насыщается элементами атмосферного воздуха либо защитных газов.

Данные обстоятельства ведут к тому, что электронно-лучевая сварка имеет широкий спектр достоинств — но в то же время и несколько существенных недостатков, которые ограничивают повсеместное распространение данного метода.

Достоинства

Электронно-лучевая сварка относится к высокотехнологичным видам сварочных работ и применяется, соответственно, на сложных и высокоточных производствах. Основной недостаток у нее, по сути своей, один — установка лучевой сварки сложна в производстве и монтаже, поэтому стоит очень дорого — порядка нескольких миллионов.

Ее применение оправдано и рентабельно там, где стоимость изделия на выходе по всем остальным производственным факторам коррелирует со стоимостью сварочной установки.

Как правило, это отрасли производства, где требуется сверхвысокое качество соединения, в том числе металлов, сварка которых иными методами затруднена или невозможна. К таким относятся химически активные металлы (алюминий, магний и особенно титан), а также сверхтвердые и тугоплавкие.

У электронно-лучевой сварки есть и другие преимущества. Она имеет высокий КПД, что влечет за собой потребление меньшего количества энергии, которое нужно затратить на одну операцию (по сравнению с контактной или дуговой электросваркой).

Сварка электронно-лучевым методом имеет минимальную область пятна нагрева — до 0, 00001 кв. см, меньше — только у лазерной сварки. У нее максимальная мощность в точке нагрева — до 100 миллионов ватт на кв. см (выше только у лазера).

Особенность электронно-лучевой технологии позволяет выполнить дегазацию сварного шва, появляется возможность сваривать химически активные металлы — ниобий, молибден, титан, цирконий. Возможна сварка очень тугоплавких металлов, таких, как вольфрам, так как основная энергия тратится именно на нагрев точки контакта.

Нет необходимости использовать дополнительные средства — припои, флюсы, присадки, плавящиеся и неплавящиеся электроды. широкий диапазон свариваемых деталей по толщине — от десятых долей миллиметра до 200 мм.

Возникает возможность тонко регулировать глубину проплавления и появляется прецизионная точность. Сварка лучом электронов идет практически без участия человека, оператор установки только задает и контролирует параметры.

У нее высокая скорость — до 5 см/сек, и есть возможность изготавливать детали очень малых размеров и сложной конфигурации, варить в труднодоступных местах.

При электронно-лучевой сварке появляется шов «кинжального» сечения, глубокий и узкий, с минимальным наплавлением. Величина угловых деформаций сводится к минимуму.

Недостатки

Разумеется, есть у электронно-лучевой сварки и недостатки. Основной — высокая стоимость самой установки. К другим относятся:

  • сложность контроля проплавления толстого металла — у основания шва могут сохраниться лакуны, воздушные поры;
  • теоретическая возможность повышенного количества брызг металла, появления подрезов или провисов (что характерно и для других методов сварки);
  • длительная и сложная настройка оборудования, требующая высокой квалификации от наладчика;
  • для каждой операции установку требуется перенастраивать, что на практике уменьшает диапазон ее возможностей. Не каждое соединение целесообразно выполнять на станке электронно-лучевой сварки.

Кроме того, перед началом электронно-лучевой сварки детали необходимо очень тщательно зачистить. Первый этап зачистки проводят механическими способами, а второй — физико-химическими, с помощью специальных растворителей.

В некоторых случаях применяется еще и третий — незначительное оплавление краев соединяемых деталей перед сваркой включением установки на малой мощности.

Конструкция установок

Установка электронно-лучевой сварки может быть смонтирована стационарно, либо располагаться внутри вакуумной камеры. Она всегда включает в себя, кроме камеры:

  • катод и анод;
  • механизм транспортировки (самой пушки или деталей);
  • насос для нагнетания вакуума;
  • систему электромагнитного отклонения луча;
  • систему позиционирования электронного пучка;
  • различные вспомогательные устройства и систему управления на основе соответствующего ПО.

В качестве примера можно привести установку ЭЛТУ-60. Этот аппаратный комплекс отечественного производства (НИТИ «Прогресс) предназначен для однопроходной сварки различных, в том числе разнородных металлов и сплавов. Имеет ограничение по толщине — до 30 мм.

Область, в которой используется эта и аналогичные установки — создание воздушных и космических кораблей, изготовление турбин, ядерная энергетика, массовое изготовление подшипников, конструирование сложных электровакуумных приборов, а также другие области особо ответственного назначения.

Электронно-лучевая сварка

Автор: Игорь

Дата: 26.02.2017

  • Статья
  • Фото
  • Видео

Для узкоспециализированных отраслей промышленности, где используются высокоактивные металлы, часто применяются нестандартные технологии. Это обусловлено тем, что обыкновенными методами очень сложно добиться поставленных результатов требуемого качества. Электронно-лучевая сварка является методом соединения металлических изделий, в котором в качестве основного источника энергии для расплавления и достижения нужной температуры выступает кинетическая энергия электронов. Она появляется в пучке, который выпускается соответствующей установкой, в качестве которой выступает электронная пушка. Также тут нужно обеспечивать защиту при помощи изоляции от внешних факторов путем их устранения, а не замещения, как это происходит в других методиках.

Электронно лучевая сварка

Данная методика далеко не так широко распространена, как остальные. Здесь множество сложностей в использовании самого оборудования, обслуживания и так далее. Тем не менее, это относительно безопасный и экологически чистый метод, почти не подвергающий опасности здоровье сварщика. Данная техника выпускается на протяжении более полувека.

Область применения

Основной сферой применения является сварка тугоплавких металлов, которые применяются в авиационной и космической отраслях. Благодаря своей тонкости работы установки электроннолучевой сварки находят применение в приборостроении. Также ведется работа с активными металлами, сложно переносящими контакт с газами и прочими элементами. Если требуется сварить шов, в котором нужна большая глубина проплавления, то следует использовать именно такой способ.

Крупные металлоконструкции, в которых металл обладает высокими качествами износостойкости и трудно поддается температурной обработке, может быть легко сварен таким методом. Электронно-лучевая сварка справляется со многими сложными работами. Для нее практически нет проблемных металлов, так что все сложные варианты сварки проводятся с ее помощью.

Преимущества

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

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

Недостатки

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

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

Режимы

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

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

Сами режимы для каждого типа свариваемого металла выглядят следующим образом:

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:

  1. Сваривание проводится за счет использования кинетической энергии летящих электронов, которые при соприкосновении с поверхностью становятся причиной нагрева поверхности.
  2. 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:

  1. В качестве генератора пучка и его перенаправления устанавливаются электроды и катоды.
  2. Для того чтобы сфокусировать луч устанавливается оптический элемент. В зависимости от типа оборудования он может изготавливаться из различных материалов.
  3. 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:

  1. Если сравнивать применение вакуумной среды с газовой или флюсом, то она защищает обрабатываемую поверхность более эффективно.
  2. Обеспечивается высокая химическая защита катода.
  3. Снижается потеря кинетической энергии. Это связано с тем, что частицы сфокусированного луча не соприкасаются с молекулами воздуха.
  4. 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:

  1. 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.
  2. 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:

  1. Степень вакуумизации. Вышеприведенная информация определяет то, что при сварке в условиях вакуума существенно повышается эффективность процесса.
  2. Показатели подаваемого тока в луче могут варьировать в большом диапазоне. Это связано с тем, что для толстых заготовок повышается показатель силы тока.
  3. Скорость передвижения луча по поверхности определяет производительность технологии. Кроме этого, скорость передвижения увеличивается для исключения вероятности прожига металла.
  4. Точность фокусировки луча также определяет эффективность процедуры. Этот показатель зависит от того, какое применяется оборудование.
  5. 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:

  1. Получить чистую поверхность и обеспечить максимальную степень дегазации металла можно только в случае проведения работы в условии вакуума.
  2. 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:

  1. 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.
  2. Есть возможность провести обработку керамики и некоторых других трудноплавких металлов. При фокусировании луча можно проводить обработку поверхности диаметром менее одного миллиметра.
  3. 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.
  4. Применяемое оборудование позволяет проводить регулировку мощности в достаточно большом диапазоне. Поэтому электронно лучевая сварка может использоваться для работы с различными заготовками.
  5. Можно получить узкий, но глубокий шов. За счет этого существенно повышается прочность соединения.
  6. При выборе импульсного режима можно исключить вероятность деформации поверхности из-за воздействия высокой температуры.
  7. Метод может использоваться для термической обработки и перфорации, а также резки металла.

Есть и определенные недостатки. Они следующие:

  1. Для создания вакуумной среды требуется определенное время. Именно поэтому существенно снижается показатель производительности подобной технологии.
  2. 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:

  1. С элементом прямого накала катодов.
  2. 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:

  1. Обработка алюминия.
  2. Соединение изделий, представленных сплавов из титана.
  3. Обработка бериллиевых металлов.
  4. Работа с танталом, ниобием, цирконием.
  5. 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.

Читайте также  Технология сварки технического трубопровода

Промышленное применение выражено следующим образом:

  1. При работе с активными металлами.
  2. При обработке термоупрачненных металлов.
  3. Для соединения тугоплавких материалов.
  4. При работе с камнем и керамикой.
  5. 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.

Электронно-лучевая сварка: понятие, особенности и технология процесса, состав применяемого оборудования

Электронно-Лучевая Сварка (ЭЛС) — это один из видов сварки плавлением. Источником энергии для осуществления процесса ЭЛС служит электронно-лучевая пушка с системой управления электронным пучком (лучом).

Технология процесса ЭЛС регламентируется отраслевыми стандартами и подлежит контролю качества по ГОСТ ISO 13919-1—2017 «Сварка. Соединения, полученные электронно-лучевой и лазерной сваркой. Руководство по оценке уровня качества для дефектов».

Область применения

Этот вид неразъёмного соединения различных материалов нашел широкое применение в авиационно-космической технике, судостроении, строительстве, микроэлектронике и других сферах человеческой жизнедеятельности, где необходимо сваривать тугоплавкие, прецизионные (особо чистые) материалы с уникальными свойствами.

Такие металлы, как вольфрам, тантал, молибден, ниобий, имеющие температуры плавления выше 2500 °C, могут быть сварены только лучевыми методами сварки.

Уникальность метода заключается в том, что с его помощью удается сваривать как сверхтонкие детали толщиной до десятков микрон, так и особо толстые (200…300 мм) конструкции из однородных и разнородных металлов и даже некоторые неметаллические материалы.

Особенности процесса электронно-лучевой обработки

Сущность процесса состоит в использовании кинетической энергии потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме под воздействием электромагнитного поля. Для уменьшения потери кинетической энергии электронов за счет соударения с молекулами газов воздуха, а также для химической и тепловой защиты катода в сварочной камере создают вакуум до 10 -6 Па.

Электронный луч в зоне сварки обладает высокой мощностью, превосходящей альтернативные сварочные источники, уступая по некоторым параметрам только лучу лазера.

Сварка может производиться как непрерывным, так и импульсным электронным лучом. Импульсные лучи большой плотности с частотой импульсов 100—500 Гц используются при сварке легко испаряющихся металлов, таких, как алюминий, магний, цинк.

Схема электронно-лучевой сварки

ЭЛС позволяет соединять между собой термоупрочненные, тугоплавкие, а также химически активные при высоких температурах материалы. Создает минимальную околошовную зону термического влияния.

КПД электронно-лучевой сварки составляет рекордные 85…90 %. Но такие достижения сопряжены с большими капитальными затратами на оборудование.

Речь идет не только об основном технологическом оборудовании, но и о системах обеспечения вакуума, необходимого для ведения процесса сварки, а также о ЧПУ для автоматизированного управления этим процессом.

Технология и оборудование

Оборудование для электронно-лучевой сварки можно разделить:

  • на универсальное, то есть предназначенное для реализации различных технологических процессов по обработке любых материалов: разделительная резка и прожигание отверстий; сварка и наплавка; нанесение покрытий и напыление; гравировка и т. д.
  • и специализированное – предназначенное для выполнения конкретных операций при изготовлении серийных деталей и конструкций.

В состав оборудования входят:

Для ЭЛС применяются установки и агрегаты камерного типа (свариваемые детали помещаются целиком в рабочую камеру) и бескамерные (вакуум создается локально — только в месте выполнения сварочных работ).

Технологические приемы и регулируемые параметры ЭЛС

  1. Для уменьшения пор в сварном шве применяют регулировку наклона луча на 5-7° от перпендикуляра.
  2. Для легирования металла шва возможно применение присадок.
  3. Применение способа соединения без разделки кромок или в узкую разделку.
  4. Одновременное или последовательное использование двух электронных лучей, при этом один луч производит проплавление металла, а второй формирует корень шва.
  5. Возможность варьировать продольную и поперечную развертку электронного луча по форме сечения.

Основные параметры режима электронно-лучевой сварки:

  • сила тока в луче;
  • ускоряющее напряжение;
  • скорость перемещения луча по поверхности изделия;
  • продолжительность импульсов и пауз;
  • точность фокусировки луча;
  • глубина вакуума.

Преимущества и недостатки

Обычно преимущества и недостатки определяются в сравнении с аналогами. В данном случае приходится говорить об условных недостатках, так как для определенных конструкций и свариваемых материалов просто нет альтернативных методов и аналогов для сравнения. Главным и непревзойденным преимуществом является высокое качество сварных швов.

Электронно-лучевая сварка: суть метода, технология, где используется, плюсы и минусы

Электронно-лучевая сварка. Технология

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.


Один проход позволяет соединить детали от 0,1 мм до 400 мм независимо от химического состава, свариваемых металлов.

Этот метод позволяет воздействовать на соединяемые металлы пучком электронов с высокой энергетикой, которые вызывают в вакууме расплав металла или сплава с последующим свариванием заготовок. 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.

Существуют два компонента, которые обеспечивают бесперебойный процесс электронно-лучевой 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.

Важно понимать, что технические условия процесса, делают метод весьма затратным и высокотехнологичным, что исключает его применение в домашних или бытовых условиях.

Параметры

Электронная сварка с использованием луча должна производиться с соблюдением важных параметров, от этого зависят прочностные характеристики сварного шва. К ним относятся:

  1. Степень вакуумизации. Это означает, что при сварочном процессе в вакууме происходит сильное повышение эффективности работ.
  2. Объемы подаваемого тока в луче могут изменяться в широком диапазоне. Чем больше будет толщина свариваемой детали, тем выше должны быть показатели силы тока.
  3. Скоростные показатели передвижения луча на поверхности определяют степень производительности сварочных работ. Помимо этого повышение скорости передвижения предотвращает прожигание металлической основы.
  4. Точная фокусировка луча оказывает влияние на эффективность сварки. Но это зависит от того, какое оборудование используется для электронно-лучевой сварки.
  5. Длительность пауз. В некоторых технологиях может наблюдаться прерывистое влияние импульса.

Стоит отметить! Основные требования и принципы проведения данной сварочной технологии можно найти в специальной документации и ГОСТах. А используемое оборудование позволяет вводить основные параметры.

Электронная сварочная технология с использование луча — уникальный метод соединения металлических элементов, который не имеет аналогов. За счет высокой производительности и больших возможностей сварку используют практически во всех областях промышленности. При помощи этого способа производят различные конструкции с высокой важностью.

Режимы

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

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

Сами режимы для каждого типа свариваемого металла выглядят следующим образом:

Электронно-лучевая сварка — технология и особенности

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

История

Первая установка для электронно-лучевой сварки была создана в МЭИ в 1958 году. В настоящее время выпускаются установки ЭЛУ-27, ЭЛСТУ-60, MEBW-60 и др.

Принцип действия

Лучевая сварка в целом — это метод создания неразрывно-монолитного соединения металлов воздействием на их стыки высокоэнергетического луча. При этом природа луча может быть различной.

Читайте также  Технология работ по газовой сварки труб

В электронно-лучевой сварке луч представляет собой плотно скомпонованный поток быстро движущихся электронов, которым сообщается большая кинетическая энергия. При столкновении с металлической поверхностью эта энергия переходит в теплоту, вызывая расплавление металлов.

Воздействие возможно как непрерывным, так и импульсным лучом. В последнем случае частота импульсов обычно находится в диапазоне от 100 до 500 Гц.

Существует и такое понятие, как сварка световым лучом. Изредка так ошибочно называют электронно-лучевую сварку. На самом деле этот термин к ней неприменим, поскольку электронный луч не относится к видам светового излучения, так как невидим.

Свет — это диапазон электромагнитных излучений, видимых человеческому глазу. Сваркой световым лучом правильнее называть лазерную сварку. Лазерный луч действительно представляет собой поток когерентного светового излучения.

Для инициирования электронного потока используются специальные установки — электронные пушки. Луч инициируется мощным электрическим полем, напряжение которого достигает 100 кВ.

При этом в установке создается максимально приближенное к абсолютному вакууму состояние. Из нее выкачивают воздух, создавая давление порядка 10 в минус 4…10 в минус 6 степени мм рт. ст. Это практический предел вакуума, которого можно достичь в промышленности.

Вакуумирование установки необходимо для того, чтобы электроны не теряли кинетическую энергию, сталкиваясь с атомами воздуха. Оно дает приятный побочный эффект — в результате этого происходит дегазация шва. Сварочное соединение не насыщается элементами атмосферного воздуха либо защитных газов.

Данные обстоятельства ведут к тому, что электронно-лучевая сварка имеет широкий спектр достоинств — но в то же время и несколько существенных недостатков, которые ограничивают повсеместное распространение данного метода.

Сущность

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

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

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

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

Мат. часть процесса

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

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

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

Все процессы происходят в вакуумной камере. Безвоздушная среда:

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

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

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

Преимущества

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

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

Недостатки

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

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

Режимы

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

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

Сами режимы для каждого типа свариваемого металла выглядят следующим образом:

Толщина заготовки, мм Режим сваривания

Технология

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

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

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

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

Схема электронно-лучевой сварки

Используемое оборудование

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

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

Пример оборудования для электронно-лучевой сварки

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

  • Блок питания;
  • Электронная пушка.

Заключение

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

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: