Электронно-лучевая сварка

Технология электронно-лучевой сварки

Техника ЭЛС

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

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

Технологические приёмы ЭЛС

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

Волченко В.Н. Сварка и свариваемые материалы, том 2.

См. также:

Оборудование для электронно-лучевой сварки

Электронно-лучевая

Источник нагрева – энергия ускоренных электронов сфокусированного электронного луча, который формируется электронной пушкой. Процесс сварки проводится в вакуумной камере с помощью электронного луча.

Плавление металла происходит вследствие энергии, полученной в результате интенсивной бомбардировки быстро передвигающимися в вакууме электронами места сварки. Кинетическая энергия электронов после их удара о поверхность деталей превращается в тепловую. Металл плавится, и образуется сварочный шов.

Метод применяется в авиационной, космической отрасли, приборостроении.

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.

Разогрев происходит на участке в доли миллиметра и имеет весьма значительную глубину проваривания, соединяемых деталей. Высокоточная регулировка позволяет сваривать заготовки как небольшой (0,01 мм), так и весьма значительной толщины, в зависимости от мощности потока электронов.

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.

Важно учитывать, что при высоких значениях ускоряющего напряжения (более 60 кВ) возникает рентгеновское излучение, от которого необходима дополнительная защита

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.

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.

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:

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

Вид металла	Толщина заготовки, мм	Режим сваривания	Ширина шва, мм
Напряжение ускоряющее, кВ	Величина тока на луче, мА	Скорость сварки, м/ч
Вольфрам	0,5	19	45	60	1
1	21	77	50	1,5
Тантал	1	2	50	50	1,5
Сталь марки 18-8	1,5	19	55	65	2
20	21	270	50	7
35	21	500	20	–
Сплав молибдена и вольфрам	0,5 + 0,5	19	47	44	1

Где применяется электронно-лучевая сварка

Поскольку ЭЛС обладает высокой плотностью создаваемой мощности, которая достигает 10 8 Вт/см², и осуществляется в вакуумной среде, подобная технология дает возможность скреплять тугоплавкие и химически активные металлы и их сплавы, такие как:

вольфрам;
тантал;
молибден;
ниобий;
цирконий;
титан;
алюминий;
высоколегированная сталь.

Данные материалы можно сваривать как в однородных, так и разнородных сочетаниях при разных толщинах и температурах плавления. Естественно, выбор ускоряющего напряжения, силы тока луча и скорость обработки во многом зависят от физико-механических свойств детали. Например, при работе с вольфрамом толщиной 0,5 мм разность потенциалов составляет 18 кВ, ток равен 40 мА, а скорость перемещения луча достигает 60 м/ч. Тогда как для 35-миллиметровой стали эти показатели будут несколько иными: 22 кВ, 500 мА, 20 м/ч.

Электронно-лучевой сварочный процесс получил широкое применение в тех отраслях, где нежелательна или невозможна высокая термообработка изделия, при этом шов должен отличаться большой надежностью и эстетической привлекательностью. Поэтому ЭЛС часто используется в авиакосмической сфере, энергетике, машиностроительной промышленности, приборостроении и электровакуумном производстве.

Шов крепления нержавеющей стали

Преимущества и недостатки по сравнению с другими видами сварки

Как уже отмечалось, электронный луч отличается высокой плотностью мощности, уступая по этому показателю только лазерному лучу и значительно превосходя ацетилено-кислородное пламя и электрическую дугу. Кроме того, площадь пятна нагрева является минимальной и составляет около 10 -5 см² (для сравнения, при обработке металлических деталей ацетиленом создается пятно контакта минимум 0,2 см², а электрической дугой – 0,1 см²).

Еще одним существенным преимуществом ЭЛС является полная дегазация рабочей области, в результате чего достигается высококачественное соединение химически активных металлов. Отсутствие воздействия атмосферных кислорода и водорода на шов позволяет добиться его более однородной и плотной структуры, а также избежать последующей коррозии.

Основной недостаток описываемого способа – высокие затраты на создание условий вакуума. Этот метод сварки работает в узкоспециализированном диапазоне задач, для высокотехнологичных дорогостоящих деталей с серьезными требованиями по допускам.

Классификация по тонкости шовных соединений

К минусам электронно-лучевого воздействия также можно отнести высокие требования к качеству обрабатываемой поверхности, которая в обязательном порядке должна быть очищена от следов консервации, ржавчины и других дефектов. При этом очистку материала, как правило, выполняют в несколько этапов – начиная механической обработкой и заканчивая применением специальных химических реагентов. К тому же после загрузки подготовленных деталей в камеру требуется длительное время для достижения необходимого вакуума, что не всегда подходит для серийного и массового производства.

В этом плане ацетилено-кислородная и электро-дуговая технологии являются более простыми и производительными. И если в первом случае шов не всегда выглядит эстетично, то при использовании электрической дуги многое зависит от применяемой защитной среды. Правильно подобранная смесь не только делает соединение более аккуратным, но и существенно повышает его надежность. Подробнее про сварочные смеси для разных видов металлов вы можете узнать, перейдя по этой ссылке.

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.

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.

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.

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.

Технология электронно-лучевой сварки

Техника ЭЛС

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