Электронно-лучевая сварка

 

Содержание

Введение…………………………………………………………………..…….3

1. Электронно-лучевая сварка…………………………………………....……5

1.1 Техника электронно-лучевой сварки…………………………….………..6-8

1.2 Основные параметры  режима электронно-лучевой сварки………….....8-11

1.3 Преимущества сварки  электронным лучом…………………………...11-12

1.4 Недостатки сварки электронным лучом………………………………….12

2. Специфические дефекты в сварных швах при электронно-лучевой сварке…………………………………………………………………….…13-14

3. Технологические приемы сварки………………………………………...15-20

4. Экономическая эффективность электронно-лучевой сварки………….20-21

5. Применение электронно-лучевой сварки в различных отраслях………………………………………………………..……………21-22

Заключение…………………………………………………………………….23

Выводы……………………………………………………………………….....24

Список литературы……………………………………………………………..25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение 

В XXI веке развитие авиационной промышленности, а затем и космической, характеризуется в первую очередь тем, что они интенсивно аккумулируют все новые достижения науки и техники. Наиболее наглядным и характерным примером этому является разработка и внедрение различных методов получения неразъемных соединений.

Требования, предъявляемые  к качеству сварных соединений на сегодняшний день очень высоки

В настоящее время существует большое количество методов и  способов сварки. Особое применение в проектировании и производстве космических кораблей, самолетов, приборов управления полетом, получила электронно-лучевая технология сварки. К преимуществам данной технологии относится полная автоматизация, большая экономия электроэнергии и материала, высокая глубина проплавления, концентрация глубины проплавления по всему диапазону.

Указанные преимущества технологии делают актуальным ее применение для целей сварки тонкостенных деталей и микросварки герметизации корпусов в авиационной промышленности. Это означает, что благодаря электронно-лучевой сварки можно добиться высокого качества сварного шва, без понижения физических свойств, повысить ресурсы и мощность машин, создавать сложные узлы, детали и конструкции.

 

 

 

 

 

 

 

1.Электронно-лучевая сварка 

Электронно-лучевая сварка - сварка с высокой концентрацией  теплоты, отличной защитой. Сущность процесса состоит в использовании кинетической энергии потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме. Для уменьшения потери кинетической энергии электронов за счет соударения с молекулами газов воздуха, а также для химической и тепловой защиты катода в электронной пушке создают вакуум порядка 104 - 106 мм. рт. ст.[1]

    Электроны, обладающие достаточно высокой энергией, могут проникать в обрабатываемый материал на некоторую глубину. Максимальная глубина, пройдя которую электрон теряет свою энергию, зависит от ускоряющего напряжения и плотности обрабатываемого материала и может быть выражена зависимостью δ = 2,35 • 10-12U2/ ρ, гдe δ - глубина проникновения, cм; U - ускоряющее напряжение, B ; ρ - плотность обрабатываемого материала, г/см3. Так, для стали с плотностью 7,8 г/см3 при U = 60 кВ δ ≈ 12 мкм. Следовательно, энергия электронного луча преобразуется в тепловую внутри тонкого поверхностного слоя. Взаимодействие электронного луча с обрабатываемым материалом вызывает ряд явлений, влияющих на технологию сварки и конструкцию сварочных установок. Тепловое и рентгеновское излучения, отраженныe, вторичные и тепловые электроны незначительнo снижают эффективно используемую дoлю энергии электронного луча для нагревa и плавления свариваемого металла.  

При воздействии пучка  электронов сравнительно невысокой  плотности мощности (до 1 • 105 Вт/см2) процесс электронно-лучевая сварки подобен процессу обычной электродуговой сварки. Проплавление существенно ограничено по глубине и в поперечном сечении близко по форме к полусфере. Такой процесс при меняется для сварки малых толщин (дo 3 мм). [1]

Рисунок 2. Обычный электронно-лучевой  монитор

 

1.1 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. 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. [3]

Рисунок 3. Типы конструкций стыка при ЭЛС. [3]

 

 

Рисунок 4. Технология электронно-лучевой сварки [8]

 

При ЭЛС используют ряд технологических приемов  для улучшения качества шва:

1. сварку наклонным лучом (отклонение в направлении перемещения на 5—7°) для уменьшения пор и несплошностей и создания более равномерных условий кристаллизации;
2. сварку с присадкой для легирования металла шва или восстановления концентрации легкоиспаряющихся в вакууме элементов;
3. сварку на дисперсной подкладке для улучшения выхода паров и газов из канала (подкладка толщиной ~40 мм из гранул или рубленой сварочной проволоки);
4. сварку в узкую разделку (0,8—8 мм) в нижнем положении за счет наплавки присадки в прямоугольную разделку кромок;
5. 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;
6. предварительные проходы для проверки позиционирования луча и очистки и обезгаживания кромок свариваемых металлов;
7. 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;
8. 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;
9. расщепление луча (за счет отклоняющей системы) для одновременной сварки двух и более стыков (точек);
10. модуляцию тока луча (обычно с частотой 1—100 Гц) для управления теплоподачей в сварной шов;
11. «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.

 

1.2 Основные  параметры режима электронно-лучевой  сварки

Основные параметры  режима электронно-лучевой сварки (таблица 1):

1. сила тока в луче;
2. ускоряющее напряжение;
3. скорость перемещения луча по поверхности изделия;
4. продолжительность импульсов и пауз;
5. точность фокусировки луча;
6. степень вакуумизации.

Металл	Толщина, мм	Режим сварки			Ширина шва, мм
		Ускоряющее  напряжение, кВ	Сила тока луча, мА	Скорость сварки, м/ч
Вольфрам	0,5	18...20	40...50	60	1,0
	1,0	20...22	75...80	50	1,5
Тантал	1,0	20...22	50	50	1,5
Таль типа 18-8	1,5	18...20	50...60	60...70	2,0
	20,0	20...22	270	50	7,0
	35,0	20...22	500	20	-
Молибден+вольфрам	0,5 + 0,5	18...20	45...50	35...50	1,0

 

Таблица 1 Режимы электронно-лучевой сварки.[2]

Для перемещения  луча по поверхности изделия используют перемещение изделия или самого луча с помощью отклоняющей системы. Отклоняющая система позволяет осуществлять колебания луча вдоль и поперек шва или по более сложной траектории. Низковольтные установки используют при сварке металла толщиной свыше 0,5 мм для получения швов с отношением глубины к ширине до 8:1. Высоковольтные установки применяют при сварке более толстого металла с отношением глубины к ширине шва до 25:1. [2]

Основные типы сварных соединений, рекомендуемые  для электронно-лучевой сварки, приведены на рисунке 2. Перед сваркой требуется точная сборка деталей (при толщине металла до 5 мм зазор не более 0,07 мм, при толщине до 20 мм зазор до 0,1 мм) и точное направление луча по оси стыка (отклонение не больше 0,2 ... 0,3 мм). [2]

Рисунок 5.Типы сварных соединений при сварке электронным лучом

а - стыковое (может  быть с бортиком для получения  выпуклости шва ); б - замковое; в - стыковое деталей разной толщины; г - угловые; д и е - стыковые при сварке шестерен; ж - стыковые с отбортовкой кромок

При увеличенных  зазорах (для предупреждения подрезов) требуется дополнительный металл в  виде технологических буртиков или  присадочной проволоки. В последнем  случае появляется возможность металлургического  воздействия на металл шва. Изменяя зазор и количество дополнительного металла, можно довести долю присадочного металла в шве до 50%.

 

Рисунок  6.Схемы прозвучивания , необходимые для выявления поперечных эксплуатационных  дефектов на наружно й(а) и на внутренней (б) поверхности трубопровода

 

1.3 Преимущества  сварки электронным лучом 

Сварка электронным  лучом имеет значительные преимущества:

1. Высокая концентрация ввода теплоты в изделие, которая выделяется не только на поверхности изделия, но и на некоторой глубине в объеме основного металла. Фокусировкой электронного луча можно получить пятно нагрева диаметром 0,0002 ... 5 мм, что позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. В результате можно получить швы, в которых соотношение глубины провара к ширине до 20:1 и более. Появляется возможность сварки тугоплавких металлов (вольфрама, тантала и др.), керамики и т.д. Уменьшение протяженности зоны термического влияния снижает вероятность рекристаллизации основного металла в этой зоне. [4]
2. Малое количество вводимой теплоты. Как правило, для получения равной глубины проплавления при электронно-лучевой сварке требуется вводить теплоты в 4 ... 5 раз меньше, чем при дуговой. В результате рез ко снижаются коробления изделия.
3. Отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла газами. Наоборот, в целом ряде случаев наблюдается дегазация металла шва и повышение его пластических свойств. В результате достигается высокое качество сварных соединений на химически активных металлах и сплавах, таких как ниобий, цирконий, титан, молибден и др. Хорошее качество электронно-лучевой сварки достигается также на низкоуглеродистых, коррозионно-стойких сталях, меди и медных, никелевых, алюминиевых сплавах. [4]

1.4 Недостатки  сварки электронным лучом 

Недостатки электронно-лучевой сварки:

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

2. Специфические  дефекты в сварных швах при  электронно-лучевой сварке

Особенности гидродинамических, тепловых и деформационных процессов  при формировании сварного шва в  ходе электронно-лучевой сварки приводят к образованию специфических дефектов, снижающих эксплуатационные характеристики соединений.

Рисунок 4 Схема поведения канала при электронно-лучевой сварке : a - канал свободен oт жидкости; б - отражение волны жидкого металла от хвостовой части ванны; в - захлопывание канала. [7]

В следствие  периодического заливания дна пародинамического  канала наблюдаются неравномерность  проплавления с образованием пилообразной формы нижней части границы литой  зоны, образование пор и усадочных  раковин, особенно в корневой части шва, из -за недостатка жидкого металла при высокой скорости кристаллизации литой зоны малых размеров.

Корень шва  имеет типичную пичковую структуру. Каждому пичку в корне шва  соответствует чешуйка на поверхности  шва, т.е. для сварного шва при  ЭЛС характерна, как правило, слоистая структура.

Для предотвращения корневых дефектов необходимо формировать  пародинамический канал с достаточно широкой нижней частью и закруглением канала. Изменение формы канала осуществляется изменением формы распределения плотности мощности электронного пучка в зоне сварки, например круговым сканированием пучка. Расширение корня шва позволяет также уменьшить опасность несплавлений свариваемых деталей из-за проявления остаточных или наведенных магнитных полей.

В центре шва  по всей его высоте вследствие нормального теплоотвода в месте стыковки встречно-растущих кристаллитов и сосредоточения легкоплавких включений может возникать зона пониженной прочности с образованием продольных горячих трещин. Иногда их называют срединными трещинами. Их высота обычно составляет 2... 15 мм, а ширина 0,1... 0,3 мм . Следует при этом учитывать и высокую жесткость соединения при сварке больших толщин. [7]