Электронно-лучевая сварка

При уменьшении скорости сварки (при q2 = const) глубина  канала увеличивается. На выходе канала возможны захлопывание канала жидким металлом и образование полости (рисунок  4). [7]

К специфическим  дефектам ЭЛС следует также отнести  отклонение канала проплавления oт  линии стыка вследствие отклонения луча при сварке сталей c остаточной намагниченностью. Для ликвидации этогo дефекта проводят предварительное размагничивание свариваемого изделия.

Из сказанного здесь следует, что геометрия  и качество швов при ЭЛС взаимосвязаны  более сильно, чем при дуговых  способах сварки.

 

3. Технологические  приемы сварки

Для улучшения качества шва и повышения производительности процесса ЭЛС разработано и применяется большое количество технологических приемов. Наиболее изученные и апробированные из них : формирование шва с обязательным полным проплавлением; развертка и наклон пучка; модуляция тока пучка; подача присадочного материала ; применение подкладок ; сварка смещенным и «расщепленным» пучком; выполнение прихваток и предгасительных проходов. Достаточно изученные и обоснованные приемы , но не получившие широко го применения, - тандемная сварка и сварка в узкую разделку. Рассмотрим наиболее освоенные приемы.

Полное  проплавление свариваемого стыка - самый надежный и простой способ, позволяющий исключить корневые дефекты, свести к минимуму угловые деформации, уменьшить вероятность образования раковин и пор благодаря улучшению условий дегазации металла сварочной ванны. При сварке в нижнем положении этот прием применяется для соединения металлов c δ < 40 мм , а при сварке горизонтальным электронным пучком c δ ≤ 400мм. B последнем случае чтобы предотвратить вытекание из сварочной ванны жидкого металла иногда устанавливается ограничительная планка вдоль нижней кромки стыка.[5]

Развертка электронного пучка. Очень широко используются такие развертки пучка : Х-образная, продольная, поперечная, по окружности, пo эллипсу, дуге и т.п. c амплитудой порядка диаметра пучка, c частотами дo 1... 2 кГц. [5]

Эффект от развертки проявляется в изменении мгновенного и усредненного по периоду распределения плотности мощности электронного пучка. Соответственно меняются конфигурация сварочной ванны и характер гидродинамических процессов. Благодаря этому при сварке металлов больших толщин удается сильно расширить диаметр и повысить устойчивость канала в сварочной ванне, что благоприятно влияет на стабильность формирования швов : уменьшает разбрызгивание расплавленного металла, предотвращает вытекание расплава из ванны при сварке горизонтальным пучком. Вследствие изменения формы шва уменьшается склонность к образованию трещин, протяженных полостей и корневых дефектов.

Сварка  наклонным электронным пучком. При сварке металлов большой толщины рекомендуется применять постоянное отклонение электронного пучка в направлении его перемещения по изделию. При этом удается избежать S-образной формы фронта кристаллизации, улучшить условия дегазации расплавленного металла пpи сварке в нижнем положении и обеспечить опок жидкости металла из глубины ванны при сварке на подъем. В последнем случае создаются практически одинаковые условия кристаллизации расплава по всей глубине сварочной ванны. Экспериментально установлено, что угол отклонения пучка должен составлять 5...7°. Такой прием позволяет уменьшить количество несплошностей и пор.[5]

Модуляция тока электронного пучка. Чтобы уменьшить тепловложение при сварке тонколистовых (дo 1 мм) материалов, а также чтобы осуществить точечную сварку, обычно используют импульсную модуляцию тока электронного пучка c частотой 1... 100 Гц. При шовной сварке частота импульсов и скорость сварки выбираются так, чтобы отдельные проплавленные участки перекрывали друг друга. Модуляцию пучка применяют для предотвращения образования трещин, для обеспечения возможности сварки тонкостенных малогабаритных деталей.

Многочисленные  попытки применения модуляции тока пучка при сварке металлов средних и больших толщин не нашли широкого применения из-за интенсивного разбрызгивания металла, значительных подрезов с обеих сторон шва.[5]

Электронно-лучевая  сварка с присадкой. Этот прием используют иногда для легирования металла шва, для восстановления необходимой концентрации легкоиспаряющихся элементов в шве и достаточно широко - при больших зазорах в стыке и исправлении дефектов шва.

В качестве при  садочного материала для непрерывной  подачи в процессе сварки используются прутки, ленты, сплошная или рубленая проволока, гранулы и порошок. Наибольшее промышленное применение нашла сварка с подачей присадочной проволоки диаметром 0,8 ... 1,6 мм, особенно для ремонта швов. Обычно проволоку вводят в сварочную ванн у позади электронного пучка под углом 15...450 к его продольной оси. При этом режим подачи выбирается так, чтобы часть проволоки расплавлялась в жидком металле ванны, а часть - непосредственно электронным пучком.[5]

При переменном зазоре в стыке предложено применять системы автоматического регулирования скорости подач и присадочного материала. Параметром, за которым «следит» такая система, служит либо ширина зазора, либо ширина или высота усиления шва.

Зачастую между  стыкуемыми поверхностями деталей помещается тонкий слой другого, переходного материала в виде ленты, гранул или порошка, предназначенного для легирования металла шва. Слой переходного материала может быть также нанесен напылением, осаждением и ли наплавкой на стыкуемые поверхности. Толщина слоя переходного материала в виде вставки должна быть равна диаметру электронного пучка, а в случае наплавки может достигать 10мм. Такая разновидность приема позволяет осуществить наиболее однородное легирование металла шва.

При сварке на легирующей подкладке одновременно обеспечивается выведение корневых дефектов в подкладку. Равномерное легирование шва достигается благодаря интенсивному переносу жидкого металла из глубины ванны к ее поверхности. Толщина подкладки должна составлять ≥20 ... 25 % общей глубины шва.

Возможна также  сварка с использованием легирующей накладки. Толщина ее не должна превышать  высоты усиления шва. Область применения этой модификации приема ограничивается отсутствием или затруднительностью контроля положения электронного пучка  по отношению к стыку.

Сварка  на дисперсной подкладке. Чтобы улучшить выход газов и паров из сварочной ванны и уменьшения интенсивности гидродинамических явлений в ней, а также для снижения трудоемкости удаления подкладки сварку металлов толщиной ≥40 мм в нижнем положении рекомендуется осуществлять на подкладке из гранул или же рубленой сварочной проволоки. Конструктивно такая подкладка выполняется в виде металлической коробки с отверстиями, закрытым и металлической сеткой. Коробка наполняется дисперсным материалом. Режим сварки выбирается так, что с варочная ванна достигает наполнителя подкладки. При этом газы и пары из зоны сварки удаляются через промежутки между частицами наполнителя и отверстия в стенках коробки.[5]

Сварка  с постоянным поперечным смещением электронного пучка. При сварке, а также при сварке-пайке разнородных металлов электронный пучок смещают относительно плоскости симметрии стыка в сторону более тугоплавкого металла. Величина смещения либо рассчитывается, либо определяется экспериментально.

Смещение пучка  применяется также в ряде случаев  для компенсации его поперечного  отклонения продольным (вдоль стыка) магнитным полем, возникающим иногда при сварке разнородных металлов и сплавов.

Сварка  «расщепленным» пучком. Используя отклонение электронного пучка импульсным током (при изменении полярности) прямоугольной формы в электромагнитной отклоняющей системе пушки, можно одновременно сваривать отдельными точками или непрерывными швами два или более близко расположенных стыков. При шовной сварке период колебаний пучка выбирается исходя из условия устойчивости пародинамического канала в сварочной ванне, a время переброса пучка между стыками - из условия несплавления поверхности изделия. Поскольку здесь имеет место несовпадение при этом оси отклоненного пучка и плоскости симметрии стыка, такой прием подходит только при сварке металлов малых толщин.

Прихватки. При ЭЛС ферромагнитных материалов прихватки желательно выполнять электронным пучком, так как использование для этих целей дуговых методов сварки приводит к появлению намагниченности. Предпочтительно пучком выполнять прихватки и на термически упрочненных материалах.

Длина прихваток  должна обеспечивать функционирование системы позиционирования пучка  и слежения за стыком. Поэтому прихватки  выполняют обычно длиной ≤2 0 ... 30 мм.

Порядок наложения  прихваток вдоль стыка от середины к его краям. Число прихваток  определяется конструкцией свариваемых деталей.

При выполнении прихваток на всю глубину шва осуществляется тaк называемая секционированная сварка, например для предотвращения возникновения микротрещин вследствие термических деформаций при сварке протяженных замкнутых стыков. Шов выполняют отдельными участками, причем в такой последовательности, чтобы каждый последующий участок отстоял от предыдущего как можно дальше. Желательно выдерживать паузы между сваркой отдельных участков. [5]

 

Электронно-лучевая сварка отклоненным пучком электронов. В Институте электросварки им. Е. О. Патона разработана техника и технология электронно-лучевой сварки изделий из сталей и алюминиевых сплавов отклоненным на 90 градусов пучком электронов. Такая техника позволяет выполнять сварку и косметическое «заглаживание» швов в трудно доступных местах или с внутренней стороны трубчатых конструкций длиной до 1200мм. Благодаря этому исключается необходимость в трудоемкой механической обработке корневой части швов, что имеет место при сварке, осуществляемой с внешней стороны изделия. Технология сварки отклоненным пучком электронов предусматривает использование компьютернойтехники, позволяющей управлять параметрами сварки, а формирование шва и оплавление свариваемых кромок отображать с помощью вторично-электронной эмиссии на экране дисплея в режиме реального времени.[6]

 

4.Экономическая эффективность электронно-лучевой сварки

Помимо основных технологических преимуществ электронно-лучевой сварки, таких как: надежно защищенная зона сварки от газов атмосферы, минимальные сварочные деформации, малая ширина зоны термического влияния и шва, для этого прецизионного способа соединения характерная высокая экономическая эффективность.

Использование электронно-лучевой техники позволяет  значительно снизить затраты  благодаря высоким КПД и скоростям  обработки, бесконтактному способу  воздействия, широкому выбору обрабатываемых материалов, отсутствию необходимости дополнительных послесварочных работ.

Сокращение  расходов

1. Широкий выбор обрабатываемых материалов
2. Отсутствие необходимости использования присадочного материала и защитного газа при сварке
3. Отсутствие необходимости рихтовки и послесварочной обработки (минимальное коробление)
4. Интеграция в производственные линии
5. Новые решения в конструктивном исполнении и при планировании производства позволяют улучшить существующие изделия и создать принципиально новые.

 

5. Применение электронно-лучевой сварки

Электроннолучевую сварку применяют при сварке жаропрочных и высокопрочных сталей и сплавов на основе титана и алюминия, сварки молибдена, тантала, ниобия, вольфрама, циркония, никеля, бериллия, меди, алюминия и др. Для точной обработки и сварки микродеталей ( например, в микроэлектронике и других областях) используются высоковольтные электронные пушки с ускоряющим напряжением до 150 кв, токе пучка от 0,3 до 20 ма, дающие па изделии очень тонкий пучок диаметром от 0,01 до 0,1 мм. При этом обеспечивается высокая удельная мощность в пятне на изделий, достигающая 2000 квт/мм2. Работа на высоковольтных установках требует особой защиты персонала от радиоизлучения.

 В связи  с трудностями создания вакуум-камер  больших размеров таким путем  свариваются пока преимущественно не очень крупные изделия. Некоторое сходство с электроннолучевой сваркой имеет сварка когерентным световым лучом, создаваемым специальными источниками — лазерами. Мощный световой луч с чрезвычайно высокой концентрацией энергии может плавить, сваривать, прожигать, резать металлы и другие материалы. Вакуум при этом не требуется. Обрабатываемый материал может быть удален от генератора светового луча — лазера.

 Электроннолучевая  сварка используется в авиа- и  ракетостроении, ядерной энергетике, радиоэлектронике, точном машиностроении и приборостроении. Этот способ перспективен для соединения металлоконструкций в условиях космического пространства: ремонтной сварке, постройке орбитальных станций, устранении их повреждений и других подобных работах. При этом используется естественный вакуум и питание аппаратуры от солнечной энергии[9].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Процесс образования  сварного соединения ранее обычно связывали  с нагревом металла до высоких  температур. Современные представления  о природе металлических межатомных связей показывают возможность использования этого механизма для соединения металлов в твердом состоянии.

При электронно- лучевой сварке, 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.