124814 (Электронный луч в технологии), страница 3

Работа, затраченная электрическим полем на перемещение заряда из одной точки в другую, равна произведению величины заряда на разность потенциалов между этими двумя точками. Эта работа затрачивается на сообщение электрону кинетической энергии.

Таким образом энергия электронов может достигать больших значений и зависит от разности потенциалов разгоняющего поля; в настоящее время эксплуатируются электронно-лучевые установки с ускоряющим напряжением в электронно-лучевой пушке до 200 кВ.

Физическая картина внешних явлений, сопровождающих действие электронов на металл, состоит из рентгеновского излучения, теплоизлучеия, возникновения отраженных, вторичных электронов, испарения металла в виде атомов и ионов металла. Схема данных явлений изображена на рис.3.

Вторичные электроны делятся на три группы: упруго отраженные электроны, энергия которых примерно равна падающим; электроны, отраженные в результате неупругого соударения и имеющие более или менее большие потери; собственно вторичные электроны, энергия которых не превышает 50 эВ.

Рис.3 Фйзическая картина явлений, сопровождающих проникновение электронов в веществе:

1 - атомы металла,

2 - ионы,

3 - пучок электронов,

4 -рентгеновское излучение,

5 - отраженные и вторичные электроны,

6 - тепловое и световое излучение

Характерные значения параметров сварочных электронных лучей:

- минимальный радиус пучков 0,1... 1 мм;

Рис.4. Типичная форма сварного шва при ЭЛС

- энергия 10...200 кэВ;

• мощность - до 120 кВт.

Плотность энергии в источнике нагрева является одной из основных характеристик источника и определяет его эффективный коэффициент использования тепла, форму провара, размеры зоны термического влияния, сварочные деформации и поводки. Электронный луч – наиболее эффективный источник нагрева металла при сварке, поскольку плотность энергии в луче превышает плотность энергии электрической сварочной дуги более чем на три порядка.

Ниже приведены сравнительные данные по максимальной плотности энергии (Рmах) и минимальной площади пятна нагрева (Smіn) для различных видов сварки:

Вид сварки Smіn, ММ² Рmах, кВт/ММ²

Газовая 1 0,5

Электродуговая 0,1 1,0

ЭЛС и лазерная 10'⁵ 5-10³

При сварке электронным пучком формируется узкий и глубокий шов. Глубина проплавления достигает 200...400 мм, а отношение глубины проплавления к средней ширине шва составляет 20..30 (см. рис.4).

Столь глубокое проникновение электронов в металл объясняется образованием канала в сварочной ванне практически на всю ее глубину. Основным фактором, вызывающим образование канала в жидком металле, является давление отдачи пара при испарении. В связи с этим канал в сварочной ванне часто называют пародинамическим.

Технологические возможности и преимущества электронно-лучевой сварки состоят в следующем:

•При ЭЛС возможно соединение за один проход металлов и сплавов толщиной в наиболее широком среди других методов сварки диапазоне - от 0,1 до 400 мм.

•Благодаря высокой концентрации энергии в луче, минимальному вводу тепла и высокой скорости охлаждения, зона термического влияния при ЭЛС имеет существенно меньшую протяженность, а снижение свойств в ней относительно небольшое. Особое значение это имеет для аустенитной стали, сплавов циркония, молибдена и других металлов, склонных при нагреве к значительному росту зерна и снижению коррозионной стойкости.

•Глубокое проплавление металла при малой погонной энёргии, имеющее место при ЭЛС, обусловливает значительно большую скорость отвода тепла от зоны сварки, что обеспечивает увеличение скорости кристаллизации малой по объему сварочной ванны с получением мелкокристаллического строения металла шва, по своим свойствам мало отличающегося от основного металла.

•Ввод значительно меньшего количества тепла при ЭЛС, особенно на импульсном режиме, по сравнению с дуговой сваркой дает возможность во много раз уменьшить деформации изделий.

•Большая концентрация энергии в малом поперечном сечении луча и возможность переноса энергии лучом на значительное расстояние от катода дают возможность использовать электронный луч при сварке в узкую щель, когда методы дуговой сварки не могут быть использованы.

•При ЭЛС рабочее расстояние "электронная пушка -изделие" можно изменять в значительных пределах без существенного изменения параметров шва. Рабочее расстояние выбирается в пределах 50-120 мм для низковольт-ных пушек и 50-500 мм - для высоковольтных. При этом изменение рабочего расстояния в процессе сварки на 1...5 мм не оказывает существенного влияния на качество соединения.

•Эффективная защита металла от взаимодействия с газами в процессе сварки, осуществляемой в высоком вакууме.

•Отклонение потока электронов в магнитном поле осуществляется практически безынерционно, что дает возможность перемещать электронный луч по сложным контурам по программе с использованием электронно-вычислительной техники.

•Существенное в 8...10 раз - снижение энергетических затрат по сравнению с другими дуговыми методами.

•ЭЛС является наиболее рационалъным методом соединения:

- иделий из тугоплавких металлов;

- изделий из термически упрочненных металлов, когда нежелательна, затруднена или невозможна последующая термообработка;

- изделий после окончательной механической обработки при необходимости обеспечения минимальных сварочных деформаций;

• конструкций больших толщин ответственного назначения.

Недостатки метода ЭЛС:

•Сложность и высокая стоимость оборудования.

•Необходимость наличия вакуумных камер, что ограничивает размеры свариваемых изделий.

•Вредное рентгеновское излучение в процессе ЭЛС.

•Необходимость высококвалифицированного персонала.

Параметрами режима ЭЛС являются сила тока, ускоряющее напряжение, скорость сварки, ток фокусировки. Проплавляющая способность электронного луча определяется, в основном, величиной ускоряющего напряжения и, в меньшей мере, величиной тока электронного луча. Ток в фокусирующей магнитной лизе влияет на размеры пятна нагрева и, следовательно, на величину удельной тепловой энергий. Изменяя ток фокусировки, можно изменить ширину ванны и глубину проплавления.

К числу наиболее важных технологических параметров относятся также тип и геометрия стыкового соединения и пространственное положение сварного шва и электронного пучка. Для однопроходной ЭЛС применяются типы соединений, в основном, характерные для сварки плавлением. Отличительными типами соединений являются соединени:

• под сварку проникающим электронным пучком (см. рис.5.1),

• под сварку в углублении и труднодоступных местах (см. рис.5.2),

• под сварку тавров через полку (см. рис.5.3).

• отбортовка кромок (см. рис.5.4) применяется обычно в изделиях радиотехники и приборостроения.

Соединения под сварку проникающим пучком допускаются для тонколистовых металлов в нижнем положении и для металлов малых и средних толщин в горизонталъном положении.

1 2 3 4

Рис.5 Некоторые типы сварных соединений при ЭЛС.

При ЭЛС обычно применяются следующие технологические схемы:

- сварка в нижнем положении (вертикальным электронным пучком) выполняется как без подкладки, так и на подкладке (см. рис.6.1);

- сварка на подъем и на боку (рис.6.2 и 6.3) выполняется горизонтальным электронным пучком без подкладки, а для предотвращения вытекания жидкого металла из сварочной ванны иногда устанавливается ограничительная планка вдоль нижней кромки стыка (рис.6.3);

- сварка в потолочном положении (рис.6.4) выполняется на металлах относительно небольшой толщины (как правило до 20 мм) и применяется редко.

1 2 3 4

Рис.6. Общие технологические схемы ЭЛС

Особенности подготовки как стыкуемых поверхностей деталей, так и самих деталей обусловлены, в основном, наличием вакуума при сварке и спецификой источника теплоты - узкого потока электронов.

Для обеспечения высокого качества сварного шва очистке от средств консервации, загрязнений, ржавчины и оксидных пленок подвергаются в обязательном порядке стыкуемые поверхности, внешние и внутренние. Предварительная очистка выполняется механически, а окончательная - в зависимости от свариваемого металла и степени шероховатости очищаемой поверхности различными физико-химическими способами. В некоторых случаях непосредственно перед сваркой внешняя поверхность свариваемых деталей в области стыка и стыкуемые поверхности (насколько возможно через зазор в стыке) очищаются с помощью маломощного сканирующего электронного пучка. При этом пучок должен незначительно оплавлять очищаемую поверхность, не заплавляя зазор в стыке. Для очистки выполняются 1-2 прохода.

Для однопроходной ЭЛС не требуегся разделки кромок. В то же время имеются определенные требования к ширине зазора в стыке: ширина зазора должна быть меньше средних поперечных размеров электронного пучка. В зависимости от типа материала, его толщины, типа стыка, пространственного положения стыка и электронного пучка, типа электронной пушки оптимальная величина зазора будет различной. Из многочисленных экспериментальных данных известно, что при ЭЛС без присадки металлов толщиной 20...30 мм зазор, как правило, составляет 0,1...0,2 мм, а толщиной свыше 30 мм - порядка 0,3 мм. Чем хуже свариваемость металла и выше требования к допустимой деформации, тем более высокие требования предъявляются к точности выдерживания требуемого зазора. Разделка же кромок соединяемых деталей применяется лишь в необходимых случаях для улучшения формирования шва и для обеспечения надежной работоспо-собности систем автоматического слежения за стыком. Например, для предотвращения или уменынения усиления или уширения верхней части шва применяют «V» или «U»-образные разделки кромок. В нижней части стыка иногда выполняют П- или Л - образные разделки для исключения обратного валика шва.

Некоторые специальные технологические приемы, используемые для обеспечения ЭЛС:

•Полное проплавление свариваемого стыка. Это наиболее надежный и простой способ, позволяющий исключить корневые дефекты, свести к минимуму угловые деформации, уменьшить вероятность образования пор и раковин благодаря улучшению условий дегазации металла сварочной ваниы.

•Развертка электронного луча. Широко используются следующие развертки пучка: продольная, поперечная, X-образная, по окружности, эллипсу, дуге. Благодаря развертке при сварке металлов болыпих толщин удается резко расширить диаметр и повысить устойчивость канала в сварочной ванне, что благоприятно сказывается на стабильности формирования швов:

-уменьшается разбрызгивание расплавленного металла,

-предотвращается вытекание расплава из ванны при сварке горизонтальным пучком,

• уменьшается склонность к образованию трещин, корневых дефектов и протяженных полостей.

Без применения развертки практически невозможно избежать корневых не-проваров при сварке металлов больших толщин, так как весьма сложным оказывается точно направитъ узкий луч по глубокому стыку при большой протяженности шва.

•Сварка наклонным электронным пучком. Для сварки металлов большой толщины рекомендуется постоянное отклонение электронного пучка на 5...7° в направлении его перемещения по изделию. Этот прием позволяет уменынить количество пор и несплошностей.

•Модуляция тока электронного пучка. Импульсная модуляция тока электронного пучка применяется для уменьшения тепловложения и снижения вероятности образования трещин при сварке тонколистовых (до 1 мм) металлов . Частота импульсов и скорость сварки выбираются так, чтобы отдельные проплавленные участки перекрывали друг друга.

•Сварка с присадкой. Этот прием используется достаточно широко для исправления дефектов шва при больших зазорах в стыке, а также для легирования металла шва. В качестве присадки может применяться проволока, лента, гранулы, а также проставка из листового металла (помещается в стык).

•Двусторонняя сварка. Сущность приема заключается в последовательной или одновременной сварке двух противоположных сторон стыка с глубиной проплавления около половины толщины стыка. Этот прием применяют для обеспечения возможности сварки изделий более толстостенных, чем позволяет имеющаяся аппаратура, а также для избежания дефектов шва, вероятность появления которых возрастает с увеличением глубины проплавления.

•Сварка начала и окончания продольного шва на выводных планках. Этот прием используют вследствие затруднения получения нормального качества в этих участках шва, так как при быстром нарастании и спаде мощности электронного пучка образуются соответственно аномально большое усиление шва и "кратер".

Установки для ЭЛС по степени защиты сварочной ванны от воздействий атмосферных газов делятся на три класса: для сварки в высоком и промежуточном вакууме, а также для вневакуумной сварки.

Установки для сварки в высоком вакууме обеспечивают практически полную защиту металла шва, большие рабочие расстояни и остросфоку сированные электронные пучки. Такие установки используются для микросварки и размерной обработки в радиоэлектронике, приборостроении, точной механике, а также для сварки изделий малых, средних и крупных габаритов в ядерной энергетике, авиастроении и ракетной технике.