Электронно-лучевая сварка – сущность, типы, преимущества

Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка - сущность, типы, преимущества

Электронно-лучевая сварка (она же электроннолучевая, электронно лучевая сварка, ЭЛС) — это довольно быстро развивающийся вид сварки. С его помощью можно сварить практически все: и сплавы высокой прочности, и химически активные металлы, и тугоплавкие материалы.  Словом, сфера применения очень большая.

В этой статье мы подробно расскажем, что такое ЭЛС сварка, какие есть достоинства и недостатки у такой технологии, и какие особенности нужно учитывать.

Общая информация

Электронно-лучевая сварка — метод сварки, в основе которого лежит применение луча. Луч выделяет тепло, которое формируется в результате столкновения пучка заряженных частиц. Технология непростая, но в ней все же лучше разобраться. Поскольку ЭЛС сварка получила широкое распространение во многих сферах, начиная от микроэлектроники заканчивая оптикой.

Данная технология просто не могла ни появиться. Существовала потребность сварки тугоплавких металлов, а добиться хорошего качества швов просто не получалось.

Классические сварочные технологии просто не могли обеспечить должный уровень качества.

Для решения этой проблемы была изобретена электронно-лучевая сварка, которая концентрирует тепло в одной точке, при этом сварочная зона остается защищенной.

Технология

Перейдем к описанию технологии ЭЛС сварки. Итак, ключевой элемент — это луч, который генерирует электронная пушка. Плотность энергии в таком луче высока, но ее недостаточно для качественной сварки.

Чтобы исправить эту проблему электроны нужно сконцентрировать в магнитной линзе. На рисунке ниже линза обозначена цифрой 6.

Далее электроны, находясь в подвижном состоянии, фокусируются в плотный световой пучок и ударяются о деталь (на картинке обозначена цифрой 1). За счет столкновения электроны тормозятся, и их энергия превращается в тепло.

Тепло, в свою очередь, настолько мощное, что быстро нагревает металл до высокой температуры.

В конструкции предусмотрена магнитная отклоняющая система (обозначена цифрой 7). С ее помощью удается контролировать перемещение электронного луча по детали. Таким образом удается добиться точного положения луча, а значит сформировать шов в том месте, где это необходимо.

Когда электроны сталкиваются с молекулами кислорода, теряется огромное количество кинетической энергии. К тому же катод нуждается в дополнительной тепловой защите. Чтобы решить эти задачи в пушке создают вакуум.

В результате энергия луча концентрируется строго в одной точке, а площадь нагрева минимальная. Из-за этого металл не деформируется при сварке.

 Это очень важно при сварке тонких металлов, особенно если деталь маленького размера.

Технология электронно лучевой сварки не простая, но важно понимать ее сущность. Чтобы четко осознавать, какой результат вы хотите получить. Ведь вам придется самому настраивать оборудование, фокусировку и мощность луча.

Особенности

Поскольку технология не самая простая, ее сопровождают некоторые нюансы, которые нужно учесть для полного понимания сути. Первый нюанс заключается в том, что вся сварка происходит в среде вакуума.

От этого поверхность деталей идеально чистая. И второй нюанс — детали нагреваются до крайне высоких температур. В итоге мы получаем шов минимальной толщины, который при этом еще и быстро формируется.

Это очень хорошо.

Благодаря этим особенностям ЭЛС сварку можно применять при сварке самых разнообразных металлов. У двух деталей может быть разная толщина, состав и даже температура плавления.

Шов все равно получится качественным. Минимальная толщина для сварки составляет 0,02 миллиметра. А максимальная — 100 миллиметров. Диапазон очень большой, можно варить большинство деталей.

Это все, что вам нужно учесть.

Достоинства и недостатки

Сварка электронная с применением луча имеет несколько весомых плюсов, благодаря которым она и получила свое широкое распространение. Прежде всего, детали при сварке не коробятся, поскольку на деталь воздействует малое количество тепла. В среднем оно в 5 раз меньше, чем при других технологиях сварки.

Второе достоинство — это большие возможности. Вы можете сварить любые металлы и даже не металлы. Сварка керамики с вольфрамом? Пожалуйста! К тому же, можно настроить фокусировку луча и нагреть зону диаметром менее 1 миллиметра. Это впечатляет. Можно сварить детали практически любого размера.

Еще один плюс — это высокое качество шва. И не важно, что вы варите: обычную сталь или химически активные металлы вроде титана. В любом случае, качество соединения вас приятно удивит. А порой благодаря ЭЛС сварке удается достичь и улучшения характеристик металла. Вы также можете сварить любые сплавы, в том числе стойкие к коррозии. Возможности безграничны!

ЭЛС очень экономичная, поскольку потребляется мало электроэнергии. К тому же, технология универсальна и позволяет варить любые металлы. Вы также можете не разделывать кромки, если у вас нет такой возможности.

Что ж, достоинства весомые. Но что насчет недостатков? И без них не обошлось. Например, при сварке металлов с высокими теплопроводными свойствами велика вероятность образования отверстий в корне шва. Это влияет на прочность сварного соединения. И влияет негативно.

Также применение электро-лучевой сварки не всегда оправдано. Она незаменима при работе в труднодоступных местах, но если говорить о сварке в заводских условиях, то достоиснтва не всегда оправдывают себя.

Оборудование

На сегодняшний день электронно-лучевое оборудование производится как у нас, так и за рубежом. Практически все модели оснащены пушками с косвенным или прямым каналом катодов. В целом, отечественная продукция мало в чем уступает зарубежной, при этом стоит дешевле. Да, у нее не такой футуристичный дизайн, но она справляется со всеми задачами. А это самое главное.

Существуют модели, у которых лучевые пушки располагаются в камере. С помощью таких установок можно выполнять сварку лучом со сложной траекторией движения. Во всех современных моделях используются компьютерные технологии, так что вероятность человеческого фактора крайне мала. Многие процессы вообще проходят в автоматическом режиме, оператор может не присутствовать на рабочем месте.

Несмотря на всю технологичность, сварочное оборудование для ЭЛС сварки довольно просто обслуживается и не требует долгого обучения сотрудников. Нужно один раз запрограммировать установку и проследить, чтобы луч фокусировался в нужном месте. Единственное, что затем придется делать каждый раз — это регулировать фокусировку или изменять мощность самого луча. Больше не нужно никаких настроек.

Вместо заключения

Установка электронно лучевой сварки хоть и стоит недешево, но с ее помощью можно сварить даже металл с керамикой, не говоря уже о простой сварке двух металлических деталей. Да и сама ЭЛС сварка очень технологична и шагает в ногу со временем. При этом сварочный процесс очень экономичный, не требует больших затрат.

Вы когда-нибудь сталкивались с электронно-лучевой сваркой? Может быть вы мастер высокого уровня и готовы поделиться своим опытом? Добро пожаловать в комментарии.

Источник: https://svarkaed.ru/svarka/vidy-i-sposoby-svarki/elektronno-luchevaya-svarka.html

Электронно лучевая сварка: применение технологии и оборудование

Каких только металлов нет в мире: множество сталей, алюминиевые сплавы, цветные металлы, чугун и т.д. С одними работать легко, с другими – очень сложно. А есть металлы, которые вообще не поддаются обычной сварке: они чрезвычайно активны химически и к тому же имеют очень высокую температуру плавления.

Их немного, и они довольно редкие: вольфрам, цирконий, молибден, тантал. Но их немногочисленность вовсе не означает, что с ними можно не работать. Нестандартным металлам – нестандартная технология. Это электронно-лучевая сварка с ее знаменитой электронной пушкой.

Технология высокого полета: физика ЭЛС

Устройство электронно-лучевой сварки.

Это как раз и происходит с электронами в пушке. Такие действия возможны лишь в вакуумной среде.

Так что электронно лучевая сварка – дело дорогое и относится оно к технологиям высокого полета: например, в космической или авиационной отраслях промышленности. ЭЛС незаменима в точном приборостроении.

Ей подвластно все – даже швы с огромной глубиной плавления.

Все, что есть из самого сложного в сварке, поддается электронно-лучевой технологии для этого метода нет проблем. Она универсальная и… очень дорогая.

Плюсы и минусы ЭЛС

Сначала преимущества:

  • Высочайший коэффициент полезного действия. При всех прочих равных затраты энергии при ЭЛС в десять и больше раз, чем ее нужное количество во время ручной дуговой сварки.
  • Этом методов можно сваривать самые массивные детали: для соединения заготовок с краями толщиной в 20 см достаточно всего лишь одного прохода, в то время как другие технологии потребуют сварку в несколько слоев.
  • Весьма немаловажный фактор: этот метод сварки – один из самых безопасных.

Чертеж электронно-лучевой сварки.

Теперь недостатки:

  • Обязательное условие для работы – вакуумное пространство вокруг рабочего участка.
  • В шве могут встречаться специфические дефекты: в его корне иногда формируются полости и не проваренные участки.
  • Дороговизна оборудования, условий работы и расходных материалов.
  • Долгая и сложная настройка параметров перед работой, требующая кроме времени высокой квалификации мастера.

Как это делается: технология ЭЛС

Прежде всего нужно выставить правильный режим. Он формируется с учетом нескольких критериев, причем нельзя упускать из виду ни одного из них, они важны в равной степени.

Обозначения электронно-лучевой сварки.

Критерии, влияющие на определение режима сварки ЭЛС:

  • степень точности фокусировки луча;
  • уровень вакуумизации в сварочной камере;
  • длительность импульсов и пауз между ими;
  • уровень ускоряющего напряжения;
  • величина сварочного тока из выпускаемого луча;
  • скорость, с которой пучок перемещается по металлической детали.
Читайте также:  Современный и качественный инструмент для резки металла

Пучок электронов, выпускаемый из электронной пушки, распространяется в вакуумной камере. Размер этой камеры может быть самым разным, в основном он зависит от габаритов металлических заготовок, которые нужно сварить. Минимальный объем камеры составляет 10 см³. Что же касается максимальных размеров, то они могут составлять сотни кубических метров.

Поток из электронно-лучевой пушки оказывает давление, под которым формируется зона плавления и, соответственно, расплавление металла. Под этим же давлением на свариваемую металлическую поверхность начинается выделение энергии кинетической природы, которая нагревает металл – она превращается в тепловую.

Это, прежде всего, алюминий и магний. Такого рода технология дает возможность работать со швами максимальной глубины. Самое интересное, что с помощью такой же импульсной технологии отлично варятся тонкие листы металлов.

Не будет оборудования, не будет ЭЛС

Вся технология ЭЛС держится на ее уникальном оборудовании и принципе его действия. Речь о специально разработанных установках.

Моделей таких установок несколько, они делятся на следующие типологические группы:

  • специализированные модели;
  • универсальные модели для работы под давлением 1 – 10 Па;
  • модели промежуточного вакуума с давлением до 10 Па;
  • установки для сварки в защитном газе с давлением выше 100 Па.

Также оборудование для ЭЛС подразделяется по типу своей конструкции:

  • установки камерного типа, если возможна откачка воздуха;
  • модели с локальной откачкой воздуха для создания вакуума только в точке сваривания;

И заключение напоследок

Электронно-лучевую технология сварки изобрели около 50-ти лет назад. И в течение этого времени она остается одним из самых продвинутых и эффективных методов работы с металлами. То, что вполне по плечу методу ЭЛС, совершенно невозможно произвести с помощью иных способов сварки.

ЭЛС создавалась не для домашних гаражей и не для массового промышленного производства. Ее дороговизна и сложность исполнения всегда заставляет просчитывать целесообразность ее использования. Но есть отрасли, где такие подсчеты не нужны по определению: это авиационная и космическая промышленность.

Источник: https://tutsvarka.ru/vidy/elektronno-luchevaya-svarka

Электроннолучевая сварка – Страница 8

ПодробностиОпубликовано 25.05.2012 15:53Просмотров: 14982

Страница 8 из 19

Широкое применение новых конструкционных материалов на основе тугоплавких и высокоактивных металлов (титан, цирконий, молибден, вольфрам и др.) потребовало создания способа их обработки источником тепла с высокой плотностью энергии в условиях защиты от взаимодействия с газами воздуха (кислород, азот). Наиболее полно этим условиям отвечает электроннолучевая технология.

Сущность электронно-лучевой обработки материалов состоит в использовании кинетической энергии пучка электронов, движущихся в вакууме без столкновений с остаточными молекулами воздуха. При бомбардировке электронами поверхности обрабатываемого материала подавляющая часть кинетической энергии электронов превращается в тепловую, которая и используется для обработки.

Изменяя плотность энергии на обрабатываемом материале и управляя процессами теплоотвода, можно проводить обработку материалов в твердом, жидком и парообразном состояниях.

Электроннолучевая технология широко применяется в промышленности для плавки и переплава металлов и сплавов с целью их очистки от вредных примесей и газов, сварки и разделительной резки, пайки и обработки точных отверстий малого диаметра, нанесения покрытий различного назначения испарением и конденсацией в вакууме.

Первая успешная плавка тантала электронным лучом была осуществлена в Германии в 1905 г. С тех пор благодаря развитию вакуумной техники и электронной оптики созданы промышленное оборудование и технологии, позволяющие решать многие технические проблемы производства современных конструкций.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ

При электронно-лучевой сварке кинетическая энергия пучка электронов используется для расплавления стыка примыкающих друг к другу деталей и образования сварного шва.

Электронный луч обеспечивает высокую удельную мощность на поверхности пятна нагрева. По этому показателю (табл.

24) электронный луч почти одинаков со световым лучом оптического квантового генератора (лазера) и существенно превосходит традиционные источники нагрева, применяемые при сварке.

Электрон является наименьшей заряженной частицей, которая наиболее простым образом может быть получена в свободном состоянии. Он имеет отрицательный заряд е =1,602-10″19 Кл, массу Ме = 9,109-10″31 кг, удельный заряд е/Ме = 1,759-10й Кл/кг.

Свободные электроны в сварочных электронных пушках получают за счет эмиссии с поверхности твердых термоэлектронных катодов, изготовленных из вольфрама, тантала, гексаборида лантана. Катод нагревают до температуры, обеспечивающей необходимую плотность тока эмиссии.

Нагрев катода ограничивается термостойкостью и скоростью испарения его материала.

Если электрон находится в однородном электрическом поле напряженностью Е, на него действует сила, равная произведению заряда электрона на напряженность поля:

Так как электрон имеет отрицательный заряд, сила F направлена противоположно вектору напряженности электрического поля. Работа, произведенная электрическим полем на перемещение электрона из одной точки поля в другую, может быть выражена, где U – разность потенциалов между этими точками.

Эта разность потенциалов в практике электронно-лучевой сварки называется ускоряющим напряжением U. Работа затрачивается на сообщение электрону кинетической энергии. В современных технологических установках для электронно-лучевой сварки ускоряющее напряжение U = 10…

100 кВ, скорость электронов в пучке может достигать 0,2…0,5 скорости света.

Для любой технологической электронно-лучевой установки важно создание условий, при которых ускоренный электронный пучок достигает поверхность обрабатываемого материала, не испытывая столкновений с молекулами газов и паров в рабочей камере.

Это достигается созданием в рабочем объеме установок вакуума, при котором длина свободного пробега молекул остаточного газа больше или равна расстоянию от катода электронной пушки до обрабатываемого изделия. При температуре 20 °С чем меньше давление воздуха, тем больше средняя длина свободного пробега молекул (табл. 25).

В камерах установок для электронно-лучевой сварки применяют давление Ы0~3…1-10~5 мм рт. ст. Это позволяет избежать взаимодействия электронов с остаточными молекулами паров даже таких высокоактивных металлов, как титан и алюминий.

Электроны, обладающие энергией, могут проникать в обрабатываемый материал на некоторую глубину. При этом они испытывают упругие и неупругие столкновения с атомами и молекулами вещества, отдавая им свою энергию и меняя скорость и направление движения.

Так как масса электрона гораздо меньше массы атома и молекулы, при каждом столкновении он отдает лишь малую часть своей энергии и число столкновений для полной передачи энергии велико.

Толщина слоя обрабатываемого материала, пройдя который электрон теряет свою энергию, зависит от ускоряющего напряжения, плотности и может быть выражена зависимостью

где 8 – толщина слоя, см; U – ускоряющее напряжение, В; р – плотность обрабатываемого материала, г/см3.

Так, для стали с плотностью 7,8 г/см3 при U = 60 кВ 8 = 12 мкм. Следовательно, энергия электронного луча преобразуется в тепловую внутри тонкого поверхностного слоя. Взаимодействие электронного луча с обрабатываемым материалом вызывает ряд явлений, оказывающих влияние на технологию сварки и конструкцию сварочных установок (рис. 127).

Тепловое и рентгеновское излучение, отраженные, вторичные и тепловые электроны снижают эффективно используемую долю энергии электронного луча для нагрева и плавления свариваемого материала.

Как и другие виды излучений, рентгеновские лучи воздействуют на организм человека и при интенсивности, превышающей допустимую, вредны.

Меры по защите операторов от рентгеновского излучения учитываются при проектировании электроннолучевых установок выбором технологических параметров сварки, конструкцией и толщиной стенок рабочей камеры.

Так как проникающая способность рентгеновского излучения возрастает с энергией электронов в луче, меры по экранированию и защите определяются прежде всего максимальным ускоряющим напряжением.

В большинстве технологических сварочных установок при ускоряющем напряжении от 10 до 70 кВ для защиты от рентгеновского излучения достаточно толщины стальных стенок рабочих камер, выбранных из конструктивных соображений. Разъемные соединения и вакуумные уплотнения должны располагаться в местах, не совпадающих по направлению с направлением максимальной интенсивности рентгеновских лучей. В смотровых окнах технологических установок применяют специальные стекла с добавками свинца.

Формирование сварного шва при электронно-лучевой сварке (рис. 128) имеет ряд особенностей, обусловленных испарением свариваемого материала и силовым воздействием давления отдачи пара на расплавленный металл. Давление этой отдачи на 3…5 порядков превышает давление электронного луча.

При определенном значении плотности и достаточной общей мощности электронного луча в сварочной ванне образуется канал-кратер, который может распространяться на всю толщину свариваемого материала, так же как и при сварке лучом лазера.

Перемещение свариваемого изделия или электронного луча приводит к периодическому переносу жидкого металла из зоны плавления в зону кристаллизации при непрерывном воздействии электронного пучка на свариваемый материал.

Образование кратера на всю глубину проплавления позволяет получить исключительно малый объем сварочной ванны и, следующие требования ко всем типам соединений – это высокая точность сборки деталей перед сваркой. Допустимые зазоры в свариваемых стыках не должны превышать 0,2 мм.

При ЭЛС требуется более тщательная очистка свариваемых кромок от различных загрязнений и особенно от органических веществ.

Воздействие электронного луча на жидкий металл приводит к микровзрывам в вакууме, в результате чего часть металла сварочной ванны разбрызгивается, поверхность шва становится неровной, в шве могут возникнуть дефекты.

Для ЭЛС предпочтительны стыковые соединения, так как в этом случае удается получать узкие сварные швы с минимальной деформацией изделий. Сварка с отбортовкой кромок на телах вращения применяется чаще в приборостроении.

Изделия, значительно различающиеся по толщине (например, приварка мембраны к корпусу), сваривают с предварительной обработкой кромки большей толщины для выравнивания температурного поля, что обеспечивает симметричное проплавление деталей.

Читайте также:  Достоинства сварочных полуавтоматов марки kemppi

Соединения внахлестку широко применяют при сварке разнородных металлов, различающихся по температуре плавления. Электронный луч в этом случае смещают на более тугоплавкую кромку.

Возможность сварки в узких разделках и труднодоступных местах является одним из преимуществ ЭЛС перед другими способами сварки плавлением.

Эта возможность достигается благодаря малым размерам сечения электронного луча и его автономности по отношению к свариваемому изделию.

Однопроходная сварка нескольких расположенных друг над другом стыков может быть выполнена проникающим лучом, а в некоторых конструкциях соединение двух оболочек может быть осуществлено через ребро жесткости.

При сварке деталей толщиной 1…2 мм, может наблюдаться неравномерное формирование шва, которое можно устранить регулированием фокусировки луча.

Наиболее часто встречающийся дефект при сварке небольшой толщины – неравномерность проплавления из-за провисания жидкого металла под действием давления испаряющегося металла и фиксации этого провисания за счет высокой скорости кристаллизации.

Для избежания этого дефекта при сварке ответственных конструкций следует применять остающиеся подкладки из свариваемого металла. Высокие скорости электронно-лучевой сварки могут привести к подрезам, размеры которых определяются теплофизическими свойствами свариваемого металла.

В середине шва при этом образуется выступ. Снижение скорости сварки уменьшает возможность образования подрезов. Если они образовались, то их можно устранить повторным оплавлением поверхности шва при меньшей мощности луча или расфокусированным лучом.

Один из характерных для ЭЛС дефектов – это газовая пористость металла шва. Основная причина образования пор – загрязненность свариваемого металла газами, которые при кристаллизации сварочной ванны могут выделяться вследствие разной их растворимости в жидком и твердом металле.

Пористости способствует также химическое взаимодействие компонентов и примесей в свариваемом металле при высокой температуре с образованием газовой фазы. Высокая скорость кристаллизации металла ванны при ЭЛС не позволяет газовым пузырькам всплыть и выделиться из сварочной ванны.

Лучший способ борьбы с газовой пористостью при ЭЛС – это использование чистых исходных металлов, которые получают вакуумно-дуговым, электрошлаковым и электронно-лучевым переплавом.

Источник: http://electrowelder.ru/index.php/drugievidy.html?start=7

Электронно-лучевая сварка. Сущность и область применения электронно­лучевой сварки | Плазморез

Сущность электронно-лучевой сварки (ЭЛС) состоит в исполь­зовании кинетической энергии направленного потока электро­нов, движущихся в вакууме (рабочий вакуум 10“2… 10-3 Па) без столкновений с остаточными молекулами воздуха.

При достиже­нии потоком электронов, ускоренных электрическим полем с разностью потенциалов 10… 100 кВ и более, поверхности свари­ваемой детали подавляющая часть кинетической энергии элект­ронов превращается в тепловую.

Вакуум применяют как для эф­фективной генерации электронного пучка и беспрепятственного прохождения его до свариваемой детали, так и для создания инертной среды без вредных примесей (кислорода, азота и водо­рода).

Это позволяет получать сварные соединения высокого каче­ства при сварке таких химически активных сплавов, как титано­вые, циркониевые, ниобиевые, молибденовые.

При выходе электронного луча в атмосферу рассеяние пучка электронов столь велико, что не удается увеличить рабочее рас­стояние от пушки до изделия больше чем на 30 мм, поэтому свар­ку с использованием электронного луча производят только в ва­куумных камерах.

Электронный луч в зоне сварки обладает высокой мощностью, превосходящей традиционные сварочные источники нагрева, ус­тупая только лучу лазера.

Впервые использовать сконцентрированные пучки электронов в вакууме для сварки предложил в Германии К. Г. Штайгервальд, а в СССР Н. А. Ольшанский (1959 г.).

В специальных электронно-лучевых установках Штайгервальда электронные пучки формировались магнитными линзами после излучения электронов из термокатодов и ускорения их в поле с разностью потенциалов до 100 кВ. Плотность мощности в них пре­восходила 108 Вт/см2, что на 2 — 3 порядка выше концентрации мощности в сварочной дуге.

Изменяя плотность мощности и уп­равляя процессами теплоотвода, можно производить обработку различных металлов и сплавов в твердом, жидком и парообраз­ном состояниях. Электроны, обладающие достаточно высокой энер­гией, могут проникать в обрабатываемый металл на некоторую глубину.

Максимальная глубина, пройдя которую электрон теряет
свою энергию, зависит от ускоряющего напряжения и плотности металла:

5 = 2,35 • 10-|2У2/р,

где 5 — глубина проникновения, см; U — ускоряющее напряже­ние, В; р — плотность обрабатываемого металла, г/см3. Для стали с плотностью 7,8 г/см3 при U — 60 кВ 8 = 12 мкм.

Энергия электронного луча может преобразоваться в тепловую внутри тонкого поверхностного слоя.

Взаимодействие электрон­ного луча с обрабатываемым металлом вызывает ряд явлений, оказывающих влияние на технологию сварки и конструкцию сва­рочных установок.

Тепловое и рентгеновское излучения, отражен­ные, вторичные и тепловые электроны снижают эффективно ис­пользуемую долю энергии электронного луча.

Значения эффективного КПД при ЭЛС составляют 0,85…0,95. Таким образом, электронный луч, по сравнению с другими сва­рочными источниками энергии, самый эффективный. Проплав­ление существенно ограничено по глубине и в поперечном сече­нии близко по форме к полусфере.

Такой процесс применяют для сварки металлов малых толщин (до 3 мм). Переход от сварки ме­таллов малых толщин к однопроходной сварке металлов больших толщин осуществляют при условии достижения критической плот­ности мощности q2, для металлов q2 = 105… 106 Вт/см2.

В этом случае эффективная мощность электронного луча уже не может быть отведена в глубь металла за счет теплопроводности и тепловое равновесие поверхности нагрева наступает при испа­рении части металла.

Давление паров на 3 — 5 порядков превышает давление электронного луча.

При плотности мощности пучка элек­тронов 105…107 Вт/см2 в зоне его воздействия развивается уси­ленное испарение металла, поверхность ванны прогибается и в жидком металле формируется канал-кратер на всю глубину ванны также, как и при сварке лучом лазера.

1 2аб

Чем выше плотность мощности луча, тем сильнее нагрев по­верхности сварочной ванны и эффективнее передача энергии элек­тронов по всей толщине свариваемого металла. Электронно-лучевое воздействие в диапазоне плотности мощности q2 = 105… 106 Вт/см2 характеризуется явлением узкого проплавления с соотношением глубины проплавления к его ширине до 10: 1 и более (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Типичная форма попереч­ного сечения сварного шва в ме­

талле:

а — выполненного аргонодуговой свар­кой; б — электронным лучом; 1,2 —

литой металл шва

Высокая концентрация энергии позволяет получать сварные швы с малой зоной термического влияния. Поперечное сечение шва имеет слабосходящиеся или параллельные боковые стенки, что обеспечивает минимальные угловые деформации. Формирование сварного шва при ЭЛС имеет ряд особенностей, обусловленных испарением свариваемого металла и силовым воздействием дав­ления паров на расплавленный металл.

При формировании сварного шва наблюдается два типа про­цессов: периодическое испарение (при частоте до 10 кГц) и коле­бания жидкого металла в сварочной ванне за счет подплавления передней стенки ванны (при частоте 1… 100 Гц).

Образование кра­тера на всю глубину проплавления позволяет получить исключи­тельно малый объем сварочной ванны и, следовательно, мини­мальные деформации свариваемых деталей.

Применение высоких скоростей сварки обеспечивает минимальное термическое воздей­ствие на свариваемый металл в околошовной зоне, а высоких ско­ростях кристаллизации при эффективном теплоотводе — получе­ние высоких механических свойств сварных соединений.

Области применения ЭЛС.

• сварка деталей из химически активных и тугоплавких метал­лов и сплавов;

• сварка деталей и узлов из термически упрочняемых материа­лов, когда нежелательна, затруднена или невозможна термичес­кая обработка;

• сварка деталей после завершающей механической обработки при необходимости обеспечения минимальных сварочных дефор­маций;

• сварка толстостенных и тонкостенных конструкций ответствен­ного назначения.

Наиболее широко в мире освоено промышленное применение ЭЛС в авиакосмической промышленности, ядерной энергетике, энергетическом машиностроении, турбиностроении, приборост­роении, автомобильной промышленности при массовом изготов­лении подшипников.

Источник: http://plazmorez.com/?p=2319

Сущность электронно-лучевой сварки

Поиск Лекций

Электронно-лучевая сварка – сварка плавлением, при которой нагрев металла производится потоком – лучом быстродвижущихся электронов, ускоряемых электрическим полем. Попадая на поверхность изделия, электроны отдают свою кинетическую энергию, превращающуюся в тепловую и нагревают металл.

Процесс обычно ведется в герметически закрытой камере, в которой поддерживается вакуум 10-1-10-3 Па. Вакуум необходим для свободного движения электронов, уменьшения числа их столкновения с газовыми молекулами в процессе ионизации.

Вакуум также необходим для обеспечения чистоты наплавляемого металла, предупреждения его окисления и азотирования, уменьшения количества растворенных в нем газов. Вакуум поддерживается непрерывно работающими вакуумными насосами.

Источником электронов служит накаливаемый катод, питаемый от низковольтного трансформатора. Электроны ускоряются от низковольтного трансформатора высоким напряжением 10-100 кВ; обычно применяют напряжения не более 30 кВ, т.к.

при более высоком напряжении возникает значительное рентгеновское излучение и требуется дополнительная защита обслуживающего персонала.

Высокое напряжение создается специальным трансформатором с выпрямительным устройством: минус подается на катод, анодом служит свариваемое изделие. Поток электронов на пути от катода к аноду фокусируется электростатическими линзами в виде металлических колец и электромагнитными в форме катушек с железным каркасом.

За счет фокусировки и изменения силы тока можно получить нагреваемую поверхность на изделии площадью 0,1¸20 мм2. Катод и фокусирующие линзы конструктивно объединены в одно устройство, называемое электронной пушкой и создающее электронный луч.

Электронный луч можно смещать отклоняющими устройствами и смещением электронной пушки; ему можно придать колебания вдоль и поперек сварного шва.

Перемещение по линии сварки осуществляется передвижением или поворотом изделия.

Читайте также:  Как сделать сварочный трансформатор своиим руками?

При интенсивной бомбардировке металла или какого-либо др. материала ускоренными электронами в высоком вакууме около 99% их кинетической энергии переходит в тепловую, расходуемую на нагрев.

Температура в месте бомбардировки достигает 5000-60000С, что достаточно для плавления металла при сварке и для тепловой обработки материалов.

4.1.1.Преимущество электронно-лучевой сварки:

1) Для сварки электронным лучом характерна примерно такая же концентрация энергии в пятне нагрева, что и при сварке лазером.

Благодаря столь высокой концентрации количество теплоты, расходуемое на расплавление металла, при электронно-лучевой сварке в десятки раз меньше, чем при других способах.

Например, для однопроходной стыковой аргоно-дуговой сварки стальных листов толщиной 4 мм необходима погонная энергия около 1260 кДж/м.

2) Другим положительным свойством электронного луча, выгодно отличающим его от остальных сварочных источников теплоты, является возможность глубокого проплавления металла благодаря тому, что электронный луч высокой интенсивности может проникать в металл на глубину в несколько миллиметров.

При этом образуется узкий канал с достаточно высокой проницаемостью для электронов, заполненный металлическими парами. Давлением паров жидкий металл оттесняется к стенкам канала, а при включении или перемещении луча стекает в него, образуя после кристаллизации шов.

Зона расплавления имеет форму вытянутого клина, а отношение глубины проплавления к ширине может достигать 26:1. Этот эффект называется кинжальным проплавлением. При дуговой сварке форма зоны расплавления приближается к полусфере.

Толщина заготовок, свариваемых электронным лучом, может достигать от 0,01 до 100 мм и более.

Для ограничения размеров зоны проплавления и нагрева материала в зонах, прилегающих к месту сварки, а также при сварке легкоиспаряющихся металлов осуществляют подачу тока короткими мощными импульсами с частотой от 1 до 3000 Гц и продолжительностью от 0,01 до 0,00005 с.

3) Преимущество электронно-лучевой сварки и обработки заключается также в отсутствии загрязнений, попадающих в шов из окружающей среды.

4) Электронным лучом можно сваривать металлы без существенного изменения свойств литой структуры шва и рекристаллизированной зоны.

5) Обеспечивается возможность сварки разнородных металлов со значительной разницей толщин, температур плавления и др. теплофизических свойств.

Например, при сварке алюминия и меди пятно луча на 2/3 располагается на медной детали и на 1/3 на алюминиевой. Соединение получается типа паяного, практически без расплавления меди.

При сварке меди со сталью с небольшой нахлесткой необходимо сначала подогреть медную деталь, а затем производить сварку.

Источник: https://poisk-ru.ru/s5060t7.html

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА сварка источником

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА • сварка, источником энергии при которой являются кинетическая энергия электронов в электронном пучке, сформированном электронной пушкой.

• Используется для сварки тугоплавких, высокоактивных металлов в космической, авиационной промышленности, приборостроении и др.

Электронно-лучевая сварка используется и при необходимости получения высококачественных швов с глубоким проплавлением металла, для крупных металлоконструкций.

ИСТОРИЯ • Первая установка для электронно-лучевая сварка сварки была создана в МЭИ в 1958 году. В настоящее время выпускаются установки ЭЛУ-27, ЭЛСТУ-60

СХЕМА ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ

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 в 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.

ПРИЕМЫ СВАРКИ ЭЛЕКТРОННЫМИ ЛУЧАМИ • В электронно-лучевая сварке применяют следующие технологические приемы для улучшения качества шва: • сварку наклонным лучом (отклонение на 5— 7°) для уменьшения пор и несплошностей в металле; • сварку с присадкой для легирования металла шва; • сварку на дисперсной подкладке для улучшения выхода паров и газов из металла; • сварку в узкую разделку; • сварку двумя электронными пушками, при этом одна пушка производит проплавление металла, а вторая формирует корень канала; • предварительные проходы для очистки и обезгаживания кромок свариваемых металлов; • двустороннюю сварку одновременно или последовательно ; • развертку электронного луча: продольную, поперечную, Х-образную, круговую, по эллипсу, дуге и т. п. ; • расщепление луча для одновременной сварки двух и более стыков; • модуляцию тока луча частотой 1— 100 Гц. для управления теплоподачей в сварной шов.

ПРЕИМУЩЕСТВА • Электронно-лучевая сварка имеет следующие преимущества: • Высокая концентрация теплоты позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от 0, 1 до 200 мм; • Для сварки требуется в 10 -15 раз меньше энергии чем для дуговой сварки; • Отсутствует насыщение расплавленного металла газами.

НЕДОСТАТКИ • Образование непроваров и полостей в корне шва; • Необходимость создания вакуума в рабочей камере.

ОБОРУДОВАНИЕ • Электронно-лучевые установки подразделяются на универсальные и специализированные, высоковакуумные (давление менее

УСТАНОВКА ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОЙ СВАРКИ КРУПНОГАБАРИТН ЫХ УЗЛОВ.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИМЕ

Источник: http://present5.com/elektronno-luchevaya-svarka-elektronno-luchevaya-svarka-svarka-istochnikom/

Электронно-лучевая плавка и сварка металлов: применение, принцип работы, преимущества

Электронно-лучевая плавка металла применяется для получения высококачественных сплавов и изделий с уникальными эксплуатационными характеристиками.

Особенностью электронно-лучевых технологий, по сравнению с другими способами специальной металлургии, являются высочайшая эффективность рафинирования металлов от газов, неметаллических включений и вредных примесей.

Высокая степень рафинирования сплавов достигается путем плавления их высококонцентрированным источником нагрева (электронным лучом) в глубоком вакууме. В таких агрегатах сплавы плавятся за счет энергии, образующейся в результате ускорения электронов до больших (60-100000 м/с) скоростей и их торможение при столкновении с поверхностью металла.

В электронных пушках происходит образование электронов и их фокусировка в плотный пучок, который называют электронным лучом.

Изменением мощности луча регулируют тепловой режим плавления металлов и сплавов. Для генерации электронных пучков используют аксиальные пушки с термокатодом или холодным катодом, а также пушки, которые формируют плоскосиметричные лучи (рис. 1).

  1. – камера для плавки;
  2. – камера для электронно-лазерных пушек;
  3. – механизм для подачи шихты или заготовки;
  4. – электронно-лучевые пушки;
  5. – промежуточная емкость;
  6. – рольганг;
  7. – механизм горизонтального перемещения заготовки;
  8. – кристаллизатор;
  9. – механизм для вытягивания отливки.

В производстве для плавки металлов чаще всего используют пушки аксиального типа. Одним из разновидностей этого способа является нагрев и плавление шихты возле редкометаллической ванны в слитке дополнительной электронной пушкой.

Такая технология не всегда обеспечивает высокие степень рафинирования сплавов и производительность плавки.

Поэтому этот процесс применяют для получения заготовок из мелкой шихты (гранулы, порошок, губка и скрап), которые затем направляют на повторный рафинировочный переплав.

Жидкий металл, образующийся во время расплавления заготовки электронным лучом, стекает в промежуточную емкость и рафинируется в ней. После этого расплав из промежуточной емкости поступает в кристаллизатор.

Поверхности жидкого металла в промежуточной емкости и в кристаллизаторе нагревают различными пушками, что расширяет возможности управления температурными режимами плавления сплавов на различных стадиях их приготовления.

Электронно-лучевая технология позволяет получать отливки из тугоплавких и высокореакционных сплавов на основе титана, циркония, никеля, кобальта, железа, а также из сложнолегированных сталей с низким (≤ 0,01%) содержанием газов и примесей.

При глубоком вакууме в установке под высокотемпературным воздействием электронного луча («тепловой удар») разрушаются нитридов в сплавах. В результате этого уменьшается содержание азота и неметаллических включений в литых изделиях.

Под действием луча происходит термическое разложение оксидов тугоплавких металлов, что позволяет значительно уменьшить концентрацию кислорода в сплавах.

Сварка электронным и лазерным лучом

Сварка электронным лучом относят к сварке плавлением.  Соотношение ширины и глубины шва достигает 1:20 (дуговая сварка обеспечивает это соотношение в пределах 1/3…1).

  1. — рубиновый стержень,
  2. — ксеноновая лампа,
  3. — система охлаждения,
  4. — линза,
  5. — сфокусированный поток монохроматического света,
  6. – изделие.

Преимущества электронно-лучевой плавки металлов

Электронно-лучевая плавка металлов обеспечивает высочайшее качество соединений любых металлов, в частности тугоплавких и окисляются при повышенных температурах.

Высокая концентрация нагрева в фокусе луча (до 5-х 108 Вт/см2) позволяет также пробивать отверстия в сапфирах, рубинах, алмазах и тому подобное, сваривать неоднородные материалы (металлы и неметаллы) толщиной 0,01…100 мм с различными температурами плавления и другими теплофизическими характеристиками. Удельная мощность лазера может превышать 1010 Вт/см2.

Во время контакта луча со свариваемым изделием выделяется тепловая энергия, температура в месте стыка достигает 6000°С. Лазерная сварка дает возможность обрабатывать изделия в любом среде (вакууме, газе, воздухе), что передает луч света. Детали можно размещать в ампулах.

Благодаря волоконной оптике луч можно направлять в труднодоступные места, помещения с высокой радиоактивностью тому подобное. Рекомендуется лазерную сварку применять для изготовления микроотверстий, различных композиций металлов толщиной до 0,5 мм, в микроэлектронике.

Источник: http://solidiron.ru/obrabotka-metalla/plavka/ehlektronno-luchevaya-plavka-metallov-i-splavov.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector