Все о сварке

Установка электронно лучевой сварки


Технология электронно-лучевой сварки

Электронно-лучевая сварка — это надежный способ соединения тугоплавких материалов с разной температурой плавления, сокращенно ЭЛС. Технология развивается с середины прошлого века и с успехом используется в авиационной, космической промышленности. Там, где необходимо особо точное и крепкое соединение компонентов.

Описание технологии

В основе электронно лучевой технологии сварки лежит использование механической энергии электронов, которую создает электронная пушка. Скорость электронов в магнитном поле пушки прямо зависит от ускоряющего напряжения. От мощности энергии пучка и плотности свариваемого материала зависит глубина проникновения луча. При воздействии пучка с материалом кинетическая энергия электронов переходит в тепловую. В это время происходит создание вторичных электронов и выделение рентгеновского и теплового излучений. Чем меньше диаметр пучка, тем больше его удельная мощность.

Управляя мощностью луча и длительностью облучения, можно выполнять множество разных технологических операций. От очистки поверхности материала до сварки и испарения. Все процессы происходят в вакуумной среде. В зависимости от производственной необходимости, вакуум в камере может быть от 10-2 до 10-6.

Для обеспечения непрерывного процесса используют сменные контейнеры. Пока происходит процесс сварки в одном контейнере, другой перезаряжают. Наличие двух контейнеров в несколько раз увеличивает производительность сварочной установки.

Электронно лучевая технология сварки позволяет не только надежно соединять разные материалы, но и делать напыление металлом или керамикой, создавать новые материалы. Например, можно создать материал с электропроводностью меди и крепостью стали.

Мат. часть процесса

Электронно лучевая сварка — это технологически сложный процесс, предъявляющий высокие требования к оборудованию. Установки отличаются производительностью, мощностью, управлением и объемом, но неизменно имеют в составе:

В электронно лучевой пушке для сварки формируется поток электронов, который производится катодом, подогреваемым спиралью. Около катода расположены дополнительные электроды, которые предварительно фокусируют электроны, формируя луч. На катод подается отрицательное напряжение. На ускоряющий электрод, размещенный на расстоянии нескольких сантиметров от катода, прикладывается положительное напряжение. Высокая разность потенциалов разгоняет электроны до скорости выше 100 000 км/с. В связи с тем, что электроны имеют свойство взаимно отталкиваться, их необходимо сфокусировать электромагнитной фокусирующей системой. Для точного управления лучом в электроннолучевой пушке установлена электромагнитная отклоняющая система.

Все процессы происходят в вакуумной камере. Безвоздушная среда:

Для сварки может применяться постоянное или импульсное напряжение с частотой 100-500 Гц. Использовать импульсное напряжение эффективнее, особенно при варке легкоиспаряющихся металлов:  алюминий или магний. Энергия луча не тратится на ионизацию паров.

При правильно выборе частоты и скважности колебаний можно сваривать тонкие листы.

Виды сварочных лучевых установок

Электронно лучевые установки бывают камерными (обрабатываемые изделия помещаются целиком в камеру) и бескамерные (вакуум создается локально, только в месте сварки).

Камерная электронно лучевая установка

По величине рабочего ускоряющего напряжения установки делятся на:

Промышленность производит универсальные установки и специализированные. Универсальные системы можно применять для ремонтной и экспериментальной сварки изделий. Специализированные системы настраиваются на изготовление однотипных деталей.

Системы могут применяться не только для сварки металлов, в том числе тугоплавких, но и для обработки керамики, стекла, алмазов и других материалов. Установки можно использовать для:

Некоторые агрегаты оснащаются механизмом горизонтального вращения для обработки деталей трубчатой формы.

Современные установки отличаются особой точностью позиционирования луча, поэтому они с успехом используется в микроэлектронике. Например, аппарат MEBW-60, который производит предприятие Focus, может сваривать детали из нержавеющей стали толщиной от 0,02 мм. Максимальная толщина стыка до 12 мм.

Использование сварки в промышленности

Расширение использования ЭЛС в промышленности продолжается. Несмотря на некоторые недостатки, как необходимость работы в вакууме и образование в некоторых случаях полостей в теле шва, ЭЛС остается наиболее экономичным и точным способом сварки. Эффективность КПД при электронно лучевой сварке составляет 85-95 %. Это на порядок выше, чем у дуговой сварки.

Без электроннолучевой сварки не обойтись во время обработки:

Метод лучевой сварки используется и для производства в металлургии. Титан выплавляется из титановой губки при помощи электронно лучевых пушек.

Японские строители атомных станций применяют лучевую сварку для соединения аустенитной нержавеющей стали, используемой в активной части реактора, используют электронно-лучевые установки. Исследования показали, что качество сварного шва, полученного лучевым способом, по многим показателям превосходит шов дуговой сварки.

ЭЛС широко применяются в электронной промышленности. С ее помощью герметизируют микросхемы и полупроводниковые приборы. Температура нагрева изделия не превышает 200 градусов. Сварочный аппарат ЭЛУМС-25/0,5, разработанный в НПО «Орион», может приваривать золотые проводники микросборок диаметром 5 мкм.

Наиболее мощные и большие установки применяются в авиационной промышленности. Объем камер составляет около 1500 кубических метров.

В последнее время, после некоторого спада интереса к электронно-лучевой сварке, из-за общего кризиса в экономике, активизировались работы по производству и разработке новых технологий ЭЛС. Если вы специалист в этой сфере, и вам есть что рассказать, добавить или поспорить по теме, высказывайтесь в блоке комментариев.

wikimetall.ru

Электронно-лучевая сварка

Для узкоспециализированных отраслей промышленности, где используются высокоактивные металлы, часто применяются нестандартные технологии. Это обусловлено тем, что обыкновенными методами очень сложно добиться поставленных результатов требуемого качества. Электронно-лучевая сварка является методом соединения металлических изделий, в котором в качестве основного источника энергии для расплавления и достижения нужной температуры выступает кинетическая энергия электронов. Она появляется в пучке, который выпускается соответствующей установкой, в качестве которой выступает электронная пушка.  Также тут нужно обеспечивать защиту при помощи изоляции от внешних факторов путем их устранения, а не замещения, как это происходит в других методиках.

Электронно лучевая сварка

Данная методика далеко не так широко распространена, как остальные. Здесь множество сложностей в использовании самого оборудования, обслуживания и так далее. Тем не менее, это относительно безопасный и экологически чистый метод, почти не подвергающий опасности здоровье сварщика. Данная техника выпускается на протяжении более полувека.

Область применения

Основной сферой применения является сварка тугоплавких металлов, которые применяются в авиационной и космической отраслях. Благодаря своей тонкости работы установки электроннолучевой сварки находят применение в приборостроении. Также ведется работа с активными металлами, сложно переносящими контакт с газами и прочими элементами. Если требуется сварить шов, в котором нужна большая глубина проплавления, то следует использовать именно такой способ.

Крупные металлоконструкции, в которых металл обладает высокими качествами износостойкости и трудно поддается температурной обработке, может быть легко сварен таким методом. Электронно-лучевая сварка справляется со многими сложными работами. Для нее практически нет проблемных металлов, так что все сложные варианты сварки проводятся с ее помощью.

Преимущества

Технология электронно-лучевой сварки обладает рядом существенных преимуществ, если сравнивать ее с другими методиками соединения металла. Среди основных плюсов стоит отметить:

Недостатки

Несмотря на ряд явных преимуществ, которые существенно выделяют методику среди остальных, здесь есть и свои недостатки:

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:

Сами режимы для каждого типа свариваемого металла выглядят следующим образом:

Вид металла

Толщина заготовки, ммРежим сваривания

Ширина шва, мм

Напряжение ускоряющее, кВВеличина тока на луче, мАСкорость сварки, м/ч
Вольфрам

0,5

194560

1

1

217750

1,5

Тантал

1

25050

1,5

Сталь марки 18-8

1,5

195565

2

20

2127050

7

35

2150020

Сплав молибдена и вольфрам

0,5 + 0,5

194744

1

Технология

Электронно-лучевая сварка осуществляется при помощи пучка электрона, который распространяется в вакуумной камере.

«Важно!

Какими размерами должна обладать камера, зависит от того, какие габариты у свариваемой детали.»

Минимальный размер составляет от 10 квадратных сантиметров, а максимальный может превышать несколько сотен кубических метров. Образование зоны проплавления, а также само расплавление металла в определенном месте осуществляется при помощи давления потока, которое получается в электронно-лучевой пушке. Когда данный поток под давлением воздействует на поверхность, то выделяется кинетическая энергия, поглощаемая металлом, что приводит к повышению его температуры. Со временем это расплавляет конкретный участок.

Данный процесс сопровождается реактивным давлением испаряющегося металла, излучением, а также выделением тепловых и вторичных электронов. Сварка производится при помощи импульсного или непрерывного луча. Если применяются импульсные лучи, у которых наблюдается более высокая плотность излучаемой энергии, а также повышенная частота, достигающая до 500 Гц, то их применяют для сваривания легко испаряющихся металлов. К ним можно отнести алюминий и магний. Данная технология позволяет максимально увеличить глубину проплавляемого металла, но при необходимости, таким методом можно сварить и тонкие листы. В камере, где производится сварка, давление понижается до 1-10 Па, так что газы воздуха практически ни как не влияют на качество соединения.

Схема электронно-лучевой сварки

Используемое оборудование

Одной из главных особенностей, которым обеспечивается электронно-лучевая сварка, является принцип действия ее оборудования. Для этого используются специально разработанные установки. Среди всех вариантов используемого оборудования можно выделить специализированные и универсальные установки, которые работают с давлением от 1 до 10 Па. Также встречаются установки промежуточного вакуума, давление в которых достигает до 10 Па. Также может проводиться сварка в защитном газе, но тогда в камере давление значительно выше и составляет чуть более 100 Па.

Помимо этого можно выделить различные типы по конструкции. Это могут быть камерные установки, которые устанавливаются внутри какой-либо камеры, где есть возможность выкачивать воздух. Также есть установки с локальным вакуумированием, которые создают герметичную зону с вакуумом в месте непосредственного сваривания, а не во всем пространстве вокруг.

Пример оборудования для электронно-лучевой сварки

Практически все установки содержат в своем составе такие конструкционные элементы как:

Заключение

На данный момент электронно-лучевая сварка является современным высокотехнологичным способом соединения металла. Несмотря на свою сложность и дороговизну, он обеспечивает высокое качество и достаточную глубину проварки, что недостижимо для других способов. Это и обуславливает узость его применения.

 

svarkaipayka.ru

Понятие и применение электронно-лучевой сварки

Идея электронно-лучевой сварки появилась в 50-х годах прошлого века во Франции. Она заключалась в том, что сваривать большинство видов металлов можно, бомбардируя их потоком отрицательно заряженных частиц. Довольно быстро на свет появились первые опытные установки ЭЛС, и к настоящему моменту они с успехом применяются во многих областях промышленности, как правило — в высокотехнологичном и высокоточном производствах.

Принцип действия

Лучевая сварка в целом — это метод создания неразрывно-монолитного соединения металлов воздействием на их стыки высокоэнергетического луча. При этом природа луча может быть различной. В электронно-лучевой сварке луч представляет собой плотно скомпонованный поток быстро движущихся электронов, которым сообщается большая кинетическая энергия. При столкновении с металлической поверхностью эта энергия переходит в теплоту, вызывая расплавление металлов.

Воздействие возможно как непрерывным, так и импульсным лучом. В последнем случае частота импульсов обычно находится в диапазоне от 100 до 500 Гц.

Существует и такое понятие, как сварка световым лучом. Изредка так ошибочно называют электронно-лучевую сварку. На самом деле этот термин к ней неприменим, поскольку электронный луч не относится к видам светового излучения, так как невидим. Свет — это диапазон электромагнитных излучений, видимых человеческому глазу. Сваркой световым лучом правильнее называть лазерную сварку. Лазерный луч действительно представляет собой поток когерентного светового излучения.

Для инициирования электронного потока используются специальные установки — электронные пушки. Луч инициируется мощным электрическим полем, напряжение которого достигает 100 кВ. При этом в установке создается максимально приближенное к абсолютному вакууму состояние. Из нее выкачивают воздух, создавая давление порядка 10 в минус 4…10 в минус 6 степени мм рт. ст. Это практический предел вакуума, которого можно достичь в промышленности.

Вакуумирование установки необходимо для того, чтобы электроны не теряли кинетическую энергию, сталкиваясь с атомами воздуха. Оно дает приятный побочный эффект — в результате этого происходит дегазация шва. Сварочное соединение не насыщается элементами атмосферного воздуха либо защитных газов.

Данные обстоятельства ведут к тому, что электронно-лучевая сварка имеет широкий спектр достоинств — но в то же время и несколько существенных недостатков, которые ограничивают повсеместное распространение данного метода.

Достоинства

Электронно-лучевая сварка относится к высокотехнологичным видам сварочных работ и применяется, соответственно, на сложных и высокоточных производствах. Основной недостаток у нее, по сути своей, один — установка лучевой сварки сложна в производстве и монтаже, поэтому стоит очень дорого — порядка нескольких миллионов. Ее применение оправдано и рентабельно там, где стоимость изделия на выходе по всем остальным производственным факторам коррелирует со стоимостью сварочной установки. Как правило, это отрасли производства, где требуется сверхвысокое качество соединения, в том числе металлов, сварка которых иными методами затруднена или невозможна. К таким относятся химически активные металлы (алюминий, магний и особенно титан), а также сверхтвердые и тугоплавкие.

У электронно-лучевой сварки есть и другие преимущества. Она имеет высокий КПД, что влечет за собой потребление меньшего количества энергии, которое нужно затратить на одну операцию (по сравнению с контактной или дуговой электросваркой).

Сварка электронно-лучевым методом имеет минимальную область пятна нагрева — до 0, 00001 кв. см, меньше — только у лазерной сварки. У нее максимальная мощность в точке нагрева — до 100 миллионов ватт на кв. см (выше только у лазера).

Особенность электронно-лучевой технологии позволяет выполнить дегазацию сварного шва, появляется возможность сваривать химически активные металлы — ниобий, молибден, титан, цирконий. Возможна сварка очень тугоплавких металлов, таких, как вольфрам, так как основная энергия тратится именно на нагрев точки контакта.

Нет необходимости использовать дополнительные средства — припои, флюсы, присадки, плавящиеся и неплавящиеся электроды. широкий диапазон свариваемых деталей по толщине — от десятых долей миллиметра до 200 мм.

Возникает возможность тонко регулировать глубину проплавления и появляется прецизионная точность. Сварка лучом электронов идет практически без участия человека, оператор установки только задает и контролирует параметры. У нее высокая скорость — до 5 см/сек, и есть возможность изготавливать детали очень малых размеров и сложной конфигурации, варить в труднодоступных местах.

При электронно-лучевой сварке появляется шов «кинжального» сечения, глубокий и узкий, с минимальным наплавлением. Величина угловых деформаций сводится к минимуму.

Недостатки

Разумеется, есть у электронно-лучевой сварки и недостатки. Основной — высокая стоимость самой установки. К другим относятся:

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.

Конструкция установок

Установка электронно-лучевой сварки может быть смонтирована стационарно, либо располагаться внутри вакуумной камеры. Она всегда включает в себя, кроме камеры:

В качестве примера можно привести установку ЭЛТУ-60. Этот аппаратный комплекс отечественного производства (НИТИ «Прогресс) предназначен для однопроходной сварки различных, в том числе разнородных металлов и сплавов. Имеет ограничение по толщине — до 30 мм.

Область, в которой используется эта и аналогичные установки — создание воздушных и космических кораблей, изготовление турбин, ядерная энергетика, массовое изготовление подшипников, конструирование сложных электровакуумных приборов, а также другие области особо ответственного назначения.

Похожие статьи

svaring.com

Разбираемся в электронно лучевой сварке

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.

Метод ЭЛС и область его применения

Этот метод позволяет воздействовать на соединяемые металлы пучком электронов с высокой энергетикой, которые вызывают в вакууме расплав металла или сплава с последующим свариванием заготовок. Один проход позволяет соединить детали от 0,1 мм до 400 мм независимо от химического состава, свариваемых металлов. 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. Особенно важно применять этот метод при сварке термостойких деталей, которые в условиях дугового способа очень плохо соединяются.

Существуют два компонента, которые обеспечивают бесперебойный процесс электроннолучевой 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.

Электронно-лучевой тип сварки используется в заводских условиях в вакуумной среде и применяется для соединения следующих материалов и сплавов:

  1. сплавов на основе титана;
  2. бериллиевых сплавов;
  3. сплавов алюминия;
  4. молибдена, циркония, тантала и ниобия;
  5. высокопрочных легированных сплавов.

Такое сварочное оборудование позволяет применять результаты работы в ракетостроении, атомной энергетике и освоении космоса.

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:

К недостаткам метода относятся высокая стоимость аппаратуры, конечные размеры заготовок в связи с размерами вакуумных камер и точная подгонка деталей перед сваркой.

Оборудование и технология метода ЭЛС

Существует несколько видов оборудования для электронно-лучевой сварки, которые характеризуются мощностью пучка, величиной ускоряющего напряжения и, как следствие, толщиной свариваемых деталей. Большое значение имеет размер камеры и степень создания вакуума в её пределах, поскольку при низком уровне откачки насосами воздуха происходит значительное рассеивание пучка электронов. В воздушной среде работа может происходить только с тонкостенными деталями и на малых расстояниях от источника до свариваемого материала. Для качественного соединения требуется также точное позиционирование места сварки относительно излучателя и его фокусировка.

В схему оборудования для электронно-лучевой сварки входят следующие элементы:

Наиболее эффективным технологическим способом является полное проплавление соединяемого стыка, которое сводит к минимуму возникновение дефектов шва. Также используют способ развёртки пучка электронов с различной амплитудой и частотной регулировкой, что позволяет улучшить качество, уменьшить перегрев деталей и сформировать стабильный шов с учётом свойств конкретного металла.

Заготовки большой толщины могут свариваться наклонным пучком электронов с углом отклонения от 4о до 7о. Этот способ подразумевает двустороннюю, либо многопроходную сварку.

Подводим итог

Мы рассказали о лучевой сварке потоком электронов трудно свариваемых или тугоплавких металлов и сплавов с различными физическими свойствами. Этот промышленный метод используется при производстве высокотехнологичного оборудования различного назначения, а обеспечиваемые качество и точность, существенно отличают его от дуговой сварки.

Сергей Одинцов

electrod.biz


Смотрите также