Лазерне зварювання і інші інноваційні зварювальні технології

Електронно-променеве зварювання (або просто променева, ЕЛС.) Є одним з швидко розвиваються способів з'єднання різних тугоплавких металів, різнорідних, хімічно активних, якісних сталей, сплавів високої міцності на основі титану і алюмінію.

Променева зварювання - процес, заснований на використанні тепла, що виділяється під час гальмування остросфокусірованного пучка заряджених частинок, прискорених до високих енергій. Широке застосування   це джерело нагріву придбав лише з розвитком вакуумної техніки і електронної оптики, тільки після цього він став застосовуватися в металургійній техніці.

Стимулом для пошуку нового способу з'єднання послужили складності з важкозварювальних металами: молібден, тантал, цирконій, ніобій і вольфрам відрізняються високою температурою плавлення і хімічної активністю, що вимагало використання джерел тепла великій концентрації і великий захищеності зони зварювання.

Сутність процесу ЕЛС

Основним компонентом є електронний промінь, який створюється особливим приладом - електронною гарматою.

Як видно з малюнка нижче, гармата має катод (2), який розміщений всередині прікатодном електрода (3). На певній відстані від катода розташовується прискорює електрод з отвором - анод (4). Гармата харчується електричною енергією від високовольтного джерела постійного струму (5).

Для збільшення щільності енергії в електронному промені після виходу з першого анода електрони концентруються магнітним полем в магнітної лінзі (6), що летять електрони, сфокусовані в щільний пучок, вдаряються на великій швидкості про малу площадку на виробі (1). На даному етапі кінетична енергія електронів внаслідок їх гальмування перетворюється в теплоту, таким чином нагріваючи метал до високих температур.

Для переміщення електронного променя по виробу на шляху руху електронів розміщують магнітну відхиляє систему (7), яка дозволяє встановити промінь строго по лінії зварювання.

Для того, щоб знизити втрату кінетичної енергії електронів внаслідок зіткнення з молекулами газів повітря, а також для хімічної і теплової захисту катода в гарматі створюється вакуум близько 10 -4 - 10 -6 мм рт.ст. Настільки висока концентрація енергії променя (до 109 Вт / см 2) при мінімальній площі місця нагріву (до 10 -7 см 2) веде до зменшення термічних деформацій в ході зварювання і формування шва з кинджальним формою проплавлення.

Технічний вакуум при ЕЛС виконує кілька функцій:

• знижує втрату кінетичної енергії електронів, дозволяючи частинкам досягати поверхні виробу майже не стикаючись з молекулами повітря;
• запобігає дугового розряд між анодом і катодом, забезпечує хімічний захист катода;
• захищає розплавлений метал від взаємодії з навколишньою атмосферою більш ефективно, ніж захисний газ, флюс;
• сприяє поліпшенню дегазації зварювальної ванни і видалення оксидних плівок, що позначається на якості з'єднання.

техніка ЕЛС

З малюнка нижче видно, яку форму має проплавление по. Плавка металу променем (1) відбувається по передній стінці поглиблення (2) - кратера, - а розплавляється метал зсувається по бічних стінок до задньої стінки (4), де він кристалізується (3).

Можлива сварка безперервним променем, однак при роботі з легкоиспаряющихся металами (наприклад, магній, алюміній) зменшується ефективність електронного потоку, як і кількість теплоти, що виділяється зважаючи на втрату енергії при іонізації парів металів. Тут рекомендується роботи імпульсним електронним променем з частотою імпульсів 100-500 Гц і з великою щільністю енергії. Дана маніпуляція веде до підвищення глибини конуса проплавлення. Таким способом можливо зварювати дуже тонкі металеві листи. У разі, якщо відбувається утворення підрізів, їх можна видалити зварюванням расфокусированним або вагається променем.

Параметри режиму променевого зварювання і типи зварних з'єднань

Основні параметри режиму ЕЛС включають:

• ступінь вакуумізації;
• силу струму в промені;
• швидкість руху променя по поверхні виробу;
• прискорювальна напруга;
• точність фокусування променя;
• тривалість імпульсів і пауз.

Режими відображені в таблиці нижче:

Для пересування електронного променя по виробу необхідно переміщати сам виріб або промінь за допомогою системи, що відхиляє. Ця система дозволяє здійснювати коливання променя як уздовж, так і поперек шва, а також по більш складній траєкторії.

До початку зварювання потрібне дотримання точного складання деталей і точний напрям променя по осі стику. Так, при товщині металу до 5 мм зазор складає не більше 0,07 мм, при товщині до 20 мм - до 0,1 мм з відхиленням променя не більше 0,2-0,3 мм. Для збільшених зазорах (з метою попередження підрізів) знадобиться додатковий метал у вигляді присадного дроту або технологічних буртиков. Змінюючи розмір зазору і кількість доданого металу, можна довести частку присадочного металу по шву до 50%.

Розглянемо основні типи зварних з'єднань, Які рекомендуються для електронно-променевого зварювання. Малюнок нижче демонструє такі види:

• а) - стикове;
• б) - замкове;
• в) - стикове з деталями різної товщини;
• г) - кутова;
• д), е) - стикове при зварці шестерень;
• ж) - стикове з відбортовкою кромок.

Особливості зварювання променевого типу

Процес променевого зварювання характеризують дві особливості:

• процес зварювання реалізується в вакуумному середовищі, що гарантує отримання максимально чистої поверхні і дегазацію розплавленого металу;
• нагрів відбувається до дуже високих температур, таким чином метал швидко плавиться, а шов в результаті обробки виходить дрібнозернистий і мінімальної ширини.

Дані особливості дозволяють працювати зі сплавами, чутливими до інтенсивного нагріву.   Електронно-променевої зварюванням виготовляють деталі з алюмінієвих і титанових сплавів, високолегованих сталей. Метали і сплави піддаються зварюванні в однорідних і різнорідних комбінаціях, різними по товщині і температурі плавлення. Мінімальна товщина зварювальних заготовок - 0,02 мм, а максимальна - до 100 мм.

Переваги та недоліки електронно-променевого зварювання

Сварка електронним променем має ряд вагомих переваг, серед яких:

Мала кількість введеної теплоти. У більшості випадків для отримання однакової глибини проплавлення при зварюванні даного типу потрібно теплоти в 5 разів менше, ніж при дуговом вигляді, Що значно знижує викривлення виробів;

Можливість зварювання кераміки і тугоплавких металів (танталу, вольфраму), кераміки і т. Д. З чіткої фокусуванням променя стає можливим нагріти поверхню діаметром менше міліметра. Це в свою чергу дозволяє одноразово приварювати метали товщиною від десятих часток міліметра;

Висока якість зварних з'єднань хімічно активних металів і сплавів: молібдену, титану, ніобію, цирконію. Як правило, в багатьох випадках відбувається дегазація металу шва і одночасно підвищення його пластичних характеристик. ЕЛС також незамінна при з'єднанні низьковуглецевих, корозійностійких, мідних, нікелевих сталей, алюмінієвих сплавів.

Але незважаючи на більшу кількість достоїнств, ЕЛС має і мінуси.

Недоліки електронно-променевого зварювання

Час витрата при створенні вакууму в робочій камері після завантаження виробів;

Можливість утворення несплавлення, порожніх отворів в корені шва при зварюванні металів з великою теплопровідністю, а також швах з великим відношенням глибини до ширини.

Застосування ЕЛС виправдано, коли потрібно проводити роботи у важкодоступних і незручних місцях. Сварка даного різновиду універсальна і економічна. Універсальність цієї зварювання виражена тим, що за допомогою неї з'єднують вироби як з будь-якою обробленням кромки, так і без оброблення. Економічність ж полягає в порівняно малому споживанні електрики.

Сьогодні на вітчизняних підприємствах застосовується електронно-променеве обладнання з гарматами прямого і непрямого напруження катодів і власного виробництва, і від інших російських і зарубіжних фірм. В установках з внутрікамерним розташуванням променевих гармат є можливість зварювання з'єднань горизонтальним або похилим променем по складних траєкторіях руху. Точна механіка в поєднанні з комп'ютерними технологіями і системами управління усувають залежність якості підсумкових з'єднань від людського фактора, тобто присутність оператора-зварювальника практично виключається, так як процес відбувається майже автоматизовано. зварювальне обладнання   нескладно в експлуатації і його обслуговування не має на увазі витрат трудових ресурсів. Запрограмувавши установку, потрібно лише стежити за тим, як промінь наводиться в потрібне місце і слід уздовж стику. Від робочого персоналу буде потрібно тільки змінювати потужність променя і регулювати фокусування на конкретному відрізку траєкторії стику.

В цілому, електронно-променеве зварювання - це раціональне і перспективний напрямок у розвитку сучасних технологій   зварювання!

Сутність процесу полягає в використанні кінетичної енергії потоку електронів, що рухаються з високими швидкостями в вакуумі. Для зменшення втрати кінетичної енергії електронів за рахунок зіткнення з молекулами газів повітря, а також для хімічної і теплової захисту катода в електронній гарматі створюють вакуум порядку 10 -4 ... 10 -6 мм рт. ст.

техніка зварювання

При зварюванні електронним променем проплавление має форму конуса (рисунок 1). Плавлення металу відбувається на передній стінці кратера, а розплавляється метал переміщається по бічних стінок до задньої стінки, де він і кристалізується.

1 - електронний промінь; 2 - передня стінка кратера;
3 - зона кристалізації; 4 - шлях руху рідкого металу

Малюнок 1. Схема перенесення рідкого металу при електронно-променевого зварювання

Проплавлення при електронно-променевого зварювання обумовлено в основному тиском потоку електронів, характером виділення теплоти в обсязі твердого металу і реактивним тиском випаровується металу, вторинних і теплових електронів і випромінюванням. Можлива сварка безперервним електронним променем. Однак при зварюванні легкоиспаряющихся металів (алюмінію, магнію та ін.) Ефективність електронного потоку і кількість виділяється у виробі теплоти зменшуються внаслідок втрати енергії на іонізацію парів металів. У цьому випадку доцільно зварювання вести імпульсним електронним променем з великою щільністю енергії і частотою імпульсів 100 ... 500 Гц. В результаті підвищується глибинапроплавлення. При правильній установці співвідношення часу паузи і імпульсу можна зварювати дуже тонкі аркуші. Завдяки теплоотводу під час пауз зменшується протяжність зони термічного впливу. Однак при цьому можливе утворення підрізів, які можуть бути усунені зварюванням вагається або розфокусованим променем.

Основні параметри режиму електронно-променевого зварювання (таблиця 1):

• сила струму в промені;
• прискорювальна напруга;
• швидкість переміщення променя по поверхні виробу;
• тривалість імпульсів і пауз;
• точність фокусування променя;
• ступінь вакуумізації.

Таблиця 1. Режими електронно-променевого зварювання

Для переміщення променя по поверхні виробу використовують переміщення вироби або самого променя за допомогою системи, що відхиляє. Відхиляє дозволяє здійснювати коливання променя вздовж і поперек шва або по більш складній траєкторії. Низьковольтні установки використовують при зварюванні металу товщиною понад 0,5 мм для отримання швів зі ставленням глибини до ширини до 8: 1. Високовольтні установки застосовують при зварюванні більш товстого металу з відношенням глибини до ширини шва до 25: 1.

Основні типи зварних з'єднань, що рекомендуються для електронно-променевого зварювання, наведені на малюнку 2. Перед зварюванням повинен бути точно складання деталей (при товщині металу до 5 мм зазор не більше 0,07 мм, при товщині до 20 мм зазор до 0,1 мм) і точний напрям променя по осі стику (відхилення не більше 0,2 ... 0,3 мм).

а - стикове (може бути з бортиком для отримання опуклості шва); б - замкове; в - стикове деталей різної товщини; г - кутові; д і е - стикові при зварюванні шестерень; ж - стикові з відбортовкою кромок

Малюнок 2. Типи зварних з'єднань при зварюванні електронним променем

При збільшених зазорах (для попередження підрізів) є потреба у додатковому метал у вигляді технологічних буртиков або присадочного дроту. В останньому випадку з'являється можливість металургійного впливу на метал шва. Змінюючи зазор і кількість додаткового металу, можна довести частку присадочного металу в шві до 50%.

Сварка електронним променем має значні переваги:

1. Висока концентрація введення теплоти в виріб, яка виділяється не тільки на поверхні виробу, а й на деякій глибині в обсязі основного металу. Фокусуванням електронного променя можна отримати пляма нагріву діаметром 0,0002 ... 5 мм, що дозволяє за один прохід зварювати метали товщиною від десятих часток міліметра до 200 мм. В результаті можна отримати шви, в яких співвідношення глибини провару до ширини до 20: 1 і більше. З'являється можливість зварювання тугоплавких металів (вольфраму, танталу і ін.), Кераміки і т.д. Зменшення протяжності зони термічного впливу знижує ймовірність рекристалізації основного металу в цій зоні.
2. Мала кількість введеної теплоти. Як правило, для отримання рівної глибини проплавлення при електронно-променевого зварювання потрібно вводити теплоти в 4 ... 5 разів менше, ніж при дугового. В результаті рез до знижуються жолоблення виробу.
3. Відсутність насичення розплавленого і нагрітого металу газами. Навпаки, в цілому ряді випадків спостерігається дегазація металу шва і підвищення його пластичних властивостей. В результаті досягається висока якість зварних з'єднань на хімічно активних металах і сплавах, таких як ніобій, цирконій, титан, молібден і ін. Хороша якість електронно-променевого зварювання досягається також на низьковуглецевих, корозійно-стійких сталях, міді та мідних, нікелевих, алюмінієвих сплавах .

Недоліки електронно-променевого зварювання:

1. Можливість утворення несплавлення і порожнин в корені шва на металах з великою теплопровідністю і швах з великим відношенням глибини до ширини;
2. Для створення вакууму в робочій камері після завантаження виробів потрібен тривалий час.

Введення, сутність процесу

На сучасному етапі розвитку фізики широке і різнобічне застосування знаходить використання енергії електронів.

електронявляє собою елементарну частинку, що має негативний заряд.

маса електронаm e = 9,109 ´ 10 -31   кг,

заряд електронаe = 1,602 ´ 10 -19   Кл.

Електрон, будучи найменшою стійкою   зарядженої елементарною частинкою матерії, може бути найбільш простим способом отриманий у вільному стані. Найбільш часто для отримання вільних електронів використовують термоелектронні катоди-метали.

Величина струму термоелектронної емісії залежить від температури катода, роботи виходу і властивостей поверхні і визначається рівнянням Річардсона-Дешмана:

Je = at2 'e-eYо / kt

де j e   - щільність струму емісії, А / см 2;

А   - емісійна постійна, що залежить від властивостей випромінюваної поверхні, зазвичай А = 40¸70 А / см 2 К 2;

Т   - абсолютна температура катода, К;

е - підстава натурального логарифма;

е Y про   - робота виходу електрона з металу, Дж;

К = 1,38 ´ 10 -23   Дж / К - постійна Больцмана.

Вільні електрони під дією електричних або магнітних полів можуть переміщатися. Так як електрони мають найменшої інертною масою з усіх елементарних частинок, що мають заряд, то електрону можуть бути повідомлені великі прискорення. При цьому енергія електронів може досягати великих значень і залежить від різниці потенціалів розганяє поля.

Швидкість руху електрона, виражена через потенціал розганяє поля U   дорівнює:

V = ö 2e u / me,

підставивши значення маси і заряду електрона отримаємо:

V = 600 ö u, км / с

З формули видно, що швидкості електронів навіть при порівняно невеликих напругах (різниці потенціалів) досягає великих величин.

наприклад, U   = 10000 В - V   електрона = 60000 км / с

Регулюючи величину і напрямок початкової швидкості електронів, величину і напрямок напруженості електричного поля, можна отримати рух електронів по заздалегідь розрахованої траєкторії.

Це дозволяє управляти рухом електронів, отримувати необхідні значення енергії, щільність електронів в пучку і т.д.

Електрони, рухаючись в електричному полі, можуть накопичити значну кінетичну енергію. При досягненні електроном поверхні металевого анода швидкість електронів різко зменшується внаслідок зіткнення їх з атомами металу. При таких зіткненнях кінетична енергія електронів передається атомам речовини, що піддаються бомбардуванню. Ефект передачі енергії електронів речовини проявляється підвищенням температури речовини.

Виділяється на аноді потужність у вигляді теплоти рівна:

Р а = N ´   e ´   U   , де N ´   e = J a   , тому Р а = J a ´ U

Дослідженнями встановлено, що електрони, що володіють певною енергією, можуть проникати вглиб металу при його бомбардуванні. Товщина поверхневого шару речовини, в якому відбувається повна втрата енергії електрона в результаті численних зіткнень з ядрами металу і електронами решітки, визначають його пробіг.

При порівняно невеликих енергіях електронів (10¸80 кеВ) пробіг електронів визначиться залежністю згідно формулою Шенланду :

d = 2,6 ´ 10 -12 ´ U 2 / r , см ,

де U   - жене напруга, В;

r   - щільність речовини, г / см 3.

В результаті зіткнень змінюється швидкість і напрям руху електронів, що проникають в метал. Електрони витрачають основну енергію в кінці пробігу, після проникнення в метал.

Мал. 1. Шлях електрона в речовині.

Таким чином, на відміну від звичайних, широко застосовуваних джерел тепла, які виробляють нагрівання шляхом теплопередачі через поверхню металу , Вивільнення енергії при ЕЛС відбувається в самому речовині,   причому найбільш інтенсивно тепловиділення відбувається на деякій глибині. Зміна величини втрати енергії електрона, розраховане на одиницю довжини шляху вздовж його пробігу, можна представити у вигляді кривої ( мал. 2.).

Мал. 2. Зміна величини втрати енергії Е р , Розраховане на одиницю довжини шляху, для первинного електрона вздовж його пробігу.

При невеликих значеннях питомої потужності в електронному промені на рідкий метал зварювальної ванни не впливають скільки-небудь значні зовнішні сили, у зв'язку з чим зварений шов формується без прожогов навіть при зварюванні металу товщиною 0,1¸0,2 мм.

Тиск потоку електронів на зварювальну ванну невелика і складає близько десятих часток грама на квадратний сантиметр ( г / см 2 )

р = j ´ 0 , 035 Ö   U ускор.   , Н / м 2,

де р   - тиск електронів, Н / м 2;

j   - щільність струму в пучку, А / см 2;

U ускор. - прискорює напруга, кВ.

Фізична картина зовнішніх явищ, які супроводжують вплив електронів на метал, складається з:

рентгенівського випромінювання,

теплоизлучения,

виникнення вторинних електронів,

випаровування металу у вигляді атомів, іонів металу

і може бути зображена у вигляді такої схеми ( мал. 3):

Мал. 3. Фізична картина явищ, які супроводжують проникнення електронів в речовину.

Сутність ЕЛС в вакуумі

Сутність ЕЛС в вакуумі полягає у використанні кінетичної енергії електронів, що швидко в глибокому вакуумі.

При бомбардуванні електронами поверхні металу переважна частина кінетичної енергії електронів перетворюється в теплоту, яка використовується для розплавлення металу.

Отримання вільних електронів досягається застосуванням розпеченого металевого катода еміссірующего електрони.

Прискорення вільних електронів забезпечується електричним полем з високою різницею потенціалів між анодом і катодом.

Фокусування електронів досягається використанням магнітних полів.

Електронний промінь, який використовується для зварювання, створюється в спеціальному приладі - електронній гарматі.

Електронна гармата (рис.4) Являє собою пристрій, за допомогою якого отримують вузькі електронні пучки з великою щільністю енергії.

Для забезпечення вільного руху електронів від катода до анода, А також для запобігання можливості виникнення дугового розряду між електродами в установці створюється глибокий вакуум порядку 10 -4 мм.рт.ст (133 '10 -4 Н / м 2)

Мал. 4. Принципова схема   електронної гармати

В ІЕЗ розроблений типаж електронно-променевих зварювальних гармат, що поширюється на електронно-променеві гармати з прискорює напругою 15¸240 кВ, призначені переважно для зварювання. У типаж включені електричні гармати, забезпечені емітером у вигляді таблетки з татнала або гексаборид лантану з електростатичним фокусуванням, електромагнітним відхиленням електронного променя.

Таблиця 1.

Електронно-променеве зварювання (еЛС) - це надійний, ефективний, економічний спосіб з'єднання матеріалів (в тому числі різнорідних), що перевершує за якістю всі інші відомі методи зварювання, як зварювання в середовищі захисних газів, мікроплазмове зварювання, лазерне зварювання   і т.п.

Сутність процесу полягає в використанні кінетичної енергії потоку електронів, що рухаються з високими швидкостями в вакуумі. Для зменшення втрати кінетичної енергії електронів за рахунок зіткнення з молекулами газів повітря, а також для хімічної і теплової захисту катода в електронній гарматі створюють вакуум порядку 10 -4 ... 10 -6 мм рт. ст., тобто у всьому діапазоні термічного впливу, ведення процесу в вакуумі, що забезпечує чистоту оброблюваного матеріалу, а також можливість повної автоматизації процесу.

Експериментальні та розрахункові дані показують, що процес впровадження електронного променя в матеріал з утворенням в ньому каналу відбувається за рахунок періодичного з частотою 10 3 ... 10 6 Гц (в залежності від концентрації енергії) викиду речовини внаслідок вибухового випаровування матеріалу. В основу таких уявлень поклали порівняння швидкостей введення енергії та релаксації цієї енергії матеріалом. Для більшості металів швидкість введення тепла в діапазоні концентрації енергії 10 5 ... 10 6 Вт / см 2 набагато перевищує швидкість відводу його внаслідок теплопровідності, що неминуче призводить до поверхневого випаровування і скипанню мікрообсягу розплаву речовини, в якому виділяється енергія електронного променя.

Встановлено, що в рідкому металі навколо електронного променя існує порожнину. Ця порожнина весь час знаходиться в русі: глибина її періодично коливається від нульової до максимальної з частотами 10 ... 60 Гц. Крім того, порожнину періодично замикається, в основному у верхній частині, а іноді і в інших перетинах каналу.

Труднощі вивчення фізичних явищ в зоні впливу електронного променя обходять шляхом введення певного джерела теплоти і використання теорії теплопровідності. Такі підходи в ряді випадків дають можливість швидше отримати методики розрахунків процесу, ніж детальний аналіз фізичних явищ. У істотному ступені це пов'язано з дією принципу місцевого впливу.

Для здійснення теплового підходу, тобто рішення задачі теплопровідності в умовах електронно-променевого впливу необхідно знати характер теплового джерела і тепловий баланс процесу.

Експериментальні дані показують, що втрати теплоти на випаровування при ЕЛС з глибоким проплавлением не перевищують 5 ... 10%, тобто тепловий баланс електроннопроменевого впливу при концентраціях енергії до10 5 ... 10 6 Вт / см 2 багато в чому схожий з тепловим балансом при процесі електродугового нагрівання. На цій підставі отримали співвідношення, що зв'язують потужність електронного променя (з урахуванням концентрації енергії) з характеристиками проплавления, вирішуючи традиційну задачу теплопровідності. Точність обчислень при цьому достатня.

Що стосується характеру теплового джерела, то згідно з експериментальними і розрахунковими даними в залежності від прискорювальної напруги, а вірніше від глибини пробігу електронів в речовині, він є або нормально розподіленим поверхневим (прискорювальна напруга менш 20 кВ), або (для випадку високих прискорюють напруг) нормально розподіленим по поверхні і глибині. Для оцінки теплових полів в разі ЕЛС з глибоким проплавлением непогану точність дає апроксимація теплового джерела як лінійного кінцевої глибини або як комбінація точкового і лінійного.

Ще один об'єкт досліджень, що має важливе значення для теорії і практики зварювання плавленням в цілому, пов'язаний з вивченням руху розплаву - це гідродинамічні процеси в зоні електронно-променевого впливу. Від процесів переносу рідкого металу в зоні обробки залежить більшість дефектів при формуванні зварних швів, а в ряді випадків гідродинаміка визначає продуктивність обробки. Глибоке проплавление металів характеризується появою специфічних дефектів (порожнин в обсязі шва, коливань глибини проплавлення по довжині шва), тому гідродинаміка є предметом ретельного вивчення та при інших концентрованих джерелах: зварюванні в захисних газах, аргонодугового зварюванні, Промені лазера, струмені плазми і ін. Значного поширення набуло моделювання гідродинамічних процесів в умовах впливу КПЕ.

Концентрований потік електронів, падаючи на поверхню матеріалу, здійснює розігрів речовини в зоні, обмеженій шириною променя і глибиною пробігу електронів. Якщо швидкість тепловиділення менше швидкості відводу енергії внаслідок теплопровідності, то відбувається нагрів з утворенням полусферической (або близько до неї) форми проплавлення (м'який режим нагріву, процес випаровування практично відсутня). Підвищення концентрації енергії в зоні впливу до 10 ... 10 Вт / см 2 призводить до того, що швидкість тепловиділення стає сумірною зі швидкістю відводу енергії внаслідок теплопровідності (критичний режим нагріву, починається істотне пароутворення). Якщо при малих концентраціях енергії енергетичний баланс процесу складається з витрат на відведення тепла оброблюваним виробом (до60%), його плавлення (до35%) і випаровування (до5%), то при концентраціях вище критичних, коли швидкість тепловиділення набагато більше швидкості відводу тепла, велика частина введеної енергії витрачається на плавлення і викид розплаву за рахунок об'ємного закипання або інших ефектів.

Ефективність процесу впливу променя істотно підвищується при поглибленні зони обробки в матеріал з утворенням каналу. Час нагріву і викиду порції речовини мало (-10 "... 10" с), тому процес свердління каналу носить періодичний характер з частотами -10 ... 10 Гц.

Так як викид речовини йде з дна каналу, що опускається в матеріал з деякою швидкістю, максимальні температура і тиск пари знаходяться у дна каналу і падають на його висоті. Біля виходу з каналу температура і тиск мінімальні.

Взаємодія електронного пучка з продуктами викиду (сумішшю пара і конденсату) в обсязі каналу призводить до того, що постійно діючий пучок електронів періодично розсіюється на стінках каналу. Концентрація потужності променя в момент його розсіювання на стінки падає на 1 ... 2 порядки (пропорційно площі внутрішньої поверхні каналу), тому такий «розмазаний» по стінках джерело забезпечує практично тільки плавлення стінок. Таким чином, коли канал вільний від парів оброблюваного матеріалу, електронний промінь без втрат досягає його дна, відбувається випаровування речовини з дна каналу. Коли канал заповнений парою, електронний промінь розсіюється і передає енергію стінок, утворюючи рідку фазу.

З урахуванням часу періодичної екранування частота викиду речовини дещо зменшується, але як і раніше залишається високою (~ 10 4 ... 10 5 Гц). Поглиблення каналу відбувається до тих пір, поки тиск пара в ньому більше сумарного тиску поверхневого натягу і тиску, обумовленого стовпом рідкої фази стінок каналу. Найменший тиск пара в усіх випадках має місце біля виходу з каналу. Тому, як тільки тиск пара стає менше тиску поверхневого натягу і ваги рідкої фази, канал у верхній частині може замикатися. Якщо не переривати дію променя, то змикання матиме періодичний характер з частотами порядку 10 ... 100 Гц. Змикання каналу зверху є причиною специфічного дефекту - наявності порожнин в обсязі проплавления. Таким чином, безперервний процес електронно-променевого впливу переходить в зоні обробки в коливальний процес з високими частотами, зумовленими газодинамічними процесами, і низькими частотами, які є наслідком гідродинамічних явищ.

Отже, реалізація різноманіття термічних впливів електронного променя (від плавки до свердління) залежить від швидкості введення енергії.

Параметрами електронного променя, вимірюваними в процесі обробки, є струм променя I, прискорює напруга U, струм фокусує системи 1ф, робоча відстань (відстань від центру фокусує системи до поверхні деталі, що зварюється) 1, швидкість переміщення електронного променя і.

Потужність електронного променя (в Вт) q = IU. При заданому робочому відстані 1, струмі фокусування 1ф і потужності зварювання можна визначити діаметр електронного променя d і, отже, питому потужність qi (Вт / см 2), яка є одним з визначальних параметрів процесу:

q 2 = IU / (7id 2/4).

Погонна енергія (в Дж / см)

не є визначальним параметром, так як при електронно-променевої обробці в залежності від величини питомої потужності q2 при однаковій погонной енергії можна отримати різну конфігурацію зони обробки. При впливі в імпульсному режимі середня потужність (Вт)

де I-величина струму в імпульсі, A; f-частота проходження імпульсів, Гц; т-тривалість імпульсу, с.

Швидкість обробки в імпульсному режимі (см / с)

1) = В (1-К) / (Т + Т п),

де Тп - час паузи між імпульсами, с; до коефіцієнт перекриття точок (зазвичай до = 0.5 ... 0.9); В діаметр зони обробки (точки).

Крок точок (см)

S = і (т + Т п),

швидкість обробки

U - S / (T + Тп).

Параметром, що характеризує співвідношення тривалості імпульсу і часу паузи в імпульсному режимі, є шпаруватість циклу

G = т / (т + тп).

Найбільш істотним і одночасно найбільш трудноопределяемим параметром електронного променя є його діаметр.

При заданих щільності струму емісії з катода, температурі катода і сферичної аберації линзовой Системи проектування пучок електронів з максимальним струмом може бути сфокусований в пляма мінімального діаметра (см):

d = So (I / U) 3/8,

So = [(4 2/3 к / Тге) * з 2/3 fo 273 * (T / j)] 3/8.

З урахуванням виразу діаметра плями питома потужність:

q 2 = (l / rc) (2 / So) 2 I 1/4 U 7/4,

тут So - постійна електронно-оптичної системи;

Кл- елементарний заряд електрона; к-постійна Больцмана;

Т - температура катода,

До; fo - фокусна відстань; з - безрозмірна постійна сферичної аберації лінзи або системи лінз; j - струм емісії з катода, А / м 2.

Електронно-променеве зварювання - це надійний спосіб з'єднання тугоплавких матеріалів з різною температурою плавлення, скорочено ЕЛС. Технологія розвивається з середини минулого століття і з успіхом використовується в авіаційній, космічній промисловості. Там, де необхідно особливо точне і міцне з'єднання компонентів.

опис технології

В основі електронно променевої технології зварювання лежить використання механічної енергії електронів, яку створює електронна гармата. Швидкість електронів в магнітному полі гармати прямо залежить від прискорюючої напруги. Від потужності енергії пучка і щільності зварюваного матеріалу залежить глибина проникнення променя. При впливі пучка з матеріалом кінетична енергія електронів перетворюється на теплову. У цей час відбувається створення вторинних електронів і виділення рентгенівського і теплового випромінювань. Чим менше діаметр пучка, тим більше його питома потужність.

Керуючи потужністю променя і тривалістю опромінення, можна виконувати безліч різних технологічних операцій. Від очищення поверхні матеріалу до зварювання і випаровування. Всі процеси відбуваються в вакуумному середовищі. Залежно від виробничої необхідності, вакуум в камері може бути від 10-2 до 10-6.

Для забезпечення безперервного процесу використовують змінні контейнери. Поки відбувається процес зварювання в одному контейнері, інший перезаряджають. Наявність двох контейнерів в кілька разів збільшує продуктивність зварювальної установки.

електронно променева технологія   зварювання дозволяє не тільки надійно з'єднувати різні матеріали, але і робити напилення металом або керамікою, створювати нові матеріали. Наприклад, можна створити матеріал з електропровідністю міді і фортецею стали.

Мат. частина процесу

Електронно-променеве зварювання - це технологічно складний процес, висуваючи високі вимоги до обладнання. Установки відрізняються продуктивністю, потужністю, управлінням та обсягом, але незмінно мають в складі:

• електронну гармату, яких може бути кілька;
• вакуумну камеру;
• блок керування;
• оглядове вікно для спостереження за процесом (або монітор).

В електронно променевої гармати для зварювання формується потік електронів, який виробляється катодом, що підігрівається спіраллю. Близько катода розташовані додаткові електроди, які попередньо фокусують електрони, формуючи промінь. На катод подається негативна напруга. На прискорює електрод, розміщений на відстані декількох сантиметрів від катода, прикладається позитивна напруга. Висока різниця потенціалів розганяє електрони до швидкості вище 100 000 км / с. У зв'язку з тим, що електрони мають властивість взаємно відштовхуватися, їх необхідно сфокусувати електромагнітної фокусує системою. Для точного керування променем в електронно-променевого гарматі встановлена ​​електромагнітна система, що відхиляє.

Всі процеси відбуваються у вакуумній камері. Безповітряному середовище:

• зменшує втрати енергії електронів від ударів об молекули повітря;
• майже повністю знижується ймовірність виникнення оксидної плівки на зварювальних матеріалах;
• запобігає утворенню дугового розряду.

Для зварювання може застосовуватися постійне або імпульсна напруга з частотою 100-500 Гц. Використовувати імпульсну напругу ефективніше, особливо при варінні легкоиспаряющихся металів: алюміній або магній. Енергія променя не витрачається на іонізацію парів.

При правильно виборі частоти і шпаруватості коливань можна зварювати тонкі листи.

Види зварювальних променевих установок

Електронно променеві установки бувають камерними (оброблювані вироби поміщаються цілком в камеру) і безкамерні (вакуум створюється локально, тільки в місці зварювання).

За величиною робочого прискорює напруги установки діляться на:

• низьковольтні (10-30 кВ);
• середні (40-60 кВ);
• високовольтні (100-200 кВ).

Промисловість виробляє універсальні установки і спеціалізовані. Універсальні системи можна застосовувати для ремонтної і експериментальної зварювання виробів. Спеціалізовані системи налаштовуються на виготовлення однотипних деталей.

Системи можуть застосовуватися не тільки для зварювання металів, в тому числі тугоплавких, але і для обробки кераміки, скла, алмазів та інших матеріалів. Установки можна використовувати для:

• зварювання;
• різання;
• гравіювання;
• свердління;
• легування
• напилення.

Деякі агрегати оснащуються механізмом горизонтального обертання для обробки деталей трубчастої форми.

Сучасні установки відрізняються особливою точністю позиціонування променя, тому вони з успіхом використовується в мікроелектроніці. Наприклад, апарат MEBW-60, який виробляє підприємство Focus, може зварювати деталі з нержавіючої сталі товщиною від 0,02 мм. Максимальна товщина стику до 12 мм.

Використання зварювання в промисловості

Розширення використання ЕЛС в промисловості триває. Незважаючи на деякі недоліки, як необхідність роботи в вакуумі і освіту в деяких випадках порожнин в тілі шва, ЕЛС залишається найбільш економічним і точним способом зварювання. Ефективність ККД при електронно променевого зварювання становить 85-95%. Це на порядок вище, ніж у дугового зварювання.

Без електронно-променевого зварювання не обійтися під час обробки:

• активних металів;
• термоупрочнение матеріалів;
• деталей відповідального призначення;
• тугоплавких металів,
• виробів з кераміки, каменю.

Метод променевого зварювання використовується і для виробництва в металургії. Титан виплавляється з титанової губки за допомогою електронно променевих гармат.

Японські будівельники атомних станцій застосовують променеву зварювання   для з'єднання аустенитной нержавіючої сталі, використовуваної в активній частині реактора, пов'язану з електронно-променеві установки. Дослідження показали, що якість зварного шва, Отриманого променевим способом, за багатьма показниками перевершує шов дугового зварювання.

ЕЛС широко застосовуються в електронній промисловості. З її допомогою герметизують мікросхеми і напівпровідникові прилади. Температура нагріву вироби не перевищує 200 градусів. Зварювальний апарат   ЕЛУМС-25 / 0,5, розроблений в НВО «Оріон», може приварювати золоті провідники микросборок діаметром 5 мкм.

Найбільш потужні і великі установки застосовуються в авіаційній промисловості. Обсяг камер становить близько 1500 кубічних метрів.

Останнім часом, після деякого спаду інтересу до електронно-променевого зварювання, через загальної кризи в економіці, активізувалися роботи по виробництву та розробці нових технологій ЕЛС. Якщо ви фахівець в цій сфері, і вам є що розповісти, додати або посперечатися на тему, висловлюйтеся в блоці коментарів.

Головна » інструкції » Лазерне зварювання і інші інноваційні зварювальні технології