Электронно-лучевая сварка. что такое электронно-лучевая сварка и где она применяется

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.

Технология

Для проведения сварочного процесса обязательным условием является соблюдение вакуумизации. Необходимая глубина разряжения в пушке способствует беспрепятственному передвижению электронов. Из области камеры полностью удаляется воздушные массы, в них имеет кислород, который может вызывать окисление металлической структуры. Действие вакуума похоже на действие флюса — он защищает от коррозийного поражения.

В основе данной технологии лежит способность электронов перемещать энергию. Когда для движения нет препятствий, частицы в прямолинейном направлении перемещаются к сварной поверхности. Именно расплавление металла производится под их воздействием.

Параметры и показатели ЭЛС

К характеристикам электронного луча, измеряемым в процессе сварки, относятся сила тока луча I, ускоряющее напряжение U, сила тока фокусирующей системы Iф, рабочее расстояние (расстояние от центра фокусирующей системы до сварных кромок) L, угол сходимости луча а, скорость перемещения лазерного луча V. Мощность луча Q=IU, Вт. Эти параметры задаются при сварке и с помощью них можно определить удельную мощность Qу, Вт/см2 и диаметр электронного луча d:

Qу=IU/(3,14d24).

Если сварка ведётся в импульсно-периодическом режиме, то среднюю мощность луча можно определить по формуле:

Qср=IиUft,

где Iи — сила тока луча в импульсе, А; U — ускоряющее напряжение, В; f — частота импульсов, Гц; t — продолжительность импульса, с. Скорость сварки в импульсном режиме определяется по формуле:

Vи=b(L-K)f,

где K — коэффициент перекрытия точек (обычно находится в пределах 0,5-0,9); b — диаметр сварной точки, см.

Наиболее распространённые значения параметров электронного луча для сварки находятся в следующих пределах: Q=1-120 кВт, при U=25-120 кВ, а=1-5°, t=20-200 мм; Vи=0,1-3 см/с; d=0,1-3 мм, f=1-100 Гц, t=5-100 мс, К>10.

Схема установки электронно-лучевой сварки

Электронно-лучевая сварка, в большинстве случаев, выполняется вертикальным, либо горизонтальным лучом в вакуумных камерах, размер которых зависит от размеров свариваемого изделия. Объём сварочных камер может составлять от 0,1 до сотен кубических метров. На рисунке ниже показана схема установки ЭЛС:

Электронная пушка, расположенная в камере (или на камере) создаёт электронный луч. В камере создают вакуум, который может колебаться в широких пределах: 1-10-3 Па. Но даже в низком вакууме (1Па), содержание кислорода в 17 раз, а азота в 10 раз меньше, чем в особо чистом аргоне, поэтому, защита зоны сварки в вакуумной камере очень эффективна.

Область применения

Этот вид неразъёмного соединения различных материалов нашел широкое применение в авиационно-космической технике, судостроении, строительстве, микроэлектронике и других сферах человеческой жизнедеятельности, где необходимо сваривать тугоплавкие, прецизионные (особо чистые) материалы с уникальными свойствами.

Уникальность метода заключается в том, что с его помощью удается сваривать как сверхтонкие детали толщиной до десятков микрон, так и особо толстые (200…300 мм) конструкции из однородных и разнородных металлов и даже некоторые неметаллические материалы.

Использование сварки в промышленности

Применение ЭЛС постоянно расширяется несмотря высокую себестоимость процесса и некоторые ее недостатки. Технология характеризуется показателем КПД почти 95%. Этот показатель больше чем у более распространенной дуговой сварки.

Промышленное применение выражено следующим образом:

При работе с активными металлами.
При обработке термоупрачненных металлов.
Для соединения тугоплавких материалов.
При работе с камнем и керамикой.
Для создания ответственных деталей.

Сегодня ЭЛС получила широкое распространение в сфере производства электронных изделий. За счет вакуума можно обеспечить герметизацию микросхем. При этом на поверхность может оказывать воздействие самая различная температура. Производительные установки подходят для работы в сфере авиации. Объем камер может варьировать в большом диапазоне. В заключение отметим, что в последнее время технология активно развивается. Это связано с возможностью получения качественных изделий при небольших затратах.

Виды

В промышленности используют два основных типа: с прямым или косвенным накалом катодов, отдельные установки ЭЛС проводят обработку поверхностей по криволинейным траекториям. Сложность конструкции аналогичных установок влияет на конечную цену изделия, поэтому оборудование этой классификации относится к разряду дорогих.

Контроль исполнения задачи производится установленным компьютером, в памяти которого заложена необходимая программа сварки.

Сварка на электронно-лучевых сварочных установках отличается повышенной опасностью для персонала из-за возможного облучения, что является основным минусом такого производства.

Сущность процесса и область его применения

Электроннолучевую сварку применяют при обработке тугоплавких металлов, легко окисляемых сплавов, которые невозможно варить другими методами. Под электронным лучом образуется расплав, который заполняет стык на всю глубину. Электроны одновременно воздействуют на металл по всей поверхности стыка. Функции сварочного устройства выполняет электронная пушка. Из разогретого тугоплавкого металла в глубоком вакууме до 10 -6 Па вырываются электроны, они ускоряются под силовым воздействием тока, устремляются в рабочую зону. ЭЛС действует аналогично лазерной, только в отличие от светового луча пучок электронов невидим. Энергия его значительно превосходит лазер, площадь воздействия меньше.

Читать также: Инструмент для холодной ковки своими руками чертежи

Преимущества и недостатки

Обычно преимущества и недостатки определяются в сравнении с аналогами. В данном случае приходится говорить об условных недостатках, так как для определенных конструкций и свариваемых материалов просто нет альтернативных методов и аналогов для сравнения. Главным и непревзойденным преимуществом является высокое качество сварных швов.

Преимущества

Недостатки

высокая концентрация энергии позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от 0,01 до 300 мм;
КПД в 10-15 раз выше, чем при дуговой сварке;
отсутствует взаимодействие расплавленного металла с атмосферными газами, что положительно влияет на качество шва;
значительно снижаются сварочные деформации деталей и конструкций;
возможность сварки соединений различных конфигураций, в том числе принципиально новых, не выполнимых традиционными методами сварки плавлением;
высокая производительность и экономичность;
наличие существенных предпосылок для комплексной автоматизации и роботизации процесса сварки

большие капитальные затраты на приобретение оборудования;
повышенные требования к точности сборки;
требуется высокая квалификация операторов и обслуживающего персонала;
необходимость создания вакуума в рабочей камере, что приводит к увеличению трудоемкости подготовительно-заключительных процессов;
генерация мощных электромагнитных полей и рентгеновского излучения. Это приводит к принятию дополнительных мер по охране труда и технике безопасности

4 Электрошлаковая сварка и электроды для нее

Бездуговая технология, предполагающая использование теплоты шлаковой ванны для нагрева участка плавления материала. Сама ванна получает необходимую температуру за счет подогрева электротоком. По типу используемых электродов такая технология может выполняться плавящимся мундштуком и пластинчатым либо проволочным сварочным стержнем.

По количеству электродов электрошлаковую сварку делят на:

многоэлектродную;
одноэлектродную;
двухэлектродную.

Чаще всего описанный вид соединения металлов используется для сварки изделий толщиной не более 60 и не менее 1,5 миллиметров.

Параметры режима

К основным режимам относятся:

Степень разряжения в камере. Чем выше вакуумизация, тем качественнее эффективность соединения.
Сила тока варьируется и зависит от толщины металла заготовок.
Скорость перемещения лучевого потока по поверхности деталей определяется производительностью оборудования, она настроена так, чтобы исключить прожигание металлов.
Эффективность сварки определяет точность фокусировки луча, что напрямую зависит от оборудования.
Существуют технологии прерывистого воздействия на металлы светового потока.
Передвижение сварочного луча осуществляется вдоль, поперек шва или по сложной траектории, существуют два метода: перемещение луча с помощью системы отклонения или движение заготовок.

При увеличении зазора между заготовками рекомендуется применять специального состава присадки.

Основные типы соединений

Важными параметрами в процессе ЭЛС считаются геометрические составляющие и формы стыковки заготовок и пространственное положение лучевого потока относительно места сварки.

а) — встык,

б) — в виде замка,

в) — стык деталей, имеющих большую разницу по толщине металла,

г) — угловое,

д), е) — первый вариант при сваривании шестерни,

ж) — он же, но при отбортовке кромки.

Параметры

Электронная сварка с использованием луча должна производиться с соблюдением важных параметров, от этого зависят прочностные характеристики сварного шва. К ним относятся:

Степень вакуумизации. Это означает, что при сварочном процессе в вакууме происходит сильное повышение эффективности работ.
Объемы подаваемого тока в луче могут изменяться в широком диапазоне. Чем больше будет толщина свариваемой детали, тем выше должны быть показатели силы тока.
Скоростные показатели передвижения луча на поверхности определяют степень производительности сварочных работ. Помимо этого повышение скорости передвижения предотвращает прожигание металлической основы.
Точная фокусировка луча оказывает влияние на эффективность сварки. Но это зависит от того, какое оборудование используется для электронно-лучевой сварки.
Длительность пауз. В некоторых технологиях может наблюдаться прерывистое влияние импульса.

Стоит отметить! Основные требования и принципы проведения данной сварочной технологии можно найти в специальной документации и ГОСТах. А используемое оборудование позволяет вводить основные параметры.

Электронная сварочная технология с использование луча — уникальный метод соединения металлических элементов, который не имеет аналогов. За счет высокой производительности и больших возможностей сварку используют практически во всех областях промышленности

При помощи этого способа производят различные конструкции с высокой важностью

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.

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 сварка. Технология

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.

Один проход позволяет соединить детали от 0,1 мм до 400 мм независимо от химического состава, свариваемых металлов.

Этот метод позволяет воздействовать на соединяемые металлы пучком электронов с высокой энергетикой, которые вызывают в вакууме расплав металла или сплава с последующим свариванием заготовок. 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.

Существуют два компонента, которые обеспечивают бесперебойный процесс электронно-лучевой 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.

Важно понимать, что технические условия процесса, делают метод весьма затратным и высокотехнологичным, что исключает его применение в домашних или бытовых условиях

Параметры

Степень вакуумизации. Это означает, что при сварочном процессе в вакууме происходит сильное повышение эффективности работ.
Объемы подаваемого тока в луче могут изменяться в широком диапазоне. Чем больше будет толщина свариваемой детали, тем выше должны быть показатели силы тока.
Скоростные показатели передвижения луча на поверхности определяют степень производительности сварочных работ. Помимо этого повышение скорости передвижения предотвращает прожигание металлической основы.
Точная фокусировка луча оказывает влияние на эффективность сварки. Но это зависит от того, какое оборудование используется для электронно-лучевой сварки.
Длительность пауз. В некоторых технологиях может наблюдаться прерывистое влияние импульса.

Не пропустите: Сварка ПНД труб своими руками разными методами

При помощи этого способа производят различные конструкции с высокой важностью

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:

Ускоряющее напряжение;
Величина тока в выпускаемом луче;
Скорость передвижения пучка по поверхности свариваемой заготовки;
Точность фокусирования луча;
Продолжительность пауз и импульсов;
Степень вакуумизации.

Сами режимы для каждого типа свариваемого металла выглядят следующим образом:

Вид металла	Толщина заготовки, мм	Режим сваривания	Ширина шва, мм
Напряжение ускоряющее, кВ	Величина тока на луче, мА	Скорость сварки, м/ч
Вольфрам	0,5	19	45	60	1
1	21	77	50	1,5
Тантал	1	2	50	50	1,5
Сталь марки 18-8	1,5	19	55	65	2
20	21	270	50	7
35	21	500	20	–
Сплав молибдена и вольфрам	0,5 + 0,5	19	47	44	1

Особенности сварки лучевого типа

Технология применения сфокусированного луча встречается крайне редко

Рассматривая особенности сварки лучевого типа уделяется внимание следующим моментам:

Получить чистую поверхность и обеспечить максимальную степень дегазации металла можно только в случае проведения работы в условии вакуума.
Нагрев проводится до высокой температуры, за счет обеспечивается плавка металла в зоне контакта. За счет этого получается мелкозернистый шов с привлекательными характеристиками.

Подобный метод не приводит к образованию трещин. Именно поэтому он используется для работы с материалами, которые восприимчивы к сильному нагреванию и могут плавится.

Применение ЭЛС

Примером можно назвать процесс изготовления деталей из различных алюминиевых сплавов. Минимальная толщина обрабатываемых деталей составляет 0,02 мм, максимальный показатель около 100 мм.

Где применяется электронно-лучевая сварка

Поскольку ЭЛС обладает высокой плотностью создаваемой мощности, которая достигает 10 8 Вт/см², и осуществляется в вакуумной среде, подобная технология дает возможность скреплять тугоплавкие и химически активные металлы и их сплавы, такие как:

вольфрам;
тантал;
молибден;
ниобий;
цирконий;
титан;
алюминий;
высоколегированная сталь.

Данные материалы можно сваривать как в однородных, так и разнородных сочетаниях при разных толщинах и температурах плавления. Естественно, выбор ускоряющего напряжения, силы тока луча и скорость обработки во многом зависят от физико-механических свойств детали. Например, при работе с вольфрамом толщиной 0,5 мм разность потенциалов составляет 18 кВ, ток равен 40 мА, а скорость перемещения луча достигает 60 м/ч. Тогда как для 35-миллиметровой стали эти показатели будут несколько иными: 22 кВ, 500 мА, 20 м/ч.

Электронно-лучевой сварочный процесс получил широкое применение в тех отраслях, где нежелательна или невозможна высокая термообработка изделия, при этом шов должен отличаться большой надежностью и эстетической привлекательностью. Поэтому ЭЛС часто используется в авиакосмической сфере, энергетике, машиностроительной промышленности, приборостроении и электровакуумном производстве.

Шов крепления нержавеющей стали

Преимущества и недостатки по сравнению с другими видами сварки

Как уже отмечалось, электронный луч отличается высокой плотностью мощности, уступая по этому показателю только лазерному лучу и значительно превосходя ацетилено-кислородное пламя и электрическую дугу. Кроме того, площадь пятна нагрева является минимальной и составляет около 10 -5 см² (для сравнения, при обработке металлических деталей ацетиленом создается пятно контакта минимум 0,2 см², а электрической дугой – 0,1 см²).

Еще одним существенным преимуществом ЭЛС является полная дегазация рабочей области, в результате чего достигается высококачественное соединение химически активных металлов. Отсутствие воздействия атмосферных кислорода и водорода на шов позволяет добиться его более однородной и плотной структуры, а также избежать последующей коррозии.

Основной недостаток описываемого способа – высокие затраты на создание условий вакуума. Этот метод сварки работает в узкоспециализированном диапазоне задач, для высокотехнологичных дорогостоящих деталей с серьезными требованиями по допускам.

Классификация по тонкости шовных соединений

К минусам электронно-лучевого воздействия также можно отнести высокие требования к качеству обрабатываемой поверхности, которая в обязательном порядке должна быть очищена от следов консервации, ржавчины и других дефектов. При этом очистку материала, как правило, выполняют в несколько этапов – начиная механической обработкой и заканчивая применением специальных химических реагентов. К тому же после загрузки подготовленных деталей в камеру требуется длительное время для достижения необходимого вакуума, что не всегда подходит для серийного и массового производства.

В этом плане ацетилено-кислородная и электро-дуговая технологии являются более простыми и производительными. И если в первом случае шов не всегда выглядит эстетично, то при использовании электрической дуги многое зависит от применяемой защитной среды. Правильно подобранная смесь не только делает соединение более аккуратным, но и существенно повышает его надежность. Подробнее про сварочные смеси для разных видов металлов вы можете узнать, перейдя по этой ссылке.

Результаты

Сварено 4 детали.
Раковины от микровзрывов отсутствуют от всех деталях.
Качество сварки хорошее, проверено изготовлением микрошлифа на детали (см. Рис.10) и давлением жидкости 550 атм., поданной в полость ø 10+0,018 в течение 3 минут – деталь не разрушилась, течи не наблюдались.
Биения ø16 и ø28 относительно ø53, полученные после сварки, показаны на Рис.11 и в табл. 2. Возможные причины: биение резьбы в детали поз1. Относительно конуса под сварку, в результате чего при затяжке возникла изгибающая нагрузка и при сварке на 1 переходе деталь согнуло. При последующей механообработке на первой токарной операции деталь базировали по ø53 и выставляли биение ø28 до 0,35 мм. Заложенных припусков оказалось достаточно. Возможные меры:

— переходы сварки выполнить в обратном направлении – сварка на торце, сварка под углом, сварка центральной части;

-предусмотреть методы обеспечения биения резьбы М5 относительно конуса в пределах 0,1 мм.

-предусмотреть в первой операции выставление биения ø28 детали до 0,35 max

Требуется предусмотреть обжимки для затяжки деталей при сборке под сварку (в процессе сварки несколько деталей раскрутились после 1 перехода).
Размеры 3 и 12 (см.Рис.9) в допуске.
После сварки было изготовлено 3 детали (покрытие на деталях не выполнялось)
Под дальнейшие испытания в составе агрегата.

Виды сварочных лучевых установок

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

По величине рабочего ускоряющего напряжения установки делятся на:

низковольтные (10-30 кВ);
средние (40-60 кВ);
высоковольтные (100-200 кВ).

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:

сварки;
резки;
гравировки;
сверления;
легирования
напыления.

Не пропустите: Ювелирная сварка: контактная, точечная лазерная технологии

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.

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.

Сложные и капризные металлы или их сплавы с супер-высокой температурой плавления или повышенной химической активностью, уникальная глубина проварки в заготовках с толстыми краями в один проход – все это можно сделать с помощью ЭЛС.

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.

https://youtube.com/watch?v=0n0tlDQWeN4

Выводы

Электронно-лучевая сварка изобретена 60 лет назад, за прошедшие годы метод остается самым эффективным в обработке разных металлов, то, что подвластно этой методике — невозможно сделать другими способами сварки.

У оригинальной методики существуют достоинства и небольшие недостатки, которые необходимо учитывать при использовании установок по прямому назначению.

Производят установки ЭЛС согласно установленным ГОСТам, они дорогостоящие и не подходят для частного использования, например, чтобы сваривать автомобильные детали в аналогичных кооперативах, потому что для нормальной эксплуатации требуются только дипломированные операторы.