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

Важные открытия

История развития сварки и сварочного производства имеет множество открытий и этапов развития. За несколько веков существования технология претерпела сильные изменения, которые сделали ее востребованной и передовой. В настоящее время ни одно производство, промышленное предприятия не обходится без применения сварочных работ.

Прорыв в технологии сварочного производства произошел при промышленном перевороте. В это время совершались важные открытия в области электричества, и в результате этого ученые того времени коснулись и сварки. Они ее внимательно изучили и смогли тесно связать ее с электричеством.

В поисках ответа на вопрос кто изобрел сварку, стоит коснуться 1802 года. В этот период русский физик Василий Владимирович Петров смог открыть возможность использования в практических целях электрической дуги. Открытие стало знаменательным событием в деятельности ученого и физика-экспериментатора. Оно в последующий период стало использоваться в качестве прототипа всех сварочных устройств.

Изобретатель сварки все выводы открытия изложил в книге «Известия о гальвани-вольтовских опытах», которая была опубликована в 1803 году. Но ученый в то время был малоизвестным, поэтому на его открытия в то время особо не обращали внимания.

Когда появилась сварка точно ответить нельзя, потому что процесс ее появления зарождался постепенно. В 1821 году Сэр Гемфри Дэви проводил многочисленные исследования с использованием электрической дуги. А его ученик, Майкл Фарадей занимался усиленным исследованием электричества и магнетизма, а именно связи между ними. А в 1830 году он смог открыть электромагнитную индукцию.

Рассматривая, кто придумал сварку, стоит обратить внимание на события, которые произошли в 1881 году. В этот период русский инженер Николай Николаевич Бенардос смог открыть электродуговой сварочный процесс, который получил название «Электрогефест». На протяжении нескольких лет проводились исследования, и в 1887 году изобретение было запатентовано. Постепенно оно стало распространяться по всему миру.

А кто изобрел сварку угольным электродом? Это открытие также относится к русскому инженеру и изобретателю Николаю Николаевичу Бенардосу. Он смог разработать электродуговую сварочную технологию, во время которой предполагалось использование угольных и металлических электродов.

В каком году появился сварочный аппарат? Появление первого прибора приходится на период в 1881-1882 году. Именно в это время проводились многочисленные исследования и открытия, на основе которых и было разработано первое сварочное оборудование.

Но все же многих интересует, кто именно изобрел сварочный аппарат? Первое время над этим работал русский инженер Бенардос, но затем данным вопросом занялся Славянов Николай Гаврилович. В 1882 году он смог создать первое сварочное оборудование и электроды. Он запатентовал сварку, только после этого данная технология стала применяться в других странах.

Инженер проводил следующие работы:

• устранял признаки брака, возникающие во время литья деталей;
• восстанавливал части паровых турбин;
• заваривал изношенные детали.

Предисловие

Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены в ГОСТ 1.0—2021 «Межгосударственная система стандартизации. Основные положения» и ГОСТ 1.2—2021 «Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные. правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены»

Сведения о стандарте

• 1 ПОДГОТОВЛЕН Обществом с ограниченной ответственностью «Национальная Экспертно-Диагностическая ) на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 5
• 2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 364 «Сварка и родственные процессы»
• 3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 30 ноября 2021 г. № 52)

За принятие проголосовали:

• 4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 8 ноября 2021 г. №956-ст межгосударственный стандарт ГОСТ IS013919-2—2021 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 марта 2021 г.
• 5 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ISO 13919-2:2001 «Сварка. Соединения. полученные электронно-лучевой и лазерной свархой. Руководство по оценке уровня качества для дефектов. Часть 2. Алюминий и его сплавы» («Welding — Electron and laser-beam welded joints — Guidance on quality levels for imperfections — Part 2: Aluminium and its weldable alloys», IDT).

Международный стандарт разработан Техническим комитетом ISO/TC 44 «Сварка и родственные процессы», подкомитетом SC 10.

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им межгосударственные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном информационном указателе «Национальные стандарты», а текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты».

Сварка световым лучом

Создание и современное развитие квантовой электроники связано с работами лауреатов Ленинской и Нобелевской премий академиков Н. Г. Басова, А. М. Про­хорова.

Квантовые генераторы оптического диапазона появились сравнительно не­давно, но уже сейчас с их помощью можно получать интенсивные и остронаправ­ленные пучки света и концентрировать энергию на очень малые площадки, рав­ные тысячным долям миллиметра. Созданное на этом принципе технологическое оборудование позволяет обрабатывать различные материалы, производить сварку, резку, термическую обработку и т. п.

В основу принципа действия квантового генератора и усилителя положено индуцированное излучение, которое связано с поглощением электромагнитных

волн или фотонов атомными системами. При поглощении фотона его энергия передается атому, который переходит в «возбужденное» квантовое состояние.

Через некоторый промежуток времени атом может спонтанно излучить эту энергию в виде фотона и возвратиться в основное состояние. Пока атом нахо­дится в возбужденном состоянии, его можно побудить испускать фотон под воз­действием внешнего фотона («падающей волны»), энергия которого в точности равна энергии фотона, испускаемого атомом при спонтанном излучении. Такое излучение называется индуцированным.

В результате падающая волна усиливается волной, излучаемой возбужден­ным атомом. Важным в этом процессе является то, что испускаемая волна в точ­ности совпадает по фазе с той, под действием которой она возникла. Это явление используется в квантовых усилителях.

Излучателем — активным элементом могут быть твердые тела: стекло с нео­димом, рубин, гранат с эрбием и др. Квантовые генераторы на алюмонатриевом гранате с неодимом позволяют получать мощность до 1 кВт в непрерывном ре­жиме.

В качестве излучателя используются также различные жидкости: растворы окиси неодима, красители и др. Жидкостные квантовые генераторы на неоргани­ческих жидкостях по своим характеристикам ближе всего стоят к твердотельным импульсным генераторам, но превосходят их по энергии в импульсе вследствие больших объемов активных элементов.

Излучателями могут быть также газы и газовые смеси; водород, азот, аргон, углекислый газ и’др. У таких генераторов самый широкий спектральный диапазон излучения и наибольшая мощность в непрерывном излучении при достаточно высоком КПД (15—20%).

В последнее время в качестве излучателей используют также полупровод­никовые монокристаллы: арсениды галлия и индия, сплавы кадмия с селеном и серой и др. Генераторы с полупроводниковым излучателем обладают малым весом, экономичны и имеют самый высокий КПД (до 0,70).

Излучатель возбуждается и генерирует свет под действием энергии системы накачки: твердотельные и жидкие активные элементы возбуждаются светом им­пульсных ламп; газовые смеси в основном накачиваются энергией газового раз­ряда; полупроводниковые излучатели используют энергию электрического тока, протекающего через область р—n-перехода.

В квантовых технологических генераторах обычно в качестве основного энергетического элемента используют рубин. Рубин — это окись алюминия, в ко­торой небольшое число атомов алюминия замещено атомами хрома. Обычно в квантовых генераторах используют бледно-розовый рубин, содержащий 0,05% Сг.

Используемый в лазере *Л розовый кристалл рубина обрабатывается в виде стерженька, длина и диаметр которого определяют мощность излучения. Его торцы полируют до получения оптически плоской поверхности, затем их под­вергают серебрению для получения отражающих поверхностей.

Выходной конец кристалла является полупрозрачным. Рубиновый стерженек помещают вблизи электронной лампы вспышки, служащей источником широкополосного света для оптической накачки. Энергетическая схема квантового генератора на рубине по­казана на рис. 87.

В квантовом генераторе на кристалле рубина атомы хрома, находящиеся в исходном состоянии (/), поглощают фотоны (волнистые стрелки) и переходят

Лазер — термин появился от сочетания следующих первых букв слов: light amplification by stimulated emission of radiation (усиление света путем использования индуцированного излучения).

на один из вышерасположенных уровней (II). Часть энергии они передают кри­сталлической решетке, вызывая повышение температуры, и переходят при этом в метастабильный уровень (III). Затем под действием индуцирующих фотонов, испускаемых другими атомами хрома, они излучают фотоны характеристической длины волны, возвращаясь опять в исходное состояние (IV).

Лазер на кристалле рубина питается от импульсной лампы. При освещении лампой вспышкой рубинового стерженька большинство атомов хрома переводится в возбужденное состояние. При спонтанном испускании возбужденным атомом фотона параллельно оси кристалла фотон побуждает другой возбужденный атом испустить второй фотон (индуцированный).

Этот процесс продолжается лавино­образно, поскольку фотоны, отражаясь от торцов кристалла, движутся по кри­сталлу в осевом направлении. Интенсивность пучка растет в результате много­кратного отражения от обоих торцов стержня. В этом случае, если интенсивность света от импульсной лампы превысит некоторый критический уровень, начинает появляться эффект квантового усиления и тогда с полупрозрачного торца в те-

чение тысячных долей секунды выбрасывается интенсивный поток фотонов с дли­ной волны 6943 А. Выходной пучок является узконаправленным, мощным, моно­хроматическим и когерентным.

Излучение является узконаправленным вследствие того, что испускаются волны, лишь тысячекратно отраженные и не испытавшие сколько-нибудь сущест­венного отклонения от оси прибора. Это излучение является мощным, так как индуцированное излучение возбужденных атомов происходит гораздо раньше, чем произошло бы спонтанное излучение.

Высокая степень монохроматичности излучения обусловлена тем, что инду­цированное излучение представляет собой резонансный процесс и в силу этого более привязано к центру полосы частот, чем излучение, спонтанно испускаемое атомами. Эти предпочтительные частоты возбуждают, в свою очередь, излучение на той же частоте, так что волна в квантовом генераторе содержит чрезвычайно узкий интервал частот и длин волн.

Обычный белый световой луч, состоящий из электромагнитных волн различной длины, фокусируется линзой в значитель­ном объеме вследствие дисперсии света, различной степени преломления стеклом линзы световых волн различной длины. Дисперсия света приводит к тому, что уз­кий пучок белого света, проходя линзы, уширяется, образуя спектр.

Монохроматический световой луч лазера состоит из электромагнитных волн одной длины, и поэтому такой луч фокусируется в очень малом объеме, практи­чески в точке (рис. 88).

Плотность энергии светового луча в фокусе линзы определяется как 9 = у» где р — плотность энергии; Е — энергия луча; V = объем фокуса. Так как

15 п/р, Ольшанского, т, 1

объем фокуса для белого луча имеет значительные величины вследствие диспер­сии света, то плотность энергии в фокусе такого луча невелика. Для луча лазера объем фокуса очень мал (К ->■ 0), а плотность энергии в фокусе имеет очень боль­шие значения и может достигать 107 — 108 Вт/см2. Однако время импульса мало и составляет 10-9, с.

КПД квантовых генераторов на рубине невелик и составляет 0,1%.

Создание мощных квантовых генераторов, обладающих большим КПД, по-видимому, в ближайшем будущем приведет к необходимости пересмотра уста­новившихся взглядов на ряд существующих технологических процессов.

Несмотря на низкий КПД оптических квантовых генераторов на рубине, генераторы этого типа находят практическое применение при сварке. На рис. 89 представлена схема сварочного квантового генератора на рубине.

Сварочная установка представляет собой комплекс оптико-механических и электрических элементов, основным из которых является оптический кванто­вый генератор на рубиновом кристалле.

Установка состоит из генератора, блока питания, стола с конденсаторами и стереоскопического микроскопа.

Генератор предназначен для преобразования энергии, запасенной в блоке конденсаторов, в узконаправленный, монохроматический, когерентный световой пучок.

Основным узлом генератора является осветительная камера 1 (рис. 89, а), внутри которой вставлен кристалл рубина 2. В камере параллельно кристаллу — установлена импульсная лампа 3, на концы которой подводится высокое напря­жение. Внутренняя поверхность камеры отполирована и является отражателем света.

В камеру подается сжатый воздух для охлаждения кристалла рубина. Использованный воздух уходит в атмосферу. Для формирования испускаемого кристаллом рубина излучения и направления его на место сварки служит форми­рующая оптическая система, состоящая из призмы 4, линзы и сменного объекти­ва 5.

Формирующая система снабжена сменными объективами, которые фокуси­руют параллельный пучок света, испускаемый генератором, в пятно диаметром 0,25—0,05 мм. Для. настройки генератора используют оптическое устройство, со­стоящее из осветителя б, призмы 7, и конденсорной линзы 8.

Луч света от освети­теля проходит через рубин и оптическую систему генератора, имитируя прохож­дение излучения от кристалла (рис. 89, б). Для визуального наблюдения за местом сварки при наведении луча подсветки на место сварки и для осмотра сваренных элементов служит стереоскопический микроскоп 9.

Электрическая схема установки состоит из блока питания импульсной лампы, стола с входящим в него затвором и трансформатором подсветки, генератора. На лампу вспышки подается напряжение, равное 18 кВ.

Для изменения времени разряда и, следовательно, времени горения лампы в цепи лампы установлены индуктивности, меняя величину которых, можно менять и время длительности импульса.

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

Резка лазером является наиболее распространенной технологической опера­цией. Лазером можно резать стекла, керамики,, алмазы, металлы и др. При резке используют лазеры непрерывного действия, обладающие большими энергиями излучения в инфракрасном диапазоне (длина волны равна 10,6 мкм).

териала на поверхности пластины и образуется канавка. В дальнейшем необхо­димо приложить механическое усилие, и пластины расколются по линиям кана­вок. Аналогичными резке являются процессы подгонки резисторов и обработки интегральных схем. Лазерный луч испаряет части металлической пленки рези­стора, при этом электрическая цепь может находиться под напряжением, что обеспечивает непрерывный контроль сопротивления прибора.

Обработку можно производить в атмосфере, в вакууме и различных газах, при этом луч лазера может свободно проникать через стекло, кварц, воздух. Так как квантовый гене­ратор на рубине имеет КПД порядка 0,1%, то только 0,001 доля номинальной энергии поджига газоразрядной лампы превращается в энергию луча, генерируе­мого лазером, которая и подается на свариваемое изделие в виде короткого им­пульса.

Значительная мощность энергии, развиваемая при очень коротких импульсах обычно приводит к бурному испарению металлов из зоны сварки. Поэтому в квап

товых генераторах предусматривается регулировка длительности импульса. Из­меняя продолжительность импульса, можно получить менее резкий подъем тем­пературы в месте сварки. В принципиальной схеме квантового генератора имеется устройство, позволяющее изменять продолжительность импульса и формировать его путем включения различных комбинаций емкостей в блоке накопления энергии.

Для осуществления сварки необходимо, чтобы импульсы имели максималь­ную длительность при минимальных интервалах между ними. Однако вследствие низкого КПД квантовых генераторов на рубине большая часть энергии лампы накачки превращается в тепло, вследствие чего эти лампы не могут работать при высокой частоте повторения импульсов, а рубиновый стержень перегре­вается.

Для уменьшения перерывов между импульсами необходимо интенсивно отводить значительное количество тепла, выделяемого при оптической накачке лазера. Частота повторения импульсов и мощность квантового генератора таким образом ограничиваются охлаждающими системами, отводящими тепло, возни­кающее в квантовых генераторах.

Существующие сварочные опти­ческие квантовые генераторы дают возможность получить частоту по­вторения импульсов от 1 до 100 в минуту. Диаметр площади про­плавления, получающейся в ре­зультате действия одного импульса луча лазера, составляет десятые доли миллиметра.

Отличительной особенностью сварки оптическим лучом является возможность получения плотности энергии того же порядка, что и при использовании электронного луча. При этом способе сварки вследствие отсут­ствия пространственного заряда упрощается фокусировка луча.

Сварку ме­таллов можно производить на воздухе, в защитной атмосфере и в вакууме. Возможность точной дозировки энергии делает этот способ особенно при­годным при сварке микросоединений. Малая длительность термического цикла сварки обеспечивает возможность получения качественного соединения ряда металлов, особо чувствительных к длительному воздействию тепла. Открывают­ся и новые возможности сварки металлов, например сварка через прозрачные оболочки.

Перспективной областью применения лазерной сварки является сварка микросоединений. Широкое применение лазерная сварка находит в радиоэлек­тронике и электронной технике при сварке контактов проводников с пленками на микроплатах, твердых схемах и микроэлементах.

Лазерным лучом можно сваривать самые различные композиции металлов, используемых в микроэлектронике: золото—кремний, германий—золото, никель— тантал, медь—алюминий и др.

Возможность получения мощных лазерных лучей открывает перспективу их использования для технологических целей.

Луч газового лазера непрерывного действия характеризуется малым погло­щением в газах, простотой фокусировки и транспортировки энергии при помощи зеркал в труднодоступные места, однако защита сварочной ванны производится инертным газом. Исходный луч имеет форму кольца, который фокусируется с по­мощью оптической системы, показанной на рис. 90.

Использование лазеров непрерывного действия на С02 дает возможность получать сварные соединения стали толщиной до 15 мм. В перспективе имеется возможность увеличения толщины свариваемых изделий и использования их для термообработки и резки металлов. На рис. 91 представлена схема лазерной двух­позиционной установки для сварки и термической обработки изделий.

1 — выход луча из газового квантового генератора; 2 — поворотное зеркало; 3 — зер­кала; 4 — лучепровод; 5 — система фокусировки для сварки; 6 — система фокусировки для термообработки; 7 — рабочие столы с изделиями

Сварка и пайка энергией — лучей оптического диапазона. Большой интерес вызывает применение для сварки и пайки сфокусированной лучистой энергии раз­личных источников, излучающих в оптическом диапазоне частот.

Нагрев лучистой энергией обладает некоторыми преимуществами по сравне­нию с другими способами, а именно возможность термической обработки материа­лов независимо от их электрических и магнитных свойств; бесконтактным под­водом энергии к изделию (причем источник и нагреваемый объект могут распо­лагаться на значительном расстоянии друг от друга); незначительным механиче­ским воздействием на зону нагрева; возможностью передачи энергии через опти­чески прозрачные оболочки, что позволяет проводить процессы сварки и пайки в контролируемой газовой атмосфере и в вакууме.

В установках для сварки и пайки световым лучом можно использовать такие источники излучения, как Солнце, угольная дуга, дуговые газоразрядные лампы и лампы накаливания.

Работы, проведенные в МАТИ, показали, что наиболее перспективным и удобным излучателем для технологических целей являются дуговые неоновые лампы сверхвысокого давления. *

Отечественная промышленность серийно выпускает дуговые неоновые лампы следующих типов: с воздушным охлаждением ДКСШ-500 (0,5 кВт), ДКСШ-ЮОМ (1 кВт) и ДКСШ-3000 (3 кВт); с комбинированным водяным и воздушным охлаж­дением ДКСР-300 (3 кВт), ДКСР-5000 (5 КВт) и ДКСР-10000 (10 кВт).

Дуговая неоновая лампа представляет собой шаровой баллон из оптически прозрачного кварца с помещенными в него двумя вольфрамовыми электродами. Давление неона в лампе в нерабочем состоянии достигает 10 ат. Электропитание ламп осуществляется от источников постоянного тока с напряжением холостого хода не ниже 70 В и с падающей характеристикой (например, ИПП-500В). Лампы могут работать в непрерывном режиме сотни часов.

Создан ряд специализированных экспериментальных установок для сварки и пайки сфокусированной лучистой энергией неоновых ламп мощностью от 0,5—

10 кВт. В этих установках излучение неоновой лампы фокусируется на изделие с помощью эллипсоидного отражателя. С целью увеличения плотности энергии в пятне нагрева используется дополнительная линзовая оптика (рис. 92, а, б).

Экспериментально установлено, что оптический источник тепла является нормально-круговым и по плотности энергии в пятне нагрева занимает промежу­точное положение между газовым пламенем и электрической дугой, а по сосредо­точенности близок поверхностным металлическим дугам.

В рабочем пятне установки УСПЭЛ-1-МАТИ с неоновой лампой ДКСР-10000 максимальная плотность лучистого потока составляет 2600 Вт/см2. Лучистый поток такой плотности достаточен для плавления молибдена. КПД установок составляет 0,1—0,2 в зависимости от оптической системы и типа лампы.

Ввиду сравнительно низкой эффективной мощности оптический источник тепла целесообразно использовать для сварки материалов малых толщин.

Исследования по сварке нержавеющей стали и титановых сплавов показали возможность получения качественных соединений на листовом материале толщи­ной 0,1—2 мм. При этом обеспечивается вакуумная плотность и прочность не ниже 90% от прочности основного материала. Скорость сварки листов толщиной 0,5 мм составляет 10—15 м/ч.

Широкие пределы регулирования энергетических параметров позволяют использовать оптический источник для пайки практически любыми из существую­щих припоев, начиная от оловянно-свинцовых и кончая тугоплавкими на основе никеля и титана.

Оптический источник позволяет сваривать также и неметаллические материа­лы (стекло, керамику, пластмассу). Успешно осуществлен процесс сварки шла­кового стекла, применение которого имеет большое народнохозяйственное зна­чение.

Оптический источник тепла можно использовать также для локальной терми­ческой обработки сварных соединений.

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.

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.

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.

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