Технологический процесс электронно-лучевой сварки прецизионных изделий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ

Кафедра стандартизации, сертификации и технологического менеджмента

Реферат

По дисциплине: Современные технологические процессы

На тему:

Технологический процесс электронно-лучевой сварки прецизионных изделий

Выполнила: Назырова Ю.Ф

Проверил: Ибатуллин В.И

Казань, 2016

Содержание

Введение

1. Физические основы и особенности электронно-лучевой сварки

2. Установка электронно-лучевой сварки прецизионных изделий УЭЛС-905АМ. Типы установок

3. Пути модернизации процесса и оборудования электронно-лучевой сварки

Список литературы

Введение

В промышленности все более широкое применение находят тугоплавкие и химически активные металлы и сплавы. Поэтому для их сварки необходимо применять источники с высокой концентрацией теплоты, а для защиты расплавленного и нагретого металла использовать среды, содержащие минимальное количество водорода, кислорода и азота. Этим условиям отвечает электронно-лучевая сварка, или сварка электронным лучом.

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) относится к методам сварки высококонцентрированными источниками энергии и обладает широкими технологическими возможностями, позволяя соединять за один проход металлы и сплавы толщиной от 0,1 мм до 400 мм. ЭЛС в вакуумных камерах выполняется преимущественно при давлении остаточных газов порядка 10-2 Па. Благодаря этому ЭЛС оказалась эффективной для соединения деталей из любых металлических материалов, особенно сплавов на основе химически активных металлов, таких как алюминий, титан и тугоплавкие элементы. При этом обеспечиваются максимальная пластичность и вязкость сварных соединений. Наиболее перспективным является соединение деталей из термически упрочненных материалов, когда затруднена или не возможна последующая термообработка. Максимальная пластичность и вязкость сварных соединений, минимальные сварочные деформации позволяют также успешно использовать ЭЛС при изготовлении изделий после завершающей механической обработки.

1. Физические основы и особенности электронно-лучевой сварки

Основным компонентом ЭЛС является электронный луч, который создается особым прибором -- электронной пушкой.

Рис 1.1 - Принципиальная схема установки для сварки электронным лучом

Как видно из рисунка 1.1, пушка имеет катод (2), который размещен внутри прикатодного электрода (3). На определенном расстоянии от катода располагается ускоряющий электрод с отверстием -- анод (4). Пушка питается электрической энергией от высоковольтного источника постоянного тока (5).

Чтобы увеличить плотность энергии в электронном луче после выхода из первого анода электроны концентрируются магнитным полем в магнитной линзе (6), Летящие электроны, сфокусированные в плотный пучок, ударяются на большой скорости о малую площадку на изделии (1). На данном этапе кинетическая энергия электронов вследствие их торможения превращается в теплоту, таким образом нагревая металл до высоких температур.

Для перемещения электронного луча по изделию на пути движения электронов размещают магнитную отклоняющую систему (7), которая позволяет установить луч строго по линии сварки.

Для того, чтобы снизить потерю кинетической энергии электронов вследствие соударения с молекулами газов воздуха, а также для химической и тепловой защиты катода в пушке создается вакуум около 10^-4 --10^-6 мм рт.ст. Столь высокая концентрация энергии луча (до 109 Вт/см²) при минимальной площади места нагрева (до 10^-7 см²) ведет к уменьшению термических деформаций в ходе сварки и формированию шва с кинжальной формой проплавления.

Технический вакуум при ЭЛС выполняет несколько функций:

· снижает потерю кинетической энергии электронов, позволяя частицам достигать поверхности изделия почти не соприкасаясь с молекулами воздуха;

· предотвращает дуговой разряд между анодом и катодом, обеспечивает химическую защиту катода;

· защищает расплавленный металл от взаимодействия с окружающей атмосферой более эффективно, чем защитный газ, флюс;

· способствует улучшению дегазации сварочной ванны и удалению оксидных пленок, что сказывается на качестве соединения.

С помощью ЭЛС можно производить сварку в труднодоступных местах и в узких разделках -- щелях. В ряде случаев, например, при сварке элементов из весьма тонкого металла или металлов, имеющих низкую температуру плавления и легко испаряющихся (магний, алюминий), необходимо использовать импульсный режим. Такая сварка импульсно- модулированным пучком производится с помощью специальных автоматических прерывателей при частоте до 300 имп/с и продолжительностью импульса 0,01-0,00005 с.

В целом при конструировании и выборе способа сварки изделий следует учитывать следующие преимущества ЭЛС, по сравнению, с другими способами сварки плавлением:

· широкий диапазон толщин свариваемых деталей -- от долей миллиметра до 100 мм и более;

· возможность получения узких швов с глубоким проплавлением;

· возможность регулирования отношения глубины проплавления к ширине шва;

· большие скорости нагрева и охлаждения металла в вакууме, что позволяет получать максимальную степень чистоты и высокие физико-механические свойства соединения;

· резкое снижение величины деформаций сварных конструкций;

· возможность сварки соединений различных типов, в том числе принципиально новых, не выполнимых известными способами сварки плавлением;

· высокая производительность и экономичность;

· универсальность аппаратуры, позволяющая сваривать детали разных толщин;

· наличие предпосылок для комплексной автоматизации процесса.

С другой стороны, внедрение электронно-лучевой сварки в высокотехнологичные производства затрудняется ее экономическими и техническими особенностями, такими как:

· высокие капиталовложения;

· необходимость весьма точной подгонки свариваемых элементов;

· ограниченный размер конструкций, поскольку сварку приходится выполнять в камерах;

· необходимость принятия специальных мер для обеспечения безопасности рабочего персонала.

Процесс лучевой сварки характеризуют две особенности:

1. Процесс сварки реализуется в вакуумной среде, что гарантирует получение максимально чистой поверхности и дегазацию расплавленного металла;

2. Нагрев происходит до очень высоких температур, таким образом металл быстро плавится, а шов в результате обработки получается мелкозернистый и минимальной ширины.

Данные особенности позволяют работать со сплавами, чувствительными к интенсивному нагреву. Электронно-лучевой сваркой изготовляют детали из алюминиевых и титановых сплавов, высоколегированных сталей. Металлы и сплавы подвергаются сварке в однородных и разнородных комбинациях, разными по толщине и температуре плавления. Минимальная толщина свариваемых заготовок -- 0,02 мм, а максимальная - до 100 мм.

2. Установка электронно-лучевой сварки прецизионных изделий УЭЛС-905АМ

электронный лучевой сварка прецизиозный

Установка предназначена для прецизионной сварки в вакууме точных изделий и узлов из конструкционных сталей, алюминия, меди и их сплавов, тугоплавких и активных металлов толщиной от 0,05 до 5 мм в условиях серийного производства.

Рис. 2.1 Установка электронно-лучевой сварки УЭЛС-905АМ

Установка электронно-лучевой сварки УЭЛС-905АМ (с плазменным катодом) состоит из:

· вакуумной камеры;

· вакуумной системы, основания;

· вакуумопровода;

· насоса вакуумного пластинчато-роторного;

· электронно-лучевой пушки ПЭЛ-901;

· системы охлаждения пушки ПЭЛ-901;

· источника высоковольтного;

· пульта управления;

· видеокамеры;

· видеомонитора.

Рабочая вакуумная камера расположена консольно и обеспечивает оптимальные условия для работы оператора. В вакуумной камере могут быть смонтированы:

· восьмипозиционный вращатель деталей с горизонтальной осью вращения (диаметр 45 мм не более), (высота - не более 140мм);

· восьмипозиционный вращатель с вертикальной осью вращения (диаметр 45 мм высота 140 мм) и возможностью наклона не менее ± 45 град.

Установка оснащена однопозиционным вращателем для сварки крупногабаритных изделий (до диаметра 200 мм), который может устанавливаться в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях и обеспечивает сварку с вертикальной, так и с горизонтальной осью вращения. Установка оснащена координатным столом для сварки прямоугольных контуров, системой наблюдения через иллюминатор, видеокамерой и монитором. Установка обеспечивает высокую надежность и стабильность в течение длительного срока эксплуатации. Перемещающаяся верхняя плита с подвижным вакуумным уплотнением с расположенной на ней электронно-лучевой пушкой позволяет получать линейные сварочные швы и обеспечивает наведение луча на стык в процессе сварки кольцевых швов при максимальном использовании объема камеры.

Режимы сварки:

· непрерывный,

· импульсный,

· точечный.

Технические характеристики:

Максимальная мощность электронного луча, кВт - 2,5

Диаметр электронного луча в фокусе, мм - 0,3 - 0,4

Внутренние размеры вакуумной камеры, мм - 340х315х240

Производительность, шов/ч - до 60

Время откачки камеры до рабочего давления, с - 180

Напряжение питающей сети, В - 380/220

Давление проточной воды, атм - 3 - 4

Потребляемая мощность, кВт - 8

Габаритные размеры установки, мм - 1020х1200х1760

Габаритные размеры источника питания, мм - 600х600х1500

Установка УЭЛС-905АМ имеет малое время вакуумирования, разделение основных рабочих движений: вращение изделия и перемещения пушки, упрощенное управление вакуумной системой.

Важнейшей частью электронно-лучевой установки является комплекс электропитания всех подсистем, в котором используются стабилизированные источники питания. Источники высокого напряжения первого поколения в настоящее время проходят существенную модернизацию с целью повышения их надежности, улучшения управляемости и защищенности от пробоев.

Типы установок

Камерные машины были единственным типом установок в начальные годы развития ЭЛС. Оснащенные одним координатным столом и вращателем благодаря несложности конструкции они используются еще и в настоящее время. Все операции (от загрузки до выгрузки деталей) на этих установках выполняются последовательно, так что общее время цикла является очень продолжительным (от многих минут до часа).

Преимущество камерных установок состоит в их гибкости. В них могут свариваться, сменяясь, любые детали. Многопозиционные устройства, такие как палеты (транспортные контейнеры) и многошпиндельные вращатели, при сварке мелких деталей существенно уменьшают подготовительно-заключительное время на каждую деталь.

Хорошей производительностью отличаются двухкамерные машины, у которых пушка сдвигается параллельно от одной к другой рядом расположенной камере или луч отклоняется к камере, которая в данный момент готова к сварке, в то время как в другой камере меняется деталь. Максимальная производительность этих машин достигается в том случае, если время сварки больше, чем при смене деталей и откачке камеры. При этом вспомогательное время у версии со сгибающимся лучом равно нулю, т. К. не требуется перемещения пушки.

Дальнейшее развитие машин основываются на принципе шлюзования. Эти машины состоят из трех участков: одна позиция для загрузки и выгрузки деталей, шлюзовая камера для откачки и напуска воздуха и сварочная камера. В установках с двумя шлюзовыми камерами носители деталей проводятся через щлюзовую камеру из загрузочной части один за другим, транспортировка подлежащих сварке и уже сваренных деталей (через вторую шлюзовую камеру на позицию выгрузки) осуществится трансфермашиной одновременно в одном направлении. Трансфермашина производит по одной сварочной остановке перед и после переключения шлюзовых камер. В сравнении со сварочной шлюзовые камеры существенно меньше и могут откачиваться быстрее. Подготовительное время для перемещения детали обычно составляет около 10 с. Время такта у шлюзовых машин не зависит от климатических условий. Сварочная камера остается перманентно эвакуированной. Это уменьшает загрязнение и затраты на очистку деталей и машин. При малой серийности производства программирование позволяет обрабатывать различные детали вперемежку. Наивысшей производительностью, но наименьшей гибкостью обладает машина проходного типа.

Машина для сварки ЭЛ в атмосфере, называемая также безвакуумной установкой, состоит из пушки с хоботообразной ступенью системы, работающей вне вакуума, благодаря которой луч выводится в атмосферу, и агрегата перемещения детали, например робота. Из-за сильного расхождения луча в окружающем воздухе «мягкий» луч большой ширины применим только на расстоянии от 10 до 20 мм от выхода из сопла и позволяет достичь высокую скорость сварки, например до 60 м/мин. Для алюминия толщиной 1 мм или 20 м/мин. При толщине стали 1 мм. Дистанция между соплом и деталью должна выдерживаться с большой точностью. В этих установках ускоряющее напряжение составляет от 150 до 200 кВ. Дальность действия луча поддерживается благодаря введению гелия с очень малым сечением захвата, который одновременно применяется как защитный газ. Из-за жесткого рентгеновского излучения, возникающего при попадании электронов на деталь, установка должна находиться в помещении, не пропускающем излучения. Во избежание рассеивания электронов вблизи катода, а также для хорошей фокусировки луча, для защиты накаливаемого катода от окисления и во избежание пробоя требуется вакуум глубже 10-4 мбар (высокий вакуум). В сварочной камере напротив вакуум может быть понижен в соответствии с потребностями свариваемого материала. Пушка отделена от сварочной камеры благодаря клапану, и каждая область откачивается отдельно.

Все типы установок оборудуются как высоковакуумными так и низковакуумными насосными станциями. Для низкого вакуума применяются форвакуумные роторные или плунжерные насосы, смотря по обстоятельствам, в сочетании с роторно-щелевым насосом (Рутса). Для получения высокого вакуума пригодны диффузионные насосы, иногда дополнительно к ним применяют турбомолекулярные насосы. Для получения безмасляного вакуума могут применяться крионасосы, которые после определенной нагрузки требуют длительной регенерации. Турбомолекулярные насосы по производительности уступают диффузионным, поэтому требуется несколько включенных агрегатов, что удорожает насосную станцию. Там, где требуется только поддержание дав- ления (пушка, рабочая камера шлюзовой установки) требуется небольшая производительность откачки. Там где требуется быстро достичь вакуума (особенно для больших камер), необходимы высокопроизводительные насосы. Насосные установки требуют установленной мощности, например 30 кВт, только в первые секунды процесса, а в дальнейшем -- только одной трети мощности. Аргон при сварке в защитных газах стоит приблизительно в 10 раз дороже, чем расход электроэнергии для производства вакуума при ЭЛС.

3. Пути модернизации процесса и оборудования электронно-лучевой сварки

Одним из перспективных направлений модернизации работы является видеонаблюдение за процессом электронно-лучевой сварки в течение технологического процесса ЭЛС, а также во время подготовительных операций и настройки оборудования. Так как из-за наличия вакуума возникают трудности с оптическим контролем.

Использование системы видеонаблюдения позволяет повысить качество сварки и производительность работ.

Опыт промышленной эксплуатации телевизионных систем наблюдения показал, что эти устройства не позволяют получить качественного изображения процесса сварки, так как не удается избавиться от засветки сварочной ванны, бликов и ухудшения качества изображения вследствие запыления объектива видеокамеры или ее защитных элементов. При этом их обслуживание в промышленных условиях сложно и затратно.

При создании промышленных систем видеонаблюдения разработчик сталкивается с рядом трудностей, прежде всего связанных с условиями эксплуатации: работа в среде высокого вакуума, напыление и нагрев от теплового излучения во время сварки. На сегодняшний день видеоустройств, предназначенных для работы в таких условиях, не выпускаются.

Авторы разработали систему видеонаблюдения за процессом электронно-лучевой сварки, отличающуюся от существующих разработок своей простотой и доступностью для промышленной эксплуатации.

Система видеонаблюдения собрана на базе устройств, которые выпускаются фирмами, специализирующимися в области

видеонаблюдения и систем безопасности, но для промышленного применения в электронно-лучевом оборудовании эти устройства требуют дополнительной доработки. В связи с тем, что система наблюдения должна работать в вакууме, выбор видеокамеры выполнен с учетом отсутствия в ней элементов, критичных к низкому давлению. Для защиты от теплового излучения и засорения оптики, видеокамера помещена в теплоизолирующий кожух (футляр).

Система видеонаблюдения оснащена цветной видеокамерой для более четкой цветопередачи объекта. Управление видеокамерой производится с помощью выносного пульта, который настраивает фокусировку изображения и регулируется работниками.

Нужно также отметить, что при работе с ЭЛС есть риск сильного излучения персонала и на этот счет тоже проводятся работы по модернизации рабочих мест.

Учитывая, что при электронно-лучевой сварке на сварщика действуют не только прямое рентгеновское излучение, но и рассеянное, отраженное от окружающих поверхностей, необходимо окрашивать стены кабин и сварочных цехов, переносные ширмы в светлые матовые тона с применением цинковых белил, желтого крона или титановых белил, которые поглощают рентгеновские лучи. Кожа и глаза сварщика должны быть защищены от воздействия лучей дуги. Кожа тела защищается специальной рабочей одеждой, лицо защищается щитком или шлемом, кисти рук -- рукавицами, а глаза -- специальными стеклами-светофильтрами, вставляемыми в щиток или шлем. В масках или шлемах между темным и прозрачным стеклами должен быть зазор 0,5--1 мм, чтобы защитить глаза от перегрева.

В целом, перспективы применения электронно-лучевой сварки значительны, она широко применяется в электронной и атомной промышленности, в самолето- и ракетостроении. В будущем электронно-лучевая сварка может быть применима в условиях космоса (постройка и ремонт орбитальных станций и пр.).

Список литературы

1. Электронно-лучевая сварка

2. Установка электронно-лучевой сварки прецизионных изделий УЭЛС-905АМ // ООО "Тесар-Инжиниринг"

3. В.В. Башенко, А.В. Баранов, П.Г. Петров, В.А. Казаков Состояние и перспективы развития сварочного производства // Технологии и оборудование электроннолучевой сварки 2008. СПб: ООО Агентство «ВиТ-Принт», 2008, 2008. С. 5-13.

Размещено на Allbest.ru