Электронно-лучевая сварка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электронно-лучевая сварка

1. Сущность электронно-лучевой сварки

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 0,120 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.

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.

2. Устройство сварочной электронно-лучевой установки

Устройство для эмиссии электронов 1 состоит из вольфрамового катода, заключенного в кольцеобразный формирующий электрод (цилиндр Венельта), и расположенного под ним дискового анода 2 с центральным отверстием.

При нагреве катода с его поверхности излучаются электроны, формирующиеся в пучок электродом, расположенным непосредственно за катодом, и под воздействием электрического поля, создаваемого высокой разностью потенциалов между катодом и анодом, ускоряются в определенном направлении.

Магнитное поле юстировочных катушек 3, питаемых постоянным регулируемым током, направляет луч по оси катушки. Диафрагма 4 отсекает энергетически малоэффективные краевые зоны луча, а магнитная линза 5 фокусирует его в круглое пятно на поверхности заготовки. В современных установках для сварки и термической обработки электронный луч фокусируется на площади диаметром менее 0,001 см. (рис 1)

С помощью отклоняющих катушек 6 луч можно перемещать по поверхности заготовки, помещенной в вакуумную камеру. Оптическая система 7, состоящая из зеркала, объектива с осевым отверстием и микроскопа, позволяет вести наблюдение за процессом сварки при многократном увеличении. Обрабатываемая заготовка 8 устанавливается на столе 9 и перемещается с равномерной скоростью.

электронный лучевой сварка

Рис. 1. Схема электронно-лучевой установки

Важным узлом электронно-лучевой установки является камера, в которой производится сварка. Ее конструкция и размеры определяются назначением установки. Универсальные сварочные камеры имеют относительно небольшой объем и снабжаются приводными устройствами для сварки листового металла и труб. Эти устройства должны обеспечивать плавное регулирование, стабильность скорости перемещения рабочего стола, на котором крепятся свариваемые детали, и возможность вращения трубных заготовок в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В некоторых камерах предусмотрена возможность перемещения пушки внутри камеры по горизонтали или по вертикали.

При сварке крупногабаритных заготовок, например, длинных труб, в камере с целью сокращения ее размеров предусматривают специальные вводы с вакуумными уплотнениями. Это позволяет перемещать в камере только участок стыка, в то время как обе свариваемые трубы находятся вне рабочего пространства камеры. Загрузку камеры свариваемыми заготовками можно производить с нарушением вакуума или непрерывно через шлюзовые камеры.

В зависимости от величины напряжения между катодом и анодом (ускоряющее напряжение) различают 2 типа электронно-лучевых пушек: низковольтные с ускоряющим напряжением 1030 кВ и высоковольтные с ускоряющим напряжением до 150 кВ. Ток электронного луча в установках для электронно-лучевой сварки невелик и составляет от нескольких миллиампер до единиц ампер.

Литература

1. Хренов К.К. Сварка, резка и пайка металлов. М.: Машиностроение, 1973. 408 с.

2. Акулов А.И., Бельчук Г.А., Демянцевич В.Л. Технология и оборудование сварки плавлением. М.: Машиностроение, 1977. 366с.

3. Технология и оборудование контактной сварки. Под. ред. В.Д. Орлова, М.: Машиностроение, 1986. 325 с.

4. Справочник «Сварка в машиностроении». Том 2. Под ред. А.И. Акулова. Том 2. М.: Машиностроение, 1978. 462 с.

5. Ерохин. А.А. Основы сварки плавлением. М.: Машиностроение, 1973. 447 с.

6. Технология и оборудование сварки плавлением. Под ред. Г.Д. Никифорова, М.: Машиностроение, 1978. 327 с.

7. Гуляев А.И. Технология точечной и рельефной сварки сталей. М.: Машиностроение, 1978. 244с.

8. Лашко С.В., Лашко Н.Ф. Пайка металлов. М.: Машиностроение, 1988. 376 с.

Размещено на Allbest.ru