Электронно-лучевая сварка — сущность, типы, преимущества

Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка (или просто лучевая, ЭЛС.) является одним из быстро развивающихся способов соединения различных тугоплавких металлов, разнородных, химически активных, качественных сталей, сплавов высокой прочности на основе титана и алюминия.

Лучевая сварка — процесс, основанный на использовании тепла, выделяемого во время торможения остросфокусированного пучка заряженных частиц, ускоренных до высоких энергий. Широкое применение этот источник нагрева приобрел лишь с развитием вакуумной техники и электронной оптики, только после этого он стал применяться в металлургической технике.

Стимулом для поиска нового способа соединения послужили сложности с трудносвариваемыми металлами: молибден, тантал, цирконий, ниобий и вольфрам отличаются высокой температурой плавления и химической активностью, что требовало использования источников тепла большой концентрации и большой защищенности зоны сварки.

Сущность процесса ЭЛС

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

Как видно из рисунка ниже, 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.

схема

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^-7см²) 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.

Техника ЭЛС

Из рисунка ниже видно, какую форму имеет проплавление по технике лучевой сварки. Плавка металла лучом (1) происходит по передней стенке углубления (2) — кратера, — а расплавляемый металл сдвигается по боковым стенкам к задней стенке (4), где он кристаллизуется (3).

схема плавка металла лучом

Возможна сварка непрерывным лучом, однако при работе с легкоиспаряющимися металлами (например, магний, алюминий) уменьшается эффективность электронного потока, как и количество выделяющейся теплоты ввиду потери энергии при ионизации паров металлов. Здесь рекомендуется проводить сварочные работы импульсным электронным лучом с частотой импульсов 100-500 Гц и с большой плотностью энергии. Данная манипуляция ведет к повышению глубины конуса проплавления. Таким способом возможно сваривать очень тонкие металлические листы. В случае, если происходит образование подрезов, их можно удалить сваркой расфокусированным либо колеблющимся лучом.

Параметры режима лучевой сварки и типы сварных соединений

Основные параметры режима ЭЛС включают:

степень вакуумизации;
силу тока в луче;
скорость движения луча по поверхности изделия;
ускоряющее напряжение;
точность фокусировки луча;
продолжительность импульсов и пауз.

Режимы электронно-лучевой сварки отражены в таблице ниже:

Металл	Толщина, мм	Режим сварки			Ширина шва, мм
Металл	Толщина, мм	ускоряющее напряжение, кВ	сила тока луча, мА	скорость сварки, м/ч	Ширина шва, мм
Вольфрам	0,5	18-20	40-50	60	1,0
Вольфрам	1,0	20-22	75-80	50	1,5
Тантал	1,0	20-22	50	50	1,5
Сталь вида 18-8	1,5	18-20	50-60	60-70	2,0
	20,0	20-22	270	50	7,0
	35,0	20-22	500	20	—
Молибден + вольфрам	0,5 + 0,5	18-20	45-50	35-50	1,0

Для передвижения электронного луча по изделию необходимо перемещать само изделие или луч при помощи отклоняющей системы. Эта система позволяет осуществлять колебания луча как вдоль, так и поперек шва, а также по более сложной траектории.

До начала сварки требуется соблюдение точной сборки деталей и точное направление луча по оси стыка. Так, при толщине металла до 5 мм зазор составляет не более 0,07 мм, при толщине до 20 мм — до 0,1 мм с отклонением луча не более 0,2-0,3 мм. Для увеличенных зазорах (с целью предупреждения подрезов) понадобится дополнительный металл в виде присадочной проволоки либо технологических буртиков. Изменяя размер зазора и количество добавленного металла, можно довести долю присадочного металла по шву до 50%.

Основные типы сварных соединений

Рассмотрим основные типы сварных соединений, которые рекомендуются для электронно-лучевой сварки. Рисунок ниже демонстрирует следующие виды:

а) — стыковое;
б) — замковое;
в) — стыковое с деталями разной толщины;
г) — угловое;
д), е) — стыковое при сварке шестерен;
ж) — стыковое с отбортовкой кромок.

Особенности сварки лучевого типа

Процесс лучевой сварки характеризуют две особенности:

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

Достоинства и недостатки электронно-лучевой сварки

Сварка электронным лучом имеет ряд весомых преимуществ, среди которых:

— Малое количество вводимой теплоты. В большинстве случаев для получения одинаковой глубины проплавления при сварке данного типа потребуется теплоты в 5 раз меньше, чем при дуговом виде, что значительно снижает коробление изделий;

— Возможность сварки керамики и тугоплавких металлов (тантала, вольфрама), керамики и т. д. С четкой фокусировкой луча становится возможным нагреть поверхность диаметром менее миллиметра. Это в свою очередь позволяет единовременно приваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра;

— Высокое качество сварных соединений химически активных металлов и сплавов: молибдена, титана, ниобия, циркония. Как правило, во многих случаях происходит дегазация металла шва и одновременно повышение его пластических характеристик. ЭЛС также незаменима при соединении низкоуглеродистых, коррозионно-стойких, медных, никелевых сталей, алюминиевых сплавов.

Но несмотря на большее количество достоинств, ЭЛС имеет и минусы.

Недостатки электронно-лучевой сварки

— Время затрата при создании вакуума в рабочей камере после загрузки изделий;

— Возможность образования несплавлений, полых отверстий в корне шва при сваривании металлов с большой теплопроводностью, а также швах с большим отношением глубины к ширине.

Применение ЭЛС оправдано, когда нужно проводить работы в труднодоступных и неудобных местах. Сварка данной разновидности универсальна и экономична. Универсальность этой сварки выражена тем, что посредством нее соединяют изделия как с любой разделкой кромки, так и без разделки. Экономичность же заключается в сравнительно малом потреблении электричества.

Сегодня на отечественных предприятиях применяется электронно-лучевое оборудование с пушками прямого и косвенного накала катодов и собственного производства, и от иных российских и зарубежных фирм. В установках с внутрикамерным расположением лучевых пушек есть возможность сварки соединений горизонтальным либо наклонным лучом по сложным траекториям движения. Точная механика в сочетании с компьютерными технологиями и системами управления устраняют зависимость качества итоговых соединений от человеческого фактора, то есть присутствие оператора-сварщика практически исключается, так как процесс происходит почти автоматизировано. Сварочное оборудование несложно в эксплуатации и его обслуживание не подразумевает затрат трудовых ресурсов. Запрограммировав установку, нужно лишь следить за тем, как луч наводится в нужное место и следует вдоль стыка. От рабочего персонала потребуется только изменять мощность луча и регулировать фокусировку на конкретном отрезке траектории стыка.

В целом, электронно-лучевая сварка – это рациональное и перспективное направление в развитии современных технологий сварки!