Электронно-лучевая сварка (ЭЛС)

Сущность процесса
Электронно-лучевая сварка (ЭЛС)
осуществляется в вакууме за счет расплавления
кромок основного металла сфокусированным
потоком электронов, имеющим высокую
удельную мощность q 2. Технологический
диапазон для целей нагрева, плавления,
испарения составляет ~10 4—5*10 8 Вт/см 2.
Сварка металлов малых толщин (до 3 мм)
ведется с удельной мощностью q 2≈10 4 Вт/см 2,
когда испарение с поверхности сварочной
ванны незначительно. Однопроходная сварка
металлов больших толщин (до 200—300 мм)
требует q 2=105 ÷106 Вт/см 2 . В этом случае
проникновение электронного луча на большую
глубину сопровождается испарением металла и
формированием канала проплавления, на
стенках которого рассеивается практически вся
мощность электронного луча. Канал
проплавления, поверхность которого сильно
перегрета относительно температуры
плавления металла Тпл и может достигать
температуры кипения Tкип, движется через
толщу металла, образуя по всей глубине канала
область расплава металла, который
перемещается в хвостовую часть ванны и гам
кристаллизуется.Переход от сварки металлов
малых толщин к однопроходной сварке
металлов больших толщин осуществляется по
достижении критической удельной мощности
q 2*, величина которой для большинства
металлов q 2*=10 5÷10 6 Вт/см 2. Верхнее
значение удельной мощности электронного
луча для технологических целей ограничено
уровнем q 2≤ Вт/см 2 (выше процесс обработки
материала становится неуправляемым из-за
взрывного характера разлета образующейся
плазмы). Высокая концентрация энергии в луче
позволяет получать при больших скоростях
ЭЛС узкие и глубокие сварные швы с
минимальной зоной термического влияния и
высокими механическими свойствами металла
шва и околошовной зоны.
Параметры и показатели ЭЛС
Параметрами электронного луча, измеряемыми
в процессе сварки, являются: ток луча I,
ускоряющее напряжение U, ток фокусирующей
системы I ф , рабочее расстояние (расстояние от
центра фокусирующей системы до поверхности
свариваемого изделия) l, угол сходимости луча
α, скорость перемещения луча v.
При заданных значениях параметров: мощности
(Вт) q=IU, l, Iф , α можно определить диаметр
электронного луча d и соответственно
удельную мощность q 2, Вт/см 2.
q 2=IU/(πd 2/4). (5.1)
При использовании импульсно-периодического
режима сварки средняя мощность луча, Вт,
равна:
q ср =IиUfτ, (5.2)
где I и — ток луча в импульсе. A; U —
ускоряющее напряжение. В; f — частота
следования импульсов, Гц; τ — длительность
импульса, с. Скорость сварки в импульсном
режиме, см/с:
v св = b(l—K)f, (5.3)
где К — коэффициент перекрытия точек
(обычно K=0,5÷0,9); b — диаметр сварной
точки, см. Количественными показателями ЭЛС
являются: погонная энергия Q 1=q/v св (Дж/см)
— затраты энергии на единицу длины сварного
шва; Q 2=q/v свH (Дж/см 2 ) — затраты энергии
на формирование единицы площади стыка; q/H
(Вт/см) — затраты мощности на единицу
глубины сварного шва; К=Н/В (здесь В —
ширина шва, К — коэффициент формы шва; Н
— глубина шва).
Типичные интервалы значений параметров
электронного луча для сварки следующие:
q=1÷120 кВт при U=25÷120 кВ, α= 1÷5°,
l=20÷200 мм. v св =0,1÷3 см/с, d=0,1÷3 мм,
f=1÷100 Гц, τ=5÷100 мс, К>10.
Камеры и вакуум для электронно-лучевой
сварки
Электронно-лучевую сварку осуществляют
чаще всего вертикальным либо горизонтальным
лучом (рис 5.1) в вакуумных камерах, размеры
которых зависят от габаритов свариваемых
изделий. Объем камер современных установок
составляет от 0.1 (и менее) до сотен
кубических метров.
Рис. 5.1. Схема установки электронно-лучевой
сварки:
1 — пушка; 2 — электронный луч; 3 — изделие
(труба); 4 — откачка; 5 — камера
Камера с находящейся на ней (или в ней)
электронной пушкой, формирующей
электронный луч, может откачиваться как до
высокого (~10 -3 Па), так и до низкого (~1—10
Па) вакуума, но с отдельной откачкой объема
электронной пушки до 10-3 Па.
Даже в низком вакууме ~1 Па содержание
кислорода в 17 раз, а азота в 10 раз меньше,
чем в особо чистом аргоне, поэтому при ЭЛС
защита расплавленного металла очень
эффективна.
Установки с выпуском электронного луча в
атмосферу на расстояние 15—20 мм при U =
175÷200 кВ обеспечивают мощность до 40 кВт
и коэффициент формы шва K≈3 из-за малой
удельной мощности вследствие сильного
рассеяния луча.
Техника электронно-лучевой сварки
Сварку электронным лучом можно успешно
применять в нижнем положении вертикальным
лучом, вертикальным и горизонтальным швом
на вертикальной стене (горизонтальным лучом)
с неполным и сквозным проплавлением. Сварка
в нижнем положении рекомендуется для
толщин до 40 (стали) и до 80 мм (титановые и
алюминиевые сплавы). Горизонтальным лучом
со сквозным проплавлением сваривают
металлы толщиной до 400 мм. Типичная
взаимосвязь глубины проплавления с
параметрами сварки представлена на рис. 5.6.
Конструкция соединения для однопроходной
ЭЛС выполняется с учетом глубокого
проникновения луча в металл (рис. 5.7).
Толщина зазора в стыке составляет 0,1—0,2 мм
при глубине шва ≤20÷30 мм и 0,3 мм при
глубине шва >30 мм. В общем случае, зазор
должен быть меньше диаметра луча.
Рис. 5.7. Типы конструкций стыка при ЭЛС
При ЭЛС используют ряд технологических
приемов для улучшения качества шва:
сварку наклонным лучом (отклонение в
направлении перемещения на 5—7°) для
уменьшения пор и несплошностей и создания
более равномерных условий кристаллизации;
сварку с присадкой для легирования металла
шва или восстановления концентрации
легкоиспаряющихся в вакууме элементов;
сварку на дисперсной подкладке для
улучшения выхода паров и газов из канала
(подкладка толщиной ~40 мм из гранул или
рубленой сварочной проволоки);
сварку в узкую разделку (0,8—8 мм) в нижнем
положении за счет наплавки присадки в
прямоугольную разделку кромок;
тандемную сварку двумя электронными
пушками, из которых одна осуществляет
проплавление, а вторая (меньшей мощности)
формирует либо корень канала, либо
хвостовую часть ванны. При квазитандемной
сварке используют один луч, но периодически
отклоняя его, например в хвост ванны,
получают практически два луча;
предварительные проходы для проверки
позиционирования луча и очистки и
обезгаживания кромок свариваемых металлов;
двустороннюю сварку одновременно или
последовательно двух противоположных
сторон стыка примерно на половину толщины
стыка. Одновременную двустороннюю сварку
осуществляют как с общей ванной, так и с
раздельными;
развертку электронного луча: продольную,
поперечную, Х-образную, круговую, по
эллипсу, дуге и т. п. с амплитудой порядка
диаметра луча и частотами до 1—2 кГц для
создания более благоприятных газо- и
гидродинамических условий формирования
канала (резонансные режимы нагрева). Двойное
преломление луча в процессе развертки
позволяет, например, расширить корневую
часть канала, что необходимо для подавления
корневых дефектов;
расщепление луча (за счет отклоняющей
системы) для одновременной сварки двух и
более стыков (точек);
модуляцию тока луча (обычно с частотой 1—
100 Гц) для управления теплоподачей в
сварной шов;
«косметическое» заглаживание — повторный
проход для ремонта видимых дефектов шва как
с внешней, так и с внутренней сторон. В
некоторых случаях «косметические» проходы
осуществляют с присадкой.
Особенности технологии сварки цветных,
тугоплавких металлов и сплавов, а также
конструкционных сталей подробно изложены в
монографии: Электронно-лучевая сварка/О. К.
Назаренко, А. А. Кайдалов, С. Н. Ковбасенко и
др./Под ред. Б. Е. Патона.— Киев: Наукова
думка, 1987.— 256 с.