Сварка на электронно лучевых сварочных установках минусы

Существует достаточно большое количество различных тугоплавких металлов, которые соединить между собой можно только при применении специальной технологии электронно-лучевой сварки. Ее суть заключается в фокусировании пучка света, который при воздействии на поверхность проводит ее нагрев.

Электронно-лучевая сварка

Электронно лучевая сварка

Сегодня электроннолучевая сварка считается одной из быстро развивающихся технологий. Она применяется для работы с тугоплавкими и химическими активными, разновидными веществами и качественными сплавами. Среди ключевых моментов электронно лучевой сварки можно отнести следующие моменты:

1. Сваривание проводится за счет использования кинетической энергии летящих электронов, которые при соприкосновении с поверхностью становятся причиной нагрева поверхности.
2. Развитие подобного метода электронной сварки можно связать с появлением современной вакуумной техникой и электронной оптики. Только после того как стали производить подобное оборудование технология стала часто использоваться в металлургической области.

Установка для электронно-лучевой сварки

Электронно лучевая сварка может оказывать требуемое воздействие на твердые и тугоплавкие сплавы. За счет локального воздействия температуры можно получить качественное соединение.

Сущность процесса ЭЛС

Электронная пушка применяется в качестве генератора светового пучка. К ее особенностям отнесем следующие моменты:

1. В качестве генератора пучка и его перенаправления устанавливаются электроды и катоды.
2. Для того чтобы сфокусировать луч устанавливается оптический элемент. В зависимости от типа оборудования он может изготавливаться из различных материалов.
3. В качестве питания применяется бытовая сеть. Увеличить напряжение и другие параметры можно за счет встроенного трансформатора.

Технология электронно лучевой сварки предусматривает фокусирование луча за счет магнитной линзы. При касании электроны соударяются на большой скорости с небольшой поверхностью, при возникновении трения вырабатывается тепловая энергия. На этом этапе пучок кинетическая энергия становится тепловой, повышается пластичность обрабатываемого материала, и он плавится.

Процесс электронно лучевой сварки связан с применением специального оборудования. Оно позволяет получить качественное соединение, которое будет выдерживать существенное механическое воздействие и окружающей среды.

Существенно снизить потери энергии можно при проведении рассматриваемого процесса в условиях вакуума. За счет этого исключается вероятность термической деформации. Вакуумная среда выполняет несколько основных функций, которые должны учитываться:

1. Если сравнивать применение вакуумной среды с газовой или флюсом, то она защищает обрабатываемую поверхность более эффективно.
2. Обеспечивается высокая химическая защита катода.
3. Снижается потеря кинетической энергии. Это связано с тем, что частицы сфокусированного луча не соприкасаются с молекулами воздуха.
4. Повышается эффективность дегазации сварочной ванной. Вакуумная среда исключает вероятность появления оксидной пленки.

Схема ЭЛС

Однако, применение вакуумной среды существенно повышается стоимость процедуры. Это связано с тем, что специальное оборудование обходится достаточно дорого.

Техника ЭЛС

Электронно лучевая сварка характеризуется определенными особенностями, которые нужно учитывать. Среди особенностей выделим следующие моменты:

1. Плавка проходит по средней стенке углубления. Выполнять сварку нужно с учетом того, что расплавленный металл будет перемещаться к задней части сварочной ванной. После этого он начинает кристаллизоваться.
2. Можно проводить плавку непрерывным лучом. Исключением можно назвать обработку сплавов из алюминия или магния. Слишком высокая температура становится причиной ионизации паров. Именно поэтому в подобном случае рекомендуется применять импульсный луч.

При применении технологии, которая связана с воздействием на поверхность импульсного луча можно провести обработку заготовок небольшой толщины.

Параметры режима лучевой сварки и типы сварных соединений

Для качественной обработки поверхности материала следует рассмотреть основные параметры проведения электронной лучевой сварки. Они следующие:

1. Степень вакуумизации. Вышеприведенная информация определяет то, что при сварке в условиях вакуума существенно повышается эффективность процесса.
2. Показатели подаваемого тока в луче могут варьировать в большом диапазоне. Это связано с тем, что для толстых заготовок повышается показатель силы тока.
3. Скорость передвижения луча по поверхности определяет производительность технологии. Кроме этого, скорость передвижения увеличивается для исключения вероятности прожига металла.
4. Точность фокусировки луча также определяет эффективность процедуры. Этот показатель зависит от того, какое применяется оборудование.
5. Продолжительность пауз. Некоторые технологии предусматривают прерывистое воздействие светового импульса.

Образцы электронно-лучевой сварки

Основные параметры можно найти в специальных таблицах. Применяемое оборудование позволяет вводить основные параметры.

Особенности сварки лучевого типа

Технология применения сфокусированного луча встречается крайне редко. Рассматривая особенности сварки лучевого типа уделяется внимание следующим моментам:

1. Получить чистую поверхность и обеспечить максимальную степень дегазации металла можно только в случае проведения работы в условии вакуума.
2. Нагрев проводится до высокой температуры, за счет обеспечивается плавка металла в зоне контакта. За счет этого получается мелкозернистый шов с привлекательными характеристиками.

Подобный метод не приводит к образованию трещин. Именно поэтому он используется для работы с материалами, которые восприимчивы к сильному нагреванию и могут плавится.

Применение ЭЛС

Примером можно назвать процесс изготовления деталей из различных алюминиевых сплавов. Минимальная толщина обрабатываемых деталей составляет 0,02 мм, максимальный показатель около 100 мм.

Достоинства и недостатки электронно лучевой сварки

Как и у многих других технологий, у рассматриваемой также есть достоинства и недостатки. К положительным сторонам можно отнести:

1. На поверхность воздействует меньшее количество тепла. Как правило, при дуговой сварке оказывается более высокое тепловое воздействие. За счет этого существенно повышается степень коробления металла. Слишком высокая температура приводит к изменению кристаллической структуры.
2. Есть возможность провести обработку керамики и некоторых других трудноплавких металлов. При фокусировании луча можно проводить обработку поверхности диаметром менее одного миллиметра.
3. Высокое качество получаемого шва определяет то, что технология может применяться для получения ответственных изделий и декоративных элементов. Сфокусированный луч приводит к дегазации металлического шва, за счет чего повышается степень пластичности и некоторые другие параметры. Провести электронную сварку можно также и коррозионностойких сплавов.
4. Применяемое оборудование позволяет проводить регулировку мощности в достаточно большом диапазоне. Поэтому электронно лучевая сварка может использоваться для работы с различными заготовками.
5. Можно получить узкий, но глубокий шов. За счет этого существенно повышается прочность соединения.
6. При выборе импульсного режима можно исключить вероятность деформации поверхности из-за воздействия высокой температуры.
7. Метод может использоваться для термической обработки и перфорации, а также резки металла.

Есть и определенные недостатки. Они следующие:

1. Для создания вакуумной среды требуется определенное время. Именно поэтому существенно снижается показатель производительности подобной технологии.
2. В корне шва может появится полое отверстие. Именно поэтому следует проводить контроль качества соединения при применении специального оборудования.

Электронно лучевая сварка оправдана в том случае, если нужно провести обработку труднодоступных мест. Экономичность связана с небольшим показателем потребления энергии.

Виды сварочных лучевых установок

Оборудование для электронно лучевой сварки характеризуется высокой эффективность применения. Однако, сложность конструкции определяет ее высокую стоимость. В продаже встречается:

1. С элементом прямого накала катодов.
2. С элементом косвенного накала.

Некоторые установки электронно лучевой сварки могут проводить обработку поверхности по криволинейным траекториям. Для этого проводится установка компьютера, который и контролирует положение исполнительного органа относительно обрабатываемой поверхности.

Электронно-лучевая сварочная установка

Модели, выпускаемые зарубежными производителями, характеризуются высокой степенью автоматизации. Наибольшей эффективностью пользуется метод полного проплавления соединительного стыка.

Область применения

Как ранее было отмечено, рассматриваемый метод применяется для соединения различных материалов и сплавов, которые характеризуются высокой устойчивостью к воздействию тепла. Область применения следующая:

1. Обработка алюминия.
2. Соединение изделий, представленных сплавов из титана.
3. Обработка бериллиевых металлов.
4. Работа с танталом, ниобием, цирконием.
5. Обработка легированных сталей.

Качественные изделия могут получать в ракетостроении и атомной энергетике. Это связано с тем, что лучевая технология позволяет получить однородный шов.

Использование сварки в промышленности

Применение ЭЛС постоянно расширяется несмотря высокую себестоимость процесса и некоторые ее недостатки. Технология характеризуется показателем КПД почти 95%. Этот показатель больше чем у более распространенной дуговой сварки.

Промышленное применение выражено следующим образом:

1. При работе с активными металлами.
2. При обработке термоупрачненных металлов.
3. Для соединения тугоплавких материалов.
4. При работе с камнем и керамикой.
5. Для создания ответственных деталей.

Сегодня ЭЛС получила широкое распространение в сфере производства электронных изделий. За счет вакуума можно обеспечить герметизацию микросхем. При этом на поверхность может оказывать воздействие самая различная температура.

Производительные установки подходят для работы в сфере авиации. Объем камер может варьировать в большом диапазоне. В заключение отметим, что в последнее время технология активно развивается.

Это связано с возможностью получения качественных изделий при небольших затратах.

Электронно-лучевая сварка – сфера применения и отличие от других сварочных технологий

Как известно, для соединения металлических деталей можно задействовать несколько технологий, которые отличаются между собой способом получения тепловой энергии, подготовкой свариваемой поверхности, типом обрабатываемого металла и финансовыми затратами. В основе большинства сварочных процессов лежит применение различных газов (защитных или рабочих) и лишь электронно-лучевая сварка реализуется без какой-либо газовой среды, то есть в абсолютном вакууме. Именно об ЭЛС и пойдет речь в этой статье.

В чем суть элс

Данная технология основана на преобразовании кинетической энергии, вырабатываемой при движении электронов в тепловую энергию, необходимую для плавления металлической кромки.

Скорость электронного потока, а значит и величина кинетической энергии, напрямую зависит от приложенной разности потенциалов (напряжения), которая может достигать 100 кВ.

Сфокусированный в небольшой пучок луч при касании поверхности материала обеспечивает сверхвысокую плотность мощности, в результате чего электроны могут проникать в металл на определенную глубину. Именно во время такого проникновения электрон отдает накопленную энергию, что приводит к нагреву и плавлению места контакта.

Схема процесса

Сравнение результатов

Чтобы в процессе электронно-лучевой сварки заряд источника не расходовался на преодоление молекул воздуха или другого газа, обработку материала выполняют в условиях вакуума с внутренним давлением от 10-1до 10-3 Па. Такой подход позволяет создать практически идеальную инертную среду для сварки.

Однако следует обратить внимание, что применять вакуум не всегда целесообразно, т.к. это очень дорогостоящий процесс. Для решения задач, не имеющих подобных повышенных требований к точности и допускам, используют защитные сварочные смеси газов (подробную информацию о них можно найти здесь).

Советское видео о техпроцессе:

А здесь можно увидеть, как все происходит на современном оборудовании:

Где применяется электронно-лучевая сварка

Поскольку ЭЛС обладает высокой плотностью создаваемой мощности, которая достигает 108 Вт/см², и осуществляется в вакуумной среде, подобная технология дает возможность скреплять тугоплавкие и химически активные металлы и их сплавы, такие как:

• вольфрам;
• тантал;
• молибден;
• ниобий;
• цирконий;
• титан;
• алюминий;
• высоколегированная сталь.

Данные материалы можно сваривать как в однородных, так и разнородных сочетаниях при разных толщинах и температурах плавления.

Естественно, выбор ускоряющего напряжения, силы тока луча и скорость обработки во многом зависят от физико-механических свойств детали.

Например, при работе с вольфрамом толщиной 0,5 мм разность потенциалов составляет 18 кВ, ток равен 40 мА, а скорость перемещения луча достигает 60 м/ч. Тогда как для 35-миллиметровой стали эти показатели будут несколько иными: 22 кВ, 500 мА, 20 м/ч.

Электронно-лучевой сварочный процесс получил широкое применение в тех отраслях, где нежелательна или невозможна высокая термообработка изделия, при этом шов должен отличаться большой надежностью и эстетической привлекательностью. Поэтому ЭЛС часто используется в авиакосмической сфере, энергетике, машиностроительной промышленности, приборостроении и электровакуумном производстве.

Шов крепления нержавеющей стали

Преимущества и недостатки по сравнению с другими видами сварки

Как уже отмечалось, электронный луч отличается высокой плотностью мощности, уступая по этому показателю только лазерному лучу и значительно превосходя ацетилено-кислородное пламя и электрическую дугу.

Кроме того, площадь пятна нагрева является минимальной и составляет около 10-5 см² (для сравнения, при обработке металлических деталей ацетиленом создается пятно контакта минимум 0,2 см², а электрической дугой – 0,1 см²).

Еще одним существенным преимуществом ЭЛС является полная дегазация рабочей области, в результате чего достигается высококачественное соединение химически активных металлов. Отсутствие воздействия атмосферных кислорода и водорода на шов позволяет добиться его более однородной и плотной структуры, а также избежать последующей коррозии.

Основной недостаток описываемого способа – высокие затраты на создание условий вакуума. Этот метод сварки работает в узкоспециализированном диапазоне задач, для высокотехнологичных дорогостоящих деталей с серьезными требованиями по допускам.

Классификация по тонкости шовных соединений

К минусам электронно-лучевого воздействия также можно отнести высокие требования к качеству обрабатываемой поверхности, которая в обязательном порядке должна быть очищена от следов консервации, ржавчины и других дефектов.

При этом очистку материала, как правило, выполняют в несколько этапов – начиная механической обработкой и заканчивая применением специальных химических реагентов.

К тому же после загрузки подготовленных деталей в камеру требуется длительное время для достижения необходимого вакуума, что не всегда подходит для серийного и массового производства.

В этом плане ацетилено-кислородная и электро-дуговая технологии являются более простыми и производительными.

И если в первом случае шов не всегда выглядит эстетично, то при использовании электрической дуги многое зависит от применяемой защитной среды.

Правильно подобранная смесь не только делает соединение более аккуратным, но и существенно повышает его надежность. Подробнее про сварочные смеси для разных видов металлов вы можете узнать, перейдя по этой ссылке.

Что такое электронно-лучевая сварка и где она применяется

21.02.2019

Метод электронно-лучевой сварки разработан в середине прошлого века. Он используется для соединения тонкостенных и толстостенных деталей из различных сплавов, включая тугоплавкие, сложные, деформирующиеся при нагреве.

Лучевая сварка применяется даже для обработки керамики. Метод ЭЛС основан на способности электронов переносить энергию. Для образования потока заряженных частиц необходим вакуум высокой степени разряжения.

Из-за этой технологической особенности перспективный метод не получил широкого применения.

Сущность процесса и область его применения

Электроннолучевую сварку применяют при обработке тугоплавких металлов, легко окисляемых сплавов, которые невозможно варить другими методами. Под электронным лучом образуется расплав, который заполняет стык на всю глубину. Электроны одновременно воздействуют на металл по всей поверхности стыка.

Функции сварочного устройства выполняет электронная пушка. Из разогретого тугоплавкого металла в глубоком вакууме до 10-6 Па вырываются электроны, они ускоряются под силовым воздействием тока, устремляются в рабочую зону. ЭЛС действует аналогично лазерной, только в отличие от светового луча пучок электронов невидим.

Энергия его значительно превосходит лазер, площадь воздействия меньше.

Достоинства и недостатки ЭЛС

Как и любой горячий метод соединения деталей, электронно-лучевая сварка имеет ряд преимуществ и недостатков. Сначала о достоинствах:

• можно соединять детали толщиной от 0,2 мм;
• во время плавки металла ванна расплава перемещается в нижнюю зону, стык заполняется полностью, затем начинается кристаллизация;
• глубокое соединение образуется за один проход луча, высокая производительность процесса;
• пучок электронов генерируется в постоянном или импульсном режиме, при обработке магниево-алюминиевых сплавов применяется импульсное воздействие;
• вакуумизация улучшает качество шва, металл не реагирует с компонентами воздуха;
• большой диапазон силы тока луча расширяет возможности установки.

Недостатки:

• сложность технологического оборудования, для работы на нем требуется длительная подготовка;
• быстрый износ катода, тугоплавкая проволока под воздействием электрического поля разогревается до 2400°C;
• при генерации электронов возникает рентгеновское излучение, необходимо обеспечить защиту сварщиков.

  Что такое контактная сварка

Технология электронно-лучевой сварки

Обязательным условием считается вакуумизация. Глубина разряжения в пушке обеспечивает беспрепятственное движение электронов. Из рабочей камеры также удаляется воздух с содержащимся в нем кислородом, окисляющим металл. Вакуум действует на шов аналогично флюсу – защищает от коррозии.

Метод сварки электронным лучом основан на способности электронов переносить энергию. Когда движению ничего не мешает, частицы прямолинейно следуют к свариваемой поверхности. Металл плавится под их воздействием. Прогрев идет по всей глубине зазора между деталями.

Область воздействия частиц – площадь в десятые доли микрона. Электроны проникают на глубину до 20 см. При методе электронно-лучевой сварки соотношение толщины зазора к ширине образуемого шва достигает 25.

Возможности сварки за счет этого расширяются, электронным лучом соединяют детали из тугоплавких сплавов. Из-за высокой скорости воздействия в металле не создается остаточных напряжений.

Хотя по мощности потребляемого тока ЭЛС сварка сопоставима с другими методами, энергозатраты в разы меньше за счет большой скорости варки.

Особенности и режимы сварки электронным лучом

Для сварочных работ соединяемые детали укладывают с минимальным зазором, пространство между двумя частями металла толщиной 20 мм не должен превышать 0,1 мм. Для сварки больших зазоров используется присадочный металл, допустимая доля присадки в шве – не более 50%. Направление луча, выходящего из электронной пушки, строго контролируется, допуск не более 0,3 мм.

В установках варят детали толщиной от 0,2 мм до 200 мм. Регулируемые мощностные параметры электронно-лучевого метода:

• лучевая сила тока (для вольфрама толщиной 1 мм – до 80 мА, для сталей 35 мм – до 500 мА)
• ускоряющее напряжение (для тонкостенных металлов используют низковольтные блоки питания, для толстостенного – высоковольтные);
• скорость движения луча в зоне сварки (для вольфрама толщиной 1 мм – до 50 м/ч, для сталей 35 мм – 20 м/ч).

  Радиографический контроль сварных швов и соединений

Степень вакуумизации влияет на плотность электронного луча, вакуум обеспечивает защиту шва от окисления. Из-за высокой скорости сварки, металл, склонный к пластической деформации, не успевает разогреться, на нем не появляются трещины. Сохраняется целостность деталей.

Оборудование ЭЛС

Устройство любой промышленной установки включает несколько обязательных элементов:

• пушка – генератор плотного луча;
• блок электропитания, обычно они подключаются к стандартной сети 220 В, дополнительно встраивается трансформатор;
• электронный блок управления, визуально контролировать процесс варки нельзя, нужна точная контролирующая аппаратура;
• вакуумная система, различается по мощности.

• 
• В зависимости от назначения, установки способны образовывать криволинейные стыки, проваривать металл на всю глубину. Различают:
• По типу вакуумирования:

• камерные установки электронно-лучевой сварки предусматривают размещение деталей в камере, из нее полностью откачивают воздух;
• локальные – изолируют только зону сварки, вакуум создается в небольшом объеме.

По параметрам разряжения:

• специализированные установки создают разряжение до 10-2Па;
• универсальные установки ЭЛС рассчитаны на максимальное давление до 10Па;
• с параметрами так называемого промежуточного вакуума, давление инертного газа – от 10 до 100 Па;
• ЭЛС с защитной атмосферой, в зону стыка аргон нагнетается под давлением свыше 100 Па.

Электронная пушка во всех установках устроена по одному принципу. Поток электронов создается между:

• катодом, он бывает двух видов: плазменный (косвенного накала) или прямого накаливания (по сути, катод – это спираль из вольфрама, тантала или другого тугоплавкого сплава);
• анодом, его делают их меди или стальной.

Поток меняет направление, отклоняется в одну или другую сторону, когда на управляющем электроде меняется потенциал.

На установках ЭЛС проводят сварку тугоплавких сплавов, стык проваривается насквозь за один проход. Метод электронно-лучевой сварки применяется в наукоемких областях, бытового распространения не получил из-за сложности и высокой стоимости оборудования.

Что такое электронно-лучевая сварка и где она применяется Ссылка на основную публикацию

Электронно-лучевая сварка, ее преимущества, недостатки

Электронно-лучевая сварка использует кинетическую энергию потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме. Чтобы уменьшить потери кинетической энергии электронов при соударении с молекулами газов воздуха и обеспечить химическую и тепловую защиту катода, в электронной пушке создают вакуум порядка 10-4… 10-6 мм рт. ст.

Техника сварки

При сварке электронным лучом проплавление принимает форму конуса (рис. 1). Плавление металла происходит на передней стенке кратера, а расплавляемый металл перемещается по боковым стенкам к задней стенке, где и кристаллизуется.

Рис. 1. Схема переноса жидкого металла при электронно-лучевой сварке: 1 — электронный луч; 2 — передняя стенка кратера; 3 — зона кристаллизации; 4 — путь движения жидкого металла ​

Проплавление во время электронно-лучевой сварке в основном обусловлено четырьмя факторами:

• давлением потока электронов;
• характером выделения теплоты в объеме твердого металла;
• реактивным давлением испаряющегося металла, вторичных и тепловых электронов;
• излучением. 

Также можно проводить сварку непрерывным электронным лучом. Но при сварке легкоиспаряющихся металлов — например, алюминия или магния — эффективность электронного потока и количество выделяющейся в изделии теплоты уменьшаются из-за потери энергии на ионизацию паров металлов. Тогда лучше вести сварку импульсным электронным лучом с большой плотностью энергии и частотой импульсов 100… 500 Гц. 

В результате глубина проплавления повышается. Правильная установка соотношения времени паузы и импульса позволяет сваривать очень тонкие листы. Теплоотвод во время пауз уменьшает протяженность зоны термического влияния. Однако при этом возможно образование подрезов, которые можно устранить сваркой колеблющимся или расфокусированным лучом.

Основные параметры режима электронно-лучевой сварки 

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

Таблица 1. Режимы электронно-лучевой сварки:

Металл	Толщина, мм	Режим сварки	Ширина шва, мм
ускоряющее напряжение, кВ	сила тока луча, мА	скорость сварки, м/ч
Вольфрам	0,5	18…20	40…50	60	1,0
1,0	20…22	75…80	50	1,5
Тантал	1,0	20…22	50	50	1,5
Сталь типа 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

Чтобы перемещать луч по поверхности изделия, можно либо передвигать изделие, либо сам луч с помощью отклоняющей системы. Отклоняющая система позволяет осуществлять колебания луча вдоль и поперек шва или по более сложной траектории.

Низковольтные установки используют при сварке металла толщиной свыше 0,5 мм для получения швов с отношением глубины к ширине до 8:1.

Высоковольтные установки применяют при сварке более толстого металла с отношением глубины к ширине шва до 25:1.

Основные типы сварных соединений, рекомендуемые для электронно-лучевой сварки, приведены на рисунке 2. Перед сваркой нужно провести точную сборку деталей — при толщине металла до 5 мм зазор не более 0,07 мм, при толщине до 20 мм зазор до 0,1 мм. Также важно поддерживать точное направление луча по оси стыка — отклонение не больше 0,2… 0,3 мм.

Рис. 2. Типы сварных соединений при сварке электронным лучом: а — стыковое (может быть с бортиком для получения выпуклости шва); б — замковое; в — стыковое деталей разной толщины; г — угловые; д и е — стыковые при сварке шестерен; ж — стыковые с отбортовкой кромок

Чтобы предупредить подрезы при увеличенных зазорах, нужен дополнительный металл в виде технологических буртиков или присадочной проволоки. В последнем случае появляется возможность металлургического воздействия на металл шва. Изменения зазора и количества дополнительного металла могут довести долю присадочного металла в шве до 50%.

Преимущества сварки электронным лучом

Высокая концентрация ввода теплоты в изделие. Теплота выделяется не только на поверхности изделия, но и на некоторой глубине в объеме основного металла.

Фокусировка электронного луча может создать пятно нагрева диаметром 0,0002… 5 мм — это позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. Так можно получить швы, в которых соотношение глубины провара к ширине до 20:1 и более.

Появляется возможность сварки тугоплавких металлов (вольфрама, тантала и др.), керамики и т.д. Уменьшение протяженности зоны термического влияния снижает вероятность рекристаллизации основного металла в этой зоне.

Малое количество вводимой теплоты. Обычно для равной глубины проплавления при электронно-лучевой сварке нужно вводить теплоты в 4… 5 раз меньше, чем при дуговой. В результате резко снижаются коробления изделия.

Отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла газами. Наоборот, в ряде случаев наблюдается дегазация металла шва и повышение его пластических свойств.

Это приводит к высокому качеству сварных соединений на таких химически активных металлах и сплавах, как ниобий, цирконий, титан, молибден и др.

Можно также достичь хорошего качества электронно-лучевой сварки на низкоуглеродистых, коррозионностойких сталях, меди и медных, никелевых, алюминиевых сплавах.

Недостатки электронно-лучевой сварки: 

Возможность образования несплавлений и полостей. В корне шва на металлах с большой теплопроводностью и швах с большим отношением глубины к ширине.

Продолжительность приготовлений. Для создания вакуума в рабочей камере после загрузки изделий требуется длительное время.

Сварка на электронно-лучевых сварочных установках: плюсы и минусы

Для прочного сплава металлов по такой методике требуется сложное и дорогостоящее оборудование, например, в частном производстве, электронная сварка применяться не может, потому что это нерентабельно и дорого. Технический процесс постоянно развивается, а аналогичная методика получает повсеместное распространение, так как имеет преимущество перед другими видами обработки сплавов и металлов.

Технологические нюансы

Электронно-лучевая сварка или сокращенно ЭЛС считается среди аналогичных методик быстро развивающейся технологией, применяющейся для соединения тугоплавких, химически активных веществ и сплавов высокого качества. Вот ключевые моменты этого прогрессивного метода:

• Сварка неоднородных по химическому составу материалов производится на основе кинетической энергии электронов, которые при столкновении с поверхностью быстро её нагревают.
• С появлением вакуумной техники и электронной оптики такой прогрессивный метод стал применяться в металлургической промышленности.

Сегодня с помощью ЭЛС успешно соединяют тугоплавкие и особо твердые сплавы между собой, а стальные — с деталями, выполненными из другого материала. Отличное качество соединения получается из-за локального воздействия высокой температуры.

Сущность процесса

Поток электронных лучей (10), создаваемый аналогичной пушкой — это основной компонент электронно-лучевой сварки, кроме этого, в схеме задействованы:

• спираль (1), подключенная к высоковольтному источнику;
• катод (2) помещен внутри электрода (3);
• на специально рассчитанном расстоянии расположен анод с перфорацией для ускорения (4);
• далее поток электронов проходит через фокусирующую систему (5);
• в герметическом сосуде создается вакуум (6);
• система магнитного отклонения (7) устанавливает луч по линии соединения;
• в нижней части технологического резервуара (9) находится деталь (8), где происходит сварка.

Для снижения возможных энергетических потерь соединение металлов производится в безвоздушном пространстве, исключается термическая деформация, потому что поток лучей имеет узкую клиновидную форму и минимум контактирующей площади.

Применение вакуума снижает потери энергии, исключает появление искры между положительной и отрицательной пластинами, защищает место сварки от молекул воздуха и повышает качество шва, но повышает стоимость сварки, поэтому эксплуатация оборудования для предприятия обходится дорого.

Виды

В промышленности используют два основных типа: с прямым или косвенным накалом катодов, отдельные установки ЭЛС проводят обработку поверхностей по криволинейным траекториям. Сложность конструкции аналогичных установок влияет на конечную цену изделия, поэтому оборудование этой классификации относится к разряду дорогих.

Контроль исполнения задачи производится установленным компьютером, в памяти которого заложена необходимая программа сварки.

[stextbox id=’warning’]Сварка на электронно-лучевых сварочных установках отличается повышенной опасностью для персонала из-за возможного облучения, что является основным минусом такого производства.[/stextbox]

Параметры режима

К основным режимам относятся:

• Степень разряжения в камере. Чем выше вакуумизация, тем качественнее эффективность соединения.
• Сила тока варьируется и зависит от толщины металла заготовок.
• Скорость перемещения лучевого потока по поверхности деталей определяется производительностью оборудования, она настроена так, чтобы исключить прожигание металлов.
• Эффективность сварки определяет точность фокусировки луча, что напрямую зависит от оборудования.
• Существуют технологии прерывистого воздействия на металлы светового потока.
• Передвижение сварочного луча осуществляется вдоль, поперек шва или по сложной траектории; существуют два метода: перемещение луча с помощью системы отклонения или движение заготовок.

При увеличении зазора между заготовками рекомендуется применять специального состава присадки.

Основные типы соединений

• Важными параметрами в процессе ЭЛС считаются геометрические составляющие и формы стыковки заготовок и пространственное положение лучевого потока относительно места сварки.
• а) — встык;
• б) — в виде замка;
• в) — стык деталей, имеющих большую разницу по толщине металла;
• г) — угловое;
• д), е) — первый вариант при сваривании шестерни;
• ж) — он же, но при отбортовке кромки.

Особенности

У ЭЛС существует две особенности:

1. Сварка производится в вакууме, поэтому гарантируется максимум чистоты поверхности и отсутствие нежелательного окисления соединительного шва.
2. Нагрев сплавляемых деталей происходит до максимально возможных температур, что способствует быстрому расплавлению металлов — шов при этом получается мелкозернистый с минимальной шириной.

Возможна эффективная работа со сплавами, которые довольно чувствительны к большим температурам. С помощью ЭЛС изготавливаются детали из титановых и алюминиевых сплавов, а также из высоколегированной стали, при этом максимум толщины достигает 100 мм, а минимум — 0,02 мм.

[stextbox id=’info’]Оператор установки ЭЛСТУ-60 Н. А. Богданов, стаж более 15 лет:«Уникальные сварочные работы можно сделать только с помощью установок ЭЛС».[/stextbox]

Преимущества и недостатки

Если сравнивать электронно-лучевую сварку с другими методами соединения металлов, то она обладает существенными преимуществами:

• Высокий КПД позволяет в 15 раз тратить энергии меньше.
• Концентрация лучевого потока обеспечивает надежность сварки за один проход деталей с толщиной металла до 20 см, а другие методы на аналогичное соединение делают несколько заходов, получая многослойный шов.
• Такая методика исключает контакт газов от сварочных работ или молекул воздуха с поверхностью соединяемых металлов.
• Возможно соединение керамических поверхностей с металлами, отличающимися тугоплавкостью.
• Точный фокус лучевого потока в нужное место позволяет нагревать и прочно соединять поверхности с толщиной от 0,1 мм, при этом их пластичность не изменяется.
• ЭЛС не имеет альтернативы при сваривании коррозиестойких, а также стальных заготовок, имеющих низкое содержание углерода и алюминиевых сплавов.

Кроме преимуществ существует и ряд недостатков:

• Потеря времени на откачивание воздуха из камеры, после загрузки свариваемых деталей.
• Внутри шва возможно появление каверн или непроваров, которые будут оказывать негативное воздействие на качество соединения.
• Оборудование имеет высокую стоимость и для многих производственных предприятия недоступно.
• Для каждого вида швов необходима индивидуальная настройка, которая отнимает много времени.
• При длительной работе возможно незначительное облучение персонала.

Применение такой методики оправдано, когда сварку надо провести в труднодоступных местах.

Область применения

Для соединения:

• стали разного класса при толщине металла до 8 см;
• титановых или легких сплавов, у которых толщина не более 10 см;
• медные сплавы — до 2 см.

Качественная сварка:

• тонкостенных или толстостенных конструкций, предназначенных для отдельного назначения;
• крупных конструкций из однородного металла, когда их обработка высокими температурами крайне затруднительна.

Ученые, проектировавшие такие промышленные установки, заверяют — для ЭЛС нет проблемных материалов, среди тех, что известны современной науке.

Использование в промышленности

Основными отраслями считаются:

• авиационно-космическое производство;
• мостовое строение;
• вагоностроение;
• медицинская промышленность;
• судостроительные верфи;
• тепловая и гидроэнергетика;
• производство подшипников.

Аналогичные установки отличаются высокой точностью установки луча, поэтому применяются для соединения микроэлементов в электронике.

Выводы

1. Электронно-лучевая сварка изобретена 60 лет назад, за прошедшие годы метод остается самым эффективным в обработке разных металлов, то, что подвластно этой методике — невозможно сделать другими способами сварки.
2. У оригинальной методики существуют достоинства и небольшие недостатки, которые необходимо учитывать при использовании установок по прямому назначению.
3. Производят установки ЭЛС согласно установленным ГОСТам, они дорогостоящие и не подходят для частного использования, например, чтобы сваривать автомобильные детали в аналогичных кооперативах, потому что для нормальной эксплуатации требуются только дипломированные операторы.