Разное

Электронно-лучевая сварка

15.02.2018

Достоинства

Электронно-лучевая сварка относится к высокотехнологичным видам сварочных работ и применяется, соответственно, на сложных и высокоточных производствах. Основной недостаток у нее, по сути своей, один — установка лучевой сварки сложна в производстве и монтаже, поэтому стоит очень дорого — порядка нескольких миллионов.

Ее применение оправдано и рентабельно там, где стоимость изделия на выходе по всем остальным производственным факторам коррелирует со стоимостью сварочной установки.

Как правило, это отрасли производства, где требуется сверхвысокое качество соединения, в том числе металлов, сварка которых иными методами затруднена или невозможна. К таким относятся химически активные металлы (алюминий, магний и особенно титан), а также сверхтвердые и тугоплавкие.

У электронно-лучевой сварки есть и другие преимущества. Она имеет высокий КПД, что влечет за собой потребление меньшего количества энергии, которое нужно затратить на одну операцию (по сравнению с контактной или дуговой электросваркой).

Сварка электронно-лучевым методом имеет минимальную область пятна нагрева — до 0, 00001 кв. см, меньше — только у лазерной сварки. У нее максимальная мощность в точке нагрева — до 100 миллионов ватт на кв. см (выше только у лазера).

Особенность электронно-лучевой технологии позволяет выполнить дегазацию сварного шва, появляется возможность сваривать химически активные металлы — ниобий, молибден, титан, цирконий. Возможна сварка очень тугоплавких металлов, таких, как вольфрам, так как основная энергия тратится именно на нагрев точки контакта.

Возникает возможность тонко регулировать глубину проплавления и появляется прецизионная точность. Сварка лучом электронов идет практически без участия человека, оператор установки только задает и контролирует параметры.

У нее высокая скорость — до 5 см/сек, и есть возможность изготавливать детали очень малых размеров и сложной конфигурации, варить в труднодоступных местах.

https://youtube.com/watch?v=0n0tlDQWeN4

При электронно-лучевой сварке появляется шов «кинжального» сечения, глубокий и узкий, с минимальным наплавлением. Величина угловых деформаций сводится к минимуму.

Приемы сварки электронными лучами

Электронная пушка. 1 — катод, 2 — электрод, 3 — анод, 4 — электромагнитная линза, 5 — отклоняющая катушка, 6 — свариваемое изделие

В электронно-лучевой сварке применяют следующие технологические приемы для улучшения качества шва:

сварку наклонным лучом (отклонение на 5—7°) для уменьшения пор и несплошностей в металле;
сварку с присадкой для легирования металла шва;
сварку на дисперсной подкладке для улучшения выхода паров и газов из металла;
сварку в узкую разделку;
сварку двумя электронными пушками, при этом одна пушка производит проплавление металла, а вторая формирует корень канала;
предварительные проходы для очистки и обезгаживания кромок свариваемых металлов;
двустороннюю сварку одновременно или последовательно ;
развертку электронного луча: продольную, поперечную, Х-образную, круговую, по эллипсу, дуге и т. п.;
расщепление луча для одновременной сварки двух и более стыков;
модуляцию тока луча частотой 1—100 Гц. для управления теплоподачей в сварной шов.

Мат. часть процесса

электронную пушку, которых может быть несколько;
вакуумную камеру;
блок управления;
смотровое окно для наблюдения за процессом (или монитор).

В электронно лучевой пушке для сварки формируется поток электронов, который производится катодом, подогреваемым спиралью. Около катода расположены дополнительные электроды, которые предварительно фокусируют электроны, формируя луч. На катод подается отрицательное напряжение. На ускоряющий электрод, размещенный на расстоянии нескольких сантиметров от катода, прикладывается положительное напряжение. Высокая разность потенциалов разгоняет электроны до скорости выше 100 000 км/с. В связи с тем, что электроны имеют свойство взаимно отталкиваться, их необходимо сфокусировать электромагнитной фокусирующей системой. Для точного управления лучом в электроннолучевой пушке установлена электромагнитная отклоняющая система.

уменьшает потери энергии электронов от ударов об молекулы воздуха;
почти полностью снижается вероятность возникновения оксидной пленки на свариваемых материалах;
предотвращает образование дугового разряда.

Для сварки может применяться постоянное или импульсное напряжение с частотой 100-500 Гц. Использовать импульсное напряжение эффективнее, особенно при варке легкоиспаряющихся металлов: алюминий или магний. Энергия луча не тратится на ионизацию паров.

При правильно выборе частоты и скважности колебаний можно сваривать тонкие листы

Технология электронно-лучевой сварки

Техника ЭЛС

Электронно-лучевую сварку можно выполнять в нижнем положении вертикальным лучом, а также её можно применять при сварке вертикальных и горизонтальных швов на вертикальной стене. В этом случае электронный луч будет горизонтальным. Сварка в нижнем положении рекомендуется при сваривании сталей толщиной до 40мм, или при сварке титановых и сварке алюминиевых сплавов толщиной до 80мм. С помощью горизонтального луча можно проварить металл толщиной до 400 мм со сквозным проплавлением. Для однопроходной ЭЛС конструкция должна учитывать глубокое проникновение луча в металл. На рисунке слева даны распространённые примеры конструкций, свариваемые электронным лучом.

Зазор в стыке составляет 0,1-0,2мм при сварке металла толщиной до 30мм. При сварке металла с толщиной более 30мм, величина зазора составляет 0,3мм. В общем случае, диаметр луча должен быть больше величины зазора.

Технологические приёмы ЭЛС

При электронно-лучевой сварке есть ряд специальных приёмов, позволяющих улучшить качество сварного шва:

1. Сварка наклонным лучом (отклонение луча составляет порядка 5-7°) позволяет уменьшить такие дефекты в сварном шве, как поры и несплошность металла, а также позволяет добиться равномерной кристаллизации металла.

2. Для легирования металла шва и для восполнения испаряющихся в процессе сварки элементов, используют присадку.

3. Для улучшения отхождения газов и пара из металла, сварку ведут на дисперсной прокладке из гранул или мелко нарубленной сварочной проволоки. Толщина прокладки составляет 40мм.

4. Сварку в узкую разделку (0,8-8мм) выполняют в нижнем положении за счёт наплавки присадочного материала в прямоугольную разделку кромок.

5. Сварку ведут тандемом из двух электронных пушек разной мощности. Более мощная пушка выполняет проплавление, а менее мощная пушка формирует корень канала, либо хвостовую часть ванны.

6. Для проверки позиционирования луча и очистки свариваемых кромок применяют предварительные проходы лучом.

7. Двустороннюю сварку выполняют одновременно с двух сторон стыка или последовательно, примерно на половину толщины металла.

8. В процессе сварки применяют развёртку электронного луча, тем самым создают лучшие газо- и гидродинамические условия формирования канала. Развёртка может быть продольная, поперечная, Х-образная, по окружности, по эллипсу и др. Двойное преломление луча в процессе развёртки позволяет качественнее проварить корень шва и снизить дефекты в нём.

9. Для сварки одновременно двух и более стыков выполняют расщепление луча с помощью отклоняющей системы.

10. Для управления теплоотдачей в сварной шов используют модуляцию тока луча, чаще всего с частотой 1-100Гц.

11. По окончании сварки выполняют так называемый «косметический» проход. Это повторный проход, который призван устранить дефекты сварного шва как внешние, так и внутренние.

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.

Сварочный техпроцесс

В основы сварки входит понятие предварительного составления плана технологического процесса. Это будет являться своеобразным путеводителем по грамотному осуществлению сварочного процесса.
Технологический процесс сварки конкретных изделий поможет учесть все их особенности и нюансы.

Описание технологического процесса сварки излагается в специальном документе, который называется технологической картой. Ее можно причислить к своеобразному нормативному документу, в котором изложена теория сварочных работ. Технологический процесс на сварочном участке, изложенный в карте, является незаменимым помощником сварщика.

Пример техпроцесса сварки:

Руководящий материал в виде технологической карты должен содержать сведения о марках свариваемых деталях и рекомендации по выбору способа их соединения и пространственному расположению. Технологический процесс сварки охватывает требования к параметрам, выставляемым на применяемом оборудовании, диаметру используемых электродов, рекомендации по защите среды, выставлению полярности.

Технологический процесс сварки изделия содержит сведения о последовательности совершаемых действий. В ней также может содержаться расчет прикладных материалов, требуемых для осуществления данного процесса. В технологической карте содержатся небольшие эскизы, что увеличивает наглядность.

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.

Волченко В.Н. Сварка и свариваемые материалы, том 2.

См. также:

Оборудование для электронно-лучевой сварки

Классификация основных видов сварки плавлением

В зависимости от способа передачи тепла методы делятся на газовые и электрические. Последняя технология, в свою очередь, имеет несколько разновидностей.

Плазменная

Для нагрева используется укороченная дуга. Носителем энергии является электрический разряд. Металл разогревается благодаря воздействию ионизирующего газа. Для запуска процесса требуется повышение температуры до +5500 °С. Принцип действия метода основан на расплавлении материала потоком плазмы, вырабатываемой плазмотроном. Дуга окружена газом, который быстро ионизируется. Заряженные частицы формируют направленный поток. Метод применяют для сварки заготовок из:

вольфрама;
молибдена;
никелевых сплавов;
нержавеющих сталей.

Плазменная сварка может использоваться для соединения и резки металлических листов толщиной до 1 см.

Плазменная сварка.

Газовая

Сварка с плавным нагревом используется для скрепления медных, алюминиевых, чугунных, стальных заготовок. Расстояние между соединяемыми деталями заполняют присадочным материалом, который плавится вместе с краями элементов конструкции. Стык прогревают горелкой, пламя в которой образуется при поджигании смеси кислорода и другого газа:

водорода;
пропана;
бутана;
ацетилена;
бензиновых или керосиновых паров.

Газовая сварка.

При газовой сварке не используется электрическая энергия, поэтому работы можно выполнять в любых условиях. Недостатком считается невозможность скрепления толстых деталей.

Дуговая

Нагрев металла осуществляется за счет дуги, возникающей при прохождении тока через детали и электрод. Из расплавленных краев заготовок и присадочного материала формируется сварочная ванна. После остывания жидкого металла образуется сварной шов. Способы дуговой сварки классифицируют по таким характеристикам:

вид электрода (неплавящийся, плавящийся);
тип тока (постоянный, переменный, с прямой или обратной полярностью);
уровень механизации (автоматическая, ручная, полуавтоматическая);
вид дуги (прямая или косвенная);
способ защиты рабочей зоны (флюсы, использование покрытых электродов или инертного газа).

Присадочный материал должен быть выполнен из того же металла, что и заготовка. При невозможности определения марки стали приобретают переходные электроды. Их же используют для сварки деталей из разнородных сталей. В качестве неплавящихся электродов применяют угольные, вольфрамовые или графитовые стержни.

Дуговая сварка.

Лазерная

Разогрев кромок происходит под воздействием луча. Лазерная сварка считается самым точным методом формирования сложных конструкций.

Лазерная сварка подходит для работы с драгоценными и цветными металлами, нержавеющей сталью, титаном. К преимуществам метода относятся:

отсутствие нагрева прилежащих к шву областей, минимизирующее вероятность деформации;
возможность работы в труднодоступных местах;
перевод аппарата в режим резки без использования дополнительных модулей;
возможность работы без газовой среды и флюса.

Лазерная сварка.

Недостатками считают низкий КПД, высокую стоимость оборудования.

Электрошлаковая

Для плавления металла используется энергия, выделяемая при прохождении тока через слой жидкого шлака. Заготовки устанавливают вертикально, с небольшим расстоянием.

Сварочная ванна поддерживается ползунами. Они перемещаются по мере формирования шва. Электрошлаковая технология применяется для соединения габаритных элементов из никелевых, медных и титановых сплавов. Преимуществом считается формирование шва любой толщины за 1 проход.

Электрошлаковая сварка.

Индукционная

Заготовка нагревается под воздействием электромагнитной индукции. Для этого применяют высокочастотные токи, проникающие в металл. Шов формируется за несколько секунд. Длительность нагрева не зависит от толщины заготовок или теплопроводности материала. Такая сварка чаще всего применяется для соединения элементов стальных трубопроводов.

Индукционная сварка.