1.14. Лучевые источники энергии при сварке

1.14.1. Электроннолучевые источники

Электроннолучевая обработка материалов, в том числе и сварка (ЭЛС), основана на явлении прев­ращения кинетической энергии электронов в теп-лоту при их тормо­жении в поверхностных слоях твердого тела. Скорость движения электронов зависит от ускоряющего напряжения и определяется по формуле

(1.44)

где U — ускоряющее напряжение (разность потенциалов между анодом и катодом), кВ.

Схема электроннолучевой сварочной установки представлена на рис. 26.

Рис. 26. Схема электроннолучевой сварочной установки

1— вакуумная камера; 2 — электронная пушка; 3 — манипулятор; 4 — изделие;

5 — привод; 6 — трансформатор; 7 — высоковольтное питание; 8 — фокусирую- щий колпачок; 9 — потенциометр электростатической фокусировки

Мощность, передаваемую пучком электронов телу, можно опре­делить по формуле (1.45)

где — ток пучка, — эффективный КПД процесса.

Разность потенциалов U обычно составляет десятки и сотни кило-вольт. ЭЛС характеризуется весьма малыми размерами пятна нагрева по сравнению с такими источниками, как сварочная дуга и газовое пламя (в 10⁴...10⁵ раз меньше). Форма проплавления и шва при ЭЛС резко отлича-ются от аналогичных характеристик при дуговой сварке. Если при дуговой однопроходной сварке отношение глубины проплавления к ширине шва близко к 1, то для ЭЛС это отношение составляет 10...15 и более. Форма шва зависит от фокусировки луча, толщины и теплофизических свойств свариваемого материала. При малой и средней толщине получается так на-зываемый рюмочный провар, при толщине 10...20 мм может быть получен кинжальный провар.

ЭЛС может выполняться в вакууме либо в камерах, заполненных инер-тными газами или воздухом. ЭЛС нашла широкое применение при сварке тугоплавких и химически активных металлов (например, молибдена, воль-фрама, хрома, титана, циркония и других), неметаллов между собой и с металлами (графит, керамика + металл), брон­зы, нержавеющих сталей, алюминия и т. п.

Вакуумные камеры изготавливают из сталей (нержавеющих или угле-родистых) с толщиной стенок, способных обеспечить защиту об­служива-ющего персонала от рентгеновского излучения, которое появляется при взаимодействии электронного луча с изделием.

1.14.2. Фотоннолучевые источники

Оптические квантовые генераторы (ОКГ), так называемые лазеры (усилители света посредством индуци­рования эмиссии излучением), широко внедрены в медицину, локацию, связь и обработку материалов. Сварка и пробивка отверстий фотонным лучом нашли применение в приборостроении.

Физические основы работы ОКГ заключаются в том, что части­цы, по-глощая энергию, переходят в возбужденное состояние и переходят на но-вый энергетический уровень. Под действием внешних или внутренних причин частицы возвращаются в нор­мальное (равновесное) состояние. В результате таких превращений в виде кванта (порции) светового излучения выделяется энергия возбуждения. Квант светового излучения назван фото-ном; его величина определяется по формуле

где h — постоянная Планка;

— частота электромагнитных колебаний.

Одной из основных частей ОКГ являются излучатели (активные сре-ды), которые могут быть твердыми и газообразными. Твердые из­лучатели могут быть кристаллическими, полупроводниковыми или аморфными (сте-кло). Первым активным веществом ОКГ был монокристалл рубина. Он представляет собой окись алюминия , в которой часть атомов алю-миния замещена атомами хрома. ОКГ на твердых излучателях имеют рад существенных недостатков:

а) быстрый нагрев кристалла, что позволяет использовать их только в импульсном режиме при интенсивном охлаждении;

б) низкий КПД; например, в современных промышленных ОКГ на рубине длительность импульсов составляет 0,5...5,0 миллисе­кунд, число импульсов в минуту — 3…4, энергия в импульсе 0,01…2,0 Дж при общей потребляемой мощности около 500 Дж.

Газовые же лазеры допускают работу в длительном режиме, но из-за громоздкости широкого применения в сварке пока не нашли. Использу-ются на раскрое листовых материалов.

Для формирования фотонного луча применяются различные опти­чес-кие системы. Воздействие луча ОКГ на материалы состоит в том, что энер-гия фотонов передается свободным электронам обрабатывае­мого матери-ала, которые отдают ее кристаллической решетке, что и приводит к повы-шению температуры в облучаемой точке.

В зависимости от назначения и технических возможностей ОКГ, при-меняемых в промышленности, регулируется не только плот­ность энергии в луче, но и количество импульсов в единицу време­ни, их длительность.