13.2 Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка выполняется в вакууме путем воздействия сфокусированного потока электронов, имеющего высокую удельную мощность, на кромки свариваемых заготовок. Данный способ относится к термическому классу и осуществляется посредством расплавления кромок свариваемых заготовок в процессе выполнения сварки.

Как известно, при термических способах сварки с использованием в качестве источника тепловой энергии электрической дуги или газового пламени металл нагревается и затем расплавляется от поверхности заготовки вглубь (зона нагрева и расплавления имеет форму полукруга).

В случае использования для сварки электронного луча максимальный нагрев металла происходит на определенной глубине, причем соотношение ширины к глубине зоны воздействия при электронно-лучевой сварке составляет 1:20 (такое тепловое воздействие называют кинжальным).

Электронно-лучевая сварка осуществляется в вакууме, в рабочих камерах, размеры которых определяются номенклатурой габаритов деталей, подвергаемых данному виду сварки.

Объем современных рабочих камер составляет от 0,1 до сотен кубических метров.

Для осуществления электронно-лучевой сварки используют электронно-лучевые установки.

По степени специализации электронно-лучевые установки делятся на:

а) универсальные;

б) специализированные.

По остаточному давлению в рабочих камерах электронно-лучевые установки подразделяют на:

а) высоковакуумные (давление <10^-1 Па)

б) промежуточного вакуума (давление 10-10^-1 Па)

в) в защитном газе (10³-10⁵ Па).

По принципу создания вакуума в зоне выполнения сварки установки электронно-лучевой сварки бывают:

а) камерные (изделие находится внутри камеры);

б) местное вакуумирование (герметизация только места выполнения сварки).

В состав электронно-лучевой установки входят следующие структурные единицы: электронно-лучевая пушка, источник питания, вакуумная система, система управления и рабочая камера.

ЭЛП – электронно-лучевая пушка; РК – рабочая камера;

ВС ЭЛП – вакуумная система ЭЛП; ИУН – источник ускоряющегося напряжения; ВС РК – вакуумная система РК; СУ – система управления установкой

Рисунок 13.2 - Структура камерной электронно-лучевой установки

Основным узлом электронно-лучевой установки для выполнения сварки является электронно-лучевая пушка, которая служит для создания и фокусирования электронного луча (рисунок 13.3).

Основные узлы электронно-лучевой пушки: генератор электронов и система формирования электронного луча.

В свою очередь, генератор электронов включает катод 1, прикатодный электрод 2 и анод 3; а система формирования электронного луча – фокусирующие катушки 4 и отклоняющую систему 5.

Катод выполняется накальным (термокатод) или плазменным. Материал термокатодов – вольфрам, тантал, гексаборид лантана. Материалами для выполнения анода и прикатодного электрода служат медь и хромо-никелевые стали. Разность потенциалов между катодом и анодом составляет порядка 150 кВ. При таких величинах напряжения эмиссируемые катодом электроны получают высокое ускорение, фокусируются в виде луча фокусирующими катушками 4 и получают окончательное целенаправление отклоняющей системой 5 относительно свариваемого изделия 6.

1 – катод; 2 – прикатодный электрод; 3 – анод; 4 – фокусирующая катушка;

5 – отклоняющая система; 6 – заготовка (изделие)

Рисунок 13.3 - Схема электронно-лучевой пушки

Посредством фокусирования электронного луча достигается высокая удельная мощность порядка 5·10⁵ кВт/м², что приводит к мгновенному разогреву места сварки заготовки, установленному по пути движения электронного луча до 5000-6000 ^оС. Фокусировка позволяет получить электронный луч с диаметром порядка 10^-5 м. Электронный луч применяется как для выполнения сварки (при этом в ходе сварки перемещается электронный луч относительно заготовки или наоборот), так и для сверления, резки и фрезерования таких материалов как алмаз, стекло, рубин, сапфир и др.

Режим сварки определяется рядом параметров, главными из которых являются сила тока пучка, ускоряющее напряжение и скорость сварки.

Электронно-лучевая сварка имеет следующие уникальные преимущества по сравнению с другими видами сварки:

1. Благодаря выполнению кинжального проплавления ширина зоны термического влияния, а следовательно и зона структурных изменений минимальна, что резко снижает деформацию свариваемых заготовок.

2. За счет существования в рабочей камере вакуума происходит дегазация жидкого металла в процессе сварки и исключается образование оксидов – шов получается зеркально блестящего вида.

3. Широкий диапазон свариваемых заготовок по толщине от 0,01 до 150 мм. Электронно-лучевой сваркой соединяются элементы из тугоплавких металлов и их сплавов (вольфрама, ниобия, тантала, циркония и др.), титановых, алюминиевых сплавов и высоколегированных сталей.

Электронно-лучевая сварка находит применение преимущественно в электронике и приборостроении, но особенно в последнее два десятилетия – в точном и специальном машиностроении. Если в производстве электронных устройств и приборостроении электронно-лучевая сварка используется для малогабаритных микроскопических деталей, то в области специального машиностроения она уже находит применение для получения крупногабаритных узлов и деталей, отдельные элементы которых уже измеряются метрами. В подтверждение этого укажем, что, например, электронно-лучевая установка EBW 36000/60-150, является типичным представителем крупногабаритных машин, имеет размеры рабочей камеры – 4,9х3,35х2,15 м., оснащена электронно-лучевой пушкой мощностью 60 кВт при ускоряющем напряжении 150 кВ, системой слежения за выполнением сварного шва и телевизионного дистанционного наблюдения. Управление такой установкой полностью осуществляется в автоматическом режиме.