2794.Электронно-лучевая сварка
..pdfко, O.A. Металлов, O.K. Назаренко [и др.] // Журнал технической физики. – 1974. – Т. 44, №7. – C. 1556–1557.
18.Arata Y., Ishimura T., Miuamoto I. Focusing characteristic of high energy density of electron beam // Trans / JWRI. – 1973. – Vol. 2,
№1. – P. 1–6.
19.Friedel K., Czeslaw K. Metoda wuznaczania I pomiary strefa
aktywnej wiazkironowej // Post. Technol. Mash. i Urzi. – 1980. –
№2. – P. 37–45.
20.Събчевски С.П., Младенов Г.М. Оптимизация технологических электронно-оптических систем // Тр. 2-й междунар. конф.
по ЭЛТ, 31 мая–4 июня 1988. – Варна, 1988. – С. 89–94.
21. Активная зона сварочного электронного пучка / М.Л. Жадкевич, С.Н. Сукач, С.Н. Ковбасенко, Ю.Г. Куцан // Тр. 2-й междунар. конф. по ЭЛТ, 31 мая –4 июня 1988. – Варна,
1988. – С. 112–117.
22. Зуев И.В., Рыкалин Н.Н., Углов А. Оценка критической удельной мощности электронно-лучевой сварки металлов с кинжальным проплавлением // Физика и химия обработки материа-
лов. – 1970. – № 13. – С. 3–7.
23. Назаренко О.К., Кайдалов А.А., Акопянц К.С. Закономерности управления фокусировкой сварочного электронного пучка // Междунар. конф. по ЭЛТ, 26 мая–2 июня 1985. – Варна,
1985. – С. 112–118.
24.Arata Y. Evaluation of beam characteristics by the AB test method // Plasma, electron and laser beam technology, Metals Park. – Ohio/USA: American Society for Metals, 1986. – P. 179–189.
25.Mathematical simulation of the influence of ion-compensation, self-magnetic field and scattering on an electron beam during welding / U. Dilthey, A. Goumeniouk, O.K. Nazarenko, K.S. Akopjantz // Vac-
uum. – 2001. – Vol. 62, |
№2–3. – P. 87–96. |
26. Pat. 3588 |
463 (US). Method and apparatus for tracking |
a seam / S.G. Best. 1969.
27. Pat. 3743776 (US). Device for tracking seams for welding by electron bombardment / F. Corcelle, J. Angely, J. Delort. 1973.
311
28.Device for Seam Tracking for Electron Beam Machines / C. Batulescu, D. Popesku, M. Andries, M. Toma // Proceedings of the 5th int. conf. on electron beam technologies, Varna, 2–5 June 1997. – Sofia, Bulgaria, 1997. – P. 143–148.
29.Pat. № 119363/20.04 (Germany). A method and device for
charged particles flow control / K.O. Mauer. 1976.
30.Лесков Г.И., Нестеренков В.М. Управление электронными пучками по параметрам плазмы // Тр. 2-й междунар. конф. по ЭЛТ, 31 мая–4 июня1988. – Варна, 1988. – С. 106–112.
31.Нестеренков В.М. Влияния геометрии шва на параметры ионного тока при электронно-лучевой сварке // Автоматическая
сварка. – 1979. – №3. – С. 4–6.
32. Лесков Г.И., Нестеренков В.М., Живага Л.И. Процессы плавления металла и формирования шва при электронно-лучевой сварке // Автоматическая сварка. – 1982. – №12. – С. 34–36.
33.Olszewska K., Czopik A., Sielanko W. Secondary emission as the information source for optimizing EBW process // Proc. of the 5th int. conf. on electron beam technologies, Varna, 2–5 June 1997. – Sofia, Bulgaria, 1997. – P. 149–154.
34.Olszewska K., Friedel K. Control of the electron beam active zone position in electron beam welding processes // Vacuum. – 2004. –
№74. – P. 29–43.
35.Дворкин И., Ледовской В., Младенов Г. Электронно-лу- чевая сварка тонкостенных деталей в непрерывном режиме //
Электронная техника. – 1972. – Сер. 4, № 3. – С. 53–59.
36. Ледовской В.П., Младенов Г.М. О параметрах плазмы, генерируемой электронным лучом в технологической камере // Из-
вестияЛЭТИ. – 1972. – Вып. 126. – С. 96–100.
37.Kardjiev M., Besedin J., Mladenov G. Parameters of plasma produced from electron beam evaporation of metal target // Proc. of the 5th int. conf. on electron beam technologies, Varna, 2–5 June 1997. – Sofia, Bulgaria, 1997. – P. 155–159.
38.Besuelle E., Nicolai J. Study of the expansion of plasma gen-
erated by electron beam evaporation // Journal of Applied Physics. – 1998. – Vol. 84, №8. – P. 4114–4121.
312
39. Pat. 60014, code B23 K15/00, from 7.03 Method for electron beam focusing at electron beam welding, Bulgarian certificate for invention / G. Mladenov, G. Grigorov, T. Tanev. №35924. 1983.
40.Младенов Г., Григоров Г., Дяков Т. Система для наблюдения режима фокусировки в установках для электронно-лучевых технологий// Физика-электронизация. – Пловдив, 1982. – С. 319–322.
41.Брагинский С.Н., Давыдов В.И. К теории газовой компенсации электронных пучков // Сб., посвящ. 70-летию акад.
А.Ф. Йоффе. – 1950. – С. 72–105.
42.Бахрах Л., Жарков Ю. Ионная самофокусировка интенсивного электронного пучка // Радиофизика и электроника. –
1961. – Т. 6, №6. – С. 23–327.
43.Krinberg I.A., Mladenov G. Formation and expansion of the
plasma column under electron-beam interaction // Vacuum. – 2005. – Vol. 77, №4. – P. 407–412.
44.Ho C.Y., Wen M.Y., Tsai C. Ma Potential and electron density calculated for freel expanding plasma by an electron beam // Journal
of Applied Physics. – 2011. – Vol. 110, №1.
45.Formation of a secondary emission signal in electron beam welding with continuous penetration / D.N. Trushnikov, V.Ya. Belen’-
kiy, V.M. Yazovskikh, L.N. Krotov // Welding International. – 2007. – Vol. 21, №5. – P. 384–386.
46.Secondary emission signal for Weld formation monitoring and control in electron beam welding / D.N. Trushnikov, V.Ya. Belen’- kiy, G.M. Mladenov, N.S. Portnov // Materialwissenschaft und
Werkstofftechnik. – 2012. – Vol. 43, № 10. – P. 892–897.
47.Petrov P., Mladenov G. Theoretical analysis of heat flow and
structural changes during electron beam irradiation of steel // Vacuum. – 1990. – Vol. 42, №1–2. – P. 29–32.
48.Swift-Hook D.T., Gick A.E. Penetrаtion welding with laser //
Marchwood Engineer. Lab. R/M/N. – 1972. – №637. – P. 1–10.
49. Koleva E., Mladenov G., Vutova K. Calculation of weld parameters and thermal efficiency in electron beam welding // Vacuum. – 1999. – Vol. 53, №1–2. – P. 67–70.
313
50. Башенко В.В., Петров Г.Л. Формирование зоны проплавления при электронно-лучевой сварке // Автоматическая сварка. –
1977. – №9. – С. 23–30.
51. Hashimoto Т., Matsuda J. Calculation by thermal conduction theory and its discussion for the penetration depth in electron beam weld bead // Journal of Japan Weld. Soc. – 1964. – Vol. 33, №9. – P. 38–46.
52.Vutova K., Mladenov G. Evalation of the Dimentions of Weld and Thermal Effected Zones During Electron Beam Treatment // EBT'94: Proc. 4th int. conf., 6–11 June. – Varna, 1994. – P. 101–107.
53.Koleva E., Mladenov G. Prognoses of the electron beam weld geometry on the base of thermal model and/or of statistical data analysis // Hybridtechnologien-Fügetechnik für die Fertigung der Zukunft: Innovations forum, 23–24 November. – Halle, Germany, 2004. – P. 88–100.
54.Mladenov G., Petrov P. Physical and thermal processes during electron beam welding // Materials and Manufacturing Processes. – 1999. – Vol. 14. – P. 331–345.
55.An analysis of electron gun for welding / S. Sabchevski, G. Mladenov, S. Wojcicki, J. Dabek // Journal of Physics D: Applied
Physics. – 1996. – Vol. 29, №6. – P. 1446–1453.
56.Comparability and replication of the DIABEAM measurement device / U. Dilthey, St. Bohm, M. Dobner, G. Trager // Proc. of the 5th int. conf. on electron beam technologies, 2–5 June 1997. – Varna, Bulgaria, 1997. – P. 76–83.
57.EBSIM – eine Simulationssoftware Für das Elektronenstrahlschweißen / U. Dilthey, St. Böhm, T. Welters, S. Ilyin, G. Turich // Große Schweißtechnische Tagung, Essen, 10.9–12.9. – 1997. – S. 28–33.
58.Friedel K., Felba J. Quantitative study of experimental emitance diagrams // Proc. of 4-th int. conf. on electron beam technologies, 5–11 June. – Varna, Bulgaria, 1994. – P. 55–62.
59.Wojcicki S., Mladenov G. A new experimental investigation
of high power electron beam // Vacuum. – 2000. – Vol. 58, №2–3. –
P.523–530.
60.Use of radial distribution of the beam current density for evaluation of the beam emittance and brightness / E. Koleva, K. Vutova,
314
S. Wojcicki, G. Mladenov // Vacuum. – 2001. – Vol. 62, №2–3. –
P.105–111.
61.Koleva E. Statistical modeling and computer programs for
optimization of the EBW of stainless steel // Vacuum. – 2001. – Vol. 62, №2–3. – P. 151–157.
62.Koleva E., Mladenov G. Analysis of the termal processes and the shapes of melted zones at electron beam welding and electron beam
melting // Bulgarian Journal of Physics. – 2000. – № 4. – P. 83–96.
63.Koleva E. Statistical analysis of electron beam weld geometry at various regimes // Electronika' 2000: Proc. of symp., 5–6 Oct. 2000. – Botevgrad, 2000. – P. 117–124.
64.Koleva E. Electron beam weld parameters and thermal effi-
ciency improvement // Vacuum. – 2005. – Vol. 77, №4. – P. 413–421. 65. Koleva E., Vuchkov I. Model-based approach for quality im-
provement of electron beam welding applications in mass production // Vacuum. – 2005. – Vol. 77, №4. – Р. 423–428.
66.Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. –
М.: Машгиз, 1951. – 227 с.
67.Zuev I. Self-organizing technologies of electron beam treat-
ment of the materials, alternatives to electron beam technology // Int. EBT conf. proc. – Bulg aria, Varna, 1994. – Р. 89–94.
68.Wojcicki S., Mladenov G., Sabchevski S. An experimental investigation of the correlation between parameters of the electron beam
welding process and the quality of welds // Int. EBT conf. proc. – Varna, 1997. – Р. 84–89.
69.Bakish R. Introduction to Electron Beam Technology. – London: John Wiley&Sons, 1962. – 248 p.
70.Meleka A. Electron Beam welding: principles and practice. – London: Graw-Hill, 1971. – 270 p.
71.Christova N., Koleva E. Neural network–based modeling and optimization of electron beam welding of stainless steel // Electronika & Electrotechnika. – 2009. – Vol. 5–6. – P. 104–111.
72.Dobeneck D. von, Lower T., Adam V. Elektronenstrahlschweissen das verfahren und seine industialle Anwendung fuhr hochste Productivitat // Moderne Industrie. – Germany, 2001. – P. 3–21.
315
73.Технология и оборудование для электронно-лучевой сварки / В.В. Башенко, В.Б. Вихман, А.Н. Козлов, И.С. Гайдукова //
Тр. 1-й С.-Петерб. конф., 19–27 мая 2008. – СПб., 2008. – С. 5–21.
74.Koleva E.G., Mladenov G. Experience on electron beam welding, in practical aspects and application of electron beam irradiation / ed. M. Nemtanu and M. Brasovianu. – Rrivandrum: Publisher Transword Research Network, 2011. – P. 95–133.
316
3. ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ
3.1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЭЛС
ЭЛС осуществляется за счет расплавления кромок свариваемого металла сфокусированным электронным пучком и за счет формирования сварочной ванны, кристаллизация которой приводит к формированию сварного шва. Технологический диапазон удельной мощности электронного пучка для сварки составляет q2 = 108…5·10 12 Вт/м2. Сварка металлов небольшой толщины (до 3 мм) ведется с удельной мощностью q2 = 108 Вт/м2, при этом электронный пучок в основном плавит металл, а испарение металла с поверхности сварочной ванны незначительно.
При ЭЛС металлов большой толщины (до 100–200 мм)
удельная |
мощность электронного луча должна составлять |
q2 = 109…10 |
10 Вт/м2. В этом случае проникновение электронно- |
го луча на большую глубину сопровождается испарением металла и формированием канала проплавления, в котором рассеивается практически вся мощность электронного луча. Канал проплавления движется через толщу металла, расплавляя металл, который перемещается в хвостовую часть ванны и там кристаллизуется.
Переход от ЭЛС металлов малой толщины к сварке металлов большой толщины осуществляется по достижении критической удельной мощности q2*, величина которой для большинства металлов составляет 109–10 10 Вт/м2. Высокая концентрация энергии в электронном пучке позволяет получать при больших скоростях ЭЛС узкие и глубокие сварные швы с минимальной зоной термического влияния и высокими механическими свойствами металла сварного соединения.
317
3.1.1. Параметры и показатели ЭЛС
Параметрами процесса ЭЛС, измеряемыми в процессе сварки, являются ток электронного пучка Iе, ускоряющее напряжение U, ток фокусирующей системы If, рабочее расстояние (расстояние от электронной пушки до поверхности свариваемого изделия) l и скорость перемещения ручка v.
При заданных значениях параметров – мощности q = IU, токе пучка, токе фокусировки – можно определить диаметр электронного луча d и удельную мощность q2:
q2 = 4UIe π d 2 .
При использовании импульсно-периодического режима сварки средняя мощность электронного пучка
qm = IeiU f τ,
где Iei – ток электронного пучка в импульсе; U – ускоряющее напряжение; f – частота следования импульсов; τ – длительность импульса.
Количественными показателями ЭЛС являются: погонная энергия Q1 – затраты энергии на единицу длины сварного шва, Q1 = q/vcв; Q2 – затраты энергии на формирование единицы площади стыка, Q2 = q/vH; q/H – затраты мощности на единицу глубины сварного шва; K – коэффициент формы шва, K = Н/В (здесь В – ширина шва, Н – глубина шва).
3.1.2. Камеры и вакуум для ЭЛС
ЭЛС осуществляют чаще всего вертикальным либо горизонтальным лучом (рис. 3.1) в вакуумных камерах, размеры которых зависят от габаритов свариваемых изделий. Объем камер современных установок составляет от 0,1 до сотен кубических метров [1].
318
Рис. 3.1. Установка электронно-лучевой сварки горизонтальным электронным пучком: 1 – пушка; 2 – электронный пучок; 3 – изделие; 4 – откачка вакуума; 5 – технологическая вакуумная камера
Камера с находящейся на ней (или в ней) электронной пушкой, формирующей электронный пучок, может откачиваться как до высокого (~10–3 Па), так и до низкого (~1–10 Па) вакуума, но в последнем случае требуется дифференциальная откачка объема электронной пушки до 10–3 Па.
Даже в низком вакууме (~1 Па) содержание кислорода и азота в десятки раз меньше, чем в чистом аргоне, поэтому при ЭЛС защитарасплавленногометаллаввакуумнойсредеоченьэффективна.
Установки для ЭЛС с выпуском электронного пучка 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 электронного пучка.
3.1.3. Конструкции сварных соединений и технологические приемы при ЭЛС
ЭЛС можно успешно применять в нижнем положении вертикальным электронным пучком, вертикальным и горизонтальным швом на вертикальной стене (горизонтальным электронным пучком) с неполным и сквозным проплавлением
319
металла. Сварка в нижнем положении рекомендуется для значений толщины до 40 мм для сталей и до 80 мм для титановых и алюминиевых сплавов. Горизонтальным электронным пучком со сквозным проплавлением сваривают металлы толщиной до 400 мм.
Конструкция соединения для ЭЛС выполняется с учетом глубокого проникновения электронного пучка в металл. Толщина зазора в стыке не должна превышать 0,1–0,2 мм при глубине шва менее 20–30 мм и 0,3 мм при глубине шва свыше 30 мм.
При ЭЛС используют ряд следующих технологических при-
емов дляулучшения качества шва: |
|
|
– сварку |
наклонным электронным |
пучком (отклонение |
в направлении |
перемещения на 5°–7°) |
для уменьшения пор |
и несплошностей и для создания более равномерных условий кристаллизации металла;
–сварку с присадочной проволокой для легирования металла шва или восстановления концентрации легко испаряющихся в вакууме элементов;
–сварку на дисперсной подкладке для улучшения выхода паров и газов из канала проплавления (подкладка толщиной ~40 мм из гранул или рубленой сварочной проволоки);
–сварку в узкую разделку (0,8–8,0 мм) в нижнем положении за счет наплавки присадочного материала 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 электронный пучок, но с использованием периодического его отклонения, например в хвост ванны;
–предварительные проходы для проверки позиционирования электронного пучка и очистки и обезгаживания кромок свариваемого металла;
–двустороннюю сварку одновременно или последовательно двух противоположных сторон стыка примерно на половину
320