книги / Электронно-лучевая сварка и смежные технологии
..pdfЗадняя стенка пародинамического канала в меньшей степени облучается электронным пучком, объем расплава здесь суще ственно больше, температура его ниже и давление отдачи пара не является определяющим. Здесь возникают более регулярные вол ны. Длину незатухающих волн, возникающих на поверхности рас плава у фронта кристаллизации, определяют выражением [37]
(89)
где гк — рад иус канала; р п — плотность пара в канале; рп=1,6*10-5 Мпр4/Тп,[г/см3]; Мп— относительная молекулярная масса пара; Тп — температура испарения. Оценивая длину волны для стали (Тп=2500 К, г= 0,1 см; Vn=0,85-105 см/с; а=1500 дин/см), по
лучим Afl=0,1 см. Именно эти волны способствуют формированию чешуйчатой поверхности швов при сварке плавлением.
Перемещ ающ иеся по стенкам пародинамического канала «складки» расплавленного металла экранируют различные участ ки канала, в том числе и дно от воздействия электронного пучка. За время экранировки и вытеснения жидкого металла со дна ка нала электронный пучок, перемещаясь со скоростью сварки, «про сверливает» пик (нижнюю часть канала) уже в другом месте, от стоящем от предыдущего пика на некотором расстоянии. Когда поперечные размеры нижней части канала превышают амплитуду поступающих туда возмущений расплава, то глубина сварного шва претерпевает лишь малые колебания. В случае узкой нижней час ти канала на некотором расстоянии от его дна возникает перемыч ка расплава при поступлении очередной волнообразной «склад ки» металла достаточной амплитуды. Реакция отдачи паров на поверхности перемычки резко возрастает, расплав начинает «за талкиваться» в узкий корень канала, но быстрая кристаллизация нижней части перемычки останавливает движение и образуется полый пик. При этом колебания глубины сварного шва значитель ны и корень шва имеет типичную «пичковую» структуру. Такое явление присуще всем методам сварки высококонцентрирован ными источниками нагрева и называется корневыми дефектами сварного шва. Поскольку волновые движения в сварочной ванне имеют не линейный характер, то амплитуда колебаний глубины про плавления, расстояние между пиками, высота полости в пике не являются постоянными величинами. Соответственно наиболее
электронно-лучевой сварки |
41 |
эффективным способом борьбы с корневыми дефектами может быть лишь формирование достаточно широкого корня пародина мического канала с закругленным дном.
Контроль и регулирование процесса сварки
Электронно-лучевая сварка сопровождается электромагнит ным излучением, вторичной эмиссией заряженных частиц, пото ками пара и брызг, вылетающих из сварочной ванны. Эти физичес кие явления можно использовать в лабораториях и на практике для дистанционного бесконтактного контроля и регулирования про цесса сварки.
Визуальное наблюдение за поперечными размерами светящей ся сварочной ванны, за цветом и высотой ионизационного свечения в паровом потоке и за интенсивностью потока брызг из сварочной ванны традиционно используют операторы для контроля и выбора фокусировки электронного пучка. При сварке тонкостенны х (5М<3 мм) конструкций такого способа контроля процесса сварки (особенно с применением оптических средств) обычно вполне дос таточно.
При сварке толстостенных конструкций более точный контроль, а также регулирование процесса сварки необходимы для поддер жания стабильного процесса при изменении расстояния до свари ваемого изделия, переменной толщине свариваемого изделия и нарушениях заданных параметров электронного пучка или одно родности металла при длительной сварке. Однако эти задачи, кро ме подбора режима сварки, не являются актуальными для прак тики, так как их решают альтернативными методами (используя высоконадежное сварочное оборудование и оснастку, а также про граммы сварки в соответствии с программами механической обра ботки свариваемых деталей). Автоматический подбор режима свар ки или подбор без разрушения тест-образцов важен лишь при разработке технологии сварки и при сварке единичных изделий.
Анализируя все виды излучений и эмиссий из сварочной ван ны, можно заключить:
■электромагнитное излучение в световом и рентгеновском диапазоне несет непосредственную информацию о состоя нии поверхности сварочной ванны;
■электромагнитное излучение в более низкочастотном диапа зоне и вторичная эмиссия заряженных частиц несут усред ненную информацию о поведении сварочной ванны.
42 |
Физические основы электронно-лучевой сварки |
Ясно, что лишь рентгеновское излучение, возникающее при тор можении электронов сварочного пучка на поверхности пародина мического канала, может быть наиболее эффективно использова но для контроля геометрии сварочной ванны. Это и необходимо в первую очередь для построения систем неразрушающего подбо ра режима сварки. Немногочисленные исследования [16,98] в этом направлении свидетельствуют о возможности создания таких про мышленных систем.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ________________________________
Оборудование для электронно-лучевой сварки относят к клас су сложных электронных и электромеханических систем в облас ти вакуумной техники. Эксплуатация его требует специальной под готовки персонала.
Научной основой указанного оборудования является высоко вольтная электроника, электронная оптика и вакуумная техника.
Общие характеристики для электронно-лучевой сварки
Установки для электронно-лучевой сварки состоят обычно из трех основных комплексов: энергетического, электромеханичес кого и вакуумного. К энергетическому комплексу относят аппара туру ;Для формирования и управления электронным пучком: элек тронную пуш ку, источник ее питания и систему управления. Электромеханический комплекс включает в себя механизмы пе ремещений электронной пушки и свариваемого изделия, а также их блоки питания и управления. Вакуумный комплекс состоит из вакуумной камеры с механизмами для герметизации и разгерме тизации, вакуумных насосов, вакуумной арматуры, вакуум -про водов и средств контроля степени разрежения. Полная схема ти повой установки для сварки крупногабаритных изделий показана на рис. 15.
Кроме традиционной вакуумной защиты сварочной ванны от окисления, в установках для электронно-лучевой сварки приме няют и защитные газы (при вневакуумной сварке). Именно способ защиты сварочной ванны является основным классификационным признаком установок. Полная принципиальная классификация сва рочных установок приведена в табл. 7.
Оборудование для электронно-лучевой сварки |
43 |
Оборудование
Таблица 7. Классификация установок для электронно-лучевой сварки
Способ защиты |
Основной конструктивный признак |
Назначение |
сварочной ванны |
|
|
Полное вакуумирование |
Ш люзование свариваемого изделия |
Поточное |
свариваемого изделия |
|
производство |
|
Раздельные вакуумные камеры для |
Мелкосерийное |
|
электронной пушки и свариваемого |
производство |
|
изделия |
|
|
Групповая загрузка свариваемых |
Мелкосерийное |
|
изделий |
производство |
|
Загрузка единичных изделий |
Сварка |
|
|
крупногабаритных, |
|
|
уникальных изделий |
|
|
и разного |
|
|
ассортимента |
Локальное |
Перемещ аю щ аяся вакуумная |
Сварка |
вакуумирование зоны |
кам ера (совместно с электронной |
крупногабаритных |
сварки |
пушкой). Неподвижная вакуумная |
изделий |
|
камера, перемещающаяся |
|
|
электронная пушка |
|
Природный вакуум
Защитные газы (вневакуумная сварка)
Стационарные установки |
Сварка в открытом |
Ручные аппараты |
космосе |
Герметичные камеры для сварки в |
Мелкосерийное |
среде защитных газов |
производство. |
Локальный поддув защитных газов, |
Сварка |
переносная или стационарная |
крупногабаритных |
защ ита от рентгеновского излучения |
изделий |
Сварочные электронные пушки
Сварочная электронная пушка представляет собой высоковоль тный электровакуумный прибор, формирующий мощный аксиаль но-симметричный электронный пучок.
Сварочные пушки (рис. 16 и 17) состоят из следующих основ ных функциональных систем: электронно-оптической системы, си стемы изолирования и системы охлаждения. Основными элемен тами электронно-оптической системы являются катодный узел (рис. 18), прикатодный электрод (рис. 19), анод (рис. 20), элек тромагнитная фокусирующая линза (может быть не одна), электро магнитная отклоняющая система (также может быть не одна). В боль шинстве случаев поток электронов эмитируется термокатодом, имеющим прямой или косвенный подогрев, и ускоряется и предва рительно формируется аксиально-симметричным электрическим по лем. Для ускорения электронов между катодом и анодом электрон ной пушки прикладывают ускоряющее напряжение в диапазоне
для электронно-лучевой сварки |
45 |
3 4 4
Рис. 17. Продольный разрез сварочной электронной пушки У Л 119 (30 кВ, 5 0 0 м А): 1 — катодный блок; 2 — защитный кожух; 3 — фланец крепления пушки; 4 — анодный блок; I — электронный прожектор___________________
для электронно-лучевой сварки |
47 |
Таблица 8. Допуски на межэлектродные расстояния электрон ного прожектора (рис. 21) в сварочных пушках типа ЭЛА для
достижения максимальных значений токов электронного пучка
П а р а м е т р |
О птим аль ны е |
Д о п у с к , м м |
Д и а м е т р |
|
|
зн а ч ен и я , м м |
|
ка т о д а , м м |
|
/ |
0 ,2 |
0 ,0 5 5 |
4 ,7 |
|
0 ,2 |
0 ,0 5 5 |
6 ,0 |
||
|
||||
L |
4 ,5 |
0 ,1 5 0 |
4 ,7 |
|
7 ,7 |
0 ,3 0 0 |
6 ,0 |
||
|
П р и м е ч а н и е . — расстояние эмитирующая поверхность катода — ближняя опти ческая плоскость управляющего электрода; L — расстояние торец управляющего
электрода-анод
Таблица 9. Межэлектродные расстояния в электронном про жекторе сварочных пушек типа ЭЛА (60 кВ-60 кВт)
П а р а м е тр |
Д и а м е т р катода 4,7 м м |
Д и а м е т р катода |
|
|||
|
|
при д и ам етр е |
6,0 м м |
при д и а м е т р е |
||
|
|
э м и ти р у ю щ ей |
э м и ти р у ю щ ей п о в е р хн о с ти |
|||
|
поверхности ка т о д а ,м м |
катод а, м м |
|
|||
|
|
3,0 |
4 2 |
|
5 2 |
|
/ |
|
0 2 |
0 2 |
|
0 2 |
|
L |
|
3,0 |
4 5 |
|
7,7 |
|
L„-a |
|
1 0 2 |
11,7 |
|
15,7 |
|
П р и м е ч а н и е . L H_a — |
расстояние катод — анод. |
|
|
|||
Таблица 10. Межэлектродные расстояния в электронном |
||||||
прожекторе сварочной пушки УЛ-119 (30 кВ-15 кВт) |
|
|||||
Сила тока |
Анод |
Управляющий |
Диаметр катода, |
Б, мм |
Г, мм |
|
электронного |
|
электрод |
мм |
|
|
|
пучка, мА |
|
|
|
|
|
|
100 |
№ 1 |
У Л 119.01.002-01 |
4,7 |
3,6±0,05 |
18 |
|
200 |
№ 2 |
УЛ 119.01.002-01 |
4,7 |
2,6±0,05 |
18 |
|
300 |
№ 3 |
УЛ 119.01.002-01 |
4,7 |
2,6±0,05 |
12 |
|
500 |
№ 4 |
УЛ 119.01.002-02 |
6,0 |
3,3±0,05 |
7 |
|
П р и м е ч а н и е . Диам етр отверстия |
в управляю щем электроде У Л 1 1 9 .0 1 .0 0 2 -0 1 |
|||||
составляет 7,0 мм, а в У Л 1 19.01.0024)2 — |
8,3 м м . |
|
|
50 |
Оборудование |