Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Специальные методы сварки плавлением в электронике. Учебное пособие для бакалавров
.pdf
а) б) в)
Рис. 2.13. Сварка дугой, вращающейся в магнитном поле:
а — дуга, горящая между неплавящимся электродом и поверхностью
трубы; б — дуга, горящая между кромками свариваемых труб; в — дуга,
горящая между вольфрамовым электродом и поверхностью изделия:
1 — трубы; 2 — катушка или катушки электромагнитов;
3 — дуга; 4 — электрод; 5 — трубная доска
47
Трубы к трубной решетке (рис. 2.13 в) также приваривают
дугой, перемещаемой под влиянием совместного взаимодействия
продольного магнитного поля и магнитного поля дуги. Анодное
пятно дуги находится на вольфрамовом электроде. Скорость
перемещения дуги по кромке трубы достигает нескольких
метров в секунду, и зрительно создается впечатление горения
одной конусной дуги. В рассмотренных случаях перемещения
дуги в магнитном поле ее скорость зависит от величины сварочного тока, напряженности внешнего магнитного поля, металла
изделия и ряда других условий сварки. Используя бегущее
магнитное поле, такое же как в статорах электродвигателей переменного тока, можем управлять скоростью вращения дуги
48
.
47
Справочник инженера-сварщика. — С. 208.
48
Там же.
81
Контрольные вопросы
1. В чем состоят основные особенности сварки в защитных
газах?
2. Какие защитные газы и газовые смеси применяют для
сварки?
3. Какие электродные материалы используют при сварке
в защитных газах?
4. Назовите особенности подготовки деталей под сварку
в защитных газах.
5. Какова сущность и техника сварки в защитных газах
плавящимся электродом?
6. Какова сущность и техника сварки в защитных газах
неплавящимся электродом?
7. В чем суть и основные схемы плазменной сварки?
8. Назовите сущность и основные схемы аргонодуговой
сварки.
9. Назовите отличия аргонодуговой и плазменной сварки.
10. Каковы особенности и основные схемы горелок микроп-
лазменной сварки?
82
Глава 3. СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ
СВАРКИ С ИНТЕНСИВНЫМ
ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭНЕРГИИ
НА СОЕДИНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ
3.1. Электронно-лучевая сварка
3.1.1. Сущность процесса
К числу технологических процессов, находящих в настоящее время все более широкое применение в электровакуумной отрасли, относится и электронно-лучевая сварка (ЭЛС),
основанная на использовании энергии, высвобождаемой при
торможении потока ускоренных электронов в свариваемых
материалах. При этом процесс превращения кинетической
энергии электронов в тепловую характеризуется высоким коэффициентом полезного действия.
По сравнению с другими сварочными процессами этот вид
сварки отличается рядом особенностей и преимуществ:
1) соединение металлов происходит в вакууме, что обеспечивает высокую чистоту сварного шва, так как газовыделение
из металла происходит гораздо быстрее, чем при других видах
сварки;
2) высокая концентрация мощности, кратковременность
тепловложения за счет применения импульсного режима обеспечивают незначительные деформации свариваемых деталей,
резкое сокращение зоны термического влияния;
3) режим сварки может меняться в широких пределах
путем регулировки ускоряющего напряжения, тока сварки,
83
частоты и скважности следования импульсов, а также скорости
перемещения сфокусированного потока электронов вдоль шва.
Сам процесс ЭЛС легко поддается автоматизации, что яв-
ляется важным фактором для производства.
Благодаря всем этим свойствам ЭЛС позволяет соединять
между собой такие материалы, сварка которых традиционными
способами не давала удовлетворительных результатов (тугоплавкие и легкоокисляющиеся металлы — например, вольфрам,
молибден, ниобий, тантал); ЭЛС может также обеспечивать
мелкозернистую структуру сварного шва с минимальными зонами термического влияния при сохранении исходной чистоты
свариваемого металла.
Поток электронов при сварке может проникать на всю глубину проплавления, в результате чего металлоемкость сварной
ванны минимальна; это характерно для так называемого кинжального проплавления, присущего только ЭЛС.
В качестве носителя энергии при ЭЛС выступают эмитированные катодом и ускоренные высоким напряжением электроны.
Ускоренные электроны имеют кинетическую энергию, пропорциональную квадрату их скорости
= mV 2 / 2 = eUa,
W
e
где е — заряд электрона;
— разность потенциалов между анодом и катодом.
U
a
Мощность потока электронов выражается зависимостью
= Iл × Uа × ηа,
Р
л
— ток луча;
где I
л
— КПД процесса.
η
а
Удельная мощность луча в месте обработки может быть
представлена так
= Pл / Sл = Iл × Ua / π·r
P
уд
— радиус луча в месте обработки,
где r
л
— поперечное сечение в месте обработки;
S
л
— ток луча;
I
л
2
× ηa,
л
84
При интенсивной бомбардировке в вакууме какого-либо
материала более 95% кинетической энергии электронов переходит в тепловую, причем температура в месте обработки может
достигать 6000–7000 К, что намного превышает температуру
плавления любого материала.
Электронно-лучевая технологическая установка состоит
из рабочей вакуумной камеры с люками загрузки и выгрузки
изделий, со смотровыми окнами и механизмами перемещения
изделий, вакуумной системы с вакуумными насосами, одной
или нескольких электронных пушек с системами электропитания, контрольно-измерительной аппаратуры.
Электронная пушка представляет собой устройство, с помощью которого получают узкие электронные пучки с большой
плотностью энергии (рис.
3.1, 3.2). Пушка на рис. 3.1 имеет катод
(1), который может нагреваться до высоких температур. Катод
размещен внутри прикатодного электрода (2). На некотором
удалении от катода находится ускоряющий электрод (анод) (3)
с отверстием. Прикатодный и ускоряющий электроды имеют
форму, обеспечивающую такое строение электрического поля
между ними, которое фокусирует электроны в пучок диаметром, равным диаметру отверстия в аноде. Положительный
потенциал ускоряющего электрода может достигать нескольких десятков тысяч вольт, поэтому электроны, эмитированные
катодом, на пути к аноду приобретают значительную скорость
и энергию
49
.
После ускоряющего электрода электроны двигаются равномерно. Питание пушки электрической энергией осуществляется от высоковольтного источника (7) постоянного тока. Электроны имеют одинаковый заряд, поэтому они отталкиваются
друг от друга, вследствие чего диаметр пучка увеличивается,
а плотность энергии в пучке уменьшается. Для увеличения
плотности энергии в луче после выхода электронов из первого
анода электроны фокусируются магнитным полем в специальной магнитной линзе (4). Сфокусированные в плотный пучок
49
Бадьянов Б. Н., Давыдов В. А. Указ. соч. — С. 43.
85
летящие электроны ударяются с большой скоростью о малую,
резко ограниченную площадку на изделии (6), при этом кинетическая энергия электронов вследствие торможения в веществе
превращается в теплоту, нагревая металл до очень высоких
температур. Для перемещения луча по свариваемому изделию на пути электронов помещают магнитную отклоняющую
систему (5), позволяющую устанавливать электронный луч
точно по линии сварки. Для обеспечения свободного движения
электронов от катода к аноду и далее к изделию, тепловой
и химической изоляции катода, а также предотвращения возможности возникновения дугового разряда между электродами
в установке создается глубокий вакуум порядка 10
обеспечиваемый вакуумной системой установки
–2
50
–10–3 Па,
.
Рис. 3.1. Электронно-лучевая установка:
1 — катод; 2 — прикатодный электрод; 3— ускоряющий электрод
(анод) с отверстием; 4 — магнитная линза; 5 — магнитная
отклоняющая система; 6 — малая, резко ограниченная
площадка на изделии; 7 — высоковольтный источник
50
Бадьянов Б. Н., Давыдов В. А. Указ. соч. — С. 43.
51
Там же.
86
51
а)
б) в)
Рис. 3.2. Способы формирования электронного пучка:
а — однокаскадная система без ускоряющего электрода; б — то же
с ускоряющим электродом (анодом); в — система с комбинированной
электростатической и электромагнитной фокусировкой;
1— катод; 2 — прикатодный электрод; 3 — траектория крайних
электронов пучка; 4 — свариваемое изделие; 5 — ускоряющий
электрод (анод); 6 — кроссовер; 7 — фокусирующая магнитная
линза; 8 — система отклонения пучка; 9 — фокальное пятно;
— половинный угол расхождения пучка после кроссовера;
α
0
— половинный угол сходимости пучка на изделии
а
1
52
52
Назаренко О.К., Истомин Е.И., Локшин В.Е. Электронно-лучевая
сварка. — М.: Машиностроение, 1966. — С. 59.
87
Существует несколько систем электронных пушек.
Наиболее просты пушки, в которых электронный пучок
формируется только с помощью прикатодного электрода (2),
а анодом служит изделие (рис.
3.2, а). Недостатки такой пушки: малое расстояние между пушкой и изделием (4), низкая
плотность энергии, отсутствие регулирования плотности
энергии и т. п. Лучшими характеристиками обладают пушки,
в конструкции которых имеется ускоряющий электрод (5), находящийся под потенциалом изделия (рис.
3.2, б). Применение
ускоряющего электрода (5) с отверстием для прохождения
пучка электронов позволяет увеличить расстояние между
катодом пушки и свариваемым изделием (4), что облегчает
наблюдение за процессом сварки, уменьшает опасность
53
электрических пробоев и т. п.
Наиболее совершенны пушки
с комбинированной электростатической и электромагнитной
фокусировкой пучка. Пушка состоит из катода (1), прикатодного электрода (2), ускоряющего электрода-анода (5) и электромагнитной фокусирующей системы (7, 8, 9) (рис.
3.2, в).
Катоды электронных пушек должны удовлетворять ряду
требований: обладать высокими эмиссионными свойствами,
устойчиво работать в условиях вакуума, используемого при
54
сварке, иметь достаточную долговечность и т. п.
Конструктивно катоды сварочных электронных пушек выполняют
прямонакальными и с косвенным подогревом (рис.
3.3). Прямонакальные катоды более просты в изготовлении, но имеют
ряд недостатков: трудно обеспечить правильную геометрическую форму эмитирующей поверхности, изменяется
форма пучка и др.
55
Катоды с косвенным подогревом имеют
более равномерную плотность эмиссии, они более долговечны. В некоторых конструкциях сварочных пушек используют
подогревные катоды из гексаборида лантана LaB
53
Назаренко О.К., Истомин Е.И., Локшин В.Е. Указ. соч. — С. 59.
54
Там же.
55
Там же. — С. 67.
.
6
88
а) б) в) г) д)
Рис. 3.3. Типы катодов сварочных пушек:
а — прямонакальный металлический ленточный катод; б — V-образный
прямонакальный металлический катод; в — лантанборидный
катод (LaB
металлический катод в виде плоской спирали; д — катод
с косвенным подогревом электронной бомбардировкой
) с косвенным подогревом; г — прямонакальный
6
56
Эмиссионные свойства гексаборида лантана превосходят
свойства всех известных высокотемпературных катодов. Такие
катоды достаточно долговечны, при нормальной эксплуатации
срок их службы составляет 250–300 ч. Для нагрева гексаборидолантановых катодов до рабочей температуры 1400–1650 ºC
используют вольфрамовые подогреватели. Сменные катоды
из гексаборида лантана имеют различные диаметры активной
поверхности (3,0; 4,2; 4,75 мм). Такой выбор катодов обеспечивает диапазон мощностей от нескольких ватт до 10–12 кВт.
Затруднения, встречающиеся при конструировании электронных пушек для сварки, имеющих мощные электронные
пучки, в основном состоят в сложности учета действия электростатических сил между зарядами электронов. Наличие
такого заряда приводит к расталкиванию электронов в пучке,
вследствие чего диаметр поперечного сечения пучка увеличивается. Для уменьшения влияния объемного заряда рассчитывают форму электродов таким образом, чтобы электрическое
56
Назаренко О.К., Истомин Е.И., Локшин В.Е. Указ. соч. — С. 67.
89
поле, возникающее между ними, компенсировало расширение
57
электронного пучка
.
Вместе с тем при движении электронного пучка к изделию
после выхода из межэлектродного пространства, где нет фокусирующего электростатического поля, поперечное сечение
увеличивается из-за расталкивающего действия одноименных
зарядов электронов.
Чтобы достичь необходимой плотности энергии в электронном пучке, заряды дополнительно фокусируются вторичной
фокусирующей системой, которой служат электромагнитные
линзы, выполненные в виде катушки из достаточно большого
числа витков. Линза размещается в железном экране особой
формы. При этом наличие электромагнитной фокусирующей
линзы обеспечивает получение острой фокусировки луча в месте сварки. Плотность энергии, кроме того, в луче или диаметре
пучка можно менять в широких пределах с помощью магнитных
линз путем изменения напряженности магнитного поля линз.
Чтобы получить большую плотность энергии луча и более
равномерное распределение энергии по сечению луча, в отдельных системах между первым анодом и фокусирующей
линзой устанавливают апертурную диафрагму, отсекающую
периферийную область электронного луча с минимальной
плотностью энергии.
В зависимости от ускоряющего напряжения различают
пушки низковольтные (20–30 кВ), высоковольтные (100–200 кВ)
и с промежуточным ускоряющим напряжением (30–100 кВ).
В зависимости от назначения пушки обеспечивают различную
локальность нагрева. Они могут быть стационарными или
перемещаемыми в вакуумной камере. Размеры вакуумных камер электронно-лучевых установок определяются габаритами
свариваемых изделий. Имеются вакуумные камеры объемом
в десятки кубических метров. В зависимости от размеров камер выбираются вакуумные насосы.
57
Электронные сварочные пушки // Сварка: оборудование и техно-
логии для любителей и профессионалов. URL: http://www.prosvarky.ru/
specialmetods/electronbeam/9.html
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]