10.4 Электроннолучевая сварка
Сущность процесса сварки электронным лучом в вакууме состоит в использовании кинетической энергии электронов, быстро движущихся в глубоком вакууме. При бомбардировке электронами поверхности металла кинетическая энергия превращается в тепло, которое и используется для плавления металла.
Электроннолучевая сварка основана на использовании тепла, которое выделяется при торможении остросфокусированного потока электронов, ускоренных до высоких энергий.
Разработка техники и технологии ЭЛС связывается с именем Д.А. Стора, который работал во Французской комиссии по атомной энергии и опубликовал результаты работы в 1957 году. В 1958 г. появилась совместная публикация Стора и Бриолы о разработанном ими методе. Независимо от них работы в этой области проводились в США. (В.Л. Вимен; К.Х. Штейгервальд) и в СССР – в МЭИ Н.А. Ольшанским (1957 г.); в ИЭС Б.А. Мовчаном, С.М. Гуревичем и др. (1958 г.).
В электроннолучевых установках электронный луч генерируется и управляется с помощью электронно-оптической системы, называемой электронной пушкой (см. рис. 68).
1
2
3
1
5
3
4
2
5
5
6
7
4
в) а) б)
Рис. 68. Способы формирования электронного луча.
а) и б) - однокаскадные системы без ускоряющего и с ускоряющим (анодом) электродами;
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 – фокусирующая магнитная линза;
7 – система отклонения пучка.
Поток электронов, эмитируемых катодом, предварительно ускоряется и формируется электростатическим полем в области катод - анод. Ток луча может регулироваться двумя путями: подачей отрицательного напряжения на управляющий электрод или изменением температуры катода. Изменение плотности энергии в потоке электронов осуществляется системой электромагнитной фокусировки.
Ускоряющее напряжение в электроннолучевых системах может меняться в широком диапазоне. 20…30 кВ – низковольтные пушки; 50…60 кВ – пушки со средним ускоряющим напряжением; 100…200 кВ – высоковольтные пушки.
Система электропитания сварочной пушки включает высоковольтный источник ускоряющего напряжения, цепи питания катода и управляющего прикатодного электрода, источника тока фокусирующей и отклоняющей систем.
Для обеспечения свободного движения электронов от катода к аноду и далее к изделию, для тепловой и химической изоляции катода, а также для предотвращения возникновения дугового разряда между электродами, в установке создаётся высокий вакуум порядка 1.10-4 мм рт. ст., которыйобеспечивается насосной системой установки.
Технологические особенности ЭЛС
Электронный луч является высококонцентрированным источником нагрева. К примеру, плотность энергии в луче превышает плотность энергии электрической сварочной дуги более чем на два порядка и достигает величин 5.10 8 Вт/см2. Поэтому характер проплавления при ЭЛС кардинально отличается от проплавления при дуговой сварке (см. рис. 69).
А
Б
Рис. 69. Зона проплавления при электроннолучевой (А) и аргонодуговой (В) сварке.
Такой характер плавления металла позволяет производить сварку значительных толщин (порядка 100 мм) при минимальной зоне расплавления основного металла. За счёт этого достигается резкое снижение деформаций сварной конструкции.
Высокая концентрация энергии в луче и высокая скорость охлаждения обеспечивает получение соединений с мелкокристаллическим строением металла шва, по своим свойствам мало отличающегося от основного металла.
Виды сварных соединений, полученных электроннолучевой сваркой, приведены на рис. 70.
б)
а) в)
Рис. 70. Конструкции, выполненные электроннолучевой сваркой.
а) - вварка герметичной перегородки в трубу;
б) - сварка листов;
в) - одновременная сварка нескольких стыков.
Электронный луч как источник тепла обладает свойствами, дающими возможность использовать его для самых слабых нагревов на очень малой площади. Это даёт возможность применения для сварки изделий микроэлектроники.