1.6. Електронно-променеве зварювання

Рис. 1.10. Установка для електронно-променевого зварювання

Електронно-променева зварювання — зварювання з високою концентрацією теплоти, відмінним захистом. Джерелом теплоти є електронний промінь, одержуваний за рахунок термоелектронної емісії з катода електронної гармати. Зварювання ведеться у високому вакуумі 10 -3 — 10 -4 Па у вакуумних камерах. Відома також технологія зварювання електронним променем у атмосфері нормального тиску, коли електронний промінь залишає область вакууму безпосередньо перед зварюються деталями. Основний компонент — електронний промінь, який створюється спеціальним приладом — електронною гарматою.

Спосіб електронно променевого зварювання заснований на використанні для нагріву і розплавлення зварювальних деталей енергії пучка бистродвіжущихся електронів — електронного променя. Електрони, що випускаються випромінювачем-катодом, розганяються під дією електричного поля високої напруженості до великих швидкостей, порівнянних із швидкістю світла, і фокусуються в тонкий промінь, спрямований від випромінювача до зварюваного виробу, яке є анодом. Процес електронно променевого зварювання здійснюється у вакуумі не нижче 10-4 мм рт. ст., тому що в противному випадку велика частина енергії електронів буде витрачатися на нагрів і іонізацію газів навколишньої атмосфери. Зустрівшись з поверхнею анода (зварюваної деталі), електрони гальмуються і віддають свою кінетичну енергію виробу у вигляді тепла.

Основні параметри режиму електронно-променевого зварювання: сила струму в промені; прискорює напруга; швидкість переміщення променя по поверхні виробу; тривалість імпульсів і пауз; точність фокусування променя; ступінь вакуумізації.

Зварювання електронним променем має значні переваги: ??висока концентрація введення теплоти у виріб, яка виділяється не тільки на поверхні виробу, а й на деякій глибині в обсязі основного металу (фокусуванням електронного променя можна одержати пляму нагріву діаметром 0,0002 … 5 мм, що дозволяє за один прохід зварювати метали товщиною від десятих часток міліметра до 200 мм і в результаті можна отримати шви, в яких співвідношення глибини провару до ширини до 20:1 і більше); мале кількість введеної теплоти (як правило, для отримання рівної глибини проплавлення при електронно-променевого зварювання потрібно вводити теплоти в 4 … 5 разів менше, ніж при дугового і в результаті різко знижуються жолоблення виробу); відсутність насичення розплавленого і нагрітого металу газами. (В цілому ряді випадків спостерігається дегазація металу шва і підвищення його пластичних властивостей і в результаті досягається висока якість зварних з’єднань на хімічно активних металах і сплавах, таких як ніобій, цирконій, титан, молібден, а також гарна якість електронно-променевого зварювання досягається також на низьковуглецевих, корозійностійких сталях, міді та мідних, нікелевих, алюмінієвих сплавах).

При гарній фокусуванні електронний промінь є досить концентрованим джерелом тепла, що забезпечує отримання вузькій і глибокій зони проплавлення (глибиною більше 50 мм при ширині 6-8 мм). Оскільки процес електронно променевого зварювання протікає у вакуумі, то створюються найсприятливіші умови для зменшення газонасиченості металу шва. Електронний промінь плавить і доводить до кипіння практично всі відомі метали і використовується як для зварювання, так і для різання, свердління отворів.

Швидкість зварювання цим способом в 1,5-2 рази перевищує швидкість дугового при аналогічних операціях. Недолік цього способу — великі витрати на створення вакууму і необхідність високої напруги для забезпечення досить потужного випромінювання. Відома також технологія зварювання електронним променем у атмосфері нормального тиску, коли електронний промінь залишає область вакууму безпосередньо перед зварюються деталями.

Головною частиною установки електронно променевого зварювання є зварювальний електронна гармата, що служить для отримання і прискорення електронів, а також для фокусування електронного променя. Гармата поміщена в вакуум-камеру, де встановлена ??зварювана деталь і механізм переміщення деталі зі швидкістю, необхідної для зварювання. Вакуум в установці електронно променевого зварювання створюється за допомогою насосів.

Електронно-променеве зварювання успішно застосовують в нижньому положенні вертикальним променем, для вертикальних і горизонтальних швів — горизонтальним променем з неповним і наскрізним проплавленням. Зварювання в нижньому положенні рекомендується для сталевих виробів завтовшки до 40 мм і виробів з титанових і алюмінієвих сплавів товщиною до 80 мм. Горизонтальним променем з наскрізним проплавленням зварюють метали товщиною до 400 мм. Для зварювання металів, що мають високу теплопровідність або велику температуру плавлення, а також деталей великої товщини застосовується електронний промінь з високою щільністю енергії.

Для переміщення променя по поверхні виробу використовують переміщення виробу або самого променя за допомогою відхиляє. Відхиляюча система дозволяє здійснювати коливання променя вздовж і поперек шва або по більш складній траєкторії. Низьковольтні установки використовують при зварюванні металу товщиною понад 0,5 мм для отримання швів з відношенням глибини до ширини до 8:1. Високовольтні установки застосовують при зварюванні більш товстого металу з відношенням глибини до ширини шва до 25:1. При збільшених зазорах (для попередження підрізів) потрібен додатковий метал у вигляді технологічних буртиков або присадного дроту. В останньому випадку з’являється можливість металургійного впливу на метал шва. Змінюючи зазор і кількість додаткового металу, можна довести частку присадочного металу в шві до 50%.

Основними параметрами променя лазера є його потужність, тривалість імпульсу і діаметр світлового плями на зварюваної поверхні. Расфокусировка променя лазера також впливає на глибину проплавлення основного металу. При позитивних расфокусировке глибинапроплавлення змінюється більш різко. Поглинання світлової енергії основним металом залежить від стану його поверхні, поглинальної здатності (частина світлового потоку, відбиваючись, втрачається).

Висока концентрація теплоти в світловому плямі променя лазера дозволяє практично всі метали довести не тільки до розплавлення, але і до кипіння. Тому його можна використовувати для зварювання тугоплавких металів. Проте потужність квантових генераторів до останнього часу була невелика і дозволяла зварювати метал товщиною до 1 мм. Тому промінь лазера в основному використовували для променевого зварювання однорідних і різнорідних металів в радіоелектроніці. Проте останнім часом з’явилися лазери з великою енергією променя. Вони дозволяють зварювати і різати різні метали і неметали товщиною до десятків міліметрів. Великою перевагою способу зварювання променем є можливість ведення процесу у вакуумі, захисних газах або на повітрі. Однак слід пам’ятати, що при зварюванні променем на повітрі розплавлений метал контактує з навколишнім його атмосферою, що може призвести до розвитку небажаних металургійних взаємодій, зниження властивостей металу шва і утворенню в ньому дефектів.

Недоліки електронно-променевого зварювання: можливість утворення несплавлення і порожнин в корені шва на металах з великою теплопровідністю і швах з великим відношенням глибини до ширини; для створення вакууму в робочій камері після завантаження виробів потрібен тривалий час.

Електронно-променева зварювання дозволяє виготовляють деталі з тугоплавких, хімічно активних металів та їх сплавів (вольфрамових, танталових, молібденових, ніобієвих, цирконієвих), а такжеалюмініевих, титанових сплавів і високолегованих сталей. Метали і сплави можна зварювати в однорідних і різнорідних поєднаннях, зі значною різницею товщин, температур плавлення. Мінімальна товщина зварювальних заготовок становить 0,02 мм, максимальна — до 100 мм.

Електроннопроменеву зварювання застосовують при зварюванні жароміцних і високоміцних сталей і сплавів на основі титану і алюмінію, зварювання молібдену, танталу, ніобію, вольфраму, цирконію, нікелю, берилію, міді, алюмінію та ін Для точної обробки і зварювання мікродеталей (наприклад, в мікроелектроніці та інших областях) використовуються високовольтні електронні гармати з прискорює напругою до 150 кв, струмі пучка від 0,3 до 20 ма, що дають па виробі дуже тонкий пучок діаметром від 0,01 до 0,1 мм. При цьому забезпечується висока питома потужність в плямі на виробів, що досягає 2000 квт/мм2. Робота на високовольтних установках вимагає особливого захисту персоналу від радіовипромінювання.

У зв’язку з труднощами створення вакуум-камер великих розмірів таким шляхом зварюються поки переважно не надто великі вироби. Деяка схожість з електронно променевої зварюванням має зварювання когерентним світловим променем, створюваним спеціальними джерелами — лазерами. Потужний світловий промінь з надзвичайно високою концентрацією енергії може плавити, зварювати, марнувати, різати метали та інші матеріали. Вакуум при цьому не вимагається. Обробляється матеріал може бути віддалений від генератора світлового променя — лазера.

Електроннопроменеве зварювання використовується в авіа-і ракетобудуванні, ядерній енергетиці, радіоелектроніці, точному машинобудуванні та приладобудуванні. Цей спосіб перспективний для з’єднання металоконструкцій в умовах космічного простору: ремонтної зварюванні, споруді орбітальних станцій, усуненні їх пошкоджень та інших подібних роботах. При цьому використовується природний вакуум та живлення апаратури від сонячної енергії.