Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) относится к методам сварки высококонцентрированными источниками энергии и обладает широкими технологическими возможностями, позволяя соединять за один проход металлы и сплавы толщиной от 0,1 мм до 400 мм.

Сущность процесса сварки электронным лучом состоит в использовании кинетической энергии, электронов, движущихся в глубоком вакууме. При бомбардировке электронами поверхности металла подавляющая часть кинетической энергии электронов превращается в тепловую и используется для расплавления металла.

Получение свободных электронов достигается применением раскаленного металлического катода, испускающего электроны. Ускорение электронов обеспечивается электрическим полем с высоким потенциалом между катодом и анодом. Фокусировка – концентрация электронов – осуществляется магнитным полем. Резкое торможение электронного потока происходит при соударении электронов с металлом.

Принципиальная схема установки (пушки) для сварки электронным лучом представлена на рисунке 1. Устройство предназначено для получения узких электронных пучков высокой концентрации энергии.

Рисунок 1 — Схема установки для сварки электронным лучом: 1-высокотемпературный катод; 2-прикатодный электрод; 3-анод; 4-магнитная линза; 5-магнитная отклоняющая система; 6-изделие

Катод 1 нагревается до высоких температур. Он размещается внутри прикатодного электрода 2. На некотором расстоянии от катода размещается ускоряющий электрод (анод) 3 с отверстием. Прикатодный и ускоряющий электроды имеют форму, обеспечивающую такое строение электрического поля, которое фокусирует электроны в пучок с диаметром, равным диаметру отверстия в аноде. Положительный потенциал ускоряющего электрода может достигать нескольких тысяч вольт. Поэтому электроны, испускаемые катодом на пути к аноду, приобретают значительную скорость и энергию.

Электроны имеют одинаковый заряд и поэтому отталкиваются друг от друга. Диаметр пучка увеличивается, а плотность энергии в пучке уменьшается.

С целью увеличения плотности энергии в пучке электроны фокусируются магнитным полем в магнитной линзе 4 и высококонцентрированный пучок электронов с большой скоростью ударяется о малую ограниченную площадку изделия 6. Кинетическая энергия электронов, вследствие торможения в веществе, превращается в тепло, нагревая металл до высоких температур.

Управление пучком электронов по поверхности свариваемых изделий производится отклоняющей системой 5.

Для обеспечения свободного движения электронов от катода к изделиям, тепловой и химической изоляции катода, и также предотвращения возможности возникновения дугового разряда между электродами в установке создается глубокий вакуум порядка 10^-2Па.

Пучок электронов ускоряется в вакууме напряжением до 100кВ и более. При изменении напряжении от 30 до 200 кВ скорость электронов изменяется от 0,33 до 0,67 скорости света.

Кинетическая энергия электронов при торможении внутри металла и вблизи его поверхности превращается в тепловую, расходуемую на плавление свариваемых кромок и образование в жидком углублении (канала) на всю толщину свариваемого металла. Этот процесс характеризуется высоким КПД, достигающим 90 %.

Источник нагрева в виде пучка электронов сосредоточен на малом пятне, диаметром в десятые и даже сотые доли миллиметра. При мощности пучка в десятки КВт плотность энергии превышает плотность энергии электрической сварочной дуги на два-пять порядков (от 10⁵ до 10⁹ Вт/см² ).

Такая концентрация энергии позволяет осуществить сварку с недостижимым для электродуговых методов отношения глубины к ширине проплавления (до 50:1).

Узкий шов, параллельность его границ и малая протяженность обусловливает незначительные линейные и угловые деформации свариваемых изделий. Практически отсутствует коробление. Это самое важное достоинство электронно-лучевой сварки.

Глубокое проплавление металла при низких значениях погонной энергии приводит к повышенной скорости кристаллизации малой по объему сварочной ванны, благодаря чему измельчается структура сварного шва.

Электронный луч является практически безынерционным источником тепловой энергии. Возможность тонкой регулировки мощности, фокусировки и положения луча на поверхности изделия позволяет широко использовать системы автоматизированного управления и программирования режимов сварки.

Сварку можно вести отдельными импульсами с различной скважностью, а перемещая луч непрерывно вдоль или поперек стыка, что позволяет сваривать с наименьшими производственными затратами крупные партии однотипных изделий. Номенклатура изделий свариваемых электронным лучом распространяется от деталей из тонкой фольги до деталей толщиной более 100 мм, соединяемых за один проход; от деталей микромеханики до сегментов корпусов самолетов и подводных лодок; от отдельных частей космических аппаратов до крупных серий в электро- и автомобилестроении.

При конструировании и выборе способа сварки следует учитывать следующие достоинства электронно-лучевой сварки.

• широкий диапазон толщин свариваемых изделий — от долей миллиметра до 100 мм и более;
• возможность получения узких швов с глубоким проплавлением;
• возможность регулирования отношения глубины проплавления к ширине шва;
• уменьшение роста зерна в шве;
• большие скорости нагрева и охлаждения металла в вакууме, что позволяет получать максимальную степень чистоты и высокие физико- механические свойства соединения;
• возможность сварки соединений различных типов, в том числе принципиально новых не выполняемых известными способами сварки плавлением.

Широкое внедрение электронно-лучевой сварки в высокотехнологичное производство затрудняется ее экономическими и техническими особенностями:

• высокое капиталовложение;
• необходимость точной подгонки свариваемых элементов;
• ограниченный размер конструкций, поскольку сварку приходится выполнять в камерах;
• генерирование рентгеновского излучения.