Электронно-лучевая сварка. Оборудование для электронно-лучевой сварки

1. Сущность процесса электронно-лучевой сварки

Широкое применение новых конструкционных материалов на основе тугоплавких и высокоактивных металлов (титан, цирконий, молибден, вольфрам и др.) потребовало создания способа их обработки источником тепла с высокой плотностью энергии в условиях защиты от взаимодействия с газами воздуха (кислород, азот). Наиболее полно этим условиям отвечает электроннолучевая сварочная технология. Минимальная толщина свариваемых деталей – 0,02 мм, максимальная – до 100 мм.

Сущность электронно-лучевой сварки и обработки материалов состоит в использовании кинетической энергии пучка электронов, движущихся в вакууме без столкновений с молекулами воздуха. При бомбардировке электронами поверхности обрабатываемого материала подавляющая часть кинетической энергии электронов превращается в тепловую, которая и используется для обработки.

Электронно-лучевая технология широко применяется в промышленности для плавки и переплава металлов и сплавов в целях очистки их от вредных примесей и газов, сварки и разделительной резки, пайки и обработки точных отверстий малого диаметра, нанесения покрытий различного назначения испарением и конденсацией в вакууме.

При электронно-лучевой сварке (ЭЛС) кинетическую энергию пучка электронов используют для расплавления кромок стыка примыкающих друг к другу деталей и образования сварного шва. Электронный луч обеспечивает высокую удельную мощность на поверхности пятна нагрева. По этому показателю электронный луч почти одинаков со световым лучом оптического квантового генератора (лазера) и существенно превосходит традиционные источники нагрева, применяемые при сварке.

Технологические параметры ЭЛС – это ускоряющее напряжение U, кВ; скорость сварки vcв, м/ч; сила тока (луча) Iл, мА; сила тока магнитной фокусирующей линзы Iм.л, мА. Последний параметр определяет диаметр пятна воздействия электронов на изделие. Изменением скорости сварки можно регулировать скорость кристаллизации металла сварного шва и термическое воздействие на основной металл в околошовной зоне.

При ЭЛС применяют традиционные для сварки плавлением типы соединений и новые, присущие только этому способу. Общие требования ко всем типам соединений – высокая точность сборки деталей перед сваркой. Допустимые зазоры в свариваемых стыках не должны превышать 0,2 мм. При ЭЛС требуется более тщательная очистка свариваемых кромок от различных загрязнений, особенно от органических веществ.

Возможность сварки в узких разделках и труднодоступных местах является одним из преимуществ ЭЛС перед другими способами сварки плавлением.

Основной узел установки для ЭЛС – электронно-лучевая пушка с системами электропитания и управления, формирующая электронный луч. На рисунке показана схема ЭЛС.

Схема электронно-лучевой сварки: 1 – электрическая спираль; 2 – катод; 3 – прикатодный электрод; 4 – ускоряющий электрод; 5 – магнитная фокусирующая система; 6 – вакуум; 7 – отклоняющая система; 8 – свариваемое изделие; 9 – вакуумная камера; 10 – электронный луч

Ведутся работы по созданию малогабаритных стационарных и передвижных вакуумных камер, обеспечивающих необходимое разрежение только в местах сварки. К большим достижениям при создании передвижных вакуумных сварочных камер следует отнести использование для подвижных вакуумных уплотнений ферромагнитных жидкостей, густеющих и даже твердеющих под действием магнитного поля.

Перспективным направлением исследований является вывод электронного луча достаточной мощности в атмосферу с местной защитой места сварки инертными газами. Очевидно, что проблема создания необходимого разрежения отсутствует в космосе, поэтому основным способом соединения при монтаже космических конструкций может стать ЭЛС. Первыми операторами электронно-лучевых установок, осуществившими сварку в открытом космосе, стали космонавты С.Е. Савицкая и В.А. Джанибеков.

2. Устройство установок электронно-лучевой сварки

Разработаны различные установки для ЭЛС широкого круга изделий, обеспечивающие стабильность процесса и высокое качество сварных соединений в условиях массового производства.

Создана база унифицированных узлов, технических решений, источников питания, электронно-лучевых и ионных пушек, программаторов процесса сварки и управления работой узлов установок, откачных и шлюзовых систем, систем визуального и телевизионного наблюдения, наведения и ведения луча по стыку, а также регистрации и документирования параметров сварки и технологического процесса. Специальные программы позволяют проводить паспортизацию и аттестацию изделий, основных параметров технологического процесса и качества сварного соединения.

По назначению оборудование для ЭЛС состоит из следующих установок:

• для сварки кольцевых швов трубчатых изделий диаметром 6–140 мм и длиной до 4000 мм с концевыми деталями (заглушки, хвостовики, переходники);
• универсальных для сварки кольцевых, торцовых и продольных швов изделий диаметром до 500 мм, длиной продольного шва до 700 и поперечного до 400 мм;
• специализированных для сварки различных швов конкретных изделий;
• энергетического оборудования (энергоблоки) для комплектования и модернизации электронно-лучевого оборудования, имеющегося на предприятиях заказчика;
• телевизионного оборудования для наблюдения и ведения луча по стыку;
• системы регистрации и документирования параметров технологического процесса сварки.

Рассмотрим три первых типа установок.

Первый тип установок создавался для нужд атомной энергетики, в частности для герметизации тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), сварки технологических каналов и других элементов активных зон реакторов типа РБМК и ВВЭР в условиях массового производства. К этому типу относятся установки СА-330, СА-340 и СА-413.

Установка СА-330 предназначена для сварки трубчатых изделий диаметром 6–14 мм и длиной до 4000 мм с концевыми деталями того же диаметра. Конструктивно установка состоит из цилиндрической вакуумной камеры, в которой помещается выкатываемый барабан вместимостью на 120 изделий, вакуумной стойки, стойки автоматики, энергоблока и системы регистрации технологического процесса сварки. Сварка изделий проводится в водоохлаждаемой цанге. Все системы установки работают в автоматическом режиме. Установка может эксплуатироваться как автономно, так и в составе автоматической линии, при этом она оснащается агрегатами загрузки и выгрузки изделий.

Ко второму типу установок относят универсальные установки для ЭЛС изделий из тугоплавких, химически активных и цветных металлов, специальных сталей и сплавов. Выполняют сварку кольцевых, торцовых и продольных швов изделий толщиной до 30, диаметром до 50 и длиной до 700 мм.

Наличие координатного стола с программным управлением, на который устанавливают различное технологическое оборудование, энергоблока с широкими технологическими возможностями и современных систем управления технологическим циклом делает этот тип установок универсальным для сварки широкой номенклатуры изделий и различных типов швов с заданными параметрами соединения.

К этому типу относят установки СА-424, СА-424М, СА-445, СА-451.

Установка СА-424 базовая и предназначена для сварки кольцевых и торцовых швов длиной до 300 мм изделий диаметром до 300 мм. Установка легко встраивается в состав технологических цепочек производства. Остальные установки этого типа являются ее модификациями и отличаются различным исполнением и размером вакуумной камеры, ходами координатного стола, откачными системами, наличием дополнительных механизмов и других систем, расширяющих технологические возможности установки при сварке самых разных изделий промышленного производства.

Так, установка СА-445 оснащена соосными, синхронными и раздвижными вращателями с изменяемой по углу осью вращения и дополнительной пушкой для ионной очистки поверхности изделий перед сваркой. Установка имеет безмасляную систему откачки и может встраиваться в технологический цикл сварки ответственных изделий.

Установка СА-451 предназначена для работы в цеховых и лабораторных условиях и снабжена откатываемой дверью и приемным столом, на который выкатывается координатный стол с технологическим оборудованием для загрузки и выгрузки изделий.

Отличительные особенности установки: безмасляная система откачки камеры и пушки; наличие ионной пушки, многопозиционного вращателя, телевизионной системы наведения луча на стык и системы регистрации параметров сварочного процесса.

Технические характеристики установки приведены в таблице.

Технические характеристики установки СА-451

Регистрируемые параметры технологического процесса сварки: ток луча; ускоряющее напряжение; скорость сварки; ток фокусировки.

К третьему типу оборудования относят специализированные установки для ЭЛС конкретных изделий различных отраслей промышленности.

В зависимости от свариваемых материалов и требований к качеству сварного соединения установки оснащают безмасляными системами откачки, ионными пушками для ионной очистки изделий перед сваркой, датчиками активного контроля и управления параметрами технологического процесса, устройствами параллельного переноса луча и т. д.

Для повышения производительности в установках предусмотрены шлюзовые устройства загрузки-выгрузки, позиционеры, питатели, накопители и другие устройства. К этой группе относятся установки СА-252, СА-472, СА-508, СА-613.

Установка СА-252 предназначена для герметизации химически активных материалов в алюминиевых оболочках, оснащена передаточным шлюзом, сборочным боксом с перчаточными узлами, позиционером на 12 изделий.

Установка СА-472 рассчитана на сварку кольцевых швов при укрупнении деталей из металла монокристаллической структуры и приварку крышек к пеналам из тугоплавких материалов. Конструктивно установка выполнена в модульном исполнении, для чего постоянная часть вакуумной камеры с установленной на ней пушкой имеет косой стыковочный фланец для подсоединения модулей с технологической оснасткой для различных изделий.

Модуль для сварки изделий из монокристаллической структуры содержит накопитель заготовок и сборочно-сварочное приспособление, позволяющее ориентировать оси монокристаллов заготовок перед сваркой. В модуле для приварки крышек к пеналам из тугоплавких металлов предусмотрен специальный четырехпозиционный загрузочный шлюз.

Для контроля температуры поверхности изделий монокристаллической структуры имеется система бесконтактного метода измерения температуры. Установка оснащена безмасляной системой откачки вакуумной камеры и пушкой для ионной очистки поверхности изделия перед сваркой.

Установка СА-508 рассчитана на вварку труб в трубные доски, имеет блок параллельного переноса луча, позволяющий выполнять сварку в труднодоступных местах.

Установка СА-613, предназначенная для сварки деталей и узлов двигателя автомобиля, оснащена шлюзом загрузкивыгрузки и двумя пушками для выполнения различных швов в разных пространственных положениях.

Рассмотренные установки оснащены унифицированным энергоблоком типа СА-505 в различных исполнениях и различной комплектности. Энергоблок состоит из источника питания ЭР224, в состав которого входят силовой шкаф на базе тиристорного инвертора частотой 5 кГц; высоковольтный масляный бак; электронно-лучевая пушка типа СА-449; стойка «Управление» СА-424; телевизионная система наблюдения, наведения луча на стык и пульт управления.

Силовой шкаф состоит из инверторов и блоков управления ими. Управление током луча и его стабилизация могут осуществляться как за счет обратной связи по накалу катода, так и по запирающему напряжению.

Высоковольтный масляный бак предназначен для размещения в нем высоковольтной части источника, для обслуживания и ремонта бак снабжен встроенным подъемником.

Стойка «Управление» предназначена для управления параметрами электронного луча – технологическим процессом сварки. Стойка включает программатор на базе микропроцессора для программирования функции пути или времени основных параметров сварочного цикла с памятью на 64 программы и возможностью циклического перехода программ; блок регистрации параметров технологического процесса сварки на основе микропроцессора с формирователем интерфейса; блок отклонения луча по осям с переключением выбора частоты, амплитуды и формы сигнала; блок фокусировки, работающий в режиме жесткой стабилизации тока фокусирующей катушки; блок автоматической фокусировки электронного датчика с оптическим для обеспечения заданной глубины проплавления; генератор импульсов; блок запирающего напряжения и два стабилизированных привода.

3. Электронно-лучевые пушки

Электронно-лучевая пушка СА-449 предназначена для формирования электронного луча и конструктивно состоит из законченных функциональных узлов с унифицированными стыковочными фланцами, что позволяет компоновать разные исполнения.

Пушка трехэлектродная с прямонакальным катодом и дифференциальной системой откачки.

Высоковольтный изолятор выполнен на основе компаунда МБК-1 и материалов, исключающих образование токопроводящих следов на поверхности изолятора после возможных высоковольтных пробоев. Поверхность изолятора не накапливает электрических зарядов.

Конструкция катодного блока позволяет быстро заменять катод без нарушения юстировки, что обеспечивается специальной оснасткой для постановки катода в катодный узел.

Электронно-лучевую пушку выпускают в нескольких исполнениях в зависимости от величины ускоряющего напряжения и комплектации дополнительными узлами, такими как устройство визуального осевого наблюдения зоны сварки, вакуумный затвор с ручным или электромеханическим приводом и т. д.

На базе энергоблока ЭР224 создан энергоблок М57/58 для применения совместно с газовой электронно- и ионно-лучевыми пушками. Газовая пушка СА-458 формирует пучок ионов или электронов из плазмы газового разряда. В качестве плазмообразующего газа используют воздух, аргон или гелий. Энергоблок применяют при сварке химически активных металлов со значительным коэффициентом испарения. Пушка СА-458М предназначена для получения пучков ионов инертных газов при обработке изделий высокоактивных металлов, имплантации атомов инертных газов в поверхностный слой изделий.

Системы управления некоторых установок, разработанных в Научно-исследовательском и конструкторском институте монтажной технологии – НИКИМТ (г. Москва), были построены на базе микропроцессорных программируемых контроллеров, в частности установка СА-340 – на базе контроллера «Гранит-КЗ», ряд установок типа СА-330 (СА-330М, СА-330М1 и СА-330М2) – на базе контроллеров КМС-1. Внедрение этих контроллеров позволило создать систему управления нового поколения для данного типа сварочных установок.

Для автоматизации управления параметрами технологического процесса сварки используют специализированный программируемый контроллер (программатор) СА-424.10. Во встроенной энергонезависимой памяти контроллера можно хранить до 64 программ сварочных циклов. Данный контроллер позволяет проводить сложные исследования по усовершенствованию сварочной технологии и обеспечивает высокую повторяемость качества сварных швов по уже разработанным программам.

Специфика сварки тепловыделяющих элементов потребовала внедрения особых методов разработки программного обеспечения для контроллеров, управляющих этими сварочными установками. Была предложена специальная методика параллельного программирования контроллеров, обеспечивающая их параллельную работу по единому алгоритму в режиме реального времени.

С помощью программной системы управления на базе контроллеров впервые была полностью автоматизирована работа вакуумной установки. Одна из самых продолжительных подготовительных операций проводится в автоматическом режиме и не требует от оператора постоянного внимания и присутствия у пульта управления.

В программе управления сваркой было введено несколько режимов:

• автоматический, в котором выполняется основная сварка изделий;
• ручной, когда отлаживается цикл сварки с устанавливаемыми в программаторе параметрами сварки;
• наладочный, используемый в основном для ремонта и последующей наладки отдельных узлов, а также для проверки работоспособности устройств и агрегатов при профилактических мероприятиях;
• настроечный, служащий для настройки электронного луча, программатора и системы управления высоковольтным источником питания.

В автоматическом цикле сварки при возникновении ситуаций сбоя в ходе выполнения некоторых операций (невыход изделия на позицию сварки за установленное время, нефиксирование изделия в определенной позиции также за фиксированное время и т. д.) в программе управления предусмотрены выход из этих ситуаций без участия оператора и продолжение сварки остальных изделий в автоматическом режиме. Это существенно сэкономило время выхода из таких сбоев.

Программная система управления в процессе сварки изделий позволила проводить переключение автоматического режима на ручной и обратно без останова работы системы. Обычно это применяется при настройке режимов цикла сварки для получения необходимого качества сварного шва изделий.