Электронно-лучевая сварка - оборудование и сфера применения. Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка на сегодняшний день является перспективным способом соединения тугоплавких металлических сплавов. Данная технология может использоваться с высокопрочными сплавами, качественной сталью, алюминием и титаном. Данная технология основывается на использовании тепла, которое выделяется при торможении частиц, ускоренных при помощи высокой энергии. Подобные технологии стали использоваться в металлургии лишь с развитием электронной оптики и вакуумной техники. Одним из преимуществ использования данной технологии сварки является ее качество, а также возможность работы с различными тугоплавкими металлами.

Электронно-лучевая сварка

При выполнении сварочных работ по данной технологии используется специальная электронная пушка, которая позволяет генерировать направленный пучок заряженных с высокой энергией частиц. Такой направленный пучок разогревает металл, обеспечивая получение высокой температуры свариваемых кромок. Электронная пушка получает энергию от высоковольтного источника с постоянным током. При этом вся работа такого оборудования контролируется автоматикой, что позволяет исключить скачки напряжения, а, следственно, сварочная дуга имеет постоянную температуру и необходимую интенсивность.

Одной из особенностей данной технологии сварки является необходимость движения электронного луча по строго определенной линии сварки. Для этого используется специальная магнитная отклоняющая система, которая обеспечивает управление сварочной дугой. Для уменьшения потери энергии электронов по причине их соударения с молекулами газа непосредственно в месте сварочного соединения создается вакуум, что гарантирует максимальную эффективность данной технологии и качественное соединение металлических элементов.

Технология лучевой сварки

При выполнении таких сварочных работ пучок заряженных частиц проходит по передней стенке соединительного шва, а расплавленный металл постепенно стекает с боков, концентрируясь у задней стенки соединительного шва, где он вскоре кристаллизуется и застывает. При этом обеспечивается соединение металлов на молекулярном уровне, что гарантирует максимальную прочность сварки.

Возможно выполнение сварочных работ непрерывным лучом, который управляется с соответствующей пушкой и магнитной отклоняющей системой, так и с использованием импульсного электронного луча. Этот луч имеет большую плотность энергии, а его частота импульсов составляет 100-500 гигагерц. Импульсный луч используется для сварки легкосплавных и легкоиспаряющихся металлов. Отметим, что импульсная технология может применяться для работы с чрезвычайно тонкими тугоплавкими металлическими листами. При появлении во время сварки подрезов тонких кромок их в последующем можно удалить колеблющимся сварочным электронным лучом.

Установка электронно-лучевой сварки

В первую очередь хотелось бы поговорить об основных параметрах выполнения данной работы. Их таких характеристик лучевой сварки выделим следующее:

Точность фокусировки луча.
Общая продолжительность импульсов.
Ускорение напряжения.
Скорость движения сварного луча.
Сила тока в полученном луче.
Степень вакуума.

Выбор тех или иных параметров сварки в данном случае будет напрямую зависеть от конкретных особенностей соединяемых металлов. Следует отметить, что качество выполнения данной работы потребует соблюдения точности направления луча по его осям и правильность сборки деталей. Именно поэтому необходимо выдерживать минимально и максимально допустимые зазоры в соединяемых деталях, в зависимости от этого выбирают те или иные параметры оборудования.

Способы

При использовании лучевой технологии можно получить следующие виды соединений металлических изделий:

Угловое.
Замковое.
Стыковое.
Стыковое с использованием изделий различной толщины.
Стыковое с выполненной отбортовкой кромок.
Стыковое с соединением шестеренок.

Характерные особенности лучевой сварки

Из особенностей выполнения такой работы можно выделить следующее:

Сварка по лучевой технологии выполняется в вакуумной среде. Тем самым исключается деградация расплавленного металла и обеспечивается максимально чистая поверхность.
Концентрированный луч позволяет достигать максимально высоких температур. Металл при воздействии таких температур быстро расплавляется, что позволяет получить мелкозернистый шов с минимальной шириной.
При использовании иных технологии сварки появляются существенные сложности при работе со сплавами, которые чувствительны к интенсивности нагрева. При этом лучевая сварка может использоваться для работы с такими чувствительными к нагреву сплавами, в том числе с высоколегированными сталями, титаном и алюминием.

Преимущества и недостатки

Из преимуществ данной технологии можно отметить следующее:

Имеется возможность соединения керамики, тугоплавких металлов и различных иных изделий.
При выполнении сварочных работ выделяется минимальное количество тепловой энергии. Тем самым обеспечивается снижение расходов на соединение таких деталей.
Обеспечивается максимально возможное качество выполненного соединения. Даже при работе с теми металлами, сваривать которые другими технологиями чрезвычайно сложно, можно получить долговечное и прочное соединение.

Если же говорить о недостатках, то можно выделить следующее :

Для обеспечения вакуума в рабочей камере используется специальное дорогостоящее оборудование.
При работе с металлическими сплавами с большой теплопроводностью существует риск образования несплавлений.

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) - это надежный, эффективный, экономичный способ соединения материалов (в том числе разнородных), превосходящий по качеству все другие известные методы сварки, как сварка в среде защитных газов, микроплазменная сварка, лазерная сварка и т.п.

Сущность процесса состоит в использовании кинетической энергии потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме. Для уменьшения потери кинетической энергии электронов за счет соударения с молекулами газов воздуха, а также для химической и тепловой защиты катода в электронной пушке создают вакуум порядка 10 -4 ... 10 -6 мм рт. ст., т.е. во всем диапазоне термического воздействия, ведение процесса в вакууме, что обеспечивает чистоту обрабатываемого материала, а также возможность полной автоматизации процесса.

Экспериментальные и расчетные данные показывают, что процесс внедрения электронного луча в материал с образованием в нем канала происходит за счет периодического с частотой 10 3 ...10 6 Гц (в зависимости от концентрации энергии) выброса вещества вследствие взрывообразного испарения материала. В основу таких представлений положили сравнение скоростей ввода энергии и релаксации этой энергии материалом. Для большинства металлов скорость ввода тепла в диапазоне концентрации энергии 10 5 ...10 6 Вт/см 2 намного превышает скорость отвода его вследствие теплопроводности, что неизбежно приводит к поверхностному испарению и вскипанию микрообъема расплава вещества, в котором выделяется энергия электронного луча.

Установлено, что в жидком металле вокруг электронного луча существует полость. Эта полость все время находится в движении: глубина ее периодически колеблется от нулевой до максимальной с частотами 10...60 Гц. Кроме того, полость периодически смыкается, в основном в верхней части, а иногда и в других сечениях канала.

Трудности изучения физических явлений в зоне воздействия электронного луча обходят путем введения некоторого источника теплоты и использования теории теплопроводности. Такие подходы в ряде случаев дают возможность быстрее получить методики расчетов процесса, чем подробный анализ физических явлений. В существенной степени это связано с действием принципа местного влияния.

Для осуществления теплового подхода, т.е. решения задачи теплопроводности в условиях электронно-лучевого воздействия необходимо знать характер теплового источника и тепловой баланс процесса.

Экспериментальные данные показывают, что потери теплоты на испарение при ЭЛС с глубоким проплавлением не превышают 5... 10%, т.е. тепловой баланс электроннолучевого воздействия при концентрациях энергии до10 5 ...10 6 Вт/см 2 во многом сходен с тепловым балансом при процессе электродугового нагрева. На этом основании получили соотношения, связывающие мощность электронного луча (с учетом концентрации энергии) с характеристиками проплавления, решая традиционную задачу теплопроводности. Точность вычислений при этом достаточна.

Что касается характера теплового источника, то согласно экспериментальным и расчетным данным в зависимости от ускоряющего напряжения, а вернее от глубины пробега электронов в веществе, он является либо нормально распределенным поверхностным (ускоряющее напряжение менее 20 кВ), либо (для случая высоких ускоряющих напряжений) нормально распределенным по поверхности и глубине. Для оценки тепловых полей в случае ЭЛС с глубоким проплавлением неплохую точность дает аппроксимация теплового источника как линейного конечной глубины либо как комбинация точечного и линейного.

Еще один объект исследований, имеющий важное значение для теории и практики сварки плавлением в целом, связан с изучением движения расплава - это гидродинамические процессы в зоне электронно-лучевого воздействия. От процессов переноса жидкого металла в зоне обработки зависит большинство дефектов при формировании сварных швов, а в ряде случаев гидродинамика определяет производительность обработки. Глубокое проплавление металлов характеризуется появлением специфических дефектов (полостей в объеме шва, колебаний глубины проплавления по длине шва), поэтому гидродинамика является предметом тщательного изучения и при других концентрированных источниках: сварке в защитных газах, аргонодуговой сварке, луче лазера, струе плазмы и др. Значительное распространение получило моделирование гидродинамических процессов в условиях воздействия КПЭ.

Концентрированный поток электронов, падая на поверхность материала, осуществляет разогрев вещества в зоне, ограниченной шириной луча и глубиной пробега электронов. Если скорость тепловыделения меньше скорости отвода энергии вследствие теплопроводности, то происходит нагрев с образованием полусферической (или близко к ней) формы проплавления (мягкий режим нагрева, процесс испарения практически отсутствует). Повышение концентрации энергии в зоне воздействия до 10 ...10 Вт/см 2 приводит к тому, что скорость тепловыделения становится соизмеримой со скоростью отвода энергии вследствие теплопроводности (критический режим нагрева, начинается существенное парообразование). Если при малых концентрациях энергии энергетический баланс процесса складывается из затрат на отвод тепла обрабатываемым изделием (до60%), его плавление (до35%) и испарение (до5%), то при концентрациях выше критических, когда скорость тепловыделения намного больше скорости отвода тепла, большая часть вводимой энергии тратится на плавление и выброс расплава за счет объемного вскипания или других эффектов.

Эффективность процесса воздействия луча существенно повышается при углублении зоны обработки в материал с образованием канала. Время нагрева и выброса порции вещества мало (-10" ...10" с), поэтому процесс сверления канала носит периодический характер с частотами -10 ...10 Гц.

Так как выброс вещества идет со дна канала, опускающегося в материал с некоторой скоростью, максимальные температура и давление пара находятся у дна канала и падают по его высоте. У выхода из канала температура и давление минимальны.

Взаимодействие электронного пучка с продуктами выброса (смесью пара и конденсата) в объеме канала приводит к тому, что непрерывно действующий пучок электронов периодически рассеивается на стенках канала. Концентрация мощности луча в момент его рассеивания на стенки падает на 1...2 порядка (пропорционально площади внутренней поверхности канала), поэтому такой «размазанный» по стенкам источник обеспечивает практически только плавление стенок. Таким образом, когда канал свободен от паров обрабатываемого материала, электронный луч без потерь достигает его дна, происходит испарение вещества со дна канала. Когда канал заполнен паром, электронный луч рассеивается и передает энергию стенкам, образуя жидкую фазу.

С учетом времени периодической экранировки частота выброса вещества несколько уменьшается, но по-прежнему остается высокой (~10 4 ...10 5 Гц). Углубление канала происходит до тех пор, пока давление пара в нем больше суммарного давления поверхностного натяжения и давления, обусловленного столбом жидкой фазы стенок канала. Наименьшее давление пара во всех случаях имеет место у выхода из канала. Поэтому, как только давление пара становится меньше давления поверхностного натяжения и веса жидкой фазы, канал в верхней части может смыкаться. Если не прерывать действие луча, то смыкание будет иметь периодический характер с частотами порядка 10... 100 Гц. Смыкание канала сверху является причиной специфического дефекта - наличия полостей в объеме проплавления. Таким образом, непрерывный процесс электронно-лучевого воздействия переходит в зоне обработки в колебательный процесс с высокими частотами, обусловленными газодинамическими процессами, и низкими частотами, являющимися следствием гидродинамических явлений.

Следовательно, реализация многообразия термических воздействий электронного луча (от плавки до сверления) зависит от скорости введения энергии.

Параметрами электронного луча, измеряемыми в процессе обработки, являются ток луча I, ускоряющее напряжение U, ток фокусирующей системы 1ф, рабочее расстояние (расстояние от центра фокусирующей системы до поверхности свариваемой детали) 1, скорость перемещения электронного луча и.

Мощность электронного луча (в Вт) q=IU. При заданном рабочем расстоянии 1, токе фокусировки 1ф и мощности сварки можно определить диаметр электронного луча d и, следовательно, удельную мощность qi (Вт/см 2), которая является одним из определяющих параметров процесса:

q 2 = IU/(7id 2 /4).

Погонная энергия (в Дж/см)

не является определяющим параметром, так как при электронно-лучевой обработке в зависимости от величины удельной мощности q2 при одинаковой погонной энергии можно получить различную конфигурацию зоны обработки. При воздействии в импульсном режиме средняя мощность (Вт)

где I-величина тока в импульсе, A; f-частота следования импульсов, Гц; т -длительность импульса, с.

Скорость обработки в импульсном режиме (см/с)

1) = В(1-К)/(Т + Тп),

где Тп - время паузы между импульсами, с; к -коэффициент перекрытия точек (обычно к = 0.5...0.9); В -диаметр зоны обработки (точки).

Шаг точек (см)

S = и(т + Тп),

скорость обработки

U - S/(T + Тп).

Параметром, характеризующим соотношение длительности импульса и времени паузы в импульсном режиме, является скважность цикла

G = т /(т + тп).

Наиболее существенным и одновременно наиболее трудноопределяемым параметром электронного луча является его диаметр.

При заданных плотностях тока эмиссии с катода, температуре катода и сферической аберрации линзовой сиcтемы пучок электронов с максимальным током может быть сфокусирован в пятно минимального диаметра (см):

d = So(I/U) 3/8 ,

So = [(4 2/3 к/тге)*с 2/3 fo 273 *(T/j)] 3/8 .

С учетом выражения диаметра пятна удельная мощность:

q 2 = (l/rc)(2/So) 2 I 1/4 U 7/4 ,

здесь So - постоянная электронно-оптической системы;

Кл- элементарный заряд электрона; к-постоянная Больцмана;

Т - температура катода,

К; fo - фокусное расстояние; с - безразмерная постоянная сферической аберрации линзы или системы линз; j - ток эмиссии с катода, А/м 2 .

Электронно-лучевая сварка (или просто лучевая, ЭЛС.) является одним из быстро развивающихся способов соединения различных тугоплавких металлов, разнородных, химически активных, качественных сталей, сплавов высокой прочности на основе титана и алюминия.

Лучевая сварка - процесс, основанный на использовании тепла, выделяемого во время торможения остросфокусированного пучка заряженных частиц, ускоренных до высоких энергий . Широкое применение этот источник нагрева приобрел лишь с развитием вакуумной техники и электронной оптики, только после этого он стал применяться в металлургической технике.

Стимулом для поиска нового способа соединения послужили сложности с трудносвариваемыми металлами: молибден, тантал, цирконий, ниобий и вольфрам отличаются высокой температурой плавления и химической активностью, что требовало использования источников тепла большой концентрации и большой защищенности зоны сварки.

Сущность процесса ЭЛС

Основным компонентом является электронный луч, который создается особым прибором - электронной пушкой.

Как видно из рисунка ниже, пушка имеет катод (2), который размещен внутри прикатодного электрода (3). На определенном расстоянии от катода располагается ускоряющий электрод с отверстием - анод (4). Пушка питается электрической энергией от высоковольтного источника постоянного тока (5).

Чтобы увеличить плотность энергии в электронном луче после выхода из первого анода электроны концентрируются магнитным полем в магнитной линзе (6), Летящие электроны, сфокусированные в плотный пучок, ударяются на большой скорости о малую площадку на изделии (1). На данном этапе кинетическая энергия электронов вследствие их торможения превращается в теплоту, таким образом нагревая металл до высоких температур.

Для перемещения электронного луча по изделию на пути движения электронов размещают магнитную отклоняющую систему (7), которая позволяет установить луч строго по линии сварки.

Для того, чтобы снизить потерю кинетической энергии электронов вследствие соударения с молекулами газов воздуха, а также для химической и тепловой защиты катода в пушке создается вакуум около 10 -4 - 10 -6 мм рт.ст. Столь высокая концентрация энергии луча (до 109 Вт/см 2) при минимальной площади места нагрева (до 10 -7 см 2) ведет к уменьшению термических деформаций в ходе сварки и формированию шва с кинжальной формой проплавления.

Технический вакуум при ЭЛС выполняет несколько функций:

снижает потерю кинетической энергии электронов, позволяя частицам достигать поверхности изделия почти не соприкасаясь с молекулами воздуха;
предотвращает дуговой разряд между анодом и катодом, обеспечивает химическую защиту катода;
защищает расплавленный металл от взаимодействия с окружающей атмосферой более эффективно, чем защитный газ, флюс;
способствует улучшению дегазации сварочной ванны и удалению оксидных пленок, что сказывается на качестве соединения.

Техника ЭЛС

Из рисунка ниже видно, какую форму имеет проплавление по . Плавка металла лучом (1) происходит по передней стенке углубления (2) - кратера, - а расплавляемый металл сдвигается по боковым стенкам к задней стенке (4), где он кристаллизуется (3).

Возможна сварка непрерывным лучом, однако при работе с легкоиспаряющимися металлами (например, магний, алюминий) уменьшается эффективность электронного потока, как и количество выделяющейся теплоты ввиду потери энергии при ионизации паров металлов. Здесь рекомендуется работы импульсным электронным лучом с частотой импульсов 100-500 Гц и с большой плотностью энергии. Данная манипуляция ведет к повышению глубины конуса проплавления. Таким способом возможно сваривать очень тонкие металлические листы. В случае, если происходит образование подрезов, их можно удалить сваркой расфокусированным либо колеблющимся лучом.

Параметры режима лучевой сварки и типы сварных соединений

Основные параметры режима ЭЛС включают:

степень вакуумизации;
силу тока в луче;
скорость движения луча по поверхности изделия;
ускоряющее напряжение;
точность фокусировки луча;
продолжительность импульсов и пауз.

Режимы отражены в таблице ниже:

Для передвижения электронного луча по изделию необходимо перемещать само изделие или луч при помощи отклоняющей системы. Эта система позволяет осуществлять колебания луча как вдоль, так и поперек шва, а также по более сложной траектории.

До начала сварки требуется соблюдение точной сборки деталей и точное направление луча по оси стыка. Так, при толщине металла до 5 мм зазор составляет не более 0,07 мм, при толщине до 20 мм - до 0,1 мм с отклонением луча не более 0,2-0,3 мм. Для увеличенных зазорах (с целью предупреждения подрезов) понадобится дополнительный металл в виде присадочной проволоки либо технологических буртиков. Изменяя размер зазора и количество добавленного металла, можно довести долю присадочного металла по шву до 50%.

Рассмотрим основные типы сварных соединений, которые рекомендуются для электронно-лучевой сварки. Рисунок ниже демонстрирует следующие виды:

а) - стыковое;
б) - замковое;
в) - стыковое с деталями разной толщины;
г) - угловое;
д), е) - стыковое при сварке шестерен;
ж) - стыковое с отбортовкой кромок.

Особенности сварки лучевого типа

Процесс лучевой сварки характеризуют две особенности:

процесс сварки реализуется в вакуумной среде, что гарантирует получение максимально чистой поверхности и дегазацию расплавленного металла;
нагрев происходит до очень высоких температур, таким образом металл быстро плавится, а шов в результате обработки получается мелкозернистый и минимальной ширины.

Данные особенности позволяют работать со сплавами, чувствительными к интенсивному нагреву. Электронно-лучевой сваркой изготовляют детали из алюминиевых и титановых сплавов, высоколегированных сталей. Металлы и сплавы подвергаются сварке в однородных и разнородных комбинациях, разными по толщине и температуре плавления. Минимальная толщина свариваемых заготовок - 0,02 мм, а максимальная – до 100 мм.

Достоинства и недостатки электронно-лучевой сварки

Сварка электронным лучом имеет ряд весомых преимуществ, среди которых:

Малое количество вводимой теплоты. В большинстве случаев для получения одинаковой глубины проплавления при сварке данного типа потребуется теплоты в 5 раз меньше, чем при дуговом виде, что значительно снижает коробление изделий;

Возможность сварки керамики и тугоплавких металлов (тантала, вольфрама), керамики и т. д. С четкой фокусировкой луча становится возможным нагреть поверхность диаметром менее миллиметра. Это в свою очередь позволяет единовременно приваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра;

Высокое качество сварных соединений химически активных металлов и сплавов: молибдена, титана, ниобия, циркония. Как правило, во многих случаях происходит дегазация металла шва и одновременно повышение его пластических характеристик. ЭЛС также незаменима при соединении низкоуглеродистых, коррозионно-стойких, медных, никелевых сталей, алюминиевых сплавов.

Но несмотря на большее количество достоинств, ЭЛС имеет и минусы.

Недостатки электронно-лучевой сварки

Время затрата при создании вакуума в рабочей камере после загрузки изделий;

Возможность образования несплавлений, полых отверстий в корне шва при сваривании металлов с большой теплопроводностью, а также швах с большим отношением глубины к ширине.

Применение ЭЛС оправдано, когда нужно проводить работы в труднодоступных и неудобных местах. Сварка данной разновидности универсальна и экономична. Универсальность этой сварки выражена тем, что посредством нее соединяют изделия как с любой разделкой кромки, так и без разделки. Экономичность же заключается в сравнительно малом потреблении электричества.

Сегодня на отечественных предприятиях применяется электронно-лучевое оборудование с пушками прямого и косвенного накала катодов и собственного производства, и от иных российских и зарубежных фирм. В установках с внутрикамерным расположением лучевых пушек есть возможность сварки соединений горизонтальным либо наклонным лучом по сложным траекториям движения. Точная механика в сочетании с компьютерными технологиями и системами управления устраняют зависимость качества итоговых соединений от человеческого фактора, то есть присутствие оператора-сварщика практически исключается, так как процесс происходит почти автоматизировано. Сварочное оборудование несложно в эксплуатации и его обслуживание не подразумевает затрат трудовых ресурсов. Запрограммировав установку, нужно лишь следить за тем, как луч наводится в нужное место и следует вдоль стыка. От рабочего персонала потребуется только изменять мощность луча и регулировать фокусировку на конкретном отрезке траектории стыка.

В целом, электронно-лучевая сварка – это рациональное и перспективное направление в развитии современных технологий сварки!

Введение, сущность процесса

На современном этапе развития физики широкое и разностороннее применение находит использование энергии электронов.

Электрон представляет собой элементарную частицу, имеющую отрицательный заряд.

масса электрона m e = 9,109 ´ 10 -31 кг,

заряд электрона e = 1,602 ´ 10 -19 Кл.

Электрон, являясь наименьшей устойчивой заряженной элементарной частицей материи, может быть наиболее простым способом получен в свободном состоянии. Наиболее часто для получения свободных электронов используют термоэлектронные катоды-металлы.

Величина тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры катода, работы выхода и свойств поверхности и определяется уравнением Ричардсона-Дэшмана:

Je = at2 ´ e-eYо / kt

где j e - плотность тока эмиссии, А/см 2 ;

А - эмиссионная постоянная, зависящая от свойств излучаемой поверхности, обычно А = 40¸70 А/см 2 К 2 ;

Т - абсолютная температура катода, К;

е - основание натурального логарифма;

е Y о - работа выхода электрона из металла, Дж;

К = 1,38 ´ 10 -23 Дж/К - постоянная Больцмана.

Свободные электроны под действием электрических или магнитных полей могут перемещаться. Так как электроны обладают самой малой инертной массой из всех элементарных частиц, имеющих заряд, то электрону могут быть сообщены большие ускорения. При этом энергия электронов может достигать больших значений и зависит от разности потенциалов разгоняющего поля.

Скорость движения электрона, выраженная через потенциал разгоняющего поля U равна:

V = ö 2e u / me ,

подставив значения массы и заряда электрона получим:

V = 600 ö u , км/с

Из формулы видно, что скорости электронов даже при сравнительно небольших напряжениях (разности потенциалов) достигает больших величин.

Например, U = 10000 В - V электрона = 60000 км/с

Регулируя величину и направление начальной скорости электронов, величину и направление напряженности электрического поля, можно получить движение электронов по заранее рассчитанной траектории.

Это позволяет управлять движением электронов, получать требуемые значения энергии, плотность электронов в пучке и т.д.

Электроны, двигаясь в электрическом поле, могут накопить значительную кинетическую энергию. При достижении электроном поверхности металлического анода скорость электронов резко уменьшается вследствие столкновения их с атомами металла. При таких столкновениях кинетическая энергия электронов передается атомам вещества, подвергающихся бомбардировке. Эффект передачи энергии электронов веществу проявляется увеличением температуры вещества.

Выделяющаяся на аноде мощность в виде теплоты ровна:

Р а = N ´ e ´ U , где N ´ e = J a , поэтому Р а = J a ´ U

Исследованиями установлено, что электроны, обладающие определенной энергией, могут проникать вглубь металла при его бомбардировке. Толщина поверхностного слоя вещества, в котором происходит полная потеря энергии электрона в результате многочисленных соударений с ядрами металла и электронами решетки, определяют его пробег.

При сравнительно небольших энергиях электронов (10¸80 кэВ) пробег электронов определится зависимостью согласно формуле Шенланду :

d = 2,6 ´ 10 -12 ´ U 2 / r , см,

где U - разгоняющее напряжение, В;

r - плотность вещества, г/см 3 .

В результате соударений меняется скорость и направление движения электронов, проникающих в металл. Электроны растрачивают основную энергию в конце пробега, после проникновения в металл.

Рис. 1. Путь электрона в веществе.

Таким образом, в отличие от обычных, широко применяемых источников тепла, производящих нагрев путем теплопередачи через поверхность металла, высвобождение энергии при ЭЛС происходит в самом веществе, причем наиболее интенсивно тепловыделение происходит на некоторой глубине. Изменение величины потери энергии электрона, рассчитанное на единицу длины пути вдоль его пробега, можно представить в виде кривой (рис. 2 .).

Рис. 2. Изменение величины потери энергии Е р , рассчитанное на единицу длины пути, для первичного электрона вдоль его пробега.

При небольших значениях удельной мощности в электронном луче на жидкий металл сварочной ванны не воздействуют сколько-нибудь значительные внешние силы, в связи с чем сварной шов формируется без прожогов даже при сварке металла толщиной 0,1¸0,2 мм.

Давление потока электронов на сварочную ванну невелико и составляет около десятых долей грамма на квадратный сантиметр (г/см 2 )

р = j ´ 0 , 035 Ö U ускор. , Н/м 2 ,

где р - давление электронов, Н/м 2 ;

j - плотность тока в пучке, А/см 2 ;

U ускор. - ускоряющее напряжение, кВ.

Физическая картина внешних явлений, сопровождающих воздействие электронов на металл, состоит из:

рентгеновского излучения,

теплоизлучения,

возникновения вторичных электронов,

испарения металла в виде атомов, ионов металла

и может быть изображена в виде следующей схемы (рис. 3 ):

Рис. 3. Физическая картина явлений, сопровождающих проникновение электронов в вещество.

Сущность ЭЛС в вакууме

Сущность ЭЛС в вакууме состоит в использовании кинетической энергии электронов, быстродвижущихся в глубоком вакууме.

При бомбардировке электронами поверхности металла подавляющая часть кинетической энергии электронов превращается в теплоту, которая используется для расплавления металла.

Получение свободных электронов достигается применением раскаленного металлического катода эмиссирующего электроны.

Ускорение свободных электронов обеспечивается электрическим полем с высокой разностью потенциалов между анодом и катодом.

Фокусировка электронов достигается использованием магнитных полей.

Электронный луч, используемый для сварки, создается в специальном приборе - электронной пушке.

Электронная пушка (рис.4 ) представляет собой устройство, с помощью которого получают узкие электронные пучки с большой плотностью энергии.

Для обеспечения свободного движения электронов от катода к аноду , а также для предотвращения возможности возникновения дугового разряда между электродами в установке создается глубокий вакуум порядка 10 -4 мм.рт.ст (133 ´ 10 -4 Н/м 2)

Рис. 4. Принципиальная схема электронной пушки

В ИЭС разработан типаж электронно-лучевых сварочных пушек, распространяющийся на электронно-лучевые пушки с ускоряющим напряжением 15¸240 кВ, предназначенные преимущественно для сварки. В типаж включены электрические пушки, снабженные эмиттером в виде таблетки из татнала или гексаборида лантала с электростатической фокусировкой, электромагнитным отклонением электронного луча.

Таблица 1.

Электронно-лучевая сварка - сварка, источником энергии при которой является кинетическая энергия электронов в электронном пучке, сформированном электронной пушкой.

Используется для сварки тугоплавких, высокоактивных металлов в космической, авиационной промышленности, приборостроении и др. Электронно-лучевая сварка используется и при необходимости получения высококачественных швов с глубоким проплавлением металла, для крупных металлоконструкций.

История

Первая установка для электронно-лучевой сварки была создана в МЭИ в 1958 году. В настоящее время выпускаются установки ЭЛУ-27, ЭЛСТУ-60, MEBW-60 и др.

Сущность

Электронно-лучевая сварка проводится электронным лучом в вакуумных камерах. Размеры камер зависят от размеров свариваемых деталей и составляют от 0.1 до нескольких сотен кубических метров.

Плавление металла при электронно-лучевой сварке и образование зоны проплавления обусловлено давлением потока электронов в электронно-лучевой пушке, выделением теплоты в объеме твердого металла, реактивным давлением испаряющегося металла, вторичных и тепловых электронов и излучением.

Сварка производится непрерывным или импульсным электронным лучом. Импульсные лучи с большой плотностью энергии и частотой импульсов 100-500 Гц используются при сварке легкоиспаряющихся металлов, таких как алюминий, магний. При этом повышается глубина проплавления металла. Использование импульсных лучей позволяет сваривать тонкие металлические листы.

В камере, формирующей электронный луч, откачивается воздух вплоть до давлений 1-10 Па. Это приводит к высокой защите расплавленного металла от газов воздуха.

Приемы сварки электронными лучами

В электронно-лучевой сварке применяют следующие технологические приемы для улучшения качества шва:

сварку наклонным лучом (отклонение на 5-7°) для уменьшения пор и несплошностей в металле;
сварку с присадкой для легирования металла шва;
сварку на дисперсной подкладке для улучшения выхода паров и газов из металла;
сварку в узкую разделку;
сварку двумя электронными пушками, при этом одна пушка производит проплавление металла, а вторая формирует корень канала;
предварительные проходы для очистки и обезгаживания кромок свариваемых металлов;
двустороннюю сварку одновременно или последовательно;
развертку электронного луча: продольную, поперечную, Х-образную, круговую, по эллипсу, дуге и т. п.;
расщепление луча для одновременной сварки двух и более стыков;
модуляцию тока луча частотой 1-100 Гц. для управления теплоподачей в сварной шов.