Електронно-променеве зварювання - обладнання та сфера застосування. Електронно-променеве зварювання


Електронно-променеве зварювання на сьогоднішній день є перспективним способом з'єднання тугоплавких металевих сплавів. Ця технологія може використовуватися з високоміцними сплавами, якісною сталлю, алюмінієм та титаном. Ця технологія ґрунтується на використанні тепла, що виділяється при гальмуванні частинок, прискорених за допомогою високої енергії. Подібні технології стали використовуватися в металургії лише з розвитком електронної оптики та вакуумної техніки. Однією з переваг використання цієї технології зварювання є її якість, а також можливість роботи з різними тугоплавкими металами.

Електронно-променеве зварювання

При виконанні зварювальних робітза цією технологією використовується спеціальна електронна гармата, яка дозволяє генерувати спрямований пучок заряджених із високою енергією частинок. Такий спрямований пучок розігріває метал, забезпечуючи отримання високої температури кромок, що зварюються. Електронна гармата отримує енергію від високовольтного джерела із постійним струмом. При цьому вся робота такого обладнання контролюється автоматикою, що дозволяє виключити стрибки напруги, а відтак зварювальна дуга має постійну температуру і необхідну інтенсивність.


Однією з особливостей даної технології зварювання є необхідність руху електронного променя строго певної лінії зварювання. Для цього використовується спеціальна магнітна система, що відхиляє, яка забезпечує управління зварювальною дугою. Для зменшення втрати енергії електронів через їх зіткнення з молекулами газу безпосередньо в місці зварювального з'єднання створюється вакуум, що гарантує максимальну ефективність даної технології та якісне з'єднання металевих елементів.

Технологія променевого зварювання

При виконанні таких зварювальних робіт пучок заряджених частинок проходить по передній стінці сполучного шва, а розплавлений метал поступово стікає з боків, концентруючись біля задньої стінки сполучного шва, де незабаром кристалізується і застигає. При цьому забезпечується з'єднання металів на молекулярному рівні, що гарантує максимальну міцність зварювання.


Можливе виконання зварювальних робіт безперервним променем, який управляється з відповідною гарматою та магнітною системою, що відхиляє, так і з використанням імпульсного електронного променя. Цей промінь має велику щільність енергії, яке частота імпульсів становить 100-500 гігагерц. Імпульсний промінь використовується для зварювання легкосплавних і легковипарних металів. Зазначимо, що імпульсна технологія може застосовуватися для роботи з надзвичайно тонкими тугоплавкими металевими листами. При появі під час зварювання підрізів тонких кромок їх у подальшому можна видалити зварювальним електронним променем, що коливається.

Встановлення електронно-променевого зварювання

Насамперед хотілося б поговорити про основні параметри виконання цієї роботи. Їх таких характеристик променевого зварювання виділимо таке:


  • Точність фокусування променя.
  • Загальна тривалість імпульсів.
  • Прискорення напруги.
  • Швидкість руху звареного променя.
  • Сила струму отриманому промені.
  • Ступінь вакууму.

Вибір тих чи інших параметрів зварювання в даному випадку безпосередньо залежатиме від конкретних особливостей металів, що з'єднуються. Слід зазначити, що якість виконання даної роботи вимагатиме дотримання точності напрямку променя по його осях та правильність складання деталей. Саме тому необхідно витримувати мінімально і максимально допустимі зазори в деталях, що з'єднуються, залежно від цього вибирають ті чи інші параметри обладнання.

Способи

При використанні променевої технології можна отримати такі види з'єднань металевих виробів:

  • Кутове.
  • Замкове.
  • Стикове.
  • Стикове з використанням виробів різної товщини.
  • Стикове з виконаним відбортуванням кромок.
  • Стикове зі з'єднанням шестерні.

Характерні особливості променевого зварювання

З особливостей виконання такої роботи можна виділити таке:


  • Зварювання за променевою технологією виконується у вакуумному середовищі. Тим самим виключається деградація розплавленого металу та забезпечується максимально чиста поверхня.
  • Концентрований промінь дозволяє досягати максимально високих температур. Метал при дії таких температур швидко розплавляється, що дозволяє отримати дрібнозернистий шов із мінімальною шириною.
  • При використанні інших технологій зварювання виникають значні труднощі при роботі зі металами, які чутливі до інтенсивності нагрівання. При цьому променеве зварювання може використовуватися для роботи з такими чутливими до нагрівання сплавами, у тому числі високолегованими сталями, титаном і алюмінієм.

Переваги і недоліки

З переваг цієї технології можна назвати таке:

  • Є можливість з'єднання кераміки, тугоплавких металів та інших виробів.
  • За виконання зварювальних робіт виділяється мінімальна кількість теплової енергії. Тим самим забезпечується зниження витрат з'єднання таких деталей.
  • Забезпечується максимально можлива якість виконаного з'єднання. Навіть при роботі з тими металами, які зварювати іншими технологіями надзвичайно складно, можна отримати довговічне і міцне з'єднання.

Якщо ж говорити про недоліки, то можна виділити наступне:


  • Для забезпечення вакууму в робочій камері використовується спеціальне обладнання.
  • p align="justify"> При роботі з металевими сплавами з великою теплопровідністю існує ризик утворення несплавлень.

Електронно-променеве зварювання (ЕЛС) - це надійний, ефективний, економічний спосіб з'єднання матеріалів (у тому числі різнорідних), що перевершує за якістю всі інші відомі методи зварювання, як зварювання в середовищі захисних газів, мікроплазмове зварювання, лазерне зварювання тощо.

Сутність процесу полягає у використанні кінетичної енергії потоку електронів, що рухаються з високими швидкостями у вакуумі. Для зменшення втрати кінетичної енергії електронів за рахунок зіткнення з молекулами газів повітря, а також для хімічного та теплового захисту катода в електронній гарматі створюють вакуум близько 10 -4 ... 10 -6 мм рт. ст., тобто. у всьому діапазоні термічного впливу, ведення процесу у вакуумі, що забезпечує чистоту оброблюваного матеріалу, а також можливість повної автоматизації процесу.

Експериментальні та розрахункові дані показують, що процес впровадження електронного променя у матеріал з утворенням у ньому каналу відбувається за рахунок періодичного з частотою 10 3 ...10 6 Гц (залежно від концентрації енергії) викиду речовини внаслідок вибухового випаровування матеріалу. В основу таких уявлень поклали порівняння швидкостей введення енергії та релаксації цієї енергії матеріалом. Для більшості металів швидкість введення тепла в діапазоні концентрації енергії 10 5 ...10 6 Вт/см 2 набагато перевищує швидкість відведення його внаслідок теплопровідності, що неминуче призводить до поверхневого випаровування та скипання мікрооб'єму розплаву речовини, в якій виділяється енергія електронного променя.

Встановлено, що у рідкому металі навколо електронного променя існує порожнина. Ця порожнина постійно перебуває у русі: глибина її періодично коливається від нульової до максимальної з частотами 10...60 Гц. Крім того, порожнина періодично стуляється, в основному у верхній частині, а іноді і в інших перерізах каналу.

Проблеми вивчення фізичних явищу зоні впливу електронного променя обходять шляхом введення деякого джерела теплоти та використання теорії теплопровідності. Такі підходи у ряді випадків дають можливість швидше отримати методики розрахунків процесу, ніж докладний аналізфізичних явищ. У значною мірою це з дією принципу місцевого впливу.

Для теплового підходу, тобто. розв'язання задачі теплопровідності в умовах електронно-променевого впливу необхідно знати характер теплового джерела та тепловий баланс процесу.

Експериментальні дані показують, що втрати теплоти на випаровування при ЕЛЗ із глибоким проплавленням не перевищують 5...10%, тобто. тепловий баланс електроннопроменевого впливу при концентраціях енергії до10 5 ...10 6 Вт/см 2 багато в чому подібний до теплового балансу при процесі електродугового нагріву. На цій підставі одержали співвідношення, що зв'язують потужність електронного променя (з урахуванням концентрації енергії) з характеристиками проплавлення, вирішуючи традиційне завдання теплопровідності. Точність обчислень у своїй достатня.

Що стосується характеру теплового джерела, то згідно з експериментальними та розрахунковими даними залежно від прискорюючої напруги, а вірніше від глибини пробігу електронів у речовині, він є або нормально розподіленим поверхневим (прискорювальна напруга менше 20 кВ), або (для випадку високих прискорювальних напруг) нормально розподіленим по поверхні та глибині. Для оцінки теплових полів у разі ЕЛЗ із глибоким проплавленням непогану точність дає апроксимація теплового джерела як лінійного кінцевої глибини або як комбінація точкового та лінійного.

Ще один об'єкт досліджень, що має важливе значеннядля теорії та практики зварювання плавленням в цілому, пов'язаний з вивченням руху розплаву – це гідродинамічні процеси в зоні електронно-променевого впливу. Від процесів перенесення рідкого металу у зоні обробки залежить більшість дефектів для формування зварних швів, а деяких випадках гідродинаміка визначає продуктивність обробки. Глибоке проплавлення металів характеризується появою специфічних дефектів (порожнин в обсязі шва, коливань глибини проплавлення по довжині шва), тому гідродинаміка є предметом ретельного вивчення і при інших концентрованих джерелах: зварюванні в захисних газах, аргонодуговому зварюванні, промені лазера, струмені. поширення набуло моделювання гідродинамічних процесів за умов впливу КПЕ.

Концентрований потік електронів, падаючи на поверхню матеріалу, здійснює розігрів речовини в зоні обмеженою шириною променя і глибиною пробігу електронів. Якщо швидкість тепловиділення менша від швидкості відведення енергії внаслідок теплопровідності, то відбувається нагрівання з утворенням напівсферичної (або близько до неї) форми проплавлення (м'який режим нагрівання, процес випаровування практично відсутній). Підвищення концентрації енергії у зоні впливу до 10 ...10 Вт/см 2 призводить до того, що швидкість тепловиділення стає порівнянною зі швидкістю відведення енергії внаслідок теплопровідності (критичний режим нагрівання, починається суттєве пароутворення). Якщо при малих концентраціях енергії енергетичний баланс процесу складається з витрат на відведення тепла оброблюваним виробом (до60%), його плавлення (до35%) і випаровування (до5%), то при концентраціях вище критичних, коли швидкість тепловиділення набагато більша за швидкість відведення тепла, більша частинаенергії, що вводиться, витрачається на плавлення і викид розплаву за рахунок об'ємного закипання або інших ефектів.

Ефективність процесу впливу променя суттєво підвищується при поглибленні зони обробки у матеріал з утворенням каналу. Час нагріву та викиду порції речовини мало (-10" ...10" с), тому процес свердління каналу носить періодичний характер із частотами -10 ...10 Гц.

Так як викид речовини йде з дна каналу, що опускається в матеріал з деякою швидкістю, максимальні температура і тиск пари знаходяться біля дна каналу і падають його висотою. У виходу з каналу температура та тиск мінімальні.

Взаємодія електронного пучка з продуктами викиду (сумішою пари і конденсату) в обсязі каналу призводить до того, що пучок електронів, що безперервно діє, періодично розсіюється на стінках каналу. Концентрація потужності променя в момент розсіювання на стінки падає на 1...2 порядку (пропорційно площі внутрішньої поверхніканалу), тому таке «розмазане» по стінках джерело забезпечує практично тільки плавлення стінок. Таким чином, коли канал вільний від пар оброблюваного матеріалу, електронний промінь без втрат досягає його дна, відбувається випаровування речовини з дна каналу. Коли канал заповнений пором, електронний промінь розсіюється та передає енергію стінкам, утворюючи рідку фазу.

З урахуванням часу періодичного екранування частота викиду речовини дещо зменшується, але залишається високою (~10 4 ...10 5 Гц). Поглиблення каналу відбувається до тих пір, поки тиск пари в ньому більше сумарного тиску поверхневого натягу та тиску, обумовленого стовпом рідкої фази стінок каналу. Найменший тиск пари завжди має місце біля виходу з каналу. Тому, як тільки тиск пари стає менше тиску поверхневого натягу та ваги рідкої фази, канал у верхній частині може стулятися. Якщо не переривати дію променя, то змикання матиме періодичний характер із частотами близько 10...100 Гц. Змикання каналу зверху є причиною специфічного дефекту - наявності порожнин в обсязі проплавлення. Таким чином, безперервний процес електронно-променевого впливу переходить у зоні обробки коливальний процес з високими частотами, зумовленими газодинамическими процесами, і низькими частотами, що є наслідком гідродинамічних явищ.

Отже, реалізація різноманіття термічного впливу електронного променя (від плавки до свердління) залежить від швидкості введення енергії.

Параметрами електронного променя, що вимірюються в процесі обробки, є струм променя I, що прискорює напругу U, струм фокусуючої системи 1ф, робоча відстань (відстань від центру фокусуючої системи до поверхні деталі, що зварюється) 1, швидкість переміщення електронного променя і.

Потужність електронного променя (Вт) q=IU. При заданій робочій відстані 1 струмі фокусування 1ф і потужності зварювання можна визначити діаметр електронного променя d і, отже, питому потужність qi (Вт/см 2), яка є одним з визначальних параметрів процесу:

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

Погонна енергія (Дж/см)

не є визначальним параметром, так як при електронно-променевої обробки залежно від величини питомої потужності q2 при однаковій погонній енергії можна отримати різну конфігурацію зони обробки. При дії в імпульсному режимі середня потужність (Вт)

де I-величина струму в імпульсі, A; f-частота проходження імпульсів, Гц; т-тривалість імпульсу, с.

Швидкість обробки в імпульсному режимі (см/с)

1) = В(1-К)/(Т + Тп),

де Тп – час паузи між імпульсами, с; до -коефіцієнт перекриття точок (зазвичай до = 0.5 ... 0.9); -діаметр зони обробки (точки).

Крок точок (см)

S = і (т + Тп),

швидкість обробки

U - S/(T + Тп).

Параметром, що характеризує співвідношення тривалості імпульсу та часу паузи в імпульсному режимі, є шпаруватість циклу

G = т/(т + тп).

Найбільш суттєвим і одночасно найбільш складним параметром електронного променя є його діаметр.

При заданих щільностях струму емісії з катода, температурі катода та сферичної аберації лінзової системи пучок електронів з максимальним струмом може бути сфокусований у пляму мінімального діаметра (см):

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

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

З урахуванням виразу діаметра плями питома потужність:

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

тут So - постійна електронно-оптична система;

Кл - елементарний заряд електрона; до-постійна Больцмана;

Т – температура катода,

До; fo - фокусна відстань; с - безрозмірна постійна сферична аберація лінзи або системи лінз; j - Струм емісії з катода, А/м 2 .

Електронно-променеве зварювання (або просто променеве, ЕЛС.) є одним з швидко розвиваються способів з'єднання різних тугоплавких металів, різнорідних, хімічно активних, якісних сталей, сплавів високої міцності на основі титану та алюмінію.

Променева зварювання - процес, заснований на використанні тепла, що виділяється під час гальмування гострофокусованого пучка заряджених частинок, прискорених до високих енергій. Широке застосування це джерело нагріву придбало лише з розвитком вакуумної техніки та електронної оптики, тільки після цього він став застосовуватись у металургійній техніці.

Стимулом для пошуку нового способу з'єднання послужили складності з металами, що важко зварюються: молібден, тантал, цирконій, ніобій і вольфрам відрізняються високою температурою плавлення і хімічною активністю, що вимагало використання джерел тепла великої концентрації і великої захищеності зони зварювання.

Сутність процесу ЕЛС

Основним компонентом є електронний промінь, який створюється особливим приладом – електронною гарматою.

Як видно з малюнка нижче, гармата має катод (2), який розміщений усередині прикатодного електрода (3). На певній відстані від катода розташовується електрод, що прискорює, з отвором - анод (4). Гармата харчується електричною енергієювід високовольтного джерела постійного струму (5)

Щоб збільшити густину енергії в електронному промені після виходу з першого анода електрони концентруються магнітним полемв магнітній лінзі (6), електрони, що летять, сфокусовані в щільний пучок, ударяються на великій швидкості об малу майданчик на виробі (1). На даному етапі кінетична енергія електронів внаслідок їхнього гальмування перетворюється на теплоту, таким чином нагріваючи метал до високих температур.

Для переміщення електронного променя по виробу на шляху руху електронів розміщують магнітну систему, що відхиляє (7), яка дозволяє встановити промінь строго по лінії зварювання.

Для того, щоб знизити втрату кінетичної енергії електронів внаслідок зіткнення з молекулами газів повітря, а також для хімічного та теплового захисту катода в гарматі створюється вакуум близько 10 -4 - 10 -6 мм рт.ст. Така висока концентрація енергії променя (до 109 Вт/см 2 ) при мінімальній площі місця нагріву (до 10 -7 см 2) веде до зменшення термічних деформацій під час зварювання та формування шва з кинджальною формою проплавлення.

Технічний вакуум при ЕЛС виконує кілька функцій:

  • знижує втрату кінетичної енергії електронів, дозволяючи часткам досягати поверхні виробу майже не стикаючись з молекулами повітря;
  • запобігає дуговому розряду між анодом і катодом, забезпечує хімічний захисткатода;
  • захищає розплавлений метал від взаємодії з навколишньою атмосферою ефективніше, ніж захисний газ, флюс;
  • сприяє покращенню дегазації зварювальної ванни та видалення оксидних плівок, що позначається на якості з'єднання.

Техніка ЕЛС

З малюнка нижче видно, яку форму має проплавлення . Плавка металу променем (1) відбувається по передній стінці поглиблення (2) - кратера, - а метал, що розплавляється, зсувається по бічних стінках до задній стінці(4), де він кристалізується (3).

Можливе зварювання безперервним променем, проте при роботі з металами, що легко випаровуються (наприклад, магній, алюміній) зменшується ефективність електронного потоку, як і кількість теплоти, що виділяється через втрати енергії при іонізації парів металів. Тут рекомендується роботи імпульсним електронним променем із частотою імпульсів 100-500 Гц та з великою щільністю енергії. Ця маніпуляція веде до підвищення глибини конуса проплавлення. У такий спосіб можна зварювати дуже тонкі металеві листи. У випадку, якщо відбувається утворення підрізів, їх можна видалити зварюванням розфокусованим або променем, що коливається.

Параметри режиму променевого зварювання та типи зварних з'єднань

Основні параметри режиму ЕЛС включають:

  • ступінь вакуумізації;
  • силу струму у промені;
  • швидкість руху променя поверхнею виробу;
  • прискорююча напруга;
  • точність фокусування променя;
  • тривалість імпульсів та пауз.

Режими відображені в таблиці нижче:

Для пересування електронного променя по виробу необхідно переміщати сам виріб або промінь за допомогою системи, що відхиляє. Ця система дозволяє здійснювати коливання променя як вздовж, так і впоперек шва, а також складнішу траєкторію.

До початку зварювання потрібно дотримання точного складання деталей і точний напрямок променя по осі стику.Так, при товщині металу до 5 мм зазор становить трохи більше 0,07 мм, при товщині до 20 мм - до 0,1 мм з відхиленням променя трохи більше 0,2-0,3 мм. Для збільшених зазорах (з метою попередження підрізів) знадобиться додатковий метал у вигляді дроту присадки або технологічних буртиків. Змінюючи розмір зазору та кількість доданого металу, можна довести частку присадного металу швом до 50%.

Розглянемо основні типи зварних з'єднань, що рекомендуються для електронно-променевого зварювання. Рисунок нижче демонструє такі види:

  • а) - стикове;
  • б) – замкове;
  • в) - стикове з деталями різної товщини;
  • г) – кутове;
  • д), е) - стикове при зварюванні шестерень;
  • ж) - стикове з відбортуванням кромок.

Особливості зварювання променевого типу

Процес променевого зварювання характеризують дві особливості:

  • процес зварювання реалізується у вакуумному середовищі, що гарантує отримання максимально чистої поверхні та дегазацію розплавленого металу;
  • Нагрів відбувається до дуже високих температур, таким чином метал швидко плавиться, а шов в результаті обробки виходить дрібнозернистий і мінімальної ширини.

Ці особливості дозволяють працювати зі сплавами, чутливими до інтенсивного нагрівання.Електронно-променевим зварюванням виготовляють деталі з алюмінієвих та титанових сплавіввисоколегованих сталей. Метали та сплави піддаються зварюванню в однорідних та різнорідних комбінаціях, різними за товщиною та температурою плавлення. Мінімальна товщина заготовок, що зварюються - 0,02 мм, а максимальна - до 100 мм.

Переваги та недоліки електронно-променевого зварювання

Зварювання електронним променем має низку вагомих переваг, серед яких:

Мала кількість теплоти, що вводиться. Найчастіше для отримання однакової глибини проплавлення при зварюванні даного типупотрібно теплоти в 5 разів менше, ніж при дуговому виглядіщо значно знижує короблення виробів;

Можливість зварювання кераміки та тугоплавких металів (танталу, вольфраму), кераміки і т. д. З чітким фокусуванням променя стає можливим нагріти поверхню діаметром менше міліметра. Це в свою чергу дозволяє одноразово приварювати метали завтовшки від десятих часток міліметра;

Висока якість зварних сполук хімічно активних металів та сплавів: молібдену, титану, ніобію, цирконію. Як правило, у багатьох випадках відбувається дегазація металу шва та одночасно підвищення його пластичних характеристик. ЕЛС також незамінна при з'єднанні низьковуглецевих, корозійностійких, мідних, нікелевих сталей, алюмінієвих сплавів.

Але незважаючи на більшу кількість переваг, ЕЛС має і мінуси.

Недоліки електронно-променевого зварювання

Час - витрата при створенні вакууму в робочій камері після завантаження виробів;

Можливість утворення несплавлень, порожнистих отворів у корені шва при зварюванні металів із великою теплопровідністю, а також швах із великим ставленням глибини до ширини.

Застосування ЕЛС виправдане, коли потрібно проводити роботи у важкодоступних та незручних місцях. Зварювання цього різновиду універсальна та економічна. Універсальність цього зварювання виражена тим, що за допомогою неї з'єднують вироби як з будь-яким обробленням кромки, так і без обробки. Економічність полягає в порівняно малому споживанні електрики.

Сьогодні на вітчизняних підприємствахзастосовується електронно-променеве обладнання з гарматами прямого та непрямого розжарення катодів та власного виробництва, та інших російських і зарубіжних фірм. У установках з внутрішньокамерним розташуванням променевих гармат можна зварювання з'єднань горизонтальним чи похилим променем по складним траєкторіям руху. Точна механіка у поєднанні з комп'ютерними технологіямита системами управління усувають залежність якості підсумкових сполук від людського фактора, тобто присутність оператора-зварювальника практично виключається, оскільки процес відбувається майже автоматизовано. Зварювальне обладнання нескладне в експлуатації та його обслуговування не передбачає витрат трудових ресурсів. Запрограмувавши установку, потрібно лише стежити за тим, як промінь наводиться в потрібне місце і слідує вздовж стику. Від робочого персоналу потрібно лише змінювати потужність променя та регулювати фокусування на конкретному відрізку траєкторії стику.

В цілому, електронно-променеве зварювання – це раціональне та перспективний напрямоку розвитку сучасних технологійзварювання!

Вступ, сутність процесу

На етапі розвитку фізики широке і різнобічне застосування знаходить використання енергії електронів.

Електронявляє собою елементарну частинку, Що має негативний заряд

маса електронаm e = 9,109 ´ 10 -31 кг,

заряд електронаe = 1,602 ´ 10 -19 Кл.

Електрон, будучи найменшою стійкоюзарядженою елементарною частинкою матерії, може бути найпростішим способом одержаний у вільному стані. Найчастіше для отримання вільних електронів використовують термоелектронні катоди-метали.

Величина струму термоелектронної емісії залежить від температури катода, роботи виходу та властивостей поверхні та визначається рівнянням Річардсон-Дешман:

Je = at2 ´ e-eYо / kt

де j e - щільність струму емісії, А/см 2;

А - емісійна постійна, яка залежить від властивостей випромінюваної поверхні, зазвичай А = 40 70 А/см 2 К 2 ;

Т - абсолютна температуракатода, К;

е - основа натурального логарифму;

е Y про - робота виходу електрона із металу, Дж;

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

Вільні електрони під впливом електричних або магнітних полів можуть переміщатися. Так як електрони мають найменшу інертну масу з усіх елементарних частинок, що мають заряд, то електрону можуть бути повідомлені великі прискорення. При цьому енергія електронів може досягати великих значень і залежить від різниці потенціалів поля, що розганяє.

Швидкість руху електрона, виражена через потенціал поля, що розганяє Uдорівнює:

V = 2e u / me ,

підставивши значення маси та заряду електрона отримаємо:

V = 600 u , км/с

З формули видно, що швидкості електронів навіть при порівняно невеликих напругах (різниці потенціалів) досягає більших величин.

Наприклад, U= 10000 В - Vелектрона = 60000 км/с

    Регулюючи величину та напрямок початкової швидкості електронів, величину та напрямок напруженості електричного поля, можна отримати рух електронів за заздалегідь розрахованою траєкторією.

Це дозволяє керувати рухом електронів, отримувати необхідні значення енергії, щільність електронів у пучку і т.д.

Електрони, рухаючись у електричному поліможуть накопичити значну кінетичну енергію. При досягненні електроном поверхні металевого анода швидкість електронів різко зменшується внаслідок зіткнення з атомами металу. За таких зіткнень кінетична енергія електронів передається атомам речовини, що зазнають бомбардування. Ефект передачі енергії електронів речовині проявляється збільшенням температури речовини.

Видільна на аноді потужність у вигляді теплоти дорівнює:

Р а = N ´ e ´ U , де N ´ e = J a тому Р а = J a ´ U

Дослідженнями встановлено, що електрони, що мають певну енергію, можуть проникати вглиб металу при його бомбардуванні. Товщина поверхневого шару речовини, в якій відбувається повна втрата енергії електрона в результаті численних зіткнень з ядрами металу та електронами решітки, визначають його пробіг.

При порівняно невеликих енергіях електронів (10?80 кеВ) пробіг електронів визначиться залежністю згідно формулі Шенланду :

d = 2,6 ´ 10 -12 ´ U 2 / r , см ,

де U - розганяюча напруга, В;

r - Щільність речовини, г/см 3 .

У результаті зіткнень змінюється швидкість і напрямок руху електронів, що проникають у метал. Електрони витрачають основну енергію в кінці пробігу, після проникнення в метал.


Рис. 1. Шлях електрона у речовині.

Таким чином, на відміну від звичайних, широко застосовуваних джерел тепла, що виробляють нагрівання шляхом теплопередачі через поверхню металу , Вивільнення енергії при ЕЛС відбувається в самій речовині,причому найбільш інтенсивно тепловиділення відбувається на певній глибині. Зміна величини втрати енергії електрона, розрахована на одиницю довжини шляху вздовж його пробігу, можна у вигляді кривої ( Рис. 2.).


Рис. 2. Зміна величини втрати енергії Е р , Розраховане на одиницю довжини шляху, для первинного електрона вздовж його пробігу.

При невеликих значеннях питомої потужності в електронному промені на рідкий метал зварювальної ванни не впливають значні зовнішні сили, у зв'язку з чим зварний шовформується без пропалів навіть при зварюванні металу товщиною 0,1?0,2 мм.

Тиск потоку електронів на зварювальну ванну невеликий і становить близько десятих грам на квадратний сантиметр ( г/см 2 )

р = j ´ 0 , 035 Ö U прискор. , Н/м 2 ,

де р - Тиск електронів, Н/м 2 ;

j - щільність струму в пучку, А/см 2;

U прискор. - прискорююча напруга, кВ.

Фізична картина зовнішніх явищ, що супроводжують вплив електронів на метал, складається з:

    рентгенівського випромінювання,

    тепловипромінювання,

    виникнення вторинних електронів,

    випаровування металу у вигляді атомів, іонів металу

і може бути зображена у вигляді наступної схеми ( Рис. 3):


Рис. 3. Фізична картина явищ, що супроводжують проникнення електронів у речовину.

Сутність ЕЛС у вакуумі

    Сутність ЕЛС у вакуумі полягає у використанні кінетичної енергії електронів, що швидко рухаються в глибокому вакуумі.

    При бомбардуванні електронами поверхні металу переважна частина кінетичної енергії електронів перетворюється на теплоту, яка використовується для розплавлення металу.

    Одержання вільних електронів досягається застосуванням розпеченого металевого катода, що емісує електрони.

    Прискорення вільних електронів забезпечується електричним полем з високою різницею потенціалів між анодом та катодом.

    Фокусування електронів досягається використанням магнітних полів.

    Електронний промінь, що використовується для зварювання, створюється в спеціальному приладі- Електронні гармати.

Електронна гармата (рис.4) являє собою пристрій, за допомогою якого одержують вузькі електронні пучки з великою густиною енергії.

Для забезпечення вільного руху електронів від катода до анодаа також для запобігання можливості виникнення дугового розряду між електродами в установці створюється глибокий вакуум близько 10 -4 мм.рт.ст (133 ´ 10 -4 Н/м 2 )


Рис. 4. Принципова схемаелектронної гармати

В ІЕС розроблено типаж електронно-променевих зварювальних гармат, що поширюється на електронно-променеві гармати з прискорювальною напругою 15240 кВ, призначені переважно для зварювання. У типаж включені електричні гармати, з емітером у вигляді таблетки з татналу або гексабориду лантала з електростатичною фокусуванням, електромагнітним відхиленням електронного променя.

Таблиця 1.

Електронно-променеве зварювання- Зварювання, джерелом енергії при якій є кінетична енергія електронів в електронному пучку, сформованому електронною гарматою.

Використовується для зварювання тугоплавких, високоактивних металів у космічній, авіаційній промисловості, приладобудуванні та ін. Електронно-променеве зварювання використовується і при необхідності отримання високоякісних швів з глибоким проплавленням металу для великих металоконструкцій.

Історія

Перша установка для електронно-променевого зварювання була створена в МЕІ 1958 року. В даний час випускаються установки ЕЛУ-27, ЕЛСТУ-60, MEBW-60 та ін.

Сутність

Електронно-променеве зварювання проводиться електронним променем у вакуумних камерах. Розміри камер залежать від розмірів деталей, що зварюються, і становлять від 0.1 до декількох сотень кубічних метрів.

Плавлення металу при електронно-променевому зварюванні та утворення зони проплавлення обумовлено тиском потоку електронів в електронно-променевій гарматі, виділенням теплоти в обсязі твердого металу, реактивним тиском металу, що випаровується, вторинних і теплових електронів і випромінюванням.

Зварювання проводиться безперервним чи імпульсним електронним променем. Імпульсні промені з великою щільністю енергії і частотою імпульсів 100-500 Гц використовуються при зварюванні металів, що легко випаровуються, таких як алюміній, магній. У цьому підвищується глибина проплавлення металу. Використання імпульсного проміння дозволяє зварювати тонкі металеві листи.

У камері, що формує електронний промінь, повітря відкачується аж до тисків 1-10 Па. Це призводить до високого захисту металу розплавленого від газів повітря.

Прийоми зварювання електронними променями

В електронно-променевому зварюванні застосовують такі технологічні прийоми для покращення якості шва:

  • зварювання похилим променем (відхилення на 5-7°) для зменшення пір та несплошностей у металі;
  • зварювання з присадкою для легування металу шва;
  • зварювання на дисперсній підкладці для покращення виходу парів та газів з металу;
  • зварювання у вузьку обробку;
  • зварювання двома електронними гарматами, при цьому одна гармата виробляє проплавлення металу, а друга формує корінь каналу;
  • попередні проходи для очищення та знегажування кромок металів, що зварюються;
  • двостороннє зварювання одночасно або послідовно;
  • розгортку електронного променя: поздовжню, поперечну, Х-подібну, кругову, по еліпсу, дузі тощо;
  • розщеплення променя для одночасного зварювання двох і більше стиків;
  • модуляцію променевого струму частотою 1-100 Гц. для керування теплоподачею у зварний шов.
Подібні публікації