+7(499) 136 06 90

+7(495) 704-31-86

[email protected]

Электро лучевая сварка


Электронно-лучевая сварка - сущность, типы, преимущества

Электронно-лучевая сварка

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/см2) при минимальной площади места нагрева (до 10-7 см2) 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 технике лучевой сварки. 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 проводить сварочные 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 электронно-лучевой сварки отражены в таблице ниже:

Металл Толщина, мм Режим сварки Ширина шва, мм
ускоряющее напряжение, кВ сила тока луча, мА скорость сварки, м/ч
Вольфрам 0,5 18-20 40-50 60 1,0
1,0 20-22 75-80 50 1,5
Тантал 1,0 20-22 50 50 1,5
Сталь вида 18-8 1,5 18-20 50-60 60-70 2,0
20,0 20-22 270 50 7,0
35,0 20-22 500 20
Молибден + вольфрам 0,5 + 0,5 18-20 45-50 35-50 1,0

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%.

Основные типы сварных соединений

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!

Похожие статьи

  • Что такое дуговая сварка, электронно-лучевая сварка, электрическая контактная сварка
  • Ультразвуковая сварка пластмасс — метод высокочастотных колебаний
  • Резка и сварка металлов: преимущества применяемых методов
  • Продольная резка металла. Линия продольно поперечной резки стали, жести

область применения, особенности технологии и оборудование

Электронно-Лучевая Сварка (ЭЛС) — это один из видов сварки плавлением. Источником энергии для осуществления процесса ЭЛС служит электронно-лучевая пушка с системой управления электронным пучком (лучом).

Содержание

  • 1 ГОСТ
  • 2 Область применения
  • 3 Особенности процесса электронно-лучевой обработки
  • 4 Технология и оборудование
  • 5 Технологические приемы и регулируемые параметры ЭЛС
  • 6 Преимущества и недостатки

ГОСТ

Технология процесса ЭЛС регламентируется отраслевыми стандартами и подлежит контролю качества по ГОСТ ISO 13919-1—2017 «Сварка. Соединения, полученные электронно-лучевой и лазерной сваркой. Руководство по оценке уровня качества для дефектов».

Область применения

Этот вид неразъёмного соединения различных материалов нашел широкое применение в авиационно-космической технике, судостроении, строительстве, микроэлектронике и других сферах человеческой жизнедеятельности, где необходимо сваривать тугоплавкие, прецизионные (особо чистые) материалы с уникальными свойствами.

Такие металлы, как вольфрам, тантал, молибден, ниобий, имеющие температуры плавления выше 2500 °C, могут быть сварены только лучевыми методами сварки.

Уникальность метода заключается в том, что с его помощью удается сваривать как сверхтонкие детали толщиной до десятков микрон, так и особо толстые (200…300 мм) конструкции из однородных и разнородных металлов и даже некоторые неметаллические материалы.

Особенности процесса электронно-лучевой обработки

Сущность процесса состоит в использовании кинетической энергии потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме под воздействием электромагнитного поля. Для уменьшения потери кинетической энергии электронов за счет соударения с молекулами газов воздуха, а также для химической и тепловой защиты катода в сварочной камере создают вакуум до 10-6 Па.

Электронный луч в зоне сварки обладает высокой мощностью, превосходящей альтернативные сварочные источники, уступая по некоторым параметрам только лучу лазера.

Сварка может производиться как непрерывным, так и импульсным электронным лучом. Импульсные лучи большой плотности с частотой импульсов 100—500 Гц используются при сварке легко испаряющихся металлов, таких, как алюминий, магний, цинк.

Схема электронно-лучевой сварки

ЭЛС позволяет соединять между собой термоупрочненные, тугоплавкие, а также химически активные при высоких температурах материалы. Создает минимальную околошовную зону термического влияния.

КПД электронно-лучевой сварки составляет рекордные 85…90 %. Но такие достижения сопряжены с большими капитальными затратами на оборудование.

Речь идет не только об основном технологическом оборудовании, но и о системах обеспечения вакуума, необходимого для ведения процесса сварки, а также о ЧПУ для автоматизированного управления этим процессом.

Технология и оборудование

Оборудование для электронно-лучевой сварки можно разделить:

  • на универсальное, то есть предназначенное для реализации различных технологических процессов по обработке любых материалов: разделительная резка и прожигание отверстий; сварка и наплавка; нанесение покрытий и напыление; гравировка и т. д.
  • и специализированное — предназначенное для выполнения конкретных операций при изготовлении серийных деталей и конструкций.

В состав оборудования входят:

  1. Электронная пушка, создающая эмиссию и ускорение электронов.
  2. Фокусирующая электромагнитная линза, концентрирующая электронный луч и способствующая увеличению плотности потока электронов.
  3. Электромагнитная отклоняющая система для точного управления лучом.
  4. Вакуумная установка, которая исполняет следующие функции: удаляет атмосферные газы, молекулы которых препятствуют свободному прохождению электронного луча; обеспечивает защиту от воздействия газов и влаги атмосферы на расплавленный металл и зону термического влияния.

Для ЭЛС применяются установки и агрегаты камерного типа (свариваемые детали помещаются целиком в рабочую камеру) и бескамерные (вакуум создается локально — только в месте выполнения сварочных работ).

Технологические приемы и регулируемые параметры ЭЛС

Технологические приемы:

  1. Для уменьшения пор в сварном шве применяют регулировку наклона луча на 5-7° от перпендикуляра.
  2. Для легирования металла шва возможно применение присадок.
  3. Применение способа соединения без разделки кромок или в узкую разделку.
  4. Одновременное или последовательное использование двух электронных лучей, при этом один луч производит проплавление металла, а второй формирует корень шва.
  5. Возможность варьировать продольную и поперечную развертку электронного луча по форме сечения.

Основные параметры режима электронно-лучевой сварки:

  • сила тока в луче;
  • ускоряющее напряжение;
  • скорость перемещения луча по поверхности изделия;
  • продолжительность импульсов и пауз;
  • точность фокусировки луча;
  • глубина вакуума.

Преимущества и недостатки

Обычно преимущества и недостатки определяются в сравнении с аналогами. В данном случае приходится говорить об условных недостатках, так как для определенных конструкций и свариваемых материалов просто нет альтернативных методов и аналогов для сравнения. Главным и непревзойденным преимуществом является высокое качество сварных швов.

Преимущества Недостатки
  • высокая концентрация энергии позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от 0,01 до 300 мм;
  • КПД в 10-15 раз выше, чем при дуговой сварке;
  • отсутствует взаимодействие расплавленного металла с атмосферными газами, что положительно влияет на качество шва;
  • значительно снижаются сварочные деформации деталей и конструкций;
  • возможность сварки соединений различных конфигураций, в том числе принципиально новых, не выполнимых традиционными методами сварки плавлением;
  • высокая производительность и экономичность;
  • наличие существенных предпосылок для комплексной автоматизации и роботизации процесса сварки
  • большие капитальные затраты на приобретение оборудования;
  • повышенные требования к точности сборки;
  • требуется высокая квалификация операторов и обслуживающего персонала;
  • необходимость создания вакуума в рабочей камере, что приводит к увеличению трудоемкости подготовительно-заключительных процессов;
  • генерация мощных электромагнитных полей и рентгеновского излучения. Это приводит к принятию дополнительных мер по охране труда и технике безопасности

Что такое электронно-лучевая сварка? Определение процесса и преимущества

Электронно-лучевая (ЭЛ) сварка — это процесс сварки плавлением, при котором электроны генерируются электронной пушкой и разгоняются до высоких скоростей с помощью электрических полей. Этот высокоскоростной поток электронов плотно фокусируется с помощью магнитных полей и подается на соединяемые материалы. Пучок электронов создает кинетическую теплоту при столкновении с заготовками, заставляя их плавиться и соединяться друг с другом.

Электронно-лучевая сварка выполняется в вакууме, так как присутствие газа может привести к рассеиванию луча. Из-за того, что это вакуумный процесс и из-за высокого напряжения, этот метод сварки в значительной степени автоматизирован и управляется компьютером. В результате для перемещения заготовок внутри сварочной вакуумной камеры используются специальные приспособления и столы с ЧПУ.

Последние разработки в технологии машин для электронно-лучевой сварки позволили реализовать локальный метод электронно-лучевой сварки, при котором электронно-лучевая пушка помещается в вакуумную камеру на стороне соединяемого материала, а не помещается вся заготовка в вакуум камера.

Каковы преимущества электронно-лучевой сварки?

Процесс электронно-лучевой сварки является очень точным методом, а также очень воспроизводимым из-за необходимости автоматизации. Эта технология сварки также создает прочные и чистые соединения, которые можно использовать в ряде высокотехнологичных приложений для широкого круга отраслей. Электронно-лучевая сварка также обеспечивает точный контроль провара на глубину всего 0,0001 дюйма.

Процесс EB также обеспечивает небольшую зону термического влияния благодаря высокому отношению глубины к ширине, что сводит к минимуму деформацию и усадку материала, а также позволяет выполнять сварку в непосредственной близости от термочувствительных компонентов.

Электронно-лучевая сварка также проявляет высокие прочностные свойства, сохраняя до 95% прочности основных материалов.

Поскольку метод выполняется в вакуумной среде, в процессе не остается никаких примесей. Оксиды и нитриды удаляются, а примеси в самих материалах испаряются.

Сварка электронно-лучевым электродом также является высокоавтоматизированной и, следовательно, управляемой, а также отлично подходит для соединения материалов, таких как тугоплавкие или разнородные металлы, которые не поддаются сварке традиционными способами.

Узнайте больше на нашем записанном вебинаре

Каковы недостатки электронно-лучевой сварки?

Основным недостатком этого процесса является то, что технология электронно-лучевой сварки является дорогостоящей и требует частого обслуживания для обеспечения правильной работы оборудования. В результате поддержка, необходимая для поддержания этой технологии высокоэнергетической вакуумной сварки, может быть сложной.

Услуги по электронно-лучевой сварке

Компания TWI обладает многолетним опытом разработки электронно-лучевых процессов, включая ряд нововведений в метод. Наше оборудование включает в себя различные станки EB с диапазоном выходных напряжений и мощностей и различными размерами вакуумных камер, что означает, что мы можем обрабатывать как мелкие, так и крупные компоненты. Мы поддерживаем компании из разных отраслей в таких вопросах, как проектирование, выбор процессов, производство и контроль качества.

Узнайте больше о наших услугах в области электронного луча

Электронно-лучевая обработка

TWI активно занимается разработкой новых возможностей, а также внедрением уже зарекомендовавших себя электронно-лучевых (ЭЛ) процессов и технологий для различных уровней мощности, от высокой мощности до низкой мощности.

Усовершенствованное электронно-лучевое оборудование и решения по обеспечению качества

Опираясь на наши возможности в области сварки и обработки материалов, TWI обладает широким пониманием электронно-лучевого оборудования.

Электронно-лучевое аддитивное производство

TWI может помочь в решении проблем соединения, когда компоненты, изготовленные аддитивным способом, должны стать частью конструкции с высокой степенью целостности.

Электронно-лучевое неаддитивное производство

TWI может помочь в решении проблем соединения, когда компоненты, изготовленные аддитивным способом, должны стать частью высокоинтегрированной структуры.

Внутрикамерная электронно-лучевая сварка

TWI может помочь в решении проблем соединения, когда компоненты, изготовленные аддитивным способом, должны стать частью конструкции с высокой степенью целостности.

Внекамерная электронно-лучевая сварка

TWI активно занимается внекамерными разработками, позволяющими экономично сваривать очень большие узлы.

Принципы электронно-лучевой сварки | Электронно-лучевая сварка | Основы автоматизированной сварки

Электронно-лучевая (световая) сварка — это метод сварки, основанный на принципе испускания электронов в вакуумной трубке или трубке Брауна. Сварка в основном выполняется в вакууме (сварка в высоком вакууме) и характеризуется минимальной деформацией при сварке толстых и тонких листов и даже сварке деталей. Однако в последние годы были разработаны аппараты для электронно-лучевой сварки, способные выполнять сварку даже без идеального вакуума (сварочный аппарат с низким вакуумом) или с перемещением электронной пушки (сварочный аппарат с движущейся электронной пушкой), что еще больше расширило область применения.

Обязательна к прочтению всем, кто занимается сваркой!

Это руководство содержит основные сведения о сварке, такие как типы и механизмы сварки, а также подробные сведения об автоматизации сварки и устранении неисправностей.

Скачать

  • Принципы плавления и применение
  • Отличия от лазерной сварки
  • Муфты для электронно-лучевой сварки

Когда катод в вакууме нагревается нитью накаливания, он испускает электроны. Испускаемые электроны ускоряются напряжением и собираются электромагнитной катушкой и выделяют высокую тепловую энергию, когда они ударяются о основной материал. Электронно-лучевая сварка использует это тепло для сварки.

Диаметр пятна луча типичного аппарата для электронно-лучевой сварки составляет примерно 0,2 мм, а плотность энергии электронного луча примерно в 1000 раз больше, чем у дуги. Тепло, прикладываемое к области вокруг сварного шва, низкое, что позволяет выполнять сварку с меньшими искажениями. Контроль выхода электронного луча позволяет регулировать проникновение, что делает этот метод применимым к широкому спектру основных материалов, от толстых до тонких пластин. Электронно-лучевая сварка также может использоваться для сварки металлов с высокой температурой плавления (таких как вольфрам), а также активных металлов, которые могут окисляться во время сварки (таких как титан).

Потенциальные области применения: корабельные листы, мосты, резервуары для хранения, детали самолетов и электронные компоненты.
С электронными компонентами процесс, называемый электронно-лучевой герметизацией, используется для герметизации кварцевых генераторов, которые должны быть соединены в вакууме. В этом процессе вакуумная пайка пайкой осуществляется путем расплавления наполнителя между металлической крышкой и керамическим корпусом за счет теплопроводности, индуцированной электронным лучом.

Аппарат для электронно-лучевой сварки

Скачать

Как электронно-лучевая сварка, так и лазерная сварка позволяют добиться глубокого провара при небольшом количестве тепла. При лазерной сварке вакуум не требуется, оборудование может быть меньше, чем оборудование для электронно-лучевой сварки, и возможны высокие скорости сварки.
Однако лазерные лучи имеют меньшую мощность, чем электронные лучи, поэтому глубина проникновения меньше, что делает лазерную сварку непригодной для сварки толстых листов. Кроме того, если коэффициент отражения поверхности основного материала высок, эффективность использования энергии будет снижаться.

В таблице ниже сравниваются различные аспекты каждого метода. Сравнение показывает, что оба метода имеют преимущества и недостатки, и что преимущества каждого метода необходимо использовать соответствующим образом.

Сравнение электронно-лучевой сварки и лазерной сварки
Электронно-лучевая сварка Лазерная сварка
CO 2 (углекислый) лазер ИАГ-лазер
Источник тепла Высоковольтный генератор + электронная пушка Оптический резонатор с CO 2 в качестве основной среды Оптический резонатор со стержнем YAG в качестве среды
Выходной диапазон имеющегося в продаже оборудования от 3 кВт до 100 кВт от 0,5 кВт до 45 кВт от 0,1 кВт до 6 кВт
Максимальная мощность плавки Прибл. 150 мм (100 кВт) Прибл. 30 мм (45 кВт) Прибл. 10 мм (6 кВт)
Энергоэффективность луча Прибл. 100% Прибл. 20%
Значительные потери из-за поверхностных отражений и поглощения плазмы
Немного более высокий коэффициент поверхностного поглощения, чем CO 2 с меньшим поглощением плазмы
Максимальная практическая толщина листа Прибл. 100 мм Несколько мм или менее То же, что слева
Сварочная атмосфера Вакуум (<10-2 мм рт.ст.)
Сварка должна выполняться в вакууме
Окружающий воздух
Требуется защита инертным газом, как при дуговой сварке
То же, что слева
Сварочные материалы Только металлы
Без металлических материалов с высоким давлением паров, таких как цинк и магний
Металлы, неметаллы То же, что слева

Скачать

Электронно-лучевая сварка используется для плавления и соединения основных материалов.


Learn more