Виды сварки - Электронно-лучевая сварка (ЭЛС)

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС)

Сущность процесса

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) осуществляется в вакууме за счет расплавления кромок основного металла сфокусированным потоком электронов, имеющим высокую удельную мощность q₂. Технологический диапазон для целей нагрева, плавления, испарения составляет ~10⁴—5*10⁸ Вт/см². Сварка металлов малых толщин (до 3 мм) ведется с удельной мощностью q₂≈10⁴ Вт/см², когда испарение с поверхности сварочной ванны незначительно. Однопроходная сварка металлов больших толщин (до 200—300 мм) требует q₂=10⁵÷10⁶ Вт/см². В этом случае проникновение электронного луча на большую глубину сопровождается испарением металла и формированием канала проплавления, на стенках которого рассеивается практически вся мощность электронного луча. Канал проплавления, поверхность которого сильно перегрета относительно температуры плавления металла Т_пл и может достигать температуры кипения T_кип, движется через толщу металла, образуя по всей глубине канала область расплава металла, который перемещается в хвостовую часть ванны и гам кристаллизуется.Переход от сварки металлов малых толщин к однопроходной сварке металлов больших толщин осуществляется по достижении критической удельной мощности q₂*, величина которой для большинства металлов q₂*=10⁵÷10⁶ Вт/см². Верхнее значение удельной мощности электронного луча для технологических целей ограничено уровнем q₂≤ Вт/см² (выше процесс обработки материала становится неуправляемым из-за взрывного характера разлета образующейся плазмы). Высокая концентрация энергии в луче позволяет получать при больших скоростях ЭЛС узкие и глубокие сварные швы с минимальной зоной термического влияния и высокими механическими свойствами металла шва и околошовной зоны.

Параметры и показатели ЭЛС

Параметрами электронного луча, измеряемыми в процессе сварки, являются: ток луча I, ускоряющее напряжение U, ток фокусирующей системы I_ф, рабочее расстояние (расстояние от центра фокусирующей системы до поверхности свариваемого изделия) l, угол сходимости луча α, скорость перемещения луча v.

При заданных значениях параметров: мощности (Вт) q=IU, l, I_ф, α можно определить диаметр электронного луча d и соответственно удельную мощность q₂, Вт/см².

q₂=IU/(πd²/4).    (5.1)

При использовании импульсно-периодического режима сварки средняя мощность луча, Вт, равна:

q_ср=I_иUfτ,    (5.2)

где I_и — ток луча в импульсе. A; U — ускоряющее напряжение. В;  f — частота следования импульсов, Гц; τ — длительность импульса, с. Скорость сварки в импульсном режиме, см/с:

v_св = b(l—K)f,    (5.3)

где К — коэффициент перекрытия точек (обычно K=0,5÷0,9); b — диаметр сварной точки, см. Количественными показателями ЭЛС являются: погонная энергия Q₁=q/v_св (Дж/см) — затраты энергии на единицу длины сварного шва; Q₂=q/v_свH (Дж/см²) — затраты энергии на формирование единицы площади стыка; q/H (Вт/см) — затраты мощности на единицу глубины сварного шва; К=Н/В (здесь В — ширина шва, К — коэффициент формы шва; Н — глубина шва).

Типичные интервалы значений параметров электронного луча для сварки следующие: q=1÷120 кВт при U=25÷120 кВ, α= 1÷5°, l=20÷200 мм. v_св=0,1÷3 см/с, d=0,1÷3 мм, f=1÷100 Гц, τ=5÷100 мс, К>10.

Камеры и вакуум для электронно-лучевой сварки

Электронно-лучевую сварку осуществляют чаще всего вертикальным либо горизонтальным лучом (рис 5.1) в вакуумных камерах, размеры которых зависят от габаритов свариваемых изделий. Объем камер современных установок составляет от 0.1 (и менее) до сотен кубических метров.

Рис. 5.1. Схема установки электронно-лучевой сварки:
1 — пушка; 2 — электронный луч; 3 — изделие (труба); 4 — откачка; 5 — камера

Камера с находящейся на ней (или в ней) электронной пушкой, формирующей электронный луч, может откачиваться как до высокого (~10^-3 Па), так и до низкого (~1—10 Па) вакуума, но с отдельной откачкой объема электронной пушки до 10^-3 Па.

Даже в низком вакууме ~1 Па содержание кислорода в 17 раз, а азота в 10 раз меньше, чем в особо чистом аргоне, поэтому при ЭЛС защита расплавленного металла очень эффективна.

Установки с выпуском электронного луча в атмосферу на расстояние 15—20 мм при U = 175÷200 кВ обеспечивают мощность до 40 кВт и коэффициент формы шва K≈3 из-за малой удельной мощности вследствие сильного рассеяния луча.

Техника электронно-лучевой сварки

Сварку электронным лучом можно успешно применять в нижнем положении вертикальным лучом, вертикальным и горизонтальным швом на вертикальной стене (горизонтальным лучом) с неполным и сквозным проплавлением. Сварка в нижнем положении рекомендуется для толщин до 40 (стали) и до 80 мм (титановые и алюминиевые сплавы). Горизонтальным лучом со сквозным проплавлением сваривают металлы толщиной до 400 мм. Типичная взаимосвязь глубины проплавления с параметрами сварки представлена на рис. 5.6. Конструкция соединения для однопроходной ЭЛС выполняется с учетом глубокого проникновения луча в металл (рис. 5.7). Толщина зазора в стыке составляет 0,1—0,2 мм при глубине шва ≤20÷30 мм и 0,3 мм при глубине шва >30 мм. В общем случае, зазор должен быть меньше диаметра луча.

Рис. 5.7. Типы конструкций стыка при ЭЛС

При ЭЛС используют ряд технологических приемов для улучшения качества шва:

• сварку наклонным лучом (отклонение в направлении перемещения на 5—7°) для уменьшения пор и несплошностей и создания более равномерных условий кристаллизации;
• сварку с присадкой для легирования металла шва или восстановления концентрации легкоиспаряющихся в вакууме элементов;
• сварку на дисперсной подкладке для улучшения выхода паров и газов из канала (подкладка толщиной ~40 мм из гранул или рубленой сварочной проволоки);
• сварку в узкую разделку (0,8—8 мм) в нижнем положении за счет наплавки присадки в прямоугольную разделку кромок;
• тандемную сварку двумя электронными пушками, из которых одна осуществляет проплавление, а вторая (меньшей мощности) формирует либо корень канала, либо хвостовую часть ванны. При квазитандемной сварке используют один луч, но периодически отклоняя его, например в хвост ванны, получают практически два луча;
• предварительные проходы для проверки позиционирования луча и очистки и обезгаживания кромок свариваемых металлов;
• двустороннюю сварку одновременно или последовательно двух противоположных сторон стыка примерно на половину толщины стыка. Одновременную двустороннюю сварку осуществляют как с общей ванной, так и с раздельными;
• развертку электронного луча: продольную, поперечную, Х-образную, круговую, по эллипсу, дуге и т. п. с амплитудой порядка диаметра луча и частотами до 1—2 кГц для создания более благоприятных газо- и гидродинамических условий формирования канала (резонансные режимы нагрева). Двойное преломление луча в процессе развертки позволяет, например, расширить корневую часть канала, что необходимо для подавления корневых дефектов;
• расщепление луча (за счет отклоняющей системы) для одновременной сварки двух и более стыков (точек);
• модуляцию тока луча (обычно с частотой 1—100 Гц) для управления теплоподачей в сварной шов;
• «косметическое» заглаживание — повторный проход для ремонта видимых дефектов шва как с внешней, так и с внутренней сторон. В некоторых случаях «косметические» проходы осуществляют с присадкой.

Особенности технологии сварки цветных, тугоплавких металлов и сплавов, а также конструкционных сталей подробно изложены в монографии: Электронно-лучевая сварка/О. К. Назаренко, А. А. Кайдалов, С. Н. Ковбасенко и др./Под ред. Б. Е. Патона.— Киев: Наукова думка, 1987.— 256 с.

Волченко В.Н. Сварка и свариваемые материалы, том 2.

См. также:

• Оборудование для электронно-лучевой сварки