Электронно лучевая сварка принцип работы

Обновлено: 04.10.2024

Существует достаточно большое количество различных тугоплавких металлов, которые соединить между собой можно только при применении специальной технологии электронно-лучевой сварки. Ее суть заключается в фокусировании пучка света, который при воздействии на поверхность проводит ее нагрев.

Электронно лучевая сварка

Сегодня электроннолучевая сварка считается одной из быстро развивающихся технологий. Она применяется для работы с тугоплавкими и химическими активными, разновидными веществами и качественными сплавами. Среди ключевых моментов электронно лучевой сварки можно отнести следующие моменты:

Сваривание проводится за счет использования кинетической энергии летящих электронов, которые при соприкосновении с поверхностью становятся причиной нагрева поверхности.
Развитие подобного метода электронной сварки можно связать с появлением современной вакуумной техникой и электронной оптики. Только после того как стали производить подобное оборудование технология стала часто использоваться в металлургической области.

Установка для электронно-лучевой сварки

Электронно лучевая сварка может оказывать требуемое воздействие на твердые и тугоплавкие сплавы. За счет локального воздействия температуры можно получить качественное соединение.

Сущность процесса ЭЛС

Электронная пушка применяется в качестве генератора светового пучка. К ее особенностям отнесем следующие моменты:

В качестве генератора пучка и его перенаправления устанавливаются электроды и катоды.
Для того чтобы сфокусировать луч устанавливается оптический элемент. В зависимости от типа оборудования он может изготавливаться из различных материалов.
В качестве питания применяется бытовая сеть. Увеличить напряжение и другие параметры можно за счет встроенного трансформатора.

Технология электронно лучевой сварки предусматривает фокусирование луча за счет магнитной линзы. При касании электроны соударяются на большой скорости с небольшой поверхностью, при возникновении трения вырабатывается тепловая энергия. На этом этапе пучок кинетическая энергия становится тепловой, повышается пластичность обрабатываемого материала, и он плавится.

Процесс электронно лучевой сварки связан с применением специального оборудования. Оно позволяет получить качественное соединение, которое будет выдерживать существенное механическое воздействие и окружающей среды.

Существенно снизить потери энергии можно при проведении рассматриваемого процесса в условиях вакуума. За счет этого исключается вероятность термической деформации. Вакуумная среда выполняет несколько основных функций, которые должны учитываться:

Если сравнивать применение вакуумной среды с газовой или флюсом, то она защищает обрабатываемую поверхность более эффективно.
Обеспечивается высокая химическая защита катода.
Снижается потеря кинетической энергии. Это связано с тем, что частицы сфокусированного луча не соприкасаются с молекулами воздуха.
Повышается эффективность дегазации сварочной ванной. Вакуумная среда исключает вероятность появления оксидной пленки.

Однако, применение вакуумной среды существенно повышается стоимость процедуры. Это связано с тем, что специальное оборудование обходится достаточно дорого.

Техника ЭЛС

Электронно лучевая сварка характеризуется определенными особенностями, которые нужно учитывать. Среди особенностей выделим следующие моменты:

Плавка проходит по средней стенке углубления. Выполнять сварку нужно с учетом того, что расплавленный металл будет перемещаться к задней части сварочной ванной. После этого он начинает кристаллизоваться.
Можно проводить плавку непрерывным лучом. Исключением можно назвать обработку сплавов из алюминия или магния. Слишком высокая температура становится причиной ионизации паров. Именно поэтому в подобном случае рекомендуется применять импульсный луч.

При применении технологии, которая связана с воздействием на поверхность импульсного луча можно провести обработку заготовок небольшой толщины.

Параметры режима лучевой сварки и типы сварных соединений

Для качественной обработки поверхности материала следует рассмотреть основные параметры проведения электронной лучевой сварки. Они следующие:

Степень вакуумизации. Вышеприведенная информация определяет то, что при сварке в условиях вакуума существенно повышается эффективность процесса.
Показатели подаваемого тока в луче могут варьировать в большом диапазоне. Это связано с тем, что для толстых заготовок повышается показатель силы тока.
Скорость передвижения луча по поверхности определяет производительность технологии. Кроме этого, скорость передвижения увеличивается для исключения вероятности прожига металла.
Точность фокусировки луча также определяет эффективность процедуры. Этот показатель зависит от того, какое применяется оборудование.
Продолжительность пауз. Некоторые технологии предусматривают прерывистое воздействие светового импульса.

Образцы электронно-лучевой сварки

Основные параметры можно найти в специальных таблицах. Применяемое оборудование позволяет вводить основные параметры.

Особенности сварки лучевого типа

Технология применения сфокусированного луча встречается крайне редко. Рассматривая особенности сварки лучевого типа уделяется внимание следующим моментам:

Получить чистую поверхность и обеспечить максимальную степень дегазации металла можно только в случае проведения работы в условии вакуума.
Нагрев проводится до высокой температуры, за счет обеспечивается плавка металла в зоне контакта. За счет этого получается мелкозернистый шов с привлекательными характеристиками.

Подобный метод не приводит к образованию трещин. Именно поэтому он используется для работы с материалами, которые восприимчивы к сильному нагреванию и могут плавится.

Примером можно назвать процесс изготовления деталей из различных алюминиевых сплавов. Минимальная толщина обрабатываемых деталей составляет 0,02 мм, максимальный показатель около 100 мм.

Достоинства и недостатки электронно лучевой сварки

Как и у многих других технологий, у рассматриваемой также есть достоинства и недостатки. К положительным сторонам можно отнести:

На поверхность воздействует меньшее количество тепла. Как правило, при дуговой сварке оказывается более высокое тепловое воздействие. За счет этого существенно повышается степень коробления металла. Слишком высокая температура приводит к изменению кристаллической структуры.
Есть возможность провести обработку керамики и некоторых других трудноплавких металлов. При фокусировании луча можно проводить обработку поверхности диаметром менее одного миллиметра.
Высокое качество получаемого шва определяет то, что технология может применяться для получения ответственных изделий и декоративных элементов. Сфокусированный луч приводит к дегазации металлического шва, за счет чего повышается степень пластичности и некоторые другие параметры. Провести электронную сварку можно также и коррозионностойких сплавов.
Применяемое оборудование позволяет проводить регулировку мощности в достаточно большом диапазоне. Поэтому электронно лучевая сварка может использоваться для работы с различными заготовками.
Можно получить узкий, но глубокий шов. За счет этого существенно повышается прочность соединения.
При выборе импульсного режима можно исключить вероятность деформации поверхности из-за воздействия высокой температуры.
Метод может использоваться для термической обработки и перфорации, а также резки металла.

Есть и определенные недостатки. Они следующие:

Для создания вакуумной среды требуется определенное время. Именно поэтому существенно снижается показатель производительности подобной технологии.
В корне шва может появится полое отверстие. Именно поэтому следует проводить контроль качества соединения при применении специального оборудования.

Электронно лучевая сварка оправдана в том случае, если нужно провести обработку труднодоступных мест. Экономичность связана с небольшим показателем потребления энергии.

Виды сварочных лучевых установок

Оборудование для электронно лучевой сварки характеризуется высокой эффективность применения. Однако, сложность конструкции определяет ее высокую стоимость. В продаже встречается:

С элементом прямого накала катодов.
С элементом косвенного накала.

Некоторые установки электронно лучевой сварки могут проводить обработку поверхности по криволинейным траекториям. Для этого проводится установка компьютера, который и контролирует положение исполнительного органа относительно обрабатываемой поверхности.

Электронно-лучевая сварочная установка

Модели, выпускаемые зарубежными производителями, характеризуются высокой степенью автоматизации. Наибольшей эффективностью пользуется метод полного проплавления соединительного стыка.

Область применения

Как ранее было отмечено, рассматриваемый метод применяется для соединения различных материалов и сплавов, которые характеризуются высокой устойчивостью к воздействию тепла. Область применения следующая:

Обработка алюминия.
Соединение изделий, представленных сплавов из титана.
Обработка бериллиевых металлов.
Работа с танталом, ниобием, цирконием.
Обработка легированных сталей.

Качественные изделия могут получать в ракетостроении и атомной энергетике. Это связано с тем, что лучевая технология позволяет получить однородный шов.

Использование сварки в промышленности

Применение ЭЛС постоянно расширяется несмотря высокую себестоимость процесса и некоторые ее недостатки. Технология характеризуется показателем КПД почти 95%. Этот показатель больше чем у более распространенной дуговой сварки.

Промышленное применение выражено следующим образом:

При работе с активными металлами.
При обработке термоупрачненных металлов.
Для соединения тугоплавких материалов.
При работе с камнем и керамикой.
Для создания ответственных деталей.

Сегодня ЭЛС получила широкое распространение в сфере производства электронных изделий. За счет вакуума можно обеспечить герметизацию микросхем. При этом на поверхность может оказывать воздействие самая различная температура. Производительные установки подходят для работы в сфере авиации. Объем камер может варьировать в большом диапазоне. В заключение отметим, что в последнее время технология активно развивается. Это связано с возможностью получения качественных изделий при небольших затратах.

Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка - новый метод сваривания, который характеризуется быстрым развитием. Его уж достаточно давно используют в разных сферах промышленности, и популярность этого метода только возрастает. Востребованность связано с тем, что с помощью ЭЛС можно соединить любые типы материалов - высокопрочные сплавы, металлы с сильной химической активностью, тугоплавкие основы. Но все же, несмотря на его высокую популярность, стоит изучить главные особенности и принципы проведения.

Краткая информация

Электронно-лучевая сварка - способ сваривания, в основе которого лежит использование луча. При проведении данной технологии луч вырабатывает тепло, которое образует при столкновении пучка из заряженных частиц. Механизм не простой, но все же перед тем как приступать к работам, стоит в нем внимательно разобраться.

Сварка ЭЛС часто используется для сваривания и обработки тугоплавких металлов, легко окисляемых сплавов, которые не получается варить другими методами. При ее проведении тепло концентрируется в одной точке, а сварочная зона остается под надежной защитой. Она нашла широкое применение в разных областях промышленности, начиная от микроэлектроники и заканчивая оптикой.

Достоинства и недостатки

Технология электронно-лучевой сварки имеет преимущества и недостатки, которые стоит предварительно рассмотреть. Но сначала стоит изучить положительные особенности данного метода:

При помощи сварки можно сваривать компоненты с размером толщины от 0,2 мм.
При расплавлении металла происходит перемещение ванны расплава в нижнюю зону, а стыковая область наполняется до краев, после основа кристаллизуется.
Сварка имеет высокую производительность.
Генерирование пучка из электронов происходит в постоянном и импульсивном режиме. При обрабатывании сплавов из магния и алюминия используется импульсивное воздействие.
Благодаря тому, что во время сварочного процесса используется вакуумизация, происходит улучшение качества сварного соединения. Металлическая основа не вступает в реакцию с элементами воздуха.
Сила тока луча имеет огромный потенциал, это делает оборудование более многофункциональным.

Но не стоит забывать про то, что электро-лучевая сварка имеет негативные качества:

технологическое оборудование, которое применяется во время сварочного процесса, имеет сложное применение. Чтобы с ним работать, необходима дополнительная подготовка;
наблюдается быстрое изнашивание катода. В связи с тем, что при сварке используется электрическое поле, наблюдается разогревание тугоплавкой проволоки до 2400 градусов;
во время генерации электронов проявляется рентгеновское излучение. По этой причине должна быть обеспечена защита для сварщиков.

Важно! При проведении сварки металлов с высокими теплопроводными свойствами наблюдается высокая вероятность образования отверстий в корне шва. Это оказывает негативное влияние на качество сварного соединения.

Особенности оборудования

Электронная лучевая сварка является технологически сложным процессом, который предъявляет повышенные требования к оборудованию. Для работы с ним требуется иметь специальные навыки, опыт и знания. Желательно предварительно пройти обучение.

Установка электронно-лучевой сварки имеет массу положительных качеств. Она отличается высокой производительностью, мощностью, многофункциональностью, объемом. Устройство сварочного оборудования имеет следующие компоненты:

пушка электронного вида. В устройстве может быть 2-3 пушки;
камера с вакуумным устройством;
блок управления;
смотрового окна, которое применяют для контролирования работ.

Все работы производятся в вакуумной камере. Среда без воздуха способствует следующим положительным условиям:

снижает расход энергии электронов, которые могут возникать от ударов об молекулы воздуха;
понижает вероятность появления оксидной пленки на изделиях, которые применяются для сваривания;
противостоит появлению дугового разряда.

Технология

Для проведения сварочного процесса обязательным условием является соблюдение вакуумизации. Необходимая глубина разряжения в пушке способствует беспрепятственному передвижению электронов. Из области камеры полностью удаляется воздушные массы, в них имеет кислород, который может вызывать окисление металлической структуры. Действие вакуума похоже на действие флюса - он защищает от коррозийного поражения.

В основе данной технологии лежит способность электронов перемещать энергию. Когда для движения нет препятствий, частицы в прямолинейном направлении перемещаются к сварной поверхности. Именно расплавление металла производится под их воздействием.

Параметры

Электронная сварка с использованием луча должна производиться с соблюдением важных параметров, от этого зависят прочностные характеристики сварного шва. К ним относятся:

Степень вакуумизации. Это означает, что при сварочном процессе в вакууме происходит сильное повышение эффективности работ.
Объемы подаваемого тока в луче могут изменяться в широком диапазоне. Чем больше будет толщина свариваемой детали, тем выше должны быть показатели силы тока.
Скоростные показатели передвижения луча на поверхности определяют степень производительности сварочных работ. Помимо этого повышение скорости передвижения предотвращает прожигание металлической основы.
Точная фокусировка луча оказывает влияние на эффективность сварки. Но это зависит от того, какое оборудование используется для электронно-лучевой сварки.
Длительность пауз. В некоторых технологиях может наблюдаться прерывистое влияние импульса.

Стоит отметить! Основные требования и принципы проведения данной сварочной технологии можно найти в специальной документации и ГОСТах. А используемое оборудование позволяет вводить основные параметры.

Электронная сварочная технология с использование луча - уникальный метод соединения металлических элементов, который не имеет аналогов. За счет высокой производительности и больших возможностей сварку используют практически во всех областях промышленности. При помощи этого способа производят различные конструкции с высокой важностью.

Интересное видео

Что такое электронно-лучевая сварка и где она применяется

Метод электронно-лучевой сварки разработан в середине прошлого века. Он используется для соединения тонкостенных и толстостенных деталей из различных сплавов, включая тугоплавкие, сложные, деформирующиеся при нагреве. Лучевая сварка применяется даже для обработки керамики. Метод ЭЛС основан на способности электронов переносить энергию. Для образования потока заряженных частиц необходим вакуум высокой степени разряжения. Из-за этой технологической особенности перспективный метод не получил широкого применения.

Сущность процесса и область его применения

Электроннолучевую сварку применяют при обработке тугоплавких металлов, легко окисляемых сплавов, которые невозможно варить другими методами. Под электронным лучом образуется расплав, который заполняет стык на всю глубину. Электроны одновременно воздействуют на металл по всей поверхности стыка. Функции сварочного устройства выполняет электронная пушка. Из разогретого тугоплавкого металла в глубоком вакууме до 10 -6 Па вырываются электроны, они ускоряются под силовым воздействием тока, устремляются в рабочую зону. ЭЛС действует аналогично лазерной, только в отличие от светового луча пучок электронов невидим. Энергия его значительно превосходит лазер, площадь воздействия меньше.

Достоинства и недостатки ЭЛС

Как и любой горячий метод соединения деталей, электронно-лучевая сварка имеет ряд преимуществ и недостатков. Сначала о достоинствах:

можно соединять детали толщиной от 0,2 мм;
во время плавки металла ванна расплава перемещается в нижнюю зону, стык заполняется полностью, затем начинается кристаллизация;
глубокое соединение образуется за один проход луча, высокая производительность процесса;
пучок электронов генерируется в постоянном или импульсном режиме, при обработке магниево-алюминиевых сплавов применяется импульсное воздействие;
вакуумизация улучшает качество шва, металл не реагирует с компонентами воздуха;
большой диапазон силы тока луча расширяет возможности установки.

сложность технологического оборудования, для работы на нем требуется длительная подготовка;
быстрый износ катода, тугоплавкая проволока под воздействием электрического поля разогревается до 2400°C;
при генерации электронов возникает рентгеновское излучение, необходимо обеспечить защиту сварщиков.

Технология электронно-лучевой сварки

Обязательным условием считается вакуумизация. Глубина разряжения в пушке обеспечивает беспрепятственное движение электронов. Из рабочей камеры также удаляется воздух с содержащимся в нем кислородом, окисляющим металл. Вакуум действует на шов аналогично флюсу – защищает от коррозии.

Метод сварки электронным лучом основан на способности электронов переносить энергию. Когда движению ничего не мешает, частицы прямолинейно следуют к свариваемой поверхности. Металл плавится под их воздействием. Прогрев идет по всей глубине зазора между деталями.

Область воздействия частиц – площадь в десятые доли микрона. Электроны проникают на глубину до 20 см. При методе электронно-лучевой сварки соотношение толщины зазора к ширине образуемого шва достигает 25. Возможности сварки за счет этого расширяются, электронным лучом соединяют детали из тугоплавких сплавов. Из-за высокой скорости воздействия в металле не создается остаточных напряжений. Хотя по мощности потребляемого тока ЭЛС сварка сопоставима с другими методами, энергозатраты в разы меньше за счет большой скорости варки.

Особенности и режимы сварки электронным лучом

Для сварочных работ соединяемые детали укладывают с минимальным зазором, пространство между двумя частями металла толщиной 20 мм не должен превышать 0,1 мм. Для сварки больших зазоров используется присадочный металл, допустимая доля присадки в шве – не более 50%. Направление луча, выходящего из электронной пушки, строго контролируется, допуск не более 0,3 мм.

В установках варят детали толщиной от 0,2 мм до 200 мм. Регулируемые мощностные параметры электронно-лучевого метода:

лучевая сила тока (для вольфрама толщиной 1 мм – до 80 мА, для сталей 35 мм – до 500 мА)
ускоряющее напряжение (для тонкостенных металлов используют низковольтные блоки питания, для толстостенного – высоковольтные);
скорость движения луча в зоне сварки (для вольфрама толщиной 1 мм – до 50 м/ч, для сталей 35 мм – 20 м/ч).

Степень вакуумизации влияет на плотность электронного луча, вакуум обеспечивает защиту шва от окисления. Из-за высокой скорости сварки, металл, склонный к пластической деформации, не успевает разогреться, на нем не появляются трещины. Сохраняется целостность деталей.

Оборудование ЭЛС

Устройство любой промышленной установки включает несколько обязательных элементов:

пушка – генератор плотного луча;
блок электропитания, обычно они подключаются к стандартной сети 220 В, дополнительно встраивается трансформатор;
электронный блок управления, визуально контролировать процесс варки нельзя, нужна точная контролирующая аппаратура;
вакуумная система, различается по мощности.

В зависимости от назначения, установки способны образовывать криволинейные стыки, проваривать металл на всю глубину. Различают:

По типу вакуумирования:

камерные установки электронно-лучевой сварки предусматривают размещение деталей в камере, из нее полностью откачивают воздух;
локальные – изолируют только зону сварки, вакуум создается в небольшом объеме.

По параметрам разряжения:

специализированные установки создают разряжение до 10 -2 Па;
универсальные установки ЭЛС рассчитаны на максимальное давление до 10Па;
с параметрами так называемого промежуточного вакуума, давление инертного газа – от 10 до 100 Па;
ЭЛС с защитной атмосферой, в зону стыка аргон нагнетается под давлением свыше 100 Па.

Электронная пушка во всех установках устроена по одному принципу. Поток электронов создается между:

катодом, он бывает двух видов: плазменный (косвенного накала) или прямого накаливания (по сути, катод – это спираль из вольфрама, тантала или другого тугоплавкого сплава);
анодом, его делают их меди или стальной.

Поток меняет направление, отклоняется в одну или другую сторону, когда на управляющем электроде меняется потенциал.

На установках ЭЛС проводят сварку тугоплавких сплавов, стык проваривается насквозь за один проход. Метод электронно-лучевой сварки применяется в наукоемких областях, бытового распространения не получил из-за сложности и высокой стоимости оборудования.

Читайте также: