Технология электронно лучевой сварки

Обновлено: 17.05.2024

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).

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:

Электронная пушка, создающая эмиссию и ускорение электронов.
Фокусирующая электромагнитная линза, концентрирующая электронный луч и способствующая увеличению плотности потока электронов.
Электромагнитная отклоняющая система для точного управления лучом.
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

Для уменьшения пор в сварном шве применяют регулировку наклона луча на 5-7° от перпендикуляра.
Для легирования металла шва возможно применение присадок.
Применение способа соединения без разделки кромок или в узкую разделку.
Одновременное или последовательное использование двух электронных лучей, при этом один луч производит проплавление металла, а второй формирует корень шва.
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.

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.

Электронно-лучевая сварка - это надежный способ соединения тугоплавких материалов с разной температурой плавления, сокращенно ЭЛС.

Электронно-лучевая сварка — это надежный способ соединения тугоплавких материалов с разной температурой плавления, сокращенно ЭЛС. Технология развивается с середины прошлого века и с успехом используется в авиационной, космической промышленности. Там, где необходимо особо точное и крепкое соединение компонентов.

Описание технологии

В основе электронно лучевой технологии сварки лежит использование механической энергии электронов, которую создает электронная пушка. Скорость электронов в магнитном поле пушки прямо зависит от ускоряющего напряжения. От мощности энергии пучка и плотности свариваемого материала зависит глубина проникновения луча. При воздействии пучка с материалом кинетическая энергия электронов переходит в тепловую. В это время происходит создание вторичных электронов и выделение рентгеновского и теплового излучений. Чем меньше диаметр пучка, тем больше его удельная мощность.

Управляя мощностью луча и длительностью облучения, можно выполнять множество разных технологических операций. От очистки поверхности материала до сварки и испарения. Все процессы происходят в вакуумной среде. В зависимости от производственной необходимости, вакуум в камере может быть от 10-2 до 10-6.

Для обеспечения непрерывного процесса используют сменные контейнеры. Пока происходит процесс сварки в одном контейнере, другой перезаряжают. Наличие двух контейнеров в несколько раз увеличивает производительность сварочной установки.

Электронно лучевая технология сварки позволяет не только надежно соединять разные материалы, но и делать напыление металлом или керамикой, создавать новые материалы. Например, можно создать материал с электропроводностью меди и крепостью стали.

Мат. часть процесса

Электронно лучевая сварка — это технологически сложный процесс, предъявляющий высокие требования к оборудованию. Установки отличаются производительностью, мощностью, управлением и объемом, но неизменно имеют в составе:

электронную пушку, которых может быть несколько;
вакуумную камеру;
блок управления;
смотровое окно для наблюдения за процессом (или монитор).

В электронно лучевой пушке для сварки формируется поток электронов, который производится катодом, подогреваемым спиралью. Около катода расположены дополнительные электроды, которые предварительно фокусируют электроны, формируя луч. На катод подается отрицательное напряжение. На ускоряющий электрод, размещенный на расстоянии нескольких сантиметров от катода, прикладывается положительное напряжение. Высокая разность потенциалов разгоняет электроны до скорости выше 100 000 км/с. В связи с тем, что электроны имеют свойство взаимно отталкиваться, их необходимо сфокусировать электромагнитной фокусирующей системой. Для точного управления лучом в электроннолучевой пушке установлена электромагнитная отклоняющая система.

уменьшает потери энергии электронов от ударов об молекулы воздуха;
почти полностью снижается вероятность возникновения оксидной пленки на свариваемых материалах;
предотвращает образование дугового разряда.

Для сварки может применяться постоянное или импульсное напряжение с частотой 100-500 Гц. Использовать импульсное напряжение эффективнее, особенно при варке легкоиспаряющихся металлов: алюминий или магний. Энергия луча не тратится на ионизацию паров.

При правильно выборе частоты и скважности колебаний можно сваривать тонкие листы.

Виды сварочных лучевых установок

Электронно лучевые установки бывают камерными (обрабатываемые изделия помещаются целиком в камеру) и бескамерные (вакуум создается локально, только в месте сварки).

По величине рабочего ускоряющего напряжения установки делятся на:

низковольтные (10-30 кВ);
средние (40-60 кВ);
высоковольтные (100-200 кВ).

Промышленность производит универсальные установки и специализированные. Универсальные системы можно применять для ремонтной и экспериментальной сварки изделий. Специализированные системы настраиваются на изготовление однотипных деталей.

Системы могут применяться не только для сварки металлов, в том числе тугоплавких, но и для обработки керамики, стекла, алмазов и других материалов. Установки можно использовать для:

сварки;
резки;
гравировки;
сверления;
легирования
напыления.

Некоторые агрегаты оснащаются механизмом горизонтального вращения для обработки деталей трубчатой формы.

Современные установки отличаются особой точностью позиционирования луча, поэтому они с успехом используется в микроэлектронике. Например, аппарат MEBW-60, который производит предприятие Focus, может сваривать детали из нержавеющей стали толщиной от 0,02 мм. Максимальная толщина стыка до 12 мм.

Использование сварки в промышленности

Расширение использования ЭЛС в промышленности продолжается. Несмотря на некоторые недостатки, как необходимость работы в вакууме и образование в некоторых случаях полостей в теле шва, ЭЛС остается наиболее экономичным и точным способом сварки. Эффективность КПД при электронно лучевой сварке составляет 85-95 %. Это на порядок выше, чем у дуговой сварки.

Без электроннолучевой сварки не обойтись во время обработки:

активных металлов;
термоупрочненных материалов;
деталей ответственного назначения;
тугоплавких металлов,
изделий из керамики, камня.

Метод лучевой сварки используется и для производства в металлургии. Титан выплавляется из титановой губки при помощи электронно лучевых пушек.

Японские строители атомных станций применяют лучевую сварку для соединения аустенитной нержавеющей стали, используемой в активной части реактора, используют электронно-лучевые установки. Исследования показали, что качество сварного шва, полученного лучевым способом, по многим показателям превосходит шов дуговой сварки.

ЭЛС широко применяются в электронной промышленности. С ее помощью герметизируют микросхемы и полупроводниковые приборы. Температура нагрева изделия не превышает 200 градусов. Сварочный аппарат ЭЛУМС-25/0,5, разработанный в НПО «Орион», может приваривать золотые проводники микросборок диаметром 5 мкм.

Наиболее мощные и большие установки применяются в авиационной промышленности. Объем камер составляет около 1500 кубических метров.

В последнее время, после некоторого спада интереса к электронно-лучевой сварке, из-за общего кризиса в экономике, активизировались работы по производству и разработке новых технологий ЭЛС. Если вы специалист в этой сфере, и вам есть что рассказать, добавить или поспорить по теме, высказывайтесь в блоке комментариев.

Электронно-лучевая сварка

Для узкоспециализированных отраслей промышленности, где используются высокоактивные металлы, часто применяются нестандартные технологии. Это обусловлено тем, что обыкновенными методами очень сложно добиться поставленных результатов требуемого качества. Электронно-лучевая сварка является методом соединения металлических изделий, в котором в качестве основного источника энергии для расплавления и достижения нужной температуры выступает кинетическая энергия электронов. Она появляется в пучке, который выпускается соответствующей установкой, в качестве которой выступает электронная пушка. Также тут нужно обеспечивать защиту при помощи изоляции от внешних факторов путем их устранения, а не замещения, как это происходит в других методиках.

Электронно лучевая сварка

Данная методика далеко не так широко распространена, как остальные. Здесь множество сложностей в использовании самого оборудования, обслуживания и так далее. Тем не менее, это относительно безопасный и экологически чистый метод, почти не подвергающий опасности здоровье сварщика. Данная техника выпускается на протяжении более полувека.

Область применения

Основной сферой применения является сварка тугоплавких металлов, которые применяются в авиационной и космической отраслях. Благодаря своей тонкости работы установки электроннолучевой сварки находят применение в приборостроении. Также ведется работа с активными металлами, сложно переносящими контакт с газами и прочими элементами. Если требуется сварить шов, в котором нужна большая глубина проплавления, то следует использовать именно такой способ.

Крупные металлоконструкции, в которых металл обладает высокими качествами износостойкости и трудно поддается температурной обработке, может быть легко сварен таким методом. Электронно-лучевая сварка справляется со многими сложными работами. Для нее практически нет проблемных металлов, так что все сложные варианты сварки проводятся с ее помощью.

Преимущества

Технология электронно-лучевой сварки обладает рядом существенных преимуществ, если сравнивать ее с другими методиками соединения металла. Среди основных плюсов стоит отметить:

Здесь очень высокий коэффициент полезного действия, что позволяет тратить в 10, а то и в 15 раз меньше энергии, чем это требуется для ручной электродуговой сварки;
Благодаря высокой концентрации энергии, здесь можно всего за один проход сварить металл толщиной до 20 см, тогда как при использовании других методов потребовалась бы многослойная сварка;
Это весьма безопасный способ применения сварки, который не подвергает жизнь человека сильно большой опасности;
Здесь отсутствует процесс насыщения расплавленного металла сварочными газами, а также теми, которые находятся в атмосфере.

Недостатки

Несмотря на ряд явных преимуществ, которые существенно выделяют методику среди остальных, здесь есть и свои недостатки:

Процесс в рабочей камере невозможен без создания вакуума вокруг места сварки;
В корне шва могут образовываться полости и не провары, который приводят к ухудшению эксплуатационных характеристик;
Оборудование обладает высокой стоимостью и для многих сфер является недоступным;
Настройка происходит очень долго, так что далеко не всегда удобно создавать швы таким способом.

Режимы

Для проведения качественного процесса сваривания, следует учитывать все особенности настроек, а также металла, с которым ведется работа. К основным параметрам, которые определяют режим, относятся:

Ускоряющее напряжение;
Величина тока в выпускаемом луче;
Скорость передвижения пучка по поверхности свариваемой заготовки;
Точность фокусирования луча;
Продолжительность пауз и импульсов;
Степень вакуумизации.

Сами режимы для каждого типа свариваемого металла выглядят следующим образом:

Читайте также: