Электронно-лучевая сварка

метки: Сварка, Электронный, Лучевой, Глубина, Теплота, Использовать, Деталь, Позволять

В XXI веке развитие авиационной промышленности, а затем и космической, характеризуется в первую очередь тем, что они интенсивно аккумулируют все новые достижения науки и техники. Наиболее наглядным и характерным примером этому является разработка и внедрение различных методов получения неразъемных соединений.

Требования, предъявляемые к качеству сварных соединений на сегодняшний день очень высоки

В настоящее время существует большое количество методов и способов сварки. Особое применение в проектировании и производстве космических кораблей, самолетов, приборов управления полетом, получила электронно-лучевая технология сварки. К преимуществам данной технологии относится полная автоматизация, большая экономия электроэнергии и материала, высокая глубина проплавления, концентрация глубины проплавления по всему диапазону.

Указанные преимущества технологии делают актуальным ее применение для целей сварки тонкостенных деталей и микросварки герметизации корпусов в авиационной промышленности. Это означает, что благодаря электронно-лучевой сварки можно добиться высокого качества сварного шва, без понижения физических свойств, повысить ресурсы и мощность машин, создавать сложные узлы, детали и конструкции.

1.Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка — сварка с высокой концентрацией теплоты, отличной защитой. Сущность процесса состоит в использовании кинетической энергии потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме. Для уменьшения потери кинетической энергии электронов за счет соударения с молекулами газов воздуха, а также для химической и тепловой защиты катода в электронной пушке создают вакуум порядка 104 — 106 мм. рт. ст.[1]

Электроны, обладающие достаточно высокой энергией, могут проникать в обрабатываемый материал на некоторую глубину. Максимальная глубина, пройдя которую электрон теряет свою энергию, зависит от ускоряющего напряжения и плотности обрабатываемого материала и может быть выражена зависимостью δ = 2,35

• 10-12U2/ ρ, гдe δ — глубина проникновения, cм;
• U — ускоряющее напряжение, B ;
• ρ — плотность обрабатываемого материала, г/см3. Так, для стали с плотностью 7,8 г/см3 при U = 60 кВ δ ≈ 12 мкм. Следовательно, энергия электронного луча преобразуется в тепловую внутри тонкого поверхностного слоя. Взаимодействие электронного луча с обрабатываемым материалом вызывает ряд явлений, влияющих на технологию сварки и конструкцию сварочных установок. Тепловое и рентгеновское излучения, отраженныe, вторичные и тепловые электроны незначительнo снижают эффективно используемую дoлю энергии электронного луча для нагревa и плавления свариваемого металла.

При воздействии пучка электронов сравнительно невысокой плотности мощности (до 1

Магнитоимпульсное формообразование. Плазменная, лазерная и электронно-лучевая ...

... импульсной формовки: 1. Большие скорости обработки, позволяющие формовать детали из маловязких и твердых металлов, ... ток создает вокруг него магнитное поле. Если в это магнитное поле ввести проводящий контур ... в области значений q=q0 целесообразно производить сварку материалов. По мере дальнейшего роста плотности ... d0, до которого может быть сфокусирован луч ОКГ, достигает значений 1 мкм. Процесс ...

— 105 Вт/см2) процесс электронно-лучевая сварки подобен процессу обычной электродуговой сварки. Проплавление существенно ограничено по глубине и в поперечном сечении близко по форме к полусфере. Такой процесс при меняется для сварки малых толщин (дo 3 мм).

[1]

Рисунок 2. Обычный электронно-лучевой монитор

1.1 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. 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. [3]

Рисунок 3. Типы конструкций стыка при ЭЛС. [3]

Рисунок 4. Технология электронно-лучевой сварки [8]

При ЭЛС используют ряд технологических приемов для улучшения качества шва:

1. сварку наклонным лучом (отклонение в направлении перемещения на 5—7°) для уменьшения пор и несплошностей и создания более равномерных условий кристаллизации;
2. сварку с присадкой для легирования металла шва или восстановления концентрации легкоиспаряющихся в вакууме элементов;
3. сварку на дисперсной подкладке для улучшения выхода паров и газов из канала (подкладка толщиной ~40 мм из гранул или рубленой сварочной проволоки);
4. сварку в узкую разделку (0,8—8 мм) в нижнем положении за счет наплавки присадки в прямоугольную разделку кромок;
5. 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;
6. предварительные проходы для проверки позиционирования луча и очистки и обезгаживания кромок свариваемых металлов;
7. 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;
8. 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;

9. расщепление луча (за счет отклоняющей системы) для одновременной сварки двух и более стыков (точек);
10. модуляцию тока луча (обычно с частотой 1—100 Гц) для управления теплоподачей в сварной шов;
11. «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.

1.2 Основные параметры режима электронно- лучевой сварки

Основные параметры режима электронно-лучевой сварки (таблица 1):

1. сила тока в луче;
2. ускоряющее напряжение;
3. скорость перемещения луча по поверхности изделия;
4. продолжительность импульсов и пауз;
5. точность фокусировки луча;
6. степень вакуумизации.

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
Таль типа 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

Таблица 1 Режимы электронно-лучевой сварки.[2]

Для перемещения луча по поверхности изделия используют перемещение изделия или самого луча с помощью отклоняющей системы. Отклоняющая система позволяет осуществлять колебания луча вдоль и поперек шва или по более сложной траектории. Низковольтные установки используют при сварке металла толщиной свыше 0,5 мм для получения швов с отношением глубины к ширине до 8:1. Высоковольтные установки применяют при сварке более толстого металла с отношением глубины к ширине шва до 25:1. [2]

Основные типы сварных соединений, рекомендуемые для электронно-лучевой сварки, приведены на рисунке 2. Перед сваркой требуется точная сборка деталей (при толщине металла до 5 мм зазор не более 0,07 мм, при толщине до 20 мм зазор до 0,1 мм) и точное направление луча по оси стыка (отклонение не больше 0,2 … 0,3 мм).

[2]

Рисунок 5.Типы сварных соединений при сварке электронным лучом

а — стыковое (может быть с бортиком для получения выпуклости шва ); б — замковое; в — стыковое деталей разной толщины; г — угловые; д и е — стыковые при сварке шестерен; ж — стыковые с отбортовкой кромок

При увеличенных зазорах (для предупреждения подрезов) требуется дополнительный металл в виде технологических буртиков или присадочной проволоки. В последнем случае появляется возможность металлургического воздействия на металл шва. Изменяя зазор и количество дополнительного металла, можно довести долю присадочного металла в шве до 50%.

Рисунок 6.Схемы прозвучивания , необходимые для выявления поперечных эксплуатационных дефектов на наружно й(а) и на внутренней (б) поверхности трубопровода

1.3 Преимущества сварки электронным лучом

Сварка электронным лучом имеет значительные преимущества:

1. Высокая концентрация ввода теплоты в изделие, которая выделяется не только на поверхности изделия, но и на некоторой глубине в объеме основного металла. Фокусировкой электронного луча можно получить пятно нагрева диаметром 0,0002 … 5 мм, что позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. В результате можно получить швы, в которых соотношение глубины провара к ширине до 20:1 и более. Появляется возможность сварки тугоплавких металлов (вольфрама, тантала и др.), керамики и т.д. Уменьшение протяженности зоны термического влияния снижает вероятность рекристаллизации основного металла в этой зоне. [4]
2. Малое количество вводимой теплоты. Как правило, для получения равной глубины проплавления при электронно-лучевой сварке требуется вводить теплоты в 4 … 5 раз меньше, чем при дуговой. В результате рез ко снижаются коробления изделия.
3. Отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла газами. Наоборот, в целом ряде случаев наблюдается дегазация металла шва и повышение его пластических свойств. В результате достигается высокое качество сварных соединений на химически активных металлах и сплавах, таких как ниобий, цирконий, титан, молибден и др. Хорошее качество электронно-лучевой сварки достигается также на низкоуглеродистых, коррозионно-стойких сталях, меди и медных, никелевых, алюминиевых сплавах. [4]

1.4 Недостатки сварки электронным лучом

Недостатки электронно-лучевой сварки:

1. создание вакуума в рабочей камере, загрузка и выгрузка изделий из нее требуют значительного времени, что не только снижает производительность процесса, но и затрудняет осуществление комплексной автоматизации;
2. вследствие торможения электронов в свариваемом металле, особенно при большом ускоряющем напряжении (> 100 кВ), возникает жесткое рентгеновское излучение, что требует дополнительной защиты обслуживающего персонала и, кроме того, усложняет и без того непростое оборудование;
3. необходимость высококвалифицированного персонала.

2. Специфические дефекты в сварных швах при электронно-лучевой сварке

Особенности гидродинамических, тепловых и деформационных процессов при формировании сварного шва в ходе электронно-лучевой сварки приводят к образованию специфических дефектов, снижающих эксплуатационные характеристики соединений.

Рисунок 4 Схема поведения канала при электронно-лучевой сварке : a — канал свободен oт жидкости; б — отражение волны жидкого металла от хвостовой части ванны; в — захлопывание канала. [7]

В следствие периодического заливания дна пародинамического канала наблюдаются неравномерность проплавления с образованием пилообразной формы нижней части границы литой зоны, образование пор и усадочных раковин, особенно в корневой части шва, из -за недостатка жидкого металла при высокой скорости кристаллизации литой зоны малых размеров.

Корень шва имеет типичную пичковую структуру. Каждому пичку в корне шва соответствует чешуйка на поверхности шва, т.е. для сварного шва при ЭЛС характерна, как правило, слоистая

Для предотвращения корневых дефектов необходимо формировать пародинамический канал с достаточно широкой нижней частью и закруглением канала. Изменение формы канала осуществляется изменением формы распределения плотности мощности электронного пучка в зоне сварки, например круговым сканированием пучка. Расширение корня шва позволяет также уменьшить опасность несплавлений свариваемых деталей из-за проявления остаточных или наведенных магнитных полей.

В центре шва по всей его высоте вследствие нормального теплоотвода в месте стыковки встречно-растущих кристаллитов и сосредоточения легкоплавких включений может возникать зона пониженной прочности с образованием продольных горячих трещин. Иногда их называют срединными трещинами. Их высота обычно составляет 2… 15 мм, а ширина 0,1… 0,3 мм . Следует при этом учитывать и высокую жесткость соединения при сварке больших толщин. [7]