ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

УСТАНОВКИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ

Для создания электронного луча требуется довольно глубокий вакуум, такой, чтобы средняя длина свободного пробега элект­ронов была больше расстояния от катода, где они образуются, до свариваемого изделия.

Установки для электронно-лучевой сварки состоят из следую­щих основных узлов: вакуумной камеры с откачиой системой, сва­рочной электронной пушки, создающей электронный луч, свароч­ного стола и системы перемещения деталей, источника силового питания электронной пушки, системы управления установкой. И зависимости от размеров свариваемого изделия в электронно­лучевых установках используют камеры соответствующих разме­ров, позволяющих перемещать изделие для получения сварных швов заданной конфигурации.

Часто в камере размещают сварочные манипуляторы на несколь­ко изделий, позволяющие осуществлять их смену, не открывая камеры, это значительно увеличивает производительность уста-

Рис. 84. Блок-схема питания установки для электронно лучевой сварки

новок. Так как поперечные размеры источника сварочной тепло­ты — электронного луча в этих установках малы, к точности работы манипуляторов предъявляются повышенные требова­ния. Так, отклонение свариваемого стыка от необходимого положения допускается от нескольких микрометров до 0,2 мм; отклонение скорости сварки не должно превышать ±1% от номинала.

Электронный луч — источник теплоты, разогревающий и рас­плавляющий металл, создается электронной пушкой, питающейся от силового выпрямителя, блока нагрева катода, а управление энергетическими параметрами луча — от блока управления моду­лятором (регулируется сила тока в луче), блока фокусировки (регулируется поперечное сечение луча) и блока отклонения луча (определяется местонахождение луча на детали и перемещение луча по ней) (рис. 84).

Скорость перемещения луча по детали при сварке — скорость сварки определяется скоростью перемещения или вращения самой детали или скоростью отклонения луча. Механизмы сварочного манипулятора питаются от блока питания системы перемещения

I'iic. 85. Схема электронно-оптической си­стемы:

/ — изделие; 2 — электронный луч; 3 — катод; а — прикатодный — управляющий электрод; 5 — анод; « — кроссовер; 7 — магнитная линза; * — система отклонения пучка; 9 — фокусное пятно; а0 — поло­винный угол расхождения луча; eti — половинный угол сходимости луча на изделии; db. p — диаметр кроссовера; с/фЛ1 — диаметр луча в фокусе

детали. Система питания вакуумных насосов и система измерения степени вакуума в различных частях установки также выделены в отдельный блок общей схеме электропитания.

Работа всех отдельных блоков общей электросхемы согласуется с помощью блока коммутации и управления.

Электронные пушки. Электронно­лучевая пушка предназначена для со­здания электронного луча, который и служит источником сварочной теплоты.

Параметры электронного луча, соответ­ствующие технологическому процессу сварки, определяют основные требова­ния к конструкции электронной пушки (табл. 34). В сварочных установках электронная пушка состоит из следую­щих основных элементов: катод—источ­ник электронов; анод — электрод с от­верстием в середине для пропускания луча к изделию, подключенный к поло­жительному полюсу силового выпрямителя; фокусирующий при - катодный электрод (модулятор), регулирующий силу тока в луче; фокусирующая магнитная линза; отклоняющая магнитная система.

В диодных пушках прикатодный электрод имеет потенциал ка­тода, в триодных — иа него подается отрицательный относительно катода потенциал UM для управления силой тока в пушке. Комби­нированные, т. е. с электростатической и электромагнитной фоку­сировкой пучка одновременно, пушки наиболее распространены в сварочных установках (рис. 85). В них применяются термоэлект­ронные катоды, ток эмиссии которых определяется уравнением Ричардсона

1, = А, ТЦ*гЫ т,

где Sк — эмиттирующая площадь катода; Т — абсолютная темпе­ратура катода; Ае, b — константы, характеризующие материал катода.

В сварочных установках катоды обычно изготовляют из туго­плавких металлов (тантала, вольфрама) или из гексаборида лан-
та на. Конструкции катода уделяется особое внима­ние, так как условия его работы чрезвычайно тяже­лые: высокая температура и интенсивное разрушение под влиянием ионной бом­бардировки, а требования к точности и сохранению размеров его при работе очень высокие. От самых незначительных деформа­ций катода зависят в силь­ной степени параметры электронного луча. Обыч­но срок службы катода составляет не более 20 ч непрерывной работы, ред­ко до 50 ч.

Мощность электронно­го луча определяется про­изведением Рл = иа1л и регулируется путем изме­нения тока в нем (1Л), что в любых электронных пуш­ках достигается измене­нием температуры нагрева катода. Но такой способ очень инерционен и неудобен тем, что эта зависимость нелинейна. Новый тепловой режим, а сле­довательно, и новое значение тока, устанавливаются лишь через несколько секунд.

Более распространен метод регулирования тока путем подачи отрицательного, относительно катода, потенциала на управляю­щий катод им величиной 1—3 кВ (рис. 86). Скорость установления тока луча при импульсном открывании электронной пушки

А.852.19 составляет примерно 2 мА/мкс. Для импульсного управ­ления током луча в электрической схеме установки предусмотрены специальные электронные схемы, которые вырабатывают сигнал, подаваемый на модулятор. Обычно схема позволяет также плавно управлять величиной тока в луче.

Плотность тока в луче можно регулировать, меняя его диаметр на изделии без изменения величины общего тока, с помощью маг­нитной линзы. Такая линза представляет собой катушку с током, ось которой совпадает с осью луча. Для повышения эффектив­ности работы ее помещают в ферромагнитный экран. В этом случае магнитное поле концентрируется в узком немагнитном зазоре. Фокусное расстояние линзы (/, см) — расстояние от середины этого зазора до минимального сечения прошедшего сквозь линзу пучка —
определяется конструкцией линзы, анодным напряжением пушки и током, протекающим но обмотке линзы, 1Ш[:

98 HU.

/ = ——

/млА*

где И — радиус немагнитного зазора, cai; N — число витков в катушке.

Фокусное расстояние линейно зависит от анодного напряже­ния установки, но не зависит от силы тока в луче. Параметры свар­ного шва непосредственно зависят от постоянства энергетических характеристик электронного луча, в том числе его диаметра, так как его величина определяет сдельную мощность луча. Поэтому в электронно-лучевых установках особое внимание уделяется постоянству анодного напряжения. Применяют специальные меры для стабилизации его, что позволяет устранить влияние колеба­ния напряжения сети, пульсаций силового выпрямителя и т. п.

Отклоняющие системы применяют для установки луча на шов или некоторой корректировки его положения относительно стыка, перемещения луча вдоль оси стыка при выполнении сварного шва; периодического отклонения луча при сварке с поперечными или продольными колебаниями луча и при слежении за стыком во время сварочной операции. Магнитное поле направлено поперек направления движения электронов, а сила, отклоняющая траекто­рию электрона, действует перпендикулярно оси луча и направ­лению магнитного поля. Угол (рад) отклонения определяется выра жением

е«=2де1Ж-

где II — напряженность магнитного поля, А/м; I — длина пути электрона в магнитном поле, м.

Поскольку электронный пучок при отклонении расфокусирует­ся, то в сварочных установках отклонение его осуществляется на небольшие углы, не более 7—10 град.

При сварке толстолистовых металлов, а также при сварке в промежуточном вакууме и при атмосферном давлении неизбежно повышение ускоряющего напряжения, так как этим путем прежде всего можно заметно уменьшить рассеяние пучка. Однако повыше­ние ускоряющего напряжения затрудняет совмещение луча со стыком, требует специальной защиты персонала от рентгеновского излучения; аппаратура усложняется.

Рабочие камеры. Ввиду необходимости вакуума в камере, где образуется и формируется поток электронов, в большинстве слу­чаев при электронно-лучевой сварке и само изделие размещают внутри вакуумной камеры, чтобы устранить рассеяние электронов на атомах и молекулах газов. Это также обеспечивает хорошую защиту металла шва. Но с другой стороны, это существенно огра­ничивает возможности применения такого способа сварки главным

6 А. И. Акулов и др.

образом вследствие ограничения размеров свариваемых изделий и малой производительности процесса, так как много времени ухо­дит иа подготовку деталей к сварке. Поэтому наряду с высоко­вакуумными установками разрабатывают и такие, где электрон­ный луч выводится из камеры пушки, в которой поддерживается высокий вакуум, и сварка производится в низком вакууме (1СҐ2— 10-1 мм рт. ст.).

Специальные установки разрабатывают для микросварки в про­изводстве модульных элементов и различного рода твердых радио­схем. Особенности заключаются в первую очередь в точном дози­ровании тепловой энергии, перемещении луча по изделию с помощью отклоняющих электрических и магнитных полей, совме­щении нескольких технологических функций, выполняемых элект­ронным лучом в одной камере. Поскольку вакуумные камеры и вакуумные системы стоят наиболее дорого, рациональности выбора их конструкций уделяется большое внимание.

Все из существующих конструкций можно разделить условно на следующие группы: 1) универсальные установки для сварки изделий средних размеров; 2) универсальные и специализирован­ные для микросварки малогабаритных деталей; 3) специализи­рованные установки для сварки изделий малых и средних размеров; 4) установки для сварки крупногабаритных изделий с полной их герметизацией; 5) установки для сварки крупногабаритных изде­лий с частичной герметизацией места стыка; 6) установки для свар­ки в промежуточном вакууме (табл. 35).

Установки первой группы предназначены в основном для использования в исследовательских и заводских лабораториях, а также в промышленности при единичном и мелкосерийном про­изводстве. Они имеют вакуумные камеры объемом 0,001—4,0 м3 и манипуляторы для перемещения свариваемых деталей, позво­ляющие осуществлять возможно более универсальные перемеще­ния при выполнении сварных швов. Такие установки снабжают также системами наблюдения за областью сварки. Электронная пушка стационарная или перемещается внутри камеры с целью начальной установки луча на стык.

Установки для сварки крупногабаритных деталей отличаются наличием дорогостоящих вакуумных камер большого объема, куда детали помещаются целиком. Часто электронные пушки, которые имеют гораздо меньшие размеры, чем изделие, разме­щают внутри камеры. Сварной шов выполняется при перемеще­нии самой электронной пушки. Иногда, особенно при сварке обе­чаек кольцевыми швами, на камере размещают несколько пушек, позволяющих за счет ликвидации продольного перемещения изде­лия также уменьшить размеры камеры.

Для снижения затрат на оборудование и повышения произво­дительности установок последние выполняют иногда лишь с мест­ным вакуумированием в области свариваемого стыка. Тогда отка­чиваемый объем сокращается, размеры установки в целом также

Б

§ Я

& &о

&5 2>.

Я

получаются меньше, чем в том случае, если все изделие помещать в камеру. Иногда, например при сварке трубопроводов непосред­ственно при их укладке, без местного вакуумирования, задачу ре­шить не представляется возможным.

В некоторых случаях рабочая камера установки может быть откачана лишь до промежуточного вакуума (10-1—і О'2 мм рт. ст.). Диффузионный насос для откачки рабочей камеры становится ненужным (для камеры пушки он по-прежнему необходим, но малой мощности и малогабаритный). В таких установках лучепровод, соединяющий камеру пушки с камерой детали, проектируют с учетом создания необходимого перепада давлений между каме­рами; иногда в лучепроводе предусматривают даже промежуточ­ную ступень откачки.

В электронно лучевых установках особо важное значение при­обретает точность изготовления и сборки свариваемых деталей и слежение за положением луча относительно свариваемого стыка. В системах слежения используют вторично-эмиссионные датчики, сигнал с которых преобразуется и направляет электронный луч на стык с помощью отклоняющих катушек.

Принцип работы такой системы заключается в следующем. При попадании электронного луча на поверхность металла из последнего выбиваются вторичные электроны, летящие в обратном направлении в камеру. Поставленынй на их пути датчик выделяет сигнал, пропорциональный их количеству, и передаст его в систему управления положением луча. Число вторичных электронов зави­сит от состояния и формы поверхности металла, на которую попа­дает луч. Их число максимально при гладкой поверхности, пер­пендикулярной лучу, и уменьшается, если луч пересекает неров­ности. При попадании луча в глубокие полости число вторичных электронов уменьшается практически до нуля, так как все они поглощаются стенками полости.

Разработанная для контроля за положением луча относительно стыка система типа «Прогноз» работает следующим образом. Луч, сваривающий металл, периодически с частотой 20—50 Гц выводится из ванны, на большой скорости пересекает стык перед

сварочной ванной (на расстоянии 5—7 мы) и мгновенно возвраща­ется обратно (рис. 87, а). Вывод луча из ванны столь кратковре­менен, что на параметрах шва это не сказывается.

При пересечении лучом стыка происходит скачкообразное изменение сигнала вторичных электронов,- как это показано на рис. 87, б. Положение этого импульса сравнивается с положе­нием луча при отсутствии тока в отклоняющей системе и при необ­ходимости автоматически корректируется непосредственно в про­цессе сварки. Такая система обеспечивает точность слежения за стыком, исчисляемую сотыми долями миллиметра, и является исключительно быстродействующей.

В систему «Прогноз» заложены блоки, позволяющие управлять перемещениями луча, необходимыми в технологическом отноше­нии: вести сварку с продольными, поперечными и кольцевыми колебаниями луча, выполняемыми с различной заданной ско­ростью и по различному закону.