СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ И РЕЗКИ

Оборудование для электронно-лучевой сварки

Основной узел для ЭЛС — это электронно-лучевая пушка с си­стемами электропитания и управления, формирующая электрон­ный луч (рис. 4.3). В первых пушках для ЭЛС пучок электронов формировался только с помощью прикатодного электрода без применения дополнительных фокусирующих систем (рис. 4.3, а). Анодом служила сама деталь 4. Простота такой пушки является ее достоинством. Но однокаскадная электростатическая система фо­кусирования, особенно в сочетании с низким ускоряющим на­пряжением (10...20 кВ), не обеспечивала формирования интен­сивного электронного пучка с высокой плотностью энергии. По-

Рис. 4.3. Способы формирования электронного пучка:

а, 6 — однокаскадные системы без ускоряющего и с ускоряющим электродами Соответственно; в — система с комбинированной электростатической и электро­магнитной фокусировкой; 1 — катод; 2 — прикатодный электрод; 3 — траекто­рия крайних электронов пучка; 4 — деталь; 5 — ускоряющий электрод (анод); 6 — кроссовер; 7 — фокусирующая электромагнитная линза; 8 — система откло­нения электронного пучка; /, — расстояние кроссовер—линза; /2 — расстояние ; линза—деталь

■f

этому с ее помощью было невозможно соединение тугоплавких Металлов толщиной 1...2 мм и более. Технологические и элект - ронно-оптические характеристики пушки с однокаскадной элек­тростатической фокусировкой были повышены введением в кон­струкцию ускоряющего электрода 5, находящегося под потенци­алом анода (рис. 4.3, б). Такая конструкция пушки имеет преиму­щества при необходимости достижения высокостабильных пара­

метров сварных соединений. Это объясняется возможностью фор­мирования в такой электронно-оптической системе пучка элект­ронов с очень малым углом сходимости (10-3 рад), что снижает требования к точности установки изделия относительно пушки и уменьшает влияние изменения параметров электронного пучка на размеры сварных соединений. Наиболее широко распростране­ны пушки с комбинированной фокусировкой: в электростатичес­ком поле эмиссионной системы осуществляется предварительное формирование пучка, а в области электромагнитной фокусирую­щей линзы 7— окончательное (рис. 4.3, в). Прикатодный электрод 2 и ускоряющий электрод (анод) 5 создают условия для электро­статической фокусировки и разгона электронов под действием ус­коряющего напряжения. Расходящийся затем под действием ку - лоновских сил электронный пучок фокусируется электромагнит­ной линзой 7, на фокусном расстоянии от которой размещается свариваемая деталь 4. Система отклонения электронного пучка 8 состоит из четырех (реже шести) электромагнитов и служит для управления процессом сварки, настройки электронного пучка на свариваемый стык, сообщения пучку колебательных движений по заданной программе. Источником электронов в пушке является катод /, изготавливаемый из металлов с малым значением работы выхода электронов, допускающих нагрев до высокой температу­ры при сравнительно низкой скорости испарения. Наиболее пол­но этим требованиям отвечают вольфрам и тантал. В некоторых конструкциях пушек применяют катоды косвенного нагрева, из­готовленные из лантаноборидных соединений (LaB6), нагреваемые специальным источником теплоты. Они обладают лучшими эмис­сионными характеристиками по сравнению с металлическими ка­тодами. Температура катода должна быть такой, чтобы сила тока эмиссии была несколько больше, чем сила тока электронного пуч­ка. Для этого при фиксированном значении ускоряющего напряже­ния выбирается такая сила тока накала катода, дальнейшее повы­шение которой не приводит к заметному повышению силы тока пучка. Ускоряющее напряжение меняется в широком диапазоне значений: 20...50 кВ — низковольтные пушки, 50...60 кВ — пушки со средним ускоряющим напряжением, 100...200 кВ — высоко­вольтные пушки. Сравнительно невысокий уровень рентгеновско­го излучения при ускоряющих напряжениях 50...60 кВ, с одной стороны, и широкие технологические возможности пушек этого класса — с другой, обусловливают их перспективность. Принцип каскадного ускорения электронов был применен в сварочных пуш­ках с ускоряющим напряжением до 250 кВ. В этих пушках подавлен эффект полного напряжения (снижение пробивной напряженнос­ти поля с ростом приложенного напряжения). Напряжение между ускоряющими электродами распределяет размещенный в корпусе пушки объемный делитель напряжения на столбе проточной воды.

При этом стабилизируется температурный режим всех электродов пушки, в том числе катодный, что также повышает электричес - Jjyjo прочность ускоряющих промежутков пушки.

В Научно-исследовательском и конструкторском институте монтажной технологии (НИКИМТ), г. Москва, создана база для разработки и поставки на производство установок для ЭЛС широ­кого круга изделий, в том числе унифицированных узлов, источ­ников питания, электронно-лучевых пушек, программаторов про­цесса сварки и управления работой узлов установок, откачных и шлюзовых систем, систем визуального и телевизионного наблю­дения, наведения и ведения луча по стыку, і Первый тип установок создавался для нужд атомной энергети - ки, в частности для герметизации тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), сварки технологических каналов и других элементов ак­тивных зон атомных реакторов в условиях массового производства. К. этому типу относят установки СА-330, СА-340, СА-413.

Установка СА-330 предназначена для сварки трубчатых изде­лий диаметром 6... 14 мм и длиной до 4000 мм с концевыми дета­лями того же диаметра. Конструктивно установка состоит из водо - ахлаждаемой цилиндрической вакуумной камеры, в которой по­мещен выкатываемый барабан емкостью 120 деталей, вакуумной стойки, стойки автоматики, энергоблока и системы регистрации технологического процесса сварки. Все системы установки рабо­тают в автоматическом режиме.

Технические характеристики установки СА-330

Диаметр свариваемых деталей, мм.................................... 6... 14

Длина свариваемых деталей, мм.................................. 600...3 860

Частота вращения детали, мин-1............................................ 3...45

Емкость барабана, деталей........................................ 120

Цикл работы.................................................................. Автоматический

Ускоряющее напряжение, кВ.................................................. 75

Ток электронного луча, мА....................................... 0,5...50

Объем рабочей камеры, м3....................................................... 2

Давление в камере и пушке, мм рт. ст.................... (2...5)-10~5

Потребляемая мощность, кВт.................................................. 40

Производительность, сварок/ч................................................. 5

Расход охлаждающей воды при

температуре (15 ± 5) °С, дм3/ч............................................... 2 500

Габаритные размеры, мм.......................................... 8 900x5 000x2 300

Масса, кг..................................................................................... 8 000

Установка СА-340 рассчитана на герметизацию ТВЭЛ реакто­ров РБМК (реактор быстрый многоканальный) и ВВЭР (водо - Водяной энергетический реактор). Отличительными особенностя­ми установки являются непрерывный (роторный) цикл работы; ступенчатое, золотниковое вакуумирование только зоны сварно­го шва; малая металлоемкость; небольшая занимаемая площадь; высокая производительность; наличие встроенной транспортной системы.

Конструктивно установка состоит из четырехступенчатой ка­меры с торцовым уплотнением и золотника, на котором смонти­ровано 15 вакуумных вводов с возможностью вращения и переме­щения относительно осей; стенда для загрузки и выгрузки дета­лей, вакуумной стойки, стойки автоматики, энергоблока, теле­визионной системы наведения пучка на стык и системой регист­рации параметров технологического процесса сварки. Сварка из­делий осуществляется в водоохлаждаемой цанге.

Ко второму типу установок относят универсальные установки для ЭЛС деталей из тугоплавких, химически активных и цветных металлов, специальных сталей и сплавов. Наличие координатного стола с числовым программным управлением, энергоблока с ши­рокими технологическими возможностями и систем управления технологическим циклом делают этот тип установок универсаль­ным для сварки широкой номенклатуры изделий и различных типов сварных швов и соединений с заданными геометрическими пара­метрами. К этому типу относят установки СА-424, СА-445, СА-451.

К третьей группе оборудования относят специализированные установки для ЭЛС конкретных деталей или сварных узлов раз­личных отраслей промышленности.

В зависимости от свариваемых материалов и требований к ка­честву сварного соединения установки оснащают безмасляными системами откачки, ионными пушками для очистки изделий пе­ред сваркой, датчиками активного контроля и управления пара­метрами технологического процесса, устройствами параллельно­го переноса пучка.

Для повышения производительности в установках предусмот­рены шлюзовые устройства загрузки-выгрузки, позиционеры, питатели, накопители и другие устройства. К этой группе относят установки СА-252, СА-508, СА-613, СА-472.

Правила безопасности при проведении ЭЛС имеют ряд особен­ностей.

Взаимодействие электронного луча с обрабатываемым матери­алом приводит не только к расплавлению металла шва, но и вы­зывает такие нежелательные эффекты, как тепловое и рентгенов­ское излучения.

Рентгеновские лучи воздействуют на организм человека и при интенсивности, превышающей допустимую дозу, вредны.

В большинстве сварочных установок при ускоряющем напря­жении U = 10...70 кВ для защиты от рентгеновского излучения достаточно толщины стальных стенок рабочих камер, выбранных конструктивно. Разъемные соединения и вакуумные уплотнения располагают в местах, не совпадающих с направлением макси­мальной интенсивности рентгеновских лучей. Для того чтобы при удельной мощности до 1-Ю5 Вт/см3 процесс ЭЛС был подобен процессу обычной электродуговой сварки, в смотровых окнах ус­тановок применяют специальные стекла с добавками свинца.

В соответствии с Основными санитарными правилами работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизи­рующих излучений (ОСП) задача защиты от ионизирующих излу­чений сводится к уменьшению поглощенной дозы. Этого можно добиться удалением облучаемого персонала на безопасное расстоя­ние от источника излучения или сокращения времени облучения. В тех случаях когда «защиту расстоянием» или «защиту временем» обеспечить невозможно, прибегают к сооружению экранов или других ограждений из различных материалов.

Передвижные экраны для защиты от рентгеновского излуче­ния часто делают из свинца; при создании стационарной защиты удобно использовать бетон с добавлением в него барита или бари­товой штукатурки. Расчет толщины экранов и ограждений в зави­симости от энергии излучения производят по специальным табли­цам или номограммам. Электронно-лучевые установки, работа­ющие при напряжении 10... 100 кВ, относят к группе источни­ков рентгеновского излучения, не используемого для техноло­гических целей.

Установки, предназначенные для сварки, должны размещать­ся в отдельных помещениях на первом этаже. Подвальные поме­щения, над которыми размещены электронно-лучевые установ­ки, использовать под служебные помещения с местами постоян­ного пребывания людей запрещается. Расположение электронно­лучевых установок в отведенных для них помещениях должно удов­летворять следующим основным требованиям: свободная площадь, не занятая электронно-лучевыми установками, должна составлять не менее половины общей площади помещений; расстояние от Верха установок до потолка должно быть не менее 1 м; пульт уп­равления должен размещаться на расстоянии не более 1,5 м от установки; на сварочных установках допустимо иметь дублирую­щее управление на камере.

Дозиметрический контроль защиты должен проводиться не реже 1 раза в год, а также после монтажа или внесения изменений в конструкцию действующих установок и выполняться ответствен­ным обученным и аттестованным лицом, выделенным админист­рацией предприятия или фирмы.

Контрольные вопросы

1. На чем основана ЭЛС?

2. Какие типы соединений характерны для ЭЛС?

3. Что представляет собой электронно-лучевая пушка?

4. Каковы функции фокусирующей системы электронно-лучевой пушки?

4. С какой целью процесс ЭЛС осуществляется в вакууме?

5. Каковы основные параметры режима ЭЛС?

6. Какие требования предъявляют к подготовке кромок и сборке со­единений под ЭЛС?

7. Какие технологические приемы используют при ЭЛС?

8. В чем состоят особенности формирования шва при ЭЛС?

9. Какие дефекты присущи сварным швам, выполненным ЭЛС?

10. Насколько опасен процесс ЭЛС для человека и окружающей сре-