Сварочные работы: современное оборудование н техноло­гия работ

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС)

Электронно-лучевая сварка основана на использовании энер­гии, высвобождаемой при торможении потока ускоренных элек­тронов в свариваемых материалах.

Преобразование кинетической энергии электронов в теп­ловую энергию характеризуется высоким к. п.д* При электрон- но-лучевой сварке в качестве источника нагрева использует­ся поток электронов, движущихся в высоком вакууме. Для сварки необходимо получить свободные электроны, сконцен­трировать их и сообщить им скорость с целью увеличения энергии. Электронный луч, используемый для нагрева метал­ла при сварке, создается в специальном приборе — электрон­ной пушке.

Электронная пушка (рис. 7, 8) представляет собой устройство, с помощью которого получают электронные пучки с малым диаметром пятна и высокой плотностью энергии в нем. Пушка имеет катод (1), который нагревается до рабочей температуры с помощью нагревателя. Катод размещен внутри прикатодного электрода (2). На некотором расстоянии от катода находится ускоряющий электрод (3) с отверстием — анод. Прикатодный и ускоряющий электроды имеют форму, обеспечивающую такое

Рис. 7. Схема устройства формирования электронного луча

строение электрического поля между ними, которое фокусирует электроны в пучок диаметром dKp, равным диаметру отверстия в аноде. Положительный потенциал ускоряющего электрода мо­жет достигать нескольких десятков киловольт, поэтому электро­ны, эмитированные катодом, на пути к аноду приобретают зна­чительную скорость и энергию.

После ускоряющего электрода электроны движутся равномер­но. Электроны имеют одинаковый заряд* поэтому они отталкива­ются друг от друга. Вследствие этого диаметр пучка увеличивает­ся, а плотность энергии в пучке уменьшается.

Для увеличения плотности энергии в пучке после - выхода электронов из анода их фокусируют магнитным полем в специ­альной магнитной линзе (4). Сфокусированный поток электро­нов, попадая на поверхность свариваемых кромок, тормозится. При этом кинетическая энергия превращается в теплоту, идущую на разогрев металла (6) при сварке. Для перемещения луча по поверхности свариваемого изделия на пути электронов помеща­ют магнитную отклоняющую систему (5), позволяющую уста­навливать электронный луч точно по линии стыка^свариваемых кромок.

Для обеспечения свободного движения электронов от катода к аноду и далее к изделию, для предотвращения «отравления* катода, а также для устранения возможности возникновения ду­гового разряда меясду электродами в камере электронно-лучевой установки создается высокий вакуум — примерно КГ4 мм рт. ст.

Движение электронов в вакууме не сопровождается световы­ми эффектами, и потому луч не виден, но место воздействия луча на свариваемый материал можно наблюдать по свечению метал­ла за счет его разогрева.

Электронно-лучевая Сварка позволяет сваривать тугоплавкие металлы, которые обычными методами не свариваются, напри­мер вольфрам, молибден, ниобий, тантал.

Высокая концентрация теплоты в пятне фокуса позволяет свер­лить лучом такие материалы, как сапфир, рубин, алмаз, стекло.

Незначительная ширина зоны теплового воздействия дает возможность резко уменьшить деформацию заготовок. Кроме того, за счет вакуума в камере обеспечиваются зеркальная поверх­ность соединения и дегазация расплавленного металла.

Малый объем литого металла и кратковременность тепло­вого воздействия обеспечивают незначительные термические деформации свариваемых деталей, что позволяет выполнять сварные швы вблизи металлокерамических и металлостеклян­ных спаев, чувствительных к термоударам.

Электронно-лучевые пушки можно разделить на типы:

-низковольтные пушки с ускорением электронов до энергии 20-30 кэВ;

-с промежуточным ускоряющим напряжением — 30-100 кэВ;

- высоковольтные пушки с энергией ускорения 100-200 кэВ.

Оборудование для ЭЛС:

—высоковольтный выпрямитель;

- стабилизатор ускоряющего напряжения;

- блок накала катода;

- модулятор;

- источник питания электромагнитных линз;

- электронно-лучевая пушка;

- вакуумная камера с вакуумной системой и люками загрузки;

- механизмы перемещения свариваемых деталей.

Преимущества ЭЛС:

- высокий к. п.д. установок ЭЛС, т. к. до 99% кинетичес­кой энергии электронов, используемой для нагрева сва­риваемых деталей, переходит в тепловую энергию;

- температура в зоне сварки достигает 5000-6000°С;

- при сварке электронным лучом теплота выделяется толь­ко в зоне сварки;

- за счет более интенсивного выделения теплоты в глубине зоны сварки получается кинжальное проплавление с от­ношением глубины к ширине до 20:1;

-высокая удельная мощность луча до 5-Ю6 Вт/см2 и выше;

- фокусировка луча до диаметра 0,001 см;

- электронный луч используют для сварки, сверления, фрезе­рования практически любых современных материалов;

- широкий диапазон толщин заготовок (от 0,02 до 100 мм);

- высокая степень автоматизации сварочного процесса.

Недостатки ЭЛС:

- наличие специального оборудования требует подготовки высококвалифицированных кадров;

- наличие рентгеновского излучения при взаимодействии электронного луча со свариваемым материалом требует защиты оператора;

- высокая температура накала катода до 1700-2400'С сни­жает срок службы катодов.