Техника электронно-лучевой сварки

Сущность процесса

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) осуществляется в вакууме за счет расплавления кромок основного металла сфокусированным потоком электронов, имеющим высокую удельную мощность q₂. Технологический диапазон для целей нагрева, плавления, испарения составляет ~10⁴—5*10⁸ Вт/см². Сварка металлов малых толщин (до 3 мм) ведется с удельной мощностью q₂≈10⁴ Вт/см², когда испарение с поверхности сварочной ванны незначительно. Однопроходная сварка металлов больших толщин (до 200—300 мм) требует q₂=10⁵÷10⁶ Вт/см². В этом случае проникновение электронного луча на большую глубину сопровождается испарением металла и формированием канала проплавления, на стенках которого рассеивается практически вся мощность электронного луча. Канал проплавления, поверхность которого сильно перегрета относительно температуры плавления металла Т_пл и может достигать температуры кипения T_кип, движется через толщу металла, образуя по всей глубине канала область расплава металла, который перемещается в хвостовую часть ванны и гам кристаллизуется.Переход от сварки металлов малых толщин к однопроходной сварке металлов больших толщин осуществляется по достижении критической удельной мощности q₂*, величина которой для большинства металлов q₂*=10⁵÷10⁶ Вт/см². Верхнее значение удельной мощности электронного луча для технологических целей ограничено уровнем q₂≤ Вт/см² (выше процесс обработки материала становится неуправляемым из-за взрывного характера разлета образующейся плазмы). Высокая концентрация энергии в луче позволяет получать при больших скоростях ЭЛС узкие и глубокие сварные швы с минимальной зоной термического влияния и высокими механическими свойствами металла шва и околошовной зоны.

Параметры и показатели ЭЛС

Параметрами электронного луча, измеряемыми в процессе сварки, являются: ток луча I, ускоряющее напряжение U, ток фокусирующей системы I_ф, рабочее расстояние (расстояние от центра фокусирующей системы до поверхности свариваемого изделия) l, угол сходимости луча α, скорость перемещения луча v.

При заданных значениях параметров: мощности (Вт) q=IU, l, I_ф, α можно определить диаметр электронного луча d и соответственно удельную мощность q₂, Вт/см².

q₂=IU/(πd²/4). (5.1)

При использовании импульсно-периодического режима сварки средняя мощность луча, Вт, равна:

q_ср=I_иUfτ, (5.2)

где I_и — ток луча в импульсе. A; U — ускоряющее напряжение. В; f — частота следования импульсов, Гц; τ — длительность импульса, с. Скорость сварки в импульсном режиме, см/с:

v_св = b(l—K)f, (5.3)

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

• сила тока в луче;
• ускоряющее напряжение;
• скорость перемещения луча по поверхности изделия;
• продолжительность импульсов и пауз;
• точность фокусировки луча;
• степень вакуумизации.

где К — коэффициент перекрытия точек (обычно K=0,5÷0,9); b — диаметр сварной точки, см. Количественными показателями ЭЛС являются: погонная энергия Q₁=q/v_св (Дж/см) — затраты энергии на единицу длины сварного шва; Q₂=q/v_свH (Дж/см²) — затраты энергии на формирование единицы площади стыка; q/H (Вт/см) — затраты мощности на единицу глубины сварного шва; К=Н/В (здесь В — ширина шва, К — коэффициент формы шва; Н — глубина шва).

Типичные интервалы значений параметров электронного луча для сварки следующие: q=1÷120 кВт при U=25÷120 кВ, α= 1÷5°, l=20÷200 мм. v_св=0,1÷3 см/с, d=0,1÷3 мм, f=1÷100 Гц, τ=5÷100 мс, К>10.

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. Типичная взаимосвязь глубины проплавления с параметрами сварки представлена на рис. 5.6. Конструкция соединения для однопроходной ЭЛС выполняется с учетом глубокого проникновения луча в металл (рис. 5.7). 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.

Рис. 5.7. Типы конструкций стыка при ЭЛС

 

Основные параметры режима электронно-лучевой сварки — сила тока, ускоряющее напряжение, скорость сварки. Ускоряющее напряжение и сила тока луча определяют мощность источника нагрева.

Ускоряющее напряжение в основном определяет тепловую энергию в пятне нагрева, оказывает исключительно большое влияние на глубину проплавления сварочной ванны. При сохранении постоянной удельной мощности в пятне нагрева глубина проплавления увеличивается с повышением ускоряющего напряжения. В первом приближении глубина проплавления пропорциональна квадратному корню из ускоряющего напряжения.

На практике электронно-лучевую сварку выполняют при ускоряющем напряжении 10—100 кВ. В процессе сварки необходима высокая стабильность ускоряющего напряжения.

Колебание напряжения (±0,1 %) приводит к существенному изменению диаметра пятна нагрева и отклонению электронного луча относительно свариваемого стыка.

Сила тока электронного луча оказывает большое влияние на ширину сварочной ванны и шва. Увеличение силы тока приводи: к их существенному возрастанию. Глубина проплавления сварочной ванны мало зависит от силы тока. Однако общее увеличение мощности электронного луча приводит к некоторому ее возрастанию.

Для увеличения глубины проплавления при сравнительно небольших ускоряющих напряжениях может быть использован способ формирования шва на подъем. Особенно большой эффект достигается при сварке вертикальных швов. В этом случае сила тока электронного луча значительно увеличивается и достигает 1 А и выше. На практике силу тока электронного луча выбирают от десятков миллиампер до 1 А и более.

Скорость сварки влияет на размеры сварочной ванны и шва, э как и при дуговой сварке. Увеличение скорости сварки при сохранении постоянства погонной энергии несколько увеличивает глубину проплавления, мало влияя на ширину шва.

На размер сварочной ванны и шва оказывают влияние и дополнительные параметры режима: сила тока в магнитной фокусирующей линзе, остаточное давление в камере; время импульса и паузы при импульсной сварке, колебания электронного луча; расстояние от пушки до свариваемого изделия и др.

Особенно большое влияние на размеры сварочной ванны и шва оказывает сила тока в магнитной фокусирующей линзе (фокусировка). Этот параметр режима определяет конфигурацию потока электронов по отношению к свариваемому изделию (рис. 5.2), форму ванны и диаметр пятна нагрева. Регулированием тока в магнитной линзе можно в широких пределах изменять концентрацию
тепловой энергии в пятне нагрева. Это значит, что при одинаковом значении погонной энергии можно получать различную по форме очную ванну и шов (рис. 5.3). При увеличении силы тока Iф окусирующей линзе ширина ванны е сначала снижается, а м возрастает.

Рис. 5.3. Зависимость глубины проплавления, ширины и площади шва от силы тока в фокусирующей линзе

Изменение глубины проплавления h при изменении силы тока в фокусирующей линзе имеет зависимость с резко выраженным максимумом. Вследствие того, что ηи и ηt при электронно-лучевой сварке близки к своему максимуму, площадь проплавления шва Fm мало зависит от фокусировки. На практике силу тока в фокусирующей линзе выбирают в пределах 50-100 мА (для пушек со средним ускоряющим напряжением).

Остаточное давление в камере определяет стабильность процесса и качество сварных соединений. Разрежение должно быть достаточным для исключения дугового разряда в течение всего нриода сварки. Увеличение давления в камере снижает мощность электронного луча и уменьшает его проникающую способность. Для сохранения постоянного вакуума производительность откачных насосов рассчитывают с учетом повышения давления в камере в процессе сварки. При электронно-лучевой сварке давление в камере поддерживается на уровне 10-2 - 10-4 Па.

Колебания электронного луча позволяют избежать ряда дефектов, свойственных электронно-лучевой сварке (подрезов, несплавлений кромок в корне шва и др.). Используют прямоугольные Млн синусоидальные поперечные колебания луча в широком диапазоне частот (10—800 Гц). Амплитуду колебаний выбирают в пределах 0,5-2 мм. Большие значения амплитуды приводят к раздвоению электронного луча относительно стыка и формированию раздельных ванн. Наряду с поперечным применяют и продольное колебание луча.

Расстояние от электронной пушки до свариваемого изделия (допускается в широких пределах: 50-120 мм для низковольтных Пушек и 50—500 мм для высоковольтных. Изменение расстояния п процессе сварки на несколько миллиметров не оказывает заметного влияния на размеры швов и их качество.

При импульсном режиме электронно-лучевой сварки тепловыделение дополнительно регулируется частотой и длительностью сварочных импульсов. Импульсная электронно-лучевая сварка особенно целесообразна при выполнении швов с минимальной зоной термического влияния.

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: