Электронно лучевая сварка реферат

Обновлено: 07.07.2024

1. Электронно-лучевая сварка
лучевой плавка сварка прецизионный
Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) явилась одним из перспективных и быстро развивающихся способов соединенияразличных металлов, в первую очередь тугоплавких, химически активных и разнородных, качественных сталей, высокопрочных сплавов на основе алюминия и титана.
Электронно-лучевая сварка основана на использовании тепла, которое выделяется при торможении остросфокусированного потока электронов, ускоренных до высоких энергий. Явление термического воздействия электронных пучков на твердые материалы было известнодавно. В частности, это явление было отмечено в докладе В. Гроува, прочитанного в Лондонском Королевском обществе в апреле 1852 г.
Однако только благодаря развитию вакуумной техники и электронной оптики этот источник нагрева получил широкое применение сначала в сварочной, а затем в металлургической технике. Толчком, послужившим поиску новых способов соединения материалов, явились трудности сваркитаких металлов, как молибден, тантал, ниобий, вольфрам, цирконий, которые обнаружились в середине 60-х гг. прошлого века. Эти металлы составляют группу трудносвариваемых, так как обладают высокой температурой плавления и химической активностью. Это предполагает использование высококонцентрированных источников тепла и серьезной защиты зоны сварки.
В процессе ЭЛС в вакууме порядка 10-4 мм рт. ст.обеспечивается практически полное отсутствие примеси вредных газов. Высокая концентрация энергии в электронном луче до 109 Вт/см2 при минимальной площади пятна нагрева до 10-7 см2 способствует уменьшению термических деформаций при сварке, незначительным структурным превращениям в зоне нагрева и обеспечивает формирование сварного шва с ярко выраженной кинжальной формой (рис.1) проплавления.

Рис. 1Схема переноса жидкого металла при электронно-лучевой сварке: 1 - электронный луч; 2 - передняя стенка кратера; 3 - зона кристаллизации; 4 - путь движения жидкого металла

Процесс сварки реализуется в специальных установках, принципиальная схема одной из них изображена на рис. 2.

Рис. 2 Принципиальная схема установки для электронно-лучевой сварки: 1 - высоковольтный источник питания; 2 - магнитноеотклоняющее устройство; 3 - телескопическое устройство для наблюдения; 4 - сварочная камера; 5 - электронная пушка; 6 - вентиль; 7 - диффузионный насос; 8 - освещение; 9 - вакуумный вентиль; 10 - роторный форвакуумный насос; 11 - пульт управления движением детали; 12 - электрический пульт управления
Разработка техники и технологии ЭЛС связана с работами французских и американских инженеров Д.А.Стора, Д. Бриолы, В.Л. Вимена, которые были опубликованы в 1957-58 гг. В эти же годы в СССР в Московском энергетическом институте под руководством Н.А. Ольшанского и Институте электросварки им. Е.О. Патона под руководством Б.А. Мовчана независимо от работ иностранных ученых также были проведены исследования по применению электронно-лучевой сварки.
При создании сварочных электронных пушек были решенымногие вопросы, которые не возникали ранее в электронном приборостроении. Для сварки потребовались пучки электронов с малыми поперечными размерами, причем на значительном расстоянии от пушки и в условиях существенного рассеяния на остаточных газах и парах свариваемых металлов.
Были сведены к минимуму погрешности электронно-оптической системы. Технологические и электронно-оптические характеристикипушки с однокаскадной электростатической фокусировкой были улучшены введением в конструкцию ускоряющего электрода.
Дальнейшим шагом в развитии ЭЛС явилось применение так называемой комбинированной фокусировки, когда в электростатическом поле эмиссионной системы осуществляется предварительное формирование пучка, а окончательное - в области электромагнитной фокусирующей линзы.

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]

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).

Рисунок 2. Обычный электронно-лучевой монитор

1.1 Техника электронно-лучевой сварки

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:

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

Содержание работы

Файлы: 1 файл

Электронно-лучевая сварка.doc

1. Электронно-лучевая сварка…………………………………………. ……5

1.1 Техника электронно-лучевой сварки…………………………….………..6-8

1.3 Преимущества сварки электронным лучом…………………………. 11-12

1.4 Недостатки сварки электронным лучом………………………………….12

2. Специфические дефекты в сварных швах при электронно-лучевой сварке……………………………………………………………… …….…13-14

3. Технологические приемы сварки………………………………………. 15-20

4. Экономическая эффективность электронно-лучевой сварки………….20-21

5. Применение электронно-лучевой сварки в различных отраслях………………………………………………………. .……………21-22

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

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 • 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:

Существует достаточно большое количество различных тугоплавких металлов, которые соединить между собой можно только при применении специальной технологии электронно-лучевой сварки. Ее суть заключается в фокусировании пучка света, который при воздействии на поверхность проводит ее нагрев.

Электронно лучевая сварка

Сегодня электроннолучевая сварка считается одной из быстро развивающихся технологий. Она применяется для работы с тугоплавкими и химическими активными, разновидными веществами и качественными сплавами. Среди ключевых моментов электронно лучевой сварки можно отнести следующие моменты:

Сваривание проводится за счет использования кинетической энергии летящих электронов, которые при соприкосновении с поверхностью становятся причиной нагрева поверхности.
Развитие подобного метода электронной сварки можно связать с появлением современной вакуумной техникой и электронной оптики. Только после того как стали производить подобное оборудование технология стала часто использоваться в металлургической области.

Установка для электронно-лучевой сварки

Электронно лучевая сварка может оказывать требуемое воздействие на твердые и тугоплавкие сплавы. За счет локального воздействия температуры можно получить качественное соединение.

Сущность процесса ЭЛС

Электронная пушка применяется в качестве генератора светового пучка. К ее особенностям отнесем следующие моменты:

В качестве генератора пучка и его перенаправления устанавливаются электроды и катоды.
Для того чтобы сфокусировать луч устанавливается оптический элемент. В зависимости от типа оборудования он может изготавливаться из различных материалов.
В качестве питания применяется бытовая сеть. Увеличить напряжение и другие параметры можно за счет встроенного трансформатора.

Технология электронно лучевой сварки предусматривает фокусирование луча за счет магнитной линзы. При касании электроны соударяются на большой скорости с небольшой поверхностью, при возникновении трения вырабатывается тепловая энергия. На этом этапе пучок кинетическая энергия становится тепловой, повышается пластичность обрабатываемого материала, и он плавится.

Процесс электронно лучевой сварки связан с применением специального оборудования. Оно позволяет получить качественное соединение, которое будет выдерживать существенное механическое воздействие и окружающей среды.

Существенно снизить потери энергии можно при проведении рассматриваемого процесса в условиях вакуума. За счет этого исключается вероятность термической деформации. Вакуумная среда выполняет несколько основных функций, которые должны учитываться:

Если сравнивать применение вакуумной среды с газовой или флюсом, то она защищает обрабатываемую поверхность более эффективно.
Обеспечивается высокая химическая защита катода.
Снижается потеря кинетической энергии. Это связано с тем, что частицы сфокусированного луча не соприкасаются с молекулами воздуха.
Повышается эффективность дегазации сварочной ванной. Вакуумная среда исключает вероятность появления оксидной пленки.

Однако, применение вакуумной среды существенно повышается стоимость процедуры. Это связано с тем, что специальное оборудование обходится достаточно дорого.

Техника ЭЛС

Электронно лучевая сварка характеризуется определенными особенностями, которые нужно учитывать. Среди особенностей выделим следующие моменты:

Плавка проходит по средней стенке углубления. Выполнять сварку нужно с учетом того, что расплавленный металл будет перемещаться к задней части сварочной ванной. После этого он начинает кристаллизоваться.
Можно проводить плавку непрерывным лучом. Исключением можно назвать обработку сплавов из алюминия или магния. Слишком высокая температура становится причиной ионизации паров. Именно поэтому в подобном случае рекомендуется применять импульсный луч.

При применении технологии, которая связана с воздействием на поверхность импульсного луча можно провести обработку заготовок небольшой толщины.

Параметры режима лучевой сварки и типы сварных соединений

Для качественной обработки поверхности материала следует рассмотреть основные параметры проведения электронной лучевой сварки. Они следующие:

Степень вакуумизации. Вышеприведенная информация определяет то, что при сварке в условиях вакуума существенно повышается эффективность процесса.
Показатели подаваемого тока в луче могут варьировать в большом диапазоне. Это связано с тем, что для толстых заготовок повышается показатель силы тока.
Скорость передвижения луча по поверхности определяет производительность технологии. Кроме этого, скорость передвижения увеличивается для исключения вероятности прожига металла.
Точность фокусировки луча также определяет эффективность процедуры. Этот показатель зависит от того, какое применяется оборудование.
Продолжительность пауз. Некоторые технологии предусматривают прерывистое воздействие светового импульса.

Образцы электронно-лучевой сварки

Основные параметры можно найти в специальных таблицах. Применяемое оборудование позволяет вводить основные параметры.

Особенности сварки лучевого типа

Технология применения сфокусированного луча встречается крайне редко. Рассматривая особенности сварки лучевого типа уделяется внимание следующим моментам:

Получить чистую поверхность и обеспечить максимальную степень дегазации металла можно только в случае проведения работы в условии вакуума.
Нагрев проводится до высокой температуры, за счет обеспечивается плавка металла в зоне контакта. За счет этого получается мелкозернистый шов с привлекательными характеристиками.

Подобный метод не приводит к образованию трещин. Именно поэтому он используется для работы с материалами, которые восприимчивы к сильному нагреванию и могут плавится.

Примером можно назвать процесс изготовления деталей из различных алюминиевых сплавов. Минимальная толщина обрабатываемых деталей составляет 0,02 мм, максимальный показатель около 100 мм.

Достоинства и недостатки электронно лучевой сварки

Как и у многих других технологий, у рассматриваемой также есть достоинства и недостатки. К положительным сторонам можно отнести:

На поверхность воздействует меньшее количество тепла. Как правило, при дуговой сварке оказывается более высокое тепловое воздействие. За счет этого существенно повышается степень коробления металла. Слишком высокая температура приводит к изменению кристаллической структуры.
Есть возможность провести обработку керамики и некоторых других трудноплавких металлов. При фокусировании луча можно проводить обработку поверхности диаметром менее одного миллиметра.
Высокое качество получаемого шва определяет то, что технология может применяться для получения ответственных изделий и декоративных элементов. Сфокусированный луч приводит к дегазации металлического шва, за счет чего повышается степень пластичности и некоторые другие параметры. Провести электронную сварку можно также и коррозионностойких сплавов.
Применяемое оборудование позволяет проводить регулировку мощности в достаточно большом диапазоне. Поэтому электронно лучевая сварка может использоваться для работы с различными заготовками.
Можно получить узкий, но глубокий шов. За счет этого существенно повышается прочность соединения.
При выборе импульсного режима можно исключить вероятность деформации поверхности из-за воздействия высокой температуры.
Метод может использоваться для термической обработки и перфорации, а также резки металла.

Есть и определенные недостатки. Они следующие:

Для создания вакуумной среды требуется определенное время. Именно поэтому существенно снижается показатель производительности подобной технологии.
В корне шва может появится полое отверстие. Именно поэтому следует проводить контроль качества соединения при применении специального оборудования.

Электронно лучевая сварка оправдана в том случае, если нужно провести обработку труднодоступных мест. Экономичность связана с небольшим показателем потребления энергии.

Виды сварочных лучевых установок

Оборудование для электронно лучевой сварки характеризуется высокой эффективность применения. Однако, сложность конструкции определяет ее высокую стоимость. В продаже встречается:

С элементом прямого накала катодов.
С элементом косвенного накала.

Некоторые установки электронно лучевой сварки могут проводить обработку поверхности по криволинейным траекториям. Для этого проводится установка компьютера, который и контролирует положение исполнительного органа относительно обрабатываемой поверхности.

Электронно-лучевая сварочная установка

Модели, выпускаемые зарубежными производителями, характеризуются высокой степенью автоматизации. Наибольшей эффективностью пользуется метод полного проплавления соединительного стыка.

Область применения

Как ранее было отмечено, рассматриваемый метод применяется для соединения различных материалов и сплавов, которые характеризуются высокой устойчивостью к воздействию тепла. Область применения следующая:

Обработка алюминия.
Соединение изделий, представленных сплавов из титана.
Обработка бериллиевых металлов.
Работа с танталом, ниобием, цирконием.
Обработка легированных сталей.

Качественные изделия могут получать в ракетостроении и атомной энергетике. Это связано с тем, что лучевая технология позволяет получить однородный шов.

Использование сварки в промышленности

Применение ЭЛС постоянно расширяется несмотря высокую себестоимость процесса и некоторые ее недостатки. Технология характеризуется показателем КПД почти 95%. Этот показатель больше чем у более распространенной дуговой сварки.

Промышленное применение выражено следующим образом:

При работе с активными металлами.
При обработке термоупрачненных металлов.
Для соединения тугоплавких материалов.
При работе с камнем и керамикой.
Для создания ответственных деталей.

Сегодня ЭЛС получила широкое распространение в сфере производства электронных изделий. За счет вакуума можно обеспечить герметизацию микросхем. При этом на поверхность может оказывать воздействие самая различная температура. Производительные установки подходят для работы в сфере авиации. Объем камер может варьировать в большом диапазоне. В заключение отметим, что в последнее время технология активно развивается. Это связано с возможностью получения качественных изделий при небольших затратах.

Читайте также: