Строительство дома 

Принцип работы электронно лучевой сварки. Электронно-лучевая сварка — сущность, типы, преимущества. Установка электронно-лучевой сварки


Лазерная сварка и другие современные сварочные технологии дают возможность изменять коренным образом стандартные технологические процессы и создавать совершенно новые конструкции разнообразных агрегатов. Рассмотрим наиболее инновационные виды сварки, используемые в наш высокотехнологичный век.

1 Лазерная сварка – суть процесса и его достоинства

При выполнении операции соединения материалов лазерным лучом используются разные по виду лазерные агрегаты:

Недавние разработки машин позволяют даже доходить до 200 кГц. Когда быстро движущиеся электроны попадают на металлическую поверхность, они замедляются, что преобразует кинетическую энергию каждого отдельного электрона в пучок в тепловую энергию в компоненте. Это преобразование стабильно в диапазоне высоких 90% для всех металлов независимо от того, попадают ли электроны на поверхность перпендикулярно или неглубоко. Практически это физическое поведение делает процесс очень надежным и надежным!

Когда электроны в сфокусированном пучке попадают на металлическую поверхность, высокая плотность энергии мгновенно испаряет материал, создавая так называемое ключевое отверстие. Характерной особенностью этого явления является то, что он позволяет использовать уникальные возможности для глубоких, узких сварных швов с очень малыми зонами термического воздействия и минимизированными тепловыми искажениями сварных узлов.

  • газовые;
  • твердотельные;
  • полупроводниковые.

Непосредственно процесс базируется на том, что при направлении энергии квантов на свариваемые изделия наблюдается поглощение ими этой самой энергии, приводящее к увеличению температуры поверхности деталей за счет образования теплоты.

Лазерные установки способны концентрировать квантовую энергию на определенном участке поверхности, в результате чего сильному нагреву подвергается небольшая часть заготовки.

Особые обстоятельства могут потребовать сварки в режиме проводимости, которая обычно создает широкие и мелкие сварные швы. Можно использовать сварные швы типа проводки. для косметических путей, чтобы сгладить верхнюю шайку сварных швов с ключом в последующей операции.

Генератор шаблонов - уникальный параметр сварки. Узкие и глубокие сварные швы обычно более подвержены пористости, чаще всего в корне, а также в середине сварного шва. Чтобы объяснить механизм создания пористости, мы должны заглянуть в ключевое отверстие и посмотреть, что там происходит. Давайте начнем с основ - ключевого отверстия. Как следует из названия, это отверстие с высоким давлением паров в середине, которое плотно прижимает расплавленный материал к боковым стенкам. Когда электронный луч перемещается вперед, материал расплавляется на фронте пучка.

Лазерная сварка позволяет выполнять соединение конструкций с весьма крупными габаритами, так как для ее выполнения не требуется вакуум. Кроме того, использование луча лазера характеризуется следующими важными достоинствами:

  • получение в процессе сварки по-настоящему безупречного качества соединения изделий из таких материалов, которые иными сварочными методами свариваются очень и очень плохо (популярная стыковая сварка, например, по своим качественным показателям не идет ни в какое сравнение с лазерной);
  • отсутствие на обрабатываемой поверхности холодных и горячих трещин за счет того, что лазер обеспечивает большие скорости охлаждения и нагрева металла (при этом на околошовный участок оказывается несущественное тепловое влияние);
  • легкая регулировка и управление лучом лазера посредством оптических зеркальных комплексов дают возможность направлять тепловое воздействие в наиболее труднодоступные области конструкции, а значит, сварка может производиться практически в любом ее месте;
  • лазерный луч гарантирует стабильное образование соединительного шва, так как на его характеристики не оказывают влияния магнитные поля, как это отмечается при выполнении сварочных работ при помощи электродуги либо электронного луча.

Также стоит отметить и то, что сварка изделий с применением лазерного оборудования обеспечивает минимальный уровень деформации конструкций, уникальную прочность (технологическую) полученных соединений.

Этот расплав движется очень динамически к задней части луча и быстро затвердевает в этом положении. Эта комбинация динамического движения и быстрого затвердевания может привести к образованию парных карманов, создаваемых слишком быстрым затвердеванием расплавленного материала позади Эти захваченные карманы проявляются как пористость в поперечных сварных средах.

На этом этапе возникают вопросы, как мы можем предотвратить появление пар? Размер диаметра отверстия может быть увеличен, что приводит к увеличению времени выхода пара металла и, в свою очередь, препятствует созданию парных карманов. Корректировки этих значений могут значительно повысить стабильность ключевых отверстий в большинстве сварочных применений. Сварка низкоплавких сплавов, таких как алюминий или магний, изначально может быть проблемой, поскольку концентрация мощности с высоким пучком легко может перегревать материал, что может привести к пористости в сварных швах, шероховатых шариках и брызгах.

Стандартный газовый лазер, используемый в настоящее время, представляет собой достаточно простой агрегат. Выполнен он в виде трубки, в которую накачивают газ. Данная трубка ограничивается параллельными зеркалами с обеих сторон (с одной стороны устанавливают полупрозрачное зеркало, с другой – полностью непрозрачное). В описанную конструкцию вводят электроды, между ними формируются так называемые "быстрые электроны". Они-то и возбуждают молекулы газа, которые создают кванты света, возвращаясь в свое обычное состояние. Лазерные установки газового типа способны функционировать непрерывно.

Область применения электронно-лучевой сварки

Опять же, динамическое отклонение луча в узоре на несколько сотен герц и корректировка других значений отклонения помогает уменьшить плотность мощности в пятне фокусировки и тем самым предотвращает перегрев сплава. Пористость может быть сведена к минимуму или полностью исключена, верхняя шарик может быть сглажена, и в большинстве случаев можно избежать создания брызг.

Хотя возможно изготовление очень узких сварных швов, это не всегда желательно, поскольку комбинация допусков деталей и инструментов может быть слишком большой для узкого сварного шва. Луч не всегда попадает в шов точно там, где он должен, и тем самым увеличивает риск потери проникновения или даже полного отсутствия сустава. В этих ситуациях предпочтительно иметь возможность регулировать профиль сварного шва, очень часто ширину при заданном проникновении, чтобы находить правильный баланс между надежной повторяемостью пучка к соединению при массовом производстве и минимально возможной тепловой нагрузкой для минимальный уровень искажения детали.

Добавим – лазерная технология может выполняться по двум схемам:

  • сварка в среде защитных газов;
  • сварка на воздухе.

Первая из указанных технологий позволяет осуществлять соединение самых разных металлов, которые ранее считались непригодными для сваривания ( , металлов тугоплавкой группы и т. д.).

Опять же, генератор шаблонов является идеальным инструментом для балансировки этих различных технических требований, позволяя проводить непрерывную регулировку ширины сварного шва почти с параллельными сторонами. В дополнение к устранению вышеупомянутой пористости использование генератора рисунка также может улучшить косметический внешний вид верхнего борта во вторичной операции после сварного шва.

Дальнейшее улучшение качества сварного шва может быть достигнуто за счет использования различных образцов сварки для устранения подрезов и нерегулярных проникновений. Последнее также способствует более высокочастотному отклонению диаграммы направленности, что в значительной степени уменьшает пикивание в корне сварного шва.

2 Электронно-лучевая сварка – плюсы и минусы

Суть технологии заключается в эксплуатации энергии (кинетической) пучка электронов, которые перемещаются в вакууме с большими скоростями. Достоинства электронно-лучевой сварки таковы:

Сварка электронным лучом имеет значительные преимущества

Практически все металлы могут быть сварены с помощью электронного пучка. Конечно, качество сварных швов зависит от металлургии, а также от других технических критериев, таких как параметры сварки и совместная конструкция. Материал наполнителя обычно не используется для соединения большинства компонентов, поэтому металлургия не изменяется. Это делает процесс сварки электронным лучом простым и более экономичным. Как и в случае с любым правилом, есть исключения. В объем этой статьи не входит подробная информация о свариваемости различных металлов; поэтому следующие примеры будут сосредоточены на определенных производственных приложениях.

  • Небольшой объем вводимой теплоты (по сравнению с – меньше в 4–5 раз). Это уменьшает (и весьма значительно) степень деформации свариваемой детали.
  • Концентрация ввода тепловой энергии в конструкцию на очень высоком уровне. Луч в данном случае проникает в глубину материала, а не воздействует исключительно на его поверхность. За счет этого факта электронно-лучевая методика применяется для соединения керамики, изделий из плохо поддающихся плавке металлов (например, тантала и вольфрама).
  • Насыщение газами нагретого и расплавленного металла отсутствует, благодаря чему обеспечивается достойное качество сваривания молибдена, циркония, ниобия и иных химически активных сплавов и активных с точки зрения химического взаимодействия сплавов и металлов.

Микролегированные стали с низким и средним содержанием углерода обычно используются для компонентов механической коробки передач в автомобильной промышленности. Они вызваны эффектом гашения после сварки и могут зависеть от ширины сварного шва и скорости сварки. Предварительный нагрев компонентов - это общее средство, используемое для существенного уменьшения увеличения твердости. Другим побочным эффектом предварительного нагрева в массовом производстве является то, что скорость сварки может быть значительно увеличена, что делает процесс более экономичным.

К недостаткам описываемой технологии относят:

  • продолжительнее время, требуемое для формирования в рабочей камере сварочного агрегата вакуума;
  • высокая вероятность появления на материалах с высоким показателем теплопроводности полостей и зон несплавления (они, как правило, образуются в корне шва).

Сварка компонентов автоматической трансмиссии - еще одно применение, используемое автомобильной промышленностью. Ассортимент свариваемых компонентов обычно включает в себя множество конструкций для узлов вала, а также для планетарных носителей. Материал варьируется от низкоуглеродистого листового металла для несущих муфт до среднеуглеродистых, микролегированных сталей для валов. Расплавленные материалы с низким и средним содержанием углерода смешиваются вместе, не создавая проблем.

Установка электронно-лучевой сварки

Планетарные носители легкой и средней мощности изготовлены из листового металла с низкой углеродистой сталью. Этот материал идеально сваривается; задача заключается в разработке этих деталей, которые имеют от 3 до 5 сегментов, которые необходимо объединить. Спецификация этих сегментированных сварных швов обычно не позволяет существенно заполнить материал как в начале, так и в конце стыка.

3 Термитная сварка – особенности процесса

При этой технологии металл нагревается посредством специального состава, называемого термитом. Его компонентами являются:

  • железная окалина;
  • магний либо алюминий в порошкообразной форме.

Комбинация шаблона отклонения и непрерывной регулировки мощности пучка помогает смягчить это недополнение, тем самым оптимизируя качество соединения для соответствия спецификации. Продвинутые конструкции носителей планетарной тяжелой нагрузки кованые из микролегированных сталей, содержащих около 1% марганца и 2% углерода. Задача, превышающая конструкцию листового металла, представляет собой совместные сегменты с различной толщиной, которые требуют изменения мощности не только в начале и в конце сустава, но и между ними.

Опять же, шаблон отклонения в сочетании с непрерывной настройкой мощности пучка позволяет разработать надежный набор параметров сварки, которые сохраняются при ежедневном производстве на производственном этаже. Использование нержавеющей стали очень распространено в промышленности из-за ее коррозионной стойкости ко многим веществам, газу или жидкости, которые контактируют с его поверхностью. Большинство марок нержавеющих сталей легко свариваются с помощью электронного пучка, и, самое главное, сварные швы коррозионно-стойкие в качестве исходного материала.

Смесь на базе магния рекомендуется для сваривания жил кабелей, телеграфных и телефонных проводов. Ее также можно применять для соединения малых по диаметру трубных изделий. А вот термит с алюминиевым компонентом чаще используется для сварки чугунных и стальных конструкций, в частности, труб, железнодорожных рельсов.

Лазерная сварка – суть процесса и его достоинства

Например, пластины со сложными охлаждающими каналами для обрабатывающей промышленности требуют проникновения шва до 150 дюймов. Двухмерная структура сварного шва, показанная на рисунке 8, имеет общую длину сварного шва до 300 дюймов, что приводит к большому количеству тепла в пластине. Узкие сварные швы для ограниченного ввода тепла минимизируют и сохраняют искажения на технически приемлемом уровне и поэтому имеют решающее значение для этого применения.

Процесс электронно-лучевой сварки широко используется в этой отрасли для присоединения к новым и для ремонта используемых компонентов. Другими областями применения титановых материалов являются, например, медицинские имплантаты, для которых чистый титан является предпочтительным по сравнению с его сплавами. Штифты имплантата, показанного на фигуре 9, должны быть приварены к опорной плите. Электронный луч попадает в штыри от плоской задней части пластины, которая обрабатывается после сварки. Для этих небольших диаметров штифта выгодно отклонять и перемещать луч в кругах электронным способом, а не механически.

Основывается данный сварочный процесс на горении по принципу самораспространения восстановителей и смесей (экзотермических) окислов металлов. Его главные преимущества:

  • высокая производительность;
  • простота выполнения операции;
  • оперативность процесса.

Сварные швы расположены в шахматном порядке для выравнивания распределения тепла в опорной плите. Критически важным для этого применения является частичное постоянное проникновение сварного шва, чтобы предотвратить прорыв пучка и сохранить переднюю часть имплантата абсолютно свободным от пара и брызг. Какие типы сварочных аппаратов с электронным лучом используются?

Стоимость изготовления и качество являются ключевыми целями, которые необходимо учитывать при изготовлении компонентов. Каждая отрасль применяет свои критерии для достижения этих целей. С точки зрения поставщика станка эти цели воплощаются в различные конструкции машин, такие как сварочные аппараты для производства с низким или средним уровнем или сварщики для массового производства с коротким временем цикла.

4 Электрошлаковая сварка и электроды для нее

Бездуговая технология, предполагающая использование теплоты шлаковой ванны для нагрева участка плавления материала. Сама ванна получает необходимую температуру за счет подогрева электротоком. По типу используемых электродов такая технология может выполняться плавящимся мундштуком и пластинчатым либо проволочным сварочным стержнем.

Конструкция сварочного аппарата индексации была создана как надежный станок для многократного производства сборок несколько десятилетий назад. Этот тип сварщика обычно использует индекс с 2 станциями с одной частью на каждой из станций. Для дальнейшей оптимизации производительности количество станций может быть увеличено до 3 или 4, и количество сборок в каждой станции также может быть увеличено в зависимости от их размера. Дальнейшее сокращение времени цикла для этой производственной машины было достигнуто за счет изменения конструкции, которое объединяет камеру блокировки нагрузки перед камерой вакуумной обработки.

По количеству электродов электрошлаковую сварку делят на:

  • многоэлектродную;
  • одноэлектродную;
  • двухэлектродную.

Чаще всего описанный вид соединения металлов используется для сварки изделий толщиной не более 60 и не менее 1,5 миллиметров.

5 Сварка взрывом – перспективная инновация

Технология, которая появилась совсем недавно, и была признана специалистами одним из наиболее перспективных вариантов выполнения сварочных работ. Взрывная сварка – это способ соединения металлов под влиянием энергии, высвобождающейся в результате взрыва специального соединения.

Такой сварочный процесс обычно выполняют во взрывных спецкамерах либо на подземных и открытых полигонах, которые располагаются далеко от промышленных и жилых объектов. Подобные предосторожности важны, так как при взрыве фиксируется небезопасный разлет осколков, есть вероятность сейсмических возмущений (если заряд взрывчатого соединения достаточно велик), нередко наблюдается и ударная волна, способная разрушить какое-либо сооружение или нанести вред здоровью человека.

Взрывные сварочные мероприятия теоретически позволяют соединять все известные сейчас металлы. Но при этом необходимо учитывать то, что сваренные изделия могут сильно нагреться, что приведет к появлению интерметаллидных фаз и образованию в зоне соединения весьма активных диффузионных явлений.


Электронно-лучевая сварка на сегодняшний день является перспективным способом соединения тугоплавких металлических сплавов. Данная технология может использоваться с высокопрочными сплавами, качественной сталью, алюминием и титаном. Данная технология основывается на использовании тепла, которое выделяется при торможении частиц, ускоренных при помощи высокой энергии. Подобные технологии стали использоваться в металлургии лишь с развитием электронной оптики и вакуумной техники. Одним из преимуществ использования данной технологии сварки является ее качество, а также возможность работы с различными тугоплавкими металлами.

Электронно-лучевая сварка

При выполнении сварочных работ по данной технологии используется специальная электронная пушка, которая позволяет генерировать направленный пучок заряженных с высокой энергией частиц. Такой направленный пучок разогревает металл, обеспечивая получение высокой температуры свариваемых кромок. Электронная пушка получает энергию от высоковольтного источника с постоянным током. При этом вся работа такого оборудования контролируется автоматикой, что позволяет исключить скачки напряжения, а, следственно, сварочная дуга имеет постоянную температуру и необходимую интенсивность.


Одной из особенностей данной технологии сварки является необходимость движения электронного луча по строго определенной линии сварки. Для этого используется специальная магнитная отклоняющая система, которая обеспечивает управление сварочной дугой. Для уменьшения потери энергии электронов по причине их соударения с молекулами газа непосредственно в месте сварочного соединения создается вакуум, что гарантирует максимальную эффективность данной технологии и качественное соединение металлических элементов.

Технология лучевой сварки

При выполнении таких сварочных работ пучок заряженных частиц проходит по передней стенке соединительного шва, а расплавленный металл постепенно стекает с боков, концентрируясь у задней стенки соединительного шва, где он вскоре кристаллизуется и застывает. При этом обеспечивается соединение металлов на молекулярном уровне, что гарантирует максимальную прочность сварки.


Возможно выполнение сварочных работ непрерывным лучом, который управляется с соответствующей пушкой и магнитной отклоняющей системой, так и с использованием импульсного электронного луча. Этот луч имеет большую плотность энергии, а его частота импульсов составляет 100-500 гигагерц. Импульсный луч используется для сварки легкосплавных и легкоиспаряющихся металлов. Отметим, что импульсная технология может применяться для работы с чрезвычайно тонкими тугоплавкими металлическими листами. При появлении во время сварки подрезов тонких кромок их в последующем можно удалить колеблющимся сварочным электронным лучом.

Установка электронно-лучевой сварки

В первую очередь хотелось бы поговорить об основных параметрах выполнения данной работы. Их таких характеристик лучевой сварки выделим следующее:


  • Точность фокусировки луча.
  • Общая продолжительность импульсов.
  • Ускорение напряжения.
  • Скорость движения сварного луча.
  • Сила тока в полученном луче.
  • Степень вакуума.

Выбор тех или иных параметров сварки в данном случае будет напрямую зависеть от конкретных особенностей соединяемых металлов. Следует отметить, что качество выполнения данной работы потребует соблюдения точности направления луча по его осям и правильность сборки деталей. Именно поэтому необходимо выдерживать минимально и максимально допустимые зазоры в соединяемых деталях, в зависимости от этого выбирают те или иные параметры оборудования.

Способы

При использовании лучевой технологии можно получить следующие виды соединений металлических изделий:

  • Угловое.
  • Замковое.
  • Стыковое.
  • Стыковое с использованием изделий различной толщины.
  • Стыковое с выполненной отбортовкой кромок.
  • Стыковое с соединением шестеренок.

Характерные особенности лучевой сварки

Из особенностей выполнения такой работы можно выделить следующее:


  • Сварка по лучевой технологии выполняется в вакуумной среде. Тем самым исключается деградация расплавленного металла и обеспечивается максимально чистая поверхность.
  • Концентрированный луч позволяет достигать максимально высоких температур. Металл при воздействии таких температур быстро расплавляется, что позволяет получить мелкозернистый шов с минимальной шириной.
  • При использовании иных технологии сварки появляются существенные сложности при работе со сплавами, которые чувствительны к интенсивности нагрева. При этом лучевая сварка может использоваться для работы с такими чувствительными к нагреву сплавами, в том числе с высоколегированными сталями, титаном и алюминием.

Преимущества и недостатки

Из преимуществ данной технологии можно отметить следующее:

  • Имеется возможность соединения керамики, тугоплавких металлов и различных иных изделий.
  • При выполнении сварочных работ выделяется минимальное количество тепловой энергии. Тем самым обеспечивается снижение расходов на соединение таких деталей.
  • Обеспечивается максимально возможное качество выполненного соединения. Даже при работе с теми металлами, сваривать которые другими технологиями чрезвычайно сложно, можно получить долговечное и прочное соединение.

Если же говорить о недостатках, то можно выделить следующее :


  • Для обеспечения вакуума в рабочей камере используется специальное дорогостоящее оборудование.
  • При работе с металлическими сплавами с большой теплопроводностью существует риск образования несплавлений.