Электроннолучевая сварка - Страница 8

Другие виды сварки - Электроннолучевая сварка

Подробности

Широкое применение новых конструкционных материалов на основе тугоплавких и высокоактивных металлов (титан, цирконий, молибден, вольфрам и др.) потребовало создания способа их обработки источником тепла с высокой плотностью энергии в условиях защиты от взаимодействия с газами воздуха (кислород, азот). Наиболее полно этим условиям отвечает электроннолучевая технология.

 

Сущность электронно-лучевой обработки материалов состоит в использовании кинетической энергии пучка электронов, движущихся в вакууме без столкновений с остаточными молекулами воздуха. При бомбардировке электронами поверхности обрабатываемого материала подавляющая часть кинетической энергии электронов превращается в тепловую, которая и используется для обработки.

Изменяя плотность энергии на обрабатываемом материале и управляя процессами теплоотвода, можно проводить обработку материалов в твердом, жидком и парообразном состояниях.

Электроннолучевая технология широко применяется в промышленности для плавки и переплава металлов и сплавов с целью их очистки от вредных примесей и газов, сварки и разделительной резки, пайки и обработки точных отверстий малого диаметра, нанесения покрытий различного назначения испарением и конденсацией в вакууме.

Первая успешная плавка тантала электронным лучом была осуществлена в Германии в 1905 г. С тех пор благодаря развитию вакуумной техники и электронной оптики созданы промышленное оборудование и технологии, позволяющие решать многие технические проблемы производства современных конструкций.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ

При электронно-лучевой сварке кинетическая энергия пучка электронов используется для расплавления стыка примыкающих друг к другу деталей и образования сварного шва. Электронный луч обеспечивает высокую удельную мощность на поверхности пятна нагрева. По этому показателю (табл. 24) электронный луч почти одинаков со световым лучом оптического квантового генератора (лазера) и существенно превосходит традиционные источники нагрева, применяемые при сварке.

Электрон является наименьшей заряженной частицей, которая наиболее простым образом может быть получена в свободном состоянии. Он имеет отрицательный заряд е =1,602-10"19 Кл, массу Ме = 9,109-10"31 кг, удельный заряд е/Ме = 1,759-10й Кл/кг. Свободные электроны в сварочных электронных пушках получают за счет эмиссии с поверхности твердых термоэлектронных катодов, изготовленных из вольфрама, тантала, гексаборида лантана. Катод нагревают до температуры, обеспечивающей необходимую плотность тока эмиссии. Нагрев катода ограничивается термостойкостью и скоростью испарения его материала.

Если электрон находится в однородном электрическом поле напряженностью Е, на него действует сила, равная произведению заряда электрона на напряженность поля:

Так как электрон имеет отрицательный заряд, сила F направлена противоположно вектору напряженности электрического поля. Работа, произведенная электрическим полем на перемещение электрона из одной точки поля в другую, может быть выражена, где U - разность потенциалов между этими точками.

Эта разность потенциалов в практике электронно-лучевой сварки называется ускоряющим напряжением U. Работа затрачивается на сообщение электрону кинетической энергии. В современных технологических установках для электронно-лучевой сварки ускоряющее напряжение U = 10... 100 кВ, скорость электронов в пучке может достигать 0,2...0,5 скорости света. Для любой технологической электронно-лучевой установки важно создание условий, при которых ускоренный электронный пучок достигает поверхность обрабатываемого материала, не испытывая столкновений с молекулами газов и паров в рабочей камере. Это достигается созданием в рабочем объеме установок вакуума, при котором длина свободного пробега молекул остаточного газа больше или равна расстоянию от катода электронной пушки до обрабатываемого изделия. При температуре 20 °С чем меньше давление воздуха, тем больше средняя длина свободного пробега молекул (табл. 25).

В камерах установок для электронно-лучевой сварки применяют давление Ы0~3...1-10~5 мм рт. ст. Это позволяет избежать взаимодействия электронов с остаточными молекулами паров даже таких высокоактивных металлов, как титан и алюминий.

Электроны, обладающие энергией, могут проникать в обрабатываемый материал на некоторую глубину. При этом они испытывают упругие и неупругие столкновения с атомами и молекулами вещества, отдавая им свою энергию и меняя скорость и направление движения. Так как масса электрона гораздо меньше массы атома и молекулы, при каждом столкновении он отдает лишь малую часть своей энергии и число столкновений для полной передачи энергии велико. Толщина слоя обрабатываемого материала, пройдя который электрон теряет свою энергию, зависит от ускоряющего напряжения, плотности и может быть выражена зависимостью

где 8 - толщина слоя, см; U - ускоряющее напряжение, В; р - плотность обрабатываемого материала, г/см3.

Так, для стали с плотностью 7,8 г/см3 при U = 60 кВ 8 = 12 мкм. Следовательно, энергия электронного луча преобразуется в тепловую внутри тонкого поверхностного слоя. Взаимодействие электронного луча с обрабатываемым материалом вызывает ряд явлений, оказывающих влияние на технологию сварки и конструкцию сварочных установок (рис. 127).

Тепловое и рентгеновское излучение, отраженные, вторичные и тепловые электроны снижают эффективно используемую долю энергии электронного луча для нагрева и плавления свариваемого материала. Как и другие виды излучений, рентгеновские лучи воздействуют на организм человека и при интенсивности, превышающей допустимую, вредны. Меры по защите операторов от рентгеновского излучения учитываются при проектировании электроннолучевых установок выбором технологических параметров сварки, конструкцией и толщиной стенок рабочей камеры. Так как проникающая способность рентгеновского излучения возрастает с энергией электронов в луче, меры по экранированию и защите определяются прежде всего максимальным ускоряющим напряжением. В большинстве технологических сварочных установок при ускоряющем напряжении от 10 до 70 кВ для защиты от рентгеновского излучения достаточно толщины стальных стенок рабочих камер, выбранных из конструктивных соображений. Разъемные соединения и вакуумные уплотнения должны располагаться в местах, не совпадающих по направлению с направлением максимальной интенсивности рентгеновских лучей. В смотровых окнах технологических установок применяют специальные стекла с добавками свинца.

Формирование сварного шва при электронно-лучевой сварке (рис. 128) имеет ряд особенностей, обусловленных испарением свариваемого материала и силовым воздействием давления отдачи пара на расплавленный металл. Давление этой отдачи на 3...5 порядков превышает давление электронного луча.

При определенном значении плотности и достаточной общей мощности электронного луча в сварочной ванне образуется канал-кратер, который может распространяться на всю толщину свариваемого материала, так же как и при сварке лучом лазера. Перемещение свариваемого изделия или электронного луча приводит к периодическому переносу жидкого металла из зоны плавления в зону кристаллизации при непрерывном воздействии электронного пучка на свариваемый материал. Образование кратера на всю глубину проплавления позволяет получить исключительно малый объем сварочной ванны и, следующие требования ко всем типам соединений - это высокая точность сборки деталей перед сваркой. Допустимые зазоры в свариваемых стыках не должны превышать 0,2 мм. При ЭЛС требуется более тщательная очистка свариваемых кромок от различных загрязнений и особенно от органических веществ.

Воздействие электронного луча на жидкий металл приводит к микровзрывам в вакууме, в результате чего часть металла сварочной ванны разбрызгивается, поверхность шва становится неровной, в шве могут возникнуть дефекты.

Для ЭЛС предпочтительны стыковые соединения, так как в этом случае удается получать узкие сварные швы с минимальной деформацией изделий. Сварка с отбортовкой кромок на телах вращения применяется чаще в приборостроении. Изделия, значительно различающиеся по толщине (например, приварка мембраны к корпусу), сваривают с предварительной обработкой кромки большей толщины для выравнивания температурного поля, что обеспечивает симметричное проплавление деталей. Соединения внахлестку широко применяют при сварке разнородных металлов, различающихся по температуре плавления. Электронный луч в этом случае смещают на более тугоплавкую кромку.

Возможность сварки в узких разделках и труднодоступных местах является одним из преимуществ ЭЛС перед другими способами сварки плавлением. Эта возможность достигается благодаря малым размерам сечения электронного луча и его автономности по отношению к свариваемому изделию. Однопроходная сварка нескольких расположенных друг над другом стыков может быть выполнена проникающим лучом, а в некоторых конструкциях соединение двух оболочек может быть осуществлено через ребро жесткости.

При сварке деталей толщиной 1...2 мм, может наблюдаться неравномерное формирование шва, которое можно устранить регулированием фокусировки луча. Наиболее часто встречающийся дефект при сварке небольшой толщины - неравномерность проплавления из-за провисания жидкого металла под действием давления испаряющегося металла и фиксации этого провисания за счет высокой скорости кристаллизации. Для избежания этого дефекта при сварке ответственных конструкций следует применять остающиеся подкладки из свариваемого металла. Высокие скорости электронно-лучевой сварки могут привести к подрезам, размеры которых определяются теплофизическими свойствами свариваемого металла. В середине шва при этом образуется выступ. Снижение скорости сварки уменьшает возможность образования подрезов. Если они образовались, то их можно устранить повторным оплавлением поверхности шва при меньшей мощности луча или расфокусированным лучом.

Один из характерных для ЭЛС дефектов - это газовая пористость металла шва. Основная причина образования пор - загрязненность свариваемого металла газами, которые при кристаллизации сварочной ванны могут выделяться вследствие разной их растворимости в жидком и твердом металле. Пористости способствует также химическое взаимодействие компонентов и примесей в свариваемом металле при высокой температуре с образованием газовой фазы. Высокая скорость кристаллизации металла ванны при ЭЛС не позволяет газовым пузырькам всплыть и выделиться из сварочной ванны. Лучший способ борьбы с газовой пористостью при ЭЛС - это использование чистых исходных металлов, которые получают вакуумно-дуговым, электрошлаковым и электронно-лучевым переплавом.

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

   
© ALLROUNDER