Электронно-лучевая сварка

 

Этот способ сварки основан на использовании для Нагрева и расплавления свариваемых деталей энергии электронного луча.

Электронный луч представляет собой сжатый поток электронов, перемещающихся с большой скоростью от катода к аноду в силь­ном электрическом поле. При соударении электронного потока с твердым телом более 99 % кинетической энергии электронов переходит в тепловую, которая расходуется на нагрев этого тела. Температура в месте соударения может достигать 5000...6000 °С.

В установках для электронно-лучевой сварки (рис. 19.29) про­исходит эмиссия электронов на катоде 1 электронной пушки. Электроны формируются в пучок прикатодным электродом 2, расположенным непосредственно за катодом, и ускоряются под действием разности потенциалов между катодом и анодом 3, со­ставляющей 20...150 кВ и выше. Затем они фокусируются в виде луча и направляются специальной отклоняющей магнитной си­стемой 4 на обрабатываемое изделие 5. Фокусировкой достига­ется высокая удельная мощность (от 5 до 105 кВт/м² и выше). Ток электронного луча невелик (от нескольких миллиампер до единиц ампер).

б

I V.&MM

A"'J

Рис. 19.29. Схема установки (а) и «кинжальное» проплавление(б) при электронно-лучевой сварке(F.lt F2— сечения швов при дуговой и электронно-лучевой сварке)

 

При перемещении заготовки под неподвижным лучом образу­ется сварной шов. Иногда при сварке перемещают сам луч вдоль неподвижных кромок с помощью отклоняющих систем. Отклоняю­щие системы используют также и для колебаний электронного луча поперек и вдоль шва, что позволяет регулировать тепловое воздействие на металл. Процесс сварки осуществляется в ваку­умных камерах.

Параметрами процесса электронно-лучевой сварки являются ускоряющее напряжение Е/_уск; сила тока пучка /_п; расстояние от пушки до изделияdи до плоскости фокусировки пучка Ь; ско­рость сварки и_ся; глубина вакуума р. Изменяя перечисленные параметры процесса сварки, удается в широких пределах изме­нять форму сварочной ванны.

Сварку тонколистовых металлов (до 1...3 мм) обычно выпол­няют расфокусированным пучком электронов при небольших значениях удельной мощности в пятне нагрева (рис. 19.30, а). По термодеформационному циклу такая сварка почти не отли­чается от аргонно-дуговой сварки неплавящимся электродом.

малой (а) и большой (б) толщины: 1 — направление испарения металла;2 — пучок электронов; 3 — направ­ление выноса металла в верхней части сварочной ванны;4 — фронт кри­сталлизации; 5 — направление перемещения изделия; 6 — поперечная усадка металла сварного шва

 

При сварке толстолистовых металлов (рис. 19.30, б) исполь­зуют острофокусные пучки электронов. Процесс сварки толсто­листового металла состоит из следующих этапов. Вначале вви­ду высокой концентрации энергии в пятне нагрева и высокого температурного градиента происходит преимущественное ис­парение металла. Далее по мере нагрева металл плавится и об­разуется сварочная ванна. Потоки паров, истекая в вакуум, силой реакции воздействуют на жидкий металл, вытесняя его из зоны нагрева. При этом оголяемые глубинные слои металла, восприни­мая энергию электронов, плавятся, испаряются и вытесняются, пока не наступает динамическое равновесие всех сил, действую­щих на жидкий металл. В результате в его толще образуется канал с большим отношением глубины к диаметру. Восприни­мающая энергию электронного пучка боковая поверхность ка­нала имеет площадь, во много раз превышающую сечение пучка. Канал устойчив, так как при заполнении хотя бы части его жид­ким металлом резко увеличивается количество поглощаемой этим металлом энергии, он вскипает и испаряется.

Характерной особенностью электронно-лучевой сварки при высокой мощности являются большие скорости переноса жид­кого металла из зоны плавления в зону кристаллизации. В верхней части сварочной ванны жидкий металл выносится на поверх­ность свариваемого изделия и образует усиление, площадь попе­речного сечения которого достигает 10...15 % общей площади поперечного сечения сварочной ванны. Электронно-лучевой сварке толстого металла присущи колебания глубины проплав- ления, но при правильной фокусировке и стабильных парамет­рах пучка они не превышают 5 % общей глубины проплавления.

Применение электронно-лучевой сварки при изготовлении изделий из тугоплавких и химически активных материалов (Мо, W, Nb, Та и др.) позволяет получить сварные соединения с узкой зоной термического влияния и малыми деформациями без обогащения металла шва вредными примесями. При сварке высокотеплопроводных материалов (меди, алюминия и их спла­вов) обеспечиваются высокий термический коэффициент плав­ления и возможность получения узких и глубоких швов при сравнительно малой мощности электронных пучков. При свар­ке изделий из сталей обеспечивается большая глубина проплав­ления и, следовательно, высокая производительность процесса при изготовлении конструкций из толстостенных заготовок.

Для электронно-лучевой сварки характерны как обычные типы соединений, так и принципиально новые. Общее требование ко всем типам соединений — точная сборка деталей перед сваркой.

Обычно отклонение оси пучка электронов от сварного стыка в процессе сварки не должно превышать 0,2...0,3 мм. При тол­щине свариваемых пластин до 5 мм допустимая величина зазо­ра, как правило, не превышает 0,05...0,07 мм. При увеличении толщины пластин до 20 мм допустимая величина зазора возрас­тает до 0,1 мм, но не более.

Лазерная сварка

В последнее время в сварочной практике находят применение оптические квантовые генераторы (ОКГ), так называемые лазе­ры. При лазерной сварке нагрев и плавление металла осуществ­ляются мощным световым лучом, получаемым от специальных твердых или газовых излучателей. Для управления сформиро­ванным излучателем лучом служат специальные оптические си­стемы. Вакуум при сварке лазером не нужен, и сварка может осуществляться на воздухе даже на значительном расстоянии от генератора.

Лазерная сварка вследствие высоких значений плотности те­пловой мощности в облучаемой зоне характеризуется высокой локальностью нагрева. Она позволяет сваривать металлы с раз­личными теплофизическими характеристиками, в труднодоступ­ных местах, поскольку это бесконтактный способ сварки, а также в любой прозрачной для данного излучения атмосфере или среде. В настоящее время для данной сварки применяются импульс­ные твердотельные лазеры и газовые лазеры непрерывного дей­ствия.

19.10.

Принципиальная схема импульсной сварочной установки по­казана на рис. 19.31. Стержень активного материала 4 (напри­мер, рубина) и импульсная лампа накачки 3 размещены в по­лости осветителя 2. Электрическая энергия источника питания 1 преобразуется лампой накачки в световую энергию. Под воздей­ствием света активный материал переходит в состояние, в котором он способен усиливать и генерировать свет определенрой длины волны. Чтобы улучшить условия генерации, стержень активно­го вещества помещают между двумя зеркалами, очень точно отъюстированными по отношению к стержню. Эти два зеркала и стержень активной среды образуют резонатор. Для вывода из-

Лучения из полости резонатора одно из зеркал делают частично прозрачным. Вышедший из резонатора пучок 5 собирается лин­зой 6, ив плоскости, где размеры пучка наименьшие, а плот­ность мощности наиболее высокая, располагают свариваемые детали 7.

 

Режим импульсной лазерной сварки определяется вводимой в свариваемые детали энергией лазерного излучения, длительно­стью импульса и радиусом светового пятна на облучаемой поверх­ности свариваемых деталей.

При сварке стыковых соединений возможны три технологи­ческие схемы нагрева:

1) фокусировка пятна нагрева на стык соединения — приме­няется при сходных теплофизических свойствах свариваемых металлов. В результате получается практически симметричный сварной шов;

2) смещение пятна нагрева в сторону более тугоплавкого ме­талла — применяется в том случае, когда один из свариваемых металлов значительно более тугоплавкий. При этом происходит преимущественный нагрев и плавление более тугоплавкого ме­талла. Плавление менее тугоплавкого металла осуществляется за счет теплоты, передаваемой его кромке от расплава;

3) сварка с преимущественным нагревом менее тугоплавкого металла. В этом случае сварное соединение образуется в резуль­тате процесса сварки-пайки.

Импульсная лазерная сварка стыковых соединений требует тщательной подгонки кромок свариваемых деталей.

Импульсные твердотельные лазеры применяют для сварки де­талей в микроэлектронике и приборостроении, где важно полу­чать малоразмерные швы с минимальным разогревом окружающе­го зону сварки материала. Сварка может вестись как отдельными точками, так и герметичными швами при последовательном на­ложении точек с их перекрытием.

Мощные газовые лазеры позволяют проплавлять за один про­ход, как и при электронно-лучевой сварке, значительные тол­щины.

Так же как и электронно-лучевая сварка, сварка лазером дает узкий шов «кинжального» типа с малыми деформациями свари­ваемых деталей, что позволяет применять этот способ для соеди­нения окончательно обрабатываемых узлов и деталей-

Лазерную сварку можно с успехом применять для получения различных типов сварных соединений из многих однородных и разнородных металлов.