Высокочастотная сварка

Особенность высокочастотного метода нагрева состоит в выделении тепловой энергии в массе нагреваемого ме­талла и возможность значитёльной концентрации элек­тромагнитной энергии токов высокой частоты в поверхностных слоях нагреваемого металла, вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости [7, с. 76–80].

При нагреве т.в.ч. металлы помещают в магнитное поле высокой частоты, созданное током, протекающим по индуктору. В металле при этом индуктируется элек­тродвижущая сила, вызывающая в нем ток. Вследствие поверхностного эффекта ток в нагреваемом изделии рас­пределяется неравномерно – наибольшая плотность тока наблюдается в поверхностных слоях изделия. В нагрева­емом т. в. ч. изделии увеличение плотности тока от центра к поверхности проводника происходит по экспоненциаль­ному закону

(11.1)

где δ _х – среднеквадратичное значение плотности тока на расстоянии х от поверхности провода; δ – среднеквад­ратичное значение плотности тока на поверхности про­водника; Δ – глубина проникновения — расстояние от поверхности провода по направлению к его центру, на котором плотность тока убывает в е раз по сравнению с плотностью тока на поверхности.

Из вышеприведенного выражения следует, что при высокочастотном нагреве в поверхностных слоях можно получить высокие плотности тока и тем самым обеспечить быстрый нагрев металла.

Кроме поверхностного эффекта, для высокочастотной сварки используют так называемый эффект близости. Сущность этого эффекта заключается в следующем.

Есливблизи проводника с переменным током поместить дру­гой проводник без тока или же с током, имеющим проти­воположное направление, то в первом случае, вследствие электромагнитной индукции, в проводнике возникнет э. д. с. и ток, направленные противоположно току в первом про­воднике. Вследствие этого магнитные потоки от обоих токов в зазоре между проводниками, направленные в одну сторону, суммируются, а на наружных сторонах проводников, направленные встречно, ослабляются.

Та­ким образом, в зазоре, между проводниками напряжен­ность магнитного поля увеличивается, а вне зазора, наоборот, уменьшается. Вследствие этого плотности токов и поглощение энергии в проводниках увеличиваются в тех частях поверхности, которые обращены к другому проводнику, т. е. там, где напряженность магнитного доля больше, и уменьшаются на внешних частях поверхности, как это показано на рис. 12.1. Этот эффект способ­ствует еще большей концент­рации энергии в поверхност­ных слоях нагреваемого из­делия.

Для контактной высоко­частотной сварки труб с ис­пользованием эффекта близости разработаны технология и аппаратура (рис. 12.2). Токоподводящие контакты, скользящие или вращающиеся, подводят ток высокой частоты к кромкам сформированной трубной заготовки. Вслед­ствие поверхностного эффекта и эффекта близости ток сосредоточивается на поверхностях сходящихся кромок. Трубная заготовка с разогретыми до необходимой темпе­ратуры кромками поступает в обжимные валки, где и происходит сварка.

Шунтирующее сопротивление при высокой частоте велико и, кроме того, его можно увеличить введением во внутреннюю полость трубы ферритового сердечника, уве­личивая при этом концентрацию тока на поверхности трубы.

Применение тока радиочастотного диапазона позво­ляет получить более высокую концентрацию энергии, чем при контактной и дуговой сварке.

Вследствие использования высококонцентрированного нагрева при высокочастотной сварке протяженность зоны термического влияния и зоны шва чрезвычайно мала и составляет 0,10 – 0,15 мм. В связи с этим сварной шов обладает высокими механическими и антикоррозионными свойствами, весьма близкими к свойствам основного металла.

Применение высокочастотной сварки для изго­товления труб из легированной стали позволяет получить скорости сварки, во много раз превышающие скорости при дуговой сварке.

Высокочастотная сварка может быть использована для стыковой сварки труб и сплошных сечений, это позво­ляет нагревать торцы поверхностей без их контакта, и оплавления. Кроме того, имеется возможность получить сварные соединения с незначительным внутренним гратом.

Торцы труб зажимают в специальных зажимах с уси­лием, исключающим проскальзывание их при приложении осевого усилия (рис. 12.3). Стык трубы помещают в одновитковый индуктор и нагревают до сварочной тем­пературы, после чего прикладывают давление осадки.

Частоту тока, используемого для нагрева металла при стыковой сварке труб при индукционном нагреве, выби­рают из условия получения возможно более высокого к. п. д. индуктора и возможно большей скорости нагрева.

Критерием выбора частоты тока является диаметр d трубы и толщина ее стенки:

(12.1)

Глубина проникновения Δ_г.._пр тока в металл, опреде­ляющая зону металла с максимальной температурой, т. е. толщину свариваемого металла, может быть получена из следующего выражения:

, (12.2)

где ρ – удельное электрическое сопротивление металла трубы, Ом·см; Δ _{г. пр} относительная магнитная проницаемость.

С помощью высокочастотного нагрева можно наплав­лять твердые сплавы на режущие кромки различных инструментов.

На рис. 12.4 представлена схема армирования твердыми сплавами зубьев буровых долот. Твердый сплав в виде порошка или брикета укладывают на армируемую грань зуба и в таком виде нагревают т. в. ч. В процессе нагрева расплавляются брикет и металл зуба, при этом зерна твердого сплава проникают в основной металл на глу­бину 2–3 мм. Продолжительность наплавки одного зуба составляет 10–27 с.

Основные преимущества сварки с нагревом т.в.ч.: возможна сварка труб из высокоактивных металлов, аустенитных и жаропрочных сталей и сплавов; прочность сварных соединений не уступает прочности основного металла; обеспечиваются высокая производительность и стабильность процесса; процесс нечувствителен к состоянию поверхности металла, легко механизируется.

13. ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВАЯ СВАРКА

На современном этапе развития физики широкое и разностороннее применение в различных областях науки и техники находит использование энергии электронов. В настоящее время известно использование энергии элек­тронов для возбуждения свечения люминофоров, которые обычно наносят на экран электроннолучевых трубок катодных осциллографов и телевизоров. Эффекты, вызы­ваемые электронами при бомбардировке вещества, исполь­зованы в электронных микроскопах, электронных умно­жителях, рентгеновских трубках, масс-спектрографах и во многих других устройствах и приборах [7, с. 80–120].

Электрон представляет собой элементарную электри­чески заряженную частицу, имеющую отрицательный заряд е =1,602·10^-19. Кл, массу m_e = 9,109·10^-31кг; радиус r_е= 2,82·10^-15 м, удельный заряд = 1,759·10¹¹Кл/кг. Количество электронов в атоме зависит от типа вещества и равно его атомному номеру в периоди­ческой системе элементов Д.И. Менделеева.

Электрон, являясь наименьшей устойчивой заряженной элементарной частицей материи, может быть наиболее простым образом получен в свободном состоянии. В боль­шинстве случаев, подведя соответствующую энергию, можно вызвать выход электронов с поверхности металла. Наиболее часто для получения свободных электронов используют термоэлектронные катоды-металлы. Они нагреваются до таких температур, при которых электроны приобретают достаточную скорость, чтобы покинуть металл и перейти в окружающее катод пространство. В результате возникает эмиссия электронов. Величина тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры катода, работы выхода и свойств поверхности (уравнение Ричардсона – Дэшмана):

j_{e = АТ}²e , (13.1)

где j_e – плотность тока эмиссии, А/см²; А – эмиссион­нная постоянная, зависящая от свойств излучающей поверхности и равная для большинства чистых металлов 40 – 70 А/см²К²; Т - абсолютная температура катода, К; е - основание натурального логарифма; еφ_о – работа выхода электрона из металла, Дж; k = 1,38·10^–23 Дж/К – постоянная Больцмана.

Это уравнение показывает, что величина тока эмиссии в наибольшей степени зависит от температуры катода. Однако при увеличении температуры резко возрастает скорость испарения, материала катода, и сокращается срок его службы.

Свободные электроны под действием электрических или магнитных полей могут перемещаться. Поскольку элек­троны обладают самой малой инертной массой из всех элементарных частиц, имеющих заряд, то электрону можно сообщить большие ускорения. Если электрон поместить в однородное электрическое поле напряжен­ностью Е, созданное между двумя параллельными пласти­нами достаточно большой протяженности, то на электрон будет действовать сила, равная произведению величины заряда на напряженность поля в месте нахождения заряда:

F = -еЕ (13.2)

Знак минус показывает, что вследствие отрицательного заряда электрона сила имеет направление, противопо­ложное направлению вектора напряженности электри­ческого поля. Работа, затраченная электрическим полем па перемещение заряда из одной точки в другую, равна произведению величины заряда на разность потенциалов между этими двумя точками:

A = eU = е(U₄ – U₁), (13.3)

где U – разность потен­циалов между точками 1 и 2 (рис.13.1).

Эта работа затрачивается на сообще­ние электрону кинетиче­ской энергии

W_{k = ,} (13.4)

где v и v₀ – скорости движения электрона в точ­ках 1 и 2.

Сумма кинетической и потенциальной энергий электронов при их движе­нии в электрических полях остается постоянной, по­этому

_{= eU} (13.5)

если начальная скорость электрона v₀ = 0, то

_{= eU} (13.6)

Отсюда следует, что энергия электронов определяется массой и скоростью частицы. Энергия электронов может достигать больших значений и зависит от разности потен­циалов разгоняющего поля. Скорость электрона, выра­женная через потенциал разгоняющего поля U, равна

v = (13.7)

Подставляя в это выражение значение заряда и массы электрона, можно получить приближенное соотношение для расчета скорости электрона (в км/с):

v (13.8)

Скорость, приобретаемая электроном при движении в ускоряющем поле, зависит только от разности потен­циалов. Из последнего соотношения видно, что скорости электронов даже при сравнительно небольшой разности потенциалов достигают значительных величин. Например, при U = 10000 В скорость электронов v = 60000 км/с.

При такой большой скорости электронов все процессы, связанные с движением электронов, протекают очень быстро.

Регулируя величину и направление начальной ско­рости электронов, а также величину и направление' напряженности электрического поля, можно заставить электроны двигаться по заранее рассчитанной траектории. Это позволяет управлять движением электронов, получать требуемые энергии электронов, плотность в пучке и т. п.

Возможность изменения траектории движения электрона с помощью магнитного поля используют для фокусировки и управления электрон­ным потоком.

Электроны, двигаясь в электрическом поле, могут накопить значительную кинетическую энергию. При до­стижении электроном поверхности металлического анода скорость электронов резко уменьшается вследствие столк­новения их с атомами металла. При таких столкновениях кинетическая энергия электронов передается атомам вещества, подвергающегося бомбардировке. Эффект пере­дачи энергии электронов веществу проявляется увели­чением температуры вещества.

Нагрев анода электронной бомбардировкой является во многих случаях нежелательным явлением и лишь в последнее время этот эффект начал использоваться как положительный фактор при различных технологических процессах, связанных с термическим воздействием, – сварке, плавке, обработке, напылении пленок и т. п., что значительно расширило область применения элек­тронного луча.

Установлено, что электроны, обладающие определен­ной энергией, могут проникать в вещество. Толщина слоя вещества, пройдя который электрон полностью теряет скорость, определяет его пробег. Пробеги электронов в металлах при сравнительно небольших энергиях элек­тронов (10–82 кэВ) были изучены Б. Шенландом. Со­гласно Шенланду пробег (в см) электронов выражается зависимостью

(13.9)

где U – разгоняющее напряжение, В;

– плотность вещества, г/см³.

Расчеты показывают, что электроны в зависимости от разгоняющего напряжения и свойств металла могут проникать на глубину нескольких десятков и даже сотен микрометров. Глубина проникновения электронов в ме­талл невелика, но учет ее позволяет объяснить некоторые эффекты, связанные с особенностями электронного нагрева при сварке.

Изучение адсорбции монохроматического потока элек­тронов показывает, что проникающий в вещество элек­трон испытывает многократное рассеяние и теряет энергию не сразу и в результате многочисленных соударений с ядрами атомов и электронами решетки. В результате этих столкновений меняется скорость и направление дви­жения электронов, проникающих в вещество. Электроны растрачивают основную долю энергии в конце пробега, (рис. 13.2).

Рис. 13.2 – Путь электрона в веществе

Таким образом, в отличие от других широко применяемых методов сварки, при которых нагрев происходит посредством теплопередачи через поверхность металла, электронный нагрев осуществляется в самом ве­ществе.

При этом электроны теряют свою энергию

нерав­номерно в направлении пробега. Вследствие этого наибо­лее интенсивное тепловыделение наблюдается на некоторой глу­бине.

Физическая картина внешних явлений, сопровождаю­щих действие электронов на металл, состоит из рентге­новского излучения, теплоизлучения, возникновения отраженных вторичных электронов, испарения металла в виде атомов и ионов металла и может быть изображена следующим образом (рис. 13.3.).

Вторичные электроны делятся на три группы: а) упругоотраженные, энергия которых примерно равна падаю­щим; б) отраженные в результате неупругого соударе­ния и имеющие более или менее большие потери; в) соб­ственно вторичные электроны, энергия которых не пре­вышает 50 эВ. Энергия отраженных электронов в среднем составляет 70% энергии первичных. Если отношение количества рассеянных электронов, к количеству падаю­щих обозначить то потери энергии пучка на рассеян­ных электронах составят Е_р = 0,7 . Величина ко­леблется в пределах 0,1 – 0,45 в зависимости от порядко­вого номера элемента.

Принцип сварки электронным лучом в вакууме. Сущ­ность процесса сварки электронным лучом в вакууме со­стоит в использовании кинетической энергии электронов, быстродвижущихся в глубоком вакууме. При бомбарди­ровке электронами поверхности металла подавляющая часть кинетической энергии электронов превращается в теплоту, которая и используется для расплавления ме­талла.

Для сварки необходимо получить свободные электроны, сконцентрировать и сообщить им большую скорость, с целью увеличения их энергии, которая должна превра­титься в теплоту при торможении электронов в сваривае­мом металле.

Получение свободных электронов достигается приме­нением раскаленного металлического катода, эмитирую­щего электроны. Ускорение электронов обеспечивается электрическим полем с высокой разностью потенциалов между катодом и анодом. Фокусировка – концентра­ция электронов достигается использованием магнитных полей. Резкое торможение электронного потока происхо­дит автоматически при внедрении электронов в металл. Электронный луч, используемый для сварки, создается в специаль­ном приборе – электронной пушке.

Электронная пушка представляет собой устройство, с помощью которого получают узкие электронные пучки с большой плотностью энергии (рис. 13.4).

Пушка имеет катод 1, который может нагреваться до высоких темпе­ратур. Катод размещен внутри прикатодного электрода 2. На некотором удалении от катода находится ускоряющий электрод (анод) 3 с отверстием. Прикатодный и ускоряю­щий электроды имеют форму, обеспечивающую такое строение электрического поля между ними, которое фоку­сирует электроны в пучок с диаметром, равным диаметру отверстия в аноде.

Положительный потенциал ускоряю­щего электрода может достигать нескольких десятков тысяч вольт, поэтому электроны, эмитированные катодом, на пути к аноду приобретают значительную скорость и энергию.

После ускоряющего электрода электроны дви­гаются равномерно. Питание пушки электрической энер­гией осуществляется от высоковольтного источника 7 постоянного тока. Электроны имеют одинаковый заряд, поэтому они отталкиваются друг от друга, вследствие чего диаметр пучка увеличивается, а плотность энергии в пучке уменьшается.

Для увеличения плотности энергии в луче после вы­хода электронов из первого анода электроны фокусируются магнитным полем в специальной магнитной линзе 4. Сфо­кусированные в плотный пучок летящие электроны уда­ряются с большой скоростью о малую, резко ограни­ченную площадку на изделии 6, при этом кинетическая энергия электронов, вследствие торможения в веществе, превращается в теплоту, нагревая металл до очень вы­соких температур.

Для перемещения луча по свариваемому изделию на пути электронов помещают магнитную отклоняю­щую систему 5, позволяющую устанавливать электрон­ный луч точно по линии сварки.

Для обеспечения свободного движения электронов от катода к аноду и далее к изделию, для тепловой и хи­мической изоляции катода, а также для предотвращения возможности возникновения дугового разряда между электродами в установке создается глубокий вакуум порядка 10^-4 мм рт. ст. (133·10^-4 Н/м²), обеспечиваемый насосной системой установки.

Движение электронов в вакууме не сопровождается световыми эффектами и поэтому луч не виден, но его действие на вещество можно наблюдать по нагреву места бомбардировки, свечению люминофоров и т. п.

Плотность энергии в источнике нагрева определяет его эффективный коэффициент использования теплоты, форму провара, размеры зоны термического влияния и другие параметры. Электронный луч – наиболее эффективный источник нагрева металла при сварке, поскольку плотность энергии в луче не более чем на два порядка превосходит плотность энергии электрической сварочной дуги.

Электронный луч как источник теплоты обладает свойствами, по­зволяющими использовать его для самых плавных нагревов и как источник, сосредоточенность кото­рого на два порядка вы­ше, чем у сварочной дуги (табл. 1). Электронный луч также может быть сосредоточен на очень малой площади, что дает возможность использовать его для сварки изделий микроэлектроники.

Мощность электронного луча может достигать очень больших величин, это делает его перспективным для сварки больших толщин (200–500 мм).

Можно получить электронный луч с интенсивностью 5·10⁸ Вт/см². Плотность энергии в таком луче достигает 500000 кВт/см², т. е. на одном квадратном сантиметре с помощью электронного луча может быть сосредоточена энергия мощной современной турбины.

При нагреве электронным лучом за очень короткий промежуток времени в пятне могут быть получены весьма высокие температуры. Расчет показывает, что в слое ме­талла, подвергающегося электронной бомбардировке при толщине слоя, равной пробегу электрона, в течение 1 с должна была бы устанавливаться температура порядка 10⁷–10⁸ °С. В реальных условиях такие температуры в металле, подвергаемом электронной бомбардировке, существовать не могут вследствие испарения металла на поверхности, на что расходуется значительная часть энер­гии и интенсивного перемешивания расплавленного ме­талла газами и парами, выделяющимися при нагревании.

Применительно к сварочным целям интенсивность энергии в электронном луче должна иметь свой оптимум, так как при очень высокой сосредоточенности источника теплоты процесс сопровождается не только плавлением, но и интенсивным испарением металла, вследствие чего происходит процесс резания металла. На этом принципе построены электронные пушки, предназначенные для сверления и фрезерования.

Высокая интенсивность таких источников теплоты позволяет сваривать любые металлы. Плотность энергии в электронных пучках, используемых для сварки, опре­деляется рядом факторов: свойствами металла (темпера­тура плавления, теплопроводность и др.), его толщиной, формой сварного соединения и т. д. При сварке туго­плавких и теплопроводных металлов и металлов больших толщин целесообразно применять электронный луч с бо­лее высокой плотностью энергии. При сварке легкоплав­ких и легкоиспаряющихся металлов и металлов малых толщин целесообразно использовать лучи с относительно малой плотностью энергии, а в ряде случаев с импульс­ным нагревом.

Важное преимущество сварки электронным лучом при высоких ускоряющих напряжениях – возможность получения узкой и глубокой зоны проплавления. На рис.13.5,а представлены макрошлифы, показывающие изменение формы и размеров зоны проплавления при сварке электронным лучом различной мощности при раз­гоняющем напряжении 70 кВ.

Электронный луч обладает энергией большой плот­ности и оказывает интенсивное тепловое воздействие. Зона расплавления в металле вытягивается преимуще­ственно в направлении действия электронного луча. При дальнейшем повышении мощности зона проплавле­ния принимает форму конуса с отношением глубины шва h к ширине проплавления b, достигающим 10–15. На рис.13.5,б представлен макрошлиф поперечного се­чения соединения из различных сталей, выполненного электроннолучевой сваркой.

При использовании низковольтных сварочных пушек при малых токах электронного луча (до 35 мА) форма зоны проплавления почти не отличается от формы зоны проплавления, получаемой при аргонодуговой сварке. При увеличении силы тока луча в нижней части зоны проплавления появляется клиновидный участок. Глубина этого участка растет с увеличением силы тока.

Наибольшее влияние на форму проплавления оказы­вает разгоняющее напряжение. Так, с повышением раз­гоняющего напряжения до 70 кВ наблюдается более интенсивное увеличение глубины проплавления. Зона проплавления вытягивается в направлении действия луча, при этом с увеличением силы интен­сивно растет глубина проплавления.

Для швов, полученных аргоноду­говой сваркой, отношение глубины шва к его ширине (h/b) обычно колеб­лется в пределах 0,1–0,5, а для швов, полученных электроннолучевой свар­кой, это отношение обычно выше 5 и с увеличением мощности луча бы­стро растет.

Форма зоны проплавления при сварке электронным лучом металла большой толщины выгодно отличается от формы проплавления при сварке дугой за счет резкого увеличения глубины. Возможность получения швов с большой глубиной проплавления – одно из основных преимуществ электроннолучевой сварки, использую­щей источник теплоты с высокой плотностью энергии.

Процесс образования глубокого кратера при электрон­нолучевой сварке еще полностью не выяснен. В литературе высказывается много различных предположений о меха­низме образования кратера, часто диаметрально противо­положных. Вызвано это тем, что до сих пор нет ясности в роли силовых факторов, участвующих в глубинном проплавлении при электроннолучевой сварке.

Наблюдение за процессом сварки и теоретические рас­четы позволяют получить представление о процессе сварки электронным лучом с глубоким проплавлением. В на­чальной стадии, при неподвижном луче, наблюдается образование углубления в металле в виде конуса. Конус образуется следующим образом: после достижения за­данной мощности и фокусирования электронного луча вся мощность луча сосредотачивается в поверхностном слое свариваемого металла, толщина которого равна глу­бине проникновения электронов. При этом площадь пятна нагрева равна площади сечения луча. Вследствие того, что плотность энергии на поверхности металла макси­мальна, наблюдается интенсивный вынос металла из зоны нагрева. В металле образуется углубление в виде конуса, боковая поверхность которого значительно больше площади основания конуса. Во время образования кони­ческого углубления плотность энергии луча на его бо­ковой поверхности уменьшается (рис.13.6).

Установившаяся плотность энергии на боковой по­верхности конуса проплавления имеет такую величину, при которой уже размеры кратера не изменяются.

Процесс передвижения луча по изделию сопровож­дается дополнительными явлениями, также обусловлен­ными интенсивным действием электронного луча. При движущемся электронном луче плавление металла про­исходит на передней стенке кратера, после чего расплав­ленный металл перемещается к задней стенке, не подвер­гающейся нагреву электронным лучом.

Устойчивое существование глубокого конуса при не­подвижном луче обусловлено следующими силами, действующими на жидкий металл, находящийся в кра­тере:

– силой давления потока электронов на единицу по­верхности жидкого металла (F₁);

– электромагнитной силой, возникающей от тока луча (F₂, крайне мала);

– реакцией паров металла (F₃);

– статическим давлением пара в кратере, вызванным испарением расплавленного металла (F₄);

– силой поверхностного натяжения, действующей на жидкий металл (F₅);

– силой тяжести, действующей на расплавленный металл (F₆);

– металлостатическим давлением, действующим на расплавленный металл (F₇).

Анализ участия сил, действующих в кратере при не­подвижном луче, в переносе металла в процессе сварки показывает, что эти силы не могут вызвать значительного перемещения металла (рис. 13.7). Таким образом, возни­кает необходимость найти силы, которые могли бы вызвать движение жидкого металла в кратере из зоны плавления и в зону кристаллизации. Основное отличие теплового состояния кратера движущегося электронного луча – несимметричное его расположение в кратере относительно его центра.

Вследствие этого при относительном перемещении изделия и электронного луча возникает значительный градиент температур в кратере. На передней стенке кратера, которая подвергается воздействию электронного луча, температура в поверхностном слое может дости­гать температуры кипения, на задней же стенке кратера температура близка к температуре кристаллизации.

Очевидно, причину переноса металла необходимо искать в нарушении термодинамического равновесия вызванного несимметричным расположением источник теплоты в кратере (рис.13.8).

Известно, что сила поверхностного натяжения жидкости зависит от температуры. Чем выше температур расплава, тем меньше сила поверхностного натяжения. Так как в кратере температура изменяется, то изменяете и сила поверхностного натяжения от точки к точке. При наличии температурного градиента на поверхности появляется дополнительное термокапиллярное напряжение, направленное тангенциально к поверхности.

Термокапиллярное напряжение вызывает течение жидкости в направлении от мест с меньшим к местам с большим поверхностным натяжением, т. е. перемещение жидкого металла в сторону убывания температуры.

Кривизна поверхности кратера в сочетании с неравномерностью температуры служит дополнительной причиной движения жидкого металла.

Экспериментальные данные о толщине слоя жидкого металла на стенках кратера отсутствуют. Расчеты показывают, что толщина слоя жидкого металла составляет десятые и сотые доли миллиметра. В реальных процессах сварки существуют и другие направления перемещения жидкого металла (под действием сил тяжести, вследствие неравномерного распределения температур по высота кратера), которые усложняют движение металла внутри кратера. Явление перемещения металла внутри кратера весьма сложное и зависит во многом от параметров режима сварки, свойств металла и т. п., поэтому вопрос о пере­мещении металла при электроннолучевой сварке требует дальнейшего изучения.

Характерная особенность сварки электронным лу­чом – возможность получения сварных соединений при минимальных затратах теплоты на расплавление металла (табл. 13.2).

Из табл. 13.2 следует, что при электроннолучевой сварке требуется в 10–15 раз меньше энергии, чем при дуговой.

На рис.13.9 показано соотношение площадей зон проплавления, полученных при дуговой и электроннолучевой сварке. Площадь зоны проплавления при электроннолучевой сварке в 25 раз меньше, чем при дуговой.

В процессе сварки методами плавления основной металл, прилегающий непосредственно к зоне шва, подвергается своеобразной термообработке, в результате чего в зоне термического влияния наблюдается рекристаллизация и рост зерна. Это вызывает ухудшение физико-механических свойств металла сварного соедине­ния. Особенно опасно дли­тельное воздействие высоких температур на основной металл при сварке аустенитных сталей, сплавов циркония, молибдена и других метал­лов, склонных при нагреве к значительному росту зерна и к снижению коррозионной стойкости.

Высокая концентрация энергии в луче позволяет по­лучать швы не только с минимальной зоной расплавлен­ного металла, но и соединения, металл которых в околошовной зоне не претерпевает значительных изменении вследствие ввода минимального количества теплоты и значительных скоростей охлаждения. Отсутствие зна­чительной по протяженности зоны термического влияния исключает недостатки, вызванные изменением физико-механических свойств металла в околошовной зоне.

Глубокое проплавление металла при малой погонной энергии, происходящее при электроннолучевой сварке, обусловливает значительно большую скорость отвода теплоты от зоны сварки, что обеспечивает увеличение скорости кристаллизации малой по объему сварочной ванны с получением мелкокристаллического строения металла шва, по своим свойствам мало отличающегося от основного металла. Ввод значительно меньшего коли­чества теплоты при электроннолучевой сварке дает воз­можность во много раз уменьшить деформации изделий по сравнению с дуговым способом сварки.

Образование остаточных деформаций в сварных кон­струкциях связано с тепловыми процессами – распреде­лением температуры по изделию в процессе сварки и охлаждением сварного соединения. В большинстве реаль­ных конструкций увеличение погонной энергии приводит к уменьшению остаточных деформаций. Поэтому согласно результатам работ Г. А. Николаева один из эффективных способов борьбы с деформациями сварных конструкций – применение таких методов сварки, при которых исполь­зуются более сосредоточенные источники теплоты, обе­спечивающие минимальную площадь зоны расплавле­ния.

Малое поперечное сечение луча, перенос энергии на значительные расстояния, получение узких швов с ма­лой площадью расплавленного металла позволяют вы­полнять новые, более совершенные виды сварных соеди­нений и повышать качество изделий.

Сварка электронным лучом расширяет область приме­нения сварных соединений с прорезными швами и элек­трозаклепками. Эти виды швов впервые были применены при электродуговой сварке под флюсом. Прорезные швы и электрозаклепки позволяют соединять элементы кон­струкций, когда один из них недоступен для непосред­ственного воздействия дуги. В этом случае, используя глубокий провар, обеспечиваемый сваркой под флюсом, можно получить сварное соединение путем проплавления одного из элементов конструкции.

Возможность более глубокого проплавления при элек­троннолучевой сварке позволяет сваривать изделия большой толщины практически из любых металлов и сплавов (рис. 13.10). Получение глубокого проплавления при электроннолучевой сварке дает возможность выполнять принципиально новые, более совершенные виды соединений, сварка которых обычными методами невозможна.

На рис. 13.11 представлены конструкции, сваренные путем одновременного проплавления четырех (рис. 13.11, а) и трех (рис. 13.11, б) стыков. Возможность осуществления таких типов соединений электронным лучом позволяет снизить массу конструкции, повысить их прочность, значительно упростить процесс изготовления изделий.

Большая концент­рация энергии в малом поперечном сечении луча и возмож­ность переноса энергии лучом на значительное расстояние от катода (500 мм и больше) позволяют исполь­зовать электронный луч при сварке в узких щелях, когда методы дуговой сварки неприменимы.

При дуговой сварке относительно небольшое изменение длины дуги вызывает значительное изменение ее мощности и площади поперечного сечения столба дуги, в связи с чем расстояние между электродом и изделием при сварке должно выдерживаться строго постоянным. Поэтому, если необходимо сваривать швы, расположенные в раз­личных плоскостях, то при автоматической дуговой сварке требуются специальная аппаратура и довольно сложная настройка автомата.

При электроннолучевой сварке пятно нагрева можно переносить в вертикальном направлении на значительные расстояния. Это используют в случае необходимости сварки изделий, имеющих швы в виде кривых линий на вертикальной плоскости, что может привести к значи­тельному упрощению конструкции сварочных установок.

При электроннолучевой сварке глубина проплавления увеличивается с повышением ускоряющего напряжения. По данным некоторых зарубежных фирм, и U_уск = 150 200 кВ электронными лучами проплавляют стальные листы толщиной до 100 мм. Однако сварка при высоком U_уск имеет недостатки:

– ужесточаются требования к точ­ности сборки деталей;

– зазоры в стыке должны быть не более 0,125 мм;

– в связи с малыми поперечными размерами зоны проплавления необходимо соблюдать точность сов­мещения луча со стыком;

– повышаются требования к ме­таллу с точки зрения содержания в нем газов.

–качество соединений обычных сталей низкое из-за появления пор;

– увеличивается вероятность высоковольтных пробоев в электронной пушке;

– усложняется и удорожается обо­рудование (пушка, источник питания, кабель, изоляция); – требуется дополнительная защита от жесткого рентгено­вского излучения.

В Московском энергетическом институте разработана техника и технология электроннолучевой сварки обыч­ных низколегированных сталей, широко применяемых в энергетическом машиностроении (16ГНМА, 22К, 34ХМ1А и др.) с использованием низкого ускоряющего напряжения (до 40 кВ).

Металлографические исследования сварных соедине­ний стали 16ГНМА толщиной 115 мм, из которой изготов­ляют барабаны котлов высокого давления, показали, что в швах отсутствуют поры, микро- и макротрещины (рис. 13.12). Ширина шва в верхней части составляет 16 - 18 мм, а в корне 5–6 мм. По химическому составу шов почти не отличается от основного металла, наблюдается лишь незначительное уменьшение количества марганца.

	Рис. 13.12 – Макрошлиф соединения, выполненного электроннолучевой сваркой стали 16ГНМА толщиной 115 мм

Прочность металла шва после отпуска несколько выше, чем у основного металла. Ударная вязкость шва на стали 16ГНМА толщиной 115 мм даже после сварки не ниже этого показателя термообработанного основного металла, а после нормализации и отпуска – в,5 раза больше, чем у основного металла. Ударная вязкость околошовной зоны такая же, как основного металла.

Получены хорошие результаты электроннолучевой сварки за один проход сталей 22К, 34ХМ1А толщиной соответственно 105 и 140 мм. Электроннолучевая сварка позволяет получать высококачественные соединения пароперегревательных труб мощных котлоагрегатов из ста­лей 12Х18Н12Т и 12Х1МФ. Швы, выполненные электрон­нолучевой сваркой, не имеют грата, а усиление менее 1 мм. Машинное время сварки одного стыка 20 с.

Электронный луч – легко управляемый источник теплоты, позволяющий в широких пределах и очень точно регулировать температуру нагрева изделия, легко перемещать зону нагрева по изделию и переносить энер­гию на значительные расстояния. Это – значительно более интенсивный источник теплоты по сравнению с дру­гими известными источниками для сварки. Кроме того, плотность энергии в нем можно плавно изменять путем изменения напряженности магнитного поля фокуси­рующей линзы, что позволяет без особых затруднений нагревать изделия в значительно более широком диапа­зоне температур, чем дугой или газовым пламенем.

Электронным лучом легко управлять не только с точки зрения изменения его интенсивности, но и возможности его перемещения по поверхности изделия. Наиболее часто используемый метод управления электронным лучом при сварочных работах основан на использовании эффекта изменения траектории полета электронов под действием поперечных магнитных полей. Отклонение потока элек­тронов магнитными и электрическими полями следует почти безинерционно за отклоняющим полем. Таким образом, изменяя интенсивность и направление попереч­ных магнитных или электрических полей, можно легко управлять электронным лучом, перемещая его по изде­лию по любой сложной кривой.

Возможность передвижения луча при неподвижном ка­тоде позволяет создать совершенно новые сварочные устройства, отличающиеся простотой конструкции. Напри­мер, перемещая над изделием электронную пушку, в ко­торой электронный луч передвигается по окружности под действием магнитного поля, можно изготовить уста­новки для сварки теплообменников (вварка трубок в трубные доски). Кроме передвижения электронного луча при помощи отклоняющих систем, изменять форму пятна нагрева можно за счет изменения очертания катода.

При сварке электронным лучом изделий с простран­ственно расположенными швами наблюдаются некоторые особенности. Энергия луча зависит от скорости электро­нов, движущихся по инерции к изделию, и распределена примерно равномерно по его сечению. Если же на пути электронного луча встречается отверстие в изделии, то электроны, проникая в отверстие, не участвуют в нагреве свариваемого сечения. В этом случае, если площадь свариваемого металла меньше площади луча, например при сварке тонких проволок, кольцевых сечений и т. п.; в месте сварки выделится лишь часть энергии луча, равная отношению площади изделия, подвергаемой элек­тронной бомбардировке ко всей площади луча. При встрече электронов с металлом тепловая энергия, выделившаяся на металле, будет зависеть также и от площади металла, подвергшегося бомбардировке. Это свойство электронного луча приводит к определенному автоматизму изменения количества выделяющейся энергии на изделии при изменении площади свариваемого сечения, что упро­щает технологию сварки изделий с переменным сече­нием.

Электроннолучевая сварка находит применение для соединения как малогабаритных изделий электроники и приборостроения, так и различных крупногабаритных изделий длиной и диаметром в несколько метров.

Сварка в вакууме может быть осуществлена при нали­чии специального оборудования: сварочной вакуумной камеры с вакуумной насосной системой, электронной пушки с высоковольтным источником постоянного тока. Вакуумная камера должна быть газонепроницаемой и достаточно прочной, чтобы выдержать наружное атмо­сферное давление. Обычно вакуумные камеры имеют ва­куумные вводы для передачи вращательных или возвратно-поступательных движений, подачи охлаждающей воды, кроме того, необходимы вакуумные электрические вводы для подачи электрической энергии к катоду, магнитным линзам и т. п.

В вакуумных камерах обычно имеются люки, обеспе­чивающие загрузку изделий, механизмов и устройств, рас­положенных внутри камеры, а также несколько смотровых люков для наблюдения за процессом сварки. Для опре­деления степени вакуума в различных частях камеры уста­новлены вакуумные лампы на специальных вакуумных вводах.

На рис13.13. представлена современная сварочная элек­троннолучевая установка, состоящая из вакуумной ка­меры 1, в верхней части которой размещена электронная пушка 2. К пушке с помощью высоковольтного кабеля подводится питание от высоковольтного выпрямителя. Для фокусирования электронного луча и возможности управления лучом на пути его установлена электро­магнитная фокусирующая линза и отклоняющая система 4. Внутри камеры может также находиться механизм пере­мещения изделия 5 с электродвигателем.

Питание системы управления пушкой и электродвига­теля механизма перемещения осуществляется через элек­трический вакуумный ввод. Вакуум в камере создается с помощью вакуумной системы. Всеми электрическими агрегатами управляют с пульта управления.

Вакуумная камера выполнена в виде цилиндра. Для наблюдения за процессом сварки на камере и электрон­ной пушке имеется несколько смотровых люков 3 и 6, отверстия которых перекрыты специальными свинцовыми стеклами. Внутри камеры расположены приспособления для крепления изделия и механизм перемещения изделия под электронным лучом.

	Рис. 13.13 – Современная сварочная электроннолучевая установка

Наибольшее распространение в промышленности получили универсальные установки с многопозицион­ными сменными механизмами и сравнительно небольшими вакуумными камерами – длиной до 2 м и диаметром до 1 м. Установки этого типа имеют достаточно мощные вакуумные системы – обычно с производительностью 1,0 – 2,5 тыс. л/с при вакууме 10^-4–10^-5 мм рт. ст. Мощ­ность электроннолучевых пушек до 10–15 кВт.

Универсальный характер установок этого типа позволяет использовать их как в научно-иссле­довательских лабораториях, так и на промышленных предприятиях. Механизмы установки позволяют свари­вать различные детали плоской и коробчатой формы, 12 де­талей цилиндрической формы с горизонтальной либо вертикальной осью вращения. Электроннолучевая пушка и источник питания обеспечивает формирование пучка мощ­ностью свыше 10 кВт (ускоряющее напряжение 25 кВ, сила тока луча 500 мА).

Промышленность выпускает установки ЭЛУ широкого назначения. Некоторые установки снабжены механизмом подачи присадочной проволоки под элек­тронный луч для сварки кольцевых и продольных швов и обеспечивают также возможность сварки криволиней­ных швов сложного контура и горизонтальной плоскости с помощью копировального устройства.

Радиоэлектронной промышленностью выпускается электроннолучевая сварочная установка средней мощ­ности с ускоряющим напряжением до 25 кВ и силой тока луча до 120 мА типа А306-05. Камера в установке А306-05 выполнена в виде куба с размером грани 500 мм. Иллюминаторное окно диаметром 300 мм создает хорошую видимость и удобство в работе. Камера рассчитана на сварку кольцевых швов в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также плоских прямолинейных швов.

Основной недостаток установок, в которых сваривают одно изделие за одну откачку – их низкая производи­тельность. При работе на таких установках в общем цикле работы установки лишь 2–3% времени расходуется не­посредственно на сварку, остальное — на загрузку изделия, вакуумирование камеры, подготовку камеры к вы­грузке изделия и процесс выгрузки. Низкая производи­тельность установок, предназначенных для сварки лишь единичных изделий, препятствует использованию сварки электронным лучом, особенно в массовом производстве.

Увеличить производительность сварочных установок можно за счет сокращения времени на откачку камеры, ускорения процессов загрузки заготовок и съема готового изделия, упрощения процесса герметизации камеры и наполнения камеры воздухом. Особенно важно сократить время вакуумирования камеры, что может быть достигнуто в первую очередь за счет уменьшения объема камеры, использования высокопроизводительного вакуумного оборудования и бустерных насосов.

Немаловажную роль в процессе увеличения произво­дительности играет надежность работы электронно-опти­ческой системы, упрощение смен катода пушки и легкость юстировки пушки после смены катода и т. п. В случае сварки нескольких швов на изделии рациональна установка нескольких пушек в камере, особенно если швы находятся на большом расстоянии друг от друга или рас­положены в различных плоскостях.

Установки с магазином для последовательной сварки нескольких изделий начинают широко использовать в промышленности, имеют повышенную производитель­ность – они снабжены магазинными устройствами. В таких установках в рабочих камерах размещается пово­ротный стол, на котором закреплено несколько свари­ваемых деталей.

Обычно такие магазинные устройства используют при сварке цилиндрических изделий – при сварке в них донышек, патрубков и т. п. Использование магазинных устройств позволяет несколько повысить производи­тельность электроннолучевой установки. К последним относится электроннолучевая сварочная установка ЭЛУ-1 с магазинным устройством, в котором размещено 10 изделий, свариваемых последовательно автоматически.

Магазинные устройства, размещаемые внутри рабо­чей камеры, имеют и свои отрицательные стороны, по­скольку стремление к увеличению количества изделий, загружаемых в рабочую камеру для сварки, приводит к увеличению ее объема и, следовательно, увеличению времени на откачку камеры. Кроме этого, увеличивается время на загрузку и съем изделий. В результате перерывы между сварочными циклами значительно возрастают. Использование магазинных устройств не решает пол­ностью проблемы увеличения производительности уста­новок электроннолучевой сварки.