Длина свариваемых изделий, мм до 2000
Диаметр свариваемых изделий, мм 5 - 55
Электроннолучевая пушка:
максимальная мощность пучка, кВт 1,5
максимальное ускоряющее напряжение, кВ 22
Габаритные размеры установки, мм 6000х3500х2400
Автоматические установки с непрерывной подачей изделий в вакуумную камеру имеют наибольшую производительность. Ввод изделия в камеру не изменяет величины вакуума в основном объеме рабочей камеры.
В зависимости от формы и размеров свариваемых изделий, видов сварных соединений и требуемой производительности в настоящее время появились установки, и которых использованы вакуумные вводы различных конструкций для загрузки изделий в рабочие камеры без значительного нарушения вакуума. Это позволило резко увеличить коэффициент использования сварочных камер, и, таким образом, повысить выпуск изделий электроннолучевыми сварочными установками.
Вакуумный ввод наиболее простой конструкции, подобный вильсоновскому уплотнению, может быть использован в ограниченном числе случаев. Наличие на поверхности детали различного рода выступов, отверстий, расположенных вдоль оси, или даже недостаточная степень чистоты обработки поверхности детали нарушают вакуумное уплотнение и исключают возможность его использования для непосредственного ввода детали в рабочую камеру.
Использовать наиболее простое и эффективно действующее вакуумное уплотнение типа вильсоновского можно, применяя специальные контейнеры. Для того чтобы форма изделия и состояние боковой поверхности не оказывали влияния на перемещение изделия через вакуумный ввод, изделие помещают в металлический контейнер цилиндрической формы. Контейнеры могут быть изготовлены с точными допусками и иметь полированные поверхности.
На 13.14 представлена автоматическая установка, предназначенная для сварки малогабаритных изделий.
В установке процесс загрузки изделий из атмосферы в рабочую камеру и выгрузка изделий из камеры производятся автоматически без нарушения вакуума. При использовании таких вакуумных камер цикл сварки мало отличается от цикла сварки на воздухе.
Промышленность выпускает электроннолучевые установки для сварки изделий крупных размеров, например установка У86, рабочая камера которой имеет диаметр 2000 мм и длину 4000 мм. В камере с объемом более 10 м3 использованы мощные откачивающие устройства, в том числе и бустерные насосы, позволяющие получить рабочий вакуум 10-4–10-5 мм. рт. ст. (133·10-4 – 1ЗЗ·10-5 Н/м2) за 20–25 мин откачки.
В целях сокращения времени сварки в установке предусмотрены три сварочные электронные пушки (рис. 14.15).
При использовании нескольких пушек на рабочей камере значительно уменьшились, ее габаритные размеры и вследствие этого сократилось время откачки камеры и сварки изделия, появилась возможность сваривать кольцевые швы на изделии с минимальной затратой времени на настройку.
Механизация операций загрузки и выгрузки изделий, особенно крупногабаритных, играет существенную роль в повышении производительности установок.
Для таких изделий рационально использовать несколько монтажных тележек для сборки и подготовки изделий под сварку вне камеры и затем загружать тележки в сварочные камеры.
Для электроннолучевой сварки крупногабаритных изделий перспективны установки с камерами, которые герметизируют изделие только в местах сварки.
Размеры вакуумной камеры такой установки относительно малы, поэтому значительно
ускоряется процесс их откачки.
В камерах, построенных по этому принципу, можно сваривать стыки стержней и труб большой длины, стыки проволоки в процессе ее изготовления, стыки колец больших диаметров и т, п.
На рис. 13.16 представлена схема установки фирмы Sciaкy для сварки шпангоутов ракет диаметром до 10 м, имеющих четыре сварных стыка. В этой установке камера накладывается на место соединения и соответствующим образом герметизируется.
Камера имеет две сварочные пушки, размещенные в вакууме и передвигающиеся вдоль свариваемого стыка. Наличие двух пушек, работающих пo определенной программе, позволяет сваривать стыки шпангоута ракеты, имеющего сложную форму сечения.
Электронные сварочные пушки. Источником теплоты при электроннолучевой сварке служит энергия потока ускоренных электронов. В электроннолучевых установках электронный луч генерируется и управляется с помощью электронно - оптической системы, называемой электронной пушкой. Поток электронов эмитируемых катодом, предварительно ускоряется и формируется электростатическим полем в области катод-анод. Ток луча можно регулировать двумя путями: подачей отрицательного напряжения на управляющий электрод или изменением температуры катода. После анода движение электронов происходит по инерции со скоростью, соответствующей приложенной разности потенциалов. Плотность энергии в потоке электронов изменяется системой электромагнитной фокусировки. Отклонение луча при необходимости совмещения пятна нагрева с линией стыка или его перемещение по изделию осуществляется, системой электромагнитного отклонения луча. Существует несколько систем электронных пушек. Наиболее просты пушки, в которых электронный пучок формируется только с помощью прикатодного электрода, а анодом служит изделие (рис. 13.17, а).
Недостатки такой пушки: малое расстояние между пушкой и изделием, низкая плотность энергии, отсутствие регулирования плотности энергии и т. п. Лучшими характеристиками обладают пушки, в конструкции которых имеется ускоряющий электрод, находящийся под потенциалом изделия (рис. 13.17, б).
Применение ускоряющего электрода с отверстием для прохождения пучка электронов позволяет увеличить расстояние между катодом пушки и свариваемым изделием, что облегчает наблюдение за процессом сварки, уменьшает опасность электрических пробоев и т. п.
Наиболее совершенны пушки с комбинированной электростатической и электромагнитной фокусировкой пучка. Пушка состоит из катода прикатодного электрода, ускоряющего электрода-анода и электромагнитной фокусирующей системы (рис.13.17, в). Катоды электронных пушек должны удовлетворять ряду требований: они должны обладать высокими эмиссионными свойствами, устойчиво работать в условиях вакуума, используемого при сварке, иметь достаточную долговечность и т. п.
Конструктивно катоды сварочных электронных пушек выполняют прямонакальными (рис. 13.18) и с косвенным подогревом.
Прямонакальные катоды более просты в изготовлении, но имеют ряд недостатков: трудно обеспечить правильную геометрическую форму эмитирующей поверхности, изменяется форма пучка и др. Катоды с косвенным подогревом имеют более равномерную плотность эмиссии и они более долговечны. В некоторых конструкциях сварочных пушек используют подогревные катоды из гексаборида лантана LaB6.
Эмиссионные свойства гексаборида лантана превосходят свойства всех известных высокотемпературных катодов. Такие катоды достаточно долговечны, при нормальной эксплуатации срок службы их составляет 250–300 ч. Для нагрева гексаборидолантановых катодов до рабочей температуры 1400–1650 °С используют вольфрамовые подогреватели. Сменные катоды из гексаборидалантана имеют различные диаметры активной поверхности (3,0; 4,2; 4,75 мм). Такой выбор катодов обеспечивает диапазон мощностей от нескольких ватт до 10–12 кВт.
Затруднения, встречающиеся при конструировании электронных пушек для сварки, имеющих мощные электронные пучки, главным образом состоят в сложности учета действия электростатических сил между зарядами электронов. Наличие такого заряда приводит к расталкиванию электронов в пучке, вследствие чего диаметр поперечного сечения пучка увеличивается. Для уменьшения влияния объемного заряда рассчитывают форму электродов таким образом, чтобы электрическое поле, возникающее между ними, компенсировало расширение электронного пучка.
Однако при движении электронного пучка к изделию после выхода из межэлектродного пространства, где отсутствует фокусирующее электростатическое поле, поперечное сечение его увеличивается вследствие расталкивающего действия одноименных зарядов электронов. Для того чтобы создать необходимую плотность энергии в электронном пучке, заряды дополнительно фокусируются вторичной фокусирующей системой.
Вторичной фокусирующей системой сварочных пушек служат электромагнитные линзы, выполненные в виде катушки из достаточно большого числа витков; линза размещается в железном экране особой формы. Наличие электромагнитной фокусирующей линзы дает возможность получить острую фокусировку луча в месте сварки; кроме того, плотность энергии в луче или диаметре пучка можно менять в широких пределах с помощью магнитных линз путем изменения напряженности магнитного поля линз.
Для получения большей плотности энергии луча и более равномерного распределения энергии по сечению луча в некоторых системах между первым анодом и фокусирующей линзой' устанавливают апертуорную диафрагму, отсекающую периферийную область электронною луча с минимальной плотностью энергии.
Перемещать электронный луч по изделию можно различными способами: механическим перемещением изделия под электронным лучом, перемещением пушки или изменением угла наклона ее, воздействием магнитных или электрических полей на электронный луч. В последних конструкциях электронных пушек получили большое применение электромагнитные отклоняющие системы.
Отклоняющие системы, используемые в электроннолучевых пушках, предназначены для отклонения луча на заданное расстояние и для точной установки его на кромки свариваемого изделия. Электромагнитные отклоняющие системы изготовляют в виде четырех катушек соединенных последовательно попарно, расположенных под углом 180° друг к другу. Изменяя ток в катушках, можно устанавливать луч в любой заданной точке. Этот вид отклоняющей системы использован в отклоняющих системах телевизионных кинескопов. Отклоняющую систему можно использовать для передвижения луча и по сложным кривым: кругу, эллипсу, квадрату и т. п. Другой вид электромагнитных отклоняющих систем изготовляют по типу обмоток роторов динамомашин. На рис. 13.19 а, б – представлена современная электронно-оптическая система, предназначенная для сварочных работ. Эта система состоит из следующих основных узлов: электронной пушки А-306 1, изолятора 2, анодного узла 3, фокусирующей 4 и отклоняющей систем 5 и фланца 6.
Электронная пушка предназначена для создания мощного сфокусированного электронного луча и состоит из керамической ножки 7, к которой медью припаяны держатели подогревателя и их выводы и стаканчик 8. На держателях закреплены подогреватель 9, катод 10, фокусирующий и модулирующий экраны 11. Электронная пушка имеет сменные катоды трех типов с поверхностью эмиссии диаметром 3; 4,2; 5,4 мм. Катоды снабжены фокусирующими экранами.
В электронной пушке применен подогревный катод из гексаборида лантана. В зависимости от мощности, требуемой при сварке, на электронную пушку может быть установлен один из трех вышеуказанных типов катодов. Изолятор 2 предназначен для изоляции катода от анода и состоит из керамического баллона, изоляционные свойства которого позволяют выдерживать напряжения до 40 кВ. Анодный узел 3 предназначен для создания ускоряющего поля у катода и формирования луча на выходе из анодного отверстия. Он состоит из анода и двух медных цилиндрических трубок. Анод имеет центральное отверстие, усиленное молибденовой втулкой 12, и шесть отверстий, расположенных по окружности. Снаружи пушки установлены электромагнитные отклоняющая и фокусирующая системы.
В настоящее время получены серьезные научные результаты в области изучения процесса электроннолучевой сварки, свойств сварных соединений многих металлов, технологии сварки неметаллических материалов (керамики на основе окислов алюминия, карбидов и др.), соединения высокотемпературных неметаллических материалов. Эксплуатация изделий, сваренных электронным лучом, показала высокую работоспособность таких соединений в самых сложных условиях. Накоплен богатый опыт в области технологии электроннолучевой сварки тугоплавких и редких металлов, высокопрочных, жаропрочных и коррозионностойких сплавов и сталей. Созданы надежно работающие электронные пушки и источники питания, налажен выпуск электроннолучевых установок для сварки от изделий микроэлектроники до крупногабаритных изделий. Созданы и изготовляются заводами установки для непрерывной сварки изделий, обладающие высокой производительностью.
В настоящее время электроннолучевая сварка широко и эффективно используется в электронной и атомной промышленности, ракето- и самолетостроении.
Имеются примеры использования электроннолучевой сварки в автомобильной промышленности, при изготовлении различного рода шестерен, в инструментальной промышленности при изготовлении режущего инструмента и т. п. Дальнейший шаг должен состоять в использовании электроннолучевой сварки в других отраслях техники.
Давно возникла необходимость улучшения качества сварных соединений в энергомашиностроении, в частности, при изготовлении узлов и арматуры парогенераторов, ответственных деталей мощных паровых и газовых турбин, в автотракторной промышленности при изготовлении деталей двигателей автомобилей и тракторов и многих других изделий широкого назначения.