09.03.2020

Электронно лучевая сварка оборудование

Что такое электронно-лучевая сварка и где она применяется

Метод электронно-лучевой сварки разработан в середине прошлого века. Он используется для соединения тонкостенных и толстостенных деталей из различных сплавов, включая тугоплавкие, сложные, деформирующиеся при нагреве. Лучевая сварка применяется даже для обработки керамики. Метод ЭЛС основан на способности электронов переносить энергию. Для образования потока заряженных частиц необходим вакуум высокой степени разряжения. Из-за этой технологической особенности перспективный метод не получил широкого применения.

Сущность процесса и область его применения

Электроннолучевую сварку применяют при обработке тугоплавких металлов, легко окисляемых сплавов, которые невозможно варить другими методами. Под электронным лучом образуется расплав, который заполняет стык на всю глубину. Электроны одновременно воздействуют на металл по всей поверхности стыка. Функции сварочного устройства выполняет электронная пушка. Из разогретого тугоплавкого металла в глубоком вакууме до 10 -6 Па вырываются электроны, они ускоряются под силовым воздействием тока, устремляются в рабочую зону. ЭЛС действует аналогично лазерной, только в отличие от светового луча пучок электронов невидим. Энергия его значительно превосходит лазер, площадь воздействия меньше.

Достоинства и недостатки ЭЛС

Как и любой горячий метод соединения деталей, электронно-лучевая сварка имеет ряд преимуществ и недостатков. Сначала о достоинствах:

можно соединять детали толщиной от 0,2 мм;
во время плавки металла ванна расплава перемещается в нижнюю зону, стык заполняется полностью, затем начинается кристаллизация;
глубокое соединение образуется за один проход луча, высокая производительность процесса;
пучок электронов генерируется в постоянном или импульсном режиме, при обработке магниево-алюминиевых сплавов применяется импульсное воздействие;
вакуумизация улучшает качество шва, металл не реагирует с компонентами воздуха;
большой диапазон силы тока луча расширяет возможности установки.

сложность технологического оборудования, для работы на нем требуется длительная подготовка;
быстрый износ катода, тугоплавкая проволока под воздействием электрического поля разогревается до 2400°C;
при генерации электронов возникает рентгеновское излучение, необходимо обеспечить защиту сварщиков.

Технология электронно-лучевой сварки

Обязательным условием считается вакуумизация. Глубина разряжения в пушке обеспечивает беспрепятственное движение электронов. Из рабочей камеры также удаляется воздух с содержащимся в нем кислородом, окисляющим металл. Вакуум действует на шов аналогично флюсу – защищает от коррозии.

Метод сварки электронным лучом основан на способности электронов переносить энергию. Когда движению ничего не мешает, частицы прямолинейно следуют к свариваемой поверхности. Металл плавится под их воздействием. Прогрев идет по всей глубине зазора между деталями.

Область воздействия частиц – площадь в десятые доли микрона. Электроны проникают на глубину до 20 см. При методе электронно-лучевой сварки соотношение толщины зазора к ширине образуемого шва достигает 25. Возможности сварки за счет этого расширяются, электронным лучом соединяют детали из тугоплавких сплавов. Из-за высокой скорости воздействия в металле не создается остаточных напряжений. Хотя по мощности потребляемого тока ЭЛС сварка сопоставима с другими методами, энергозатраты в разы меньше за счет большой скорости варки.

Особенности и режимы сварки электронным лучом

Для сварочных работ соединяемые детали укладывают с минимальным зазором, пространство между двумя частями металла толщиной 20 мм не должен превышать 0,1 мм. Для сварки больших зазоров используется присадочный металл, допустимая доля присадки в шве – не более 50%. Направление луча, выходящего из электронной пушки, строго контролируется, допуск не более 0,3 мм.

В установках варят детали толщиной от 0,2 мм до 200 мм. Регулируемые мощностные параметры электронно-лучевого метода:

лучевая сила тока (для вольфрама толщиной 1 мм – до 80 мА, для сталей 35 мм – до 500 мА)
ускоряющее напряжение (для тонкостенных металлов используют низковольтные блоки питания, для толстостенного – высоковольтные);
скорость движения луча в зоне сварки (для вольфрама толщиной 1 мм – до 50 м/ч, для сталей 35 мм – 20 м/ч).

Степень вакуумизации влияет на плотность электронного луча, вакуум обеспечивает защиту шва от окисления. Из-за высокой скорости сварки, металл, склонный к пластической деформации, не успевает разогреться, на нем не появляются трещины. Сохраняется целостность деталей.

Оборудование ЭЛС

Устройство любой промышленной установки включает несколько обязательных элементов:

пушка – генератор плотного луча;
блок электропитания, обычно они подключаются к стандартной сети 220 В, дополнительно встраивается трансформатор;
электронный блок управления, визуально контролировать процесс варки нельзя, нужна точная контролирующая аппаратура;
вакуумная система, различается по мощности.

В зависимости от назначения, установки способны образовывать криволинейные стыки, проваривать металл на всю глубину. Различают:

По типу вакуумирования:

камерные установки электронно-лучевой сварки предусматривают размещение деталей в камере, из нее полностью откачивают воздух;
локальные – изолируют только зону сварки, вакуум создается в небольшом объеме.

По параметрам разряжения:

специализированные установки создают разряжение до 10 -2 Па;
универсальные установки ЭЛС рассчитаны на максимальное давление до 10Па;
с параметрами так называемого промежуточного вакуума, давление инертного газа – от 10 до 100 Па;
ЭЛС с защитной атмосферой, в зону стыка аргон нагнетается под давлением свыше 100 Па.

Электронная пушка во всех установках устроена по одному принципу. Поток электронов создается между:

катодом, он бывает двух видов: плазменный (косвенного накала) или прямого накаливания (по сути, катод – это спираль из вольфрама, тантала или другого тугоплавкого сплава);
анодом, его делают их меди или стальной.

Поток меняет направление, отклоняется в одну или другую сторону, когда на управляющем электроде меняется потенциал.

На установках ЭЛС проводят сварку тугоплавких сплавов, стык проваривается насквозь за один проход. Метод электронно-лучевой сварки применяется в наукоемких областях, бытового распространения не получил из-за сложности и высокой стоимости оборудования.

Читать еще: Сварочный аппарат для начинающих какой выбрать

Технология электронно-лучевой сварки

Электронно-лучевая сварка — это надежный способ соединения тугоплавких материалов с разной температурой плавления, сокращенно ЭЛС. Технология развивается с середины прошлого века и с успехом используется в авиационной, космической промышленности. Там, где необходимо особо точное и крепкое соединение компонентов.

Описание технологии

В основе электронно лучевой технологии сварки лежит использование механической энергии электронов, которую создает электронная пушка. Скорость электронов в магнитном поле пушки прямо зависит от ускоряющего напряжения. От мощности энергии пучка и плотности свариваемого материала зависит глубина проникновения луча. При воздействии пучка с материалом кинетическая энергия электронов переходит в тепловую. В это время происходит создание вторичных электронов и выделение рентгеновского и теплового излучений. Чем меньше диаметр пучка, тем больше его удельная мощность.

Управляя мощностью луча и длительностью облучения, можно выполнять множество разных технологических операций. От очистки поверхности материала до сварки и испарения. Все процессы происходят в вакуумной среде. В зависимости от производственной необходимости, вакуум в камере может быть от 10-2 до 10-6.

Для обеспечения непрерывного процесса используют сменные контейнеры. Пока происходит процесс сварки в одном контейнере, другой перезаряжают. Наличие двух контейнеров в несколько раз увеличивает производительность сварочной установки.

Электронно лучевая технология сварки позволяет не только надежно соединять разные материалы, но и делать напыление металлом или керамикой, создавать новые материалы. Например, можно создать материал с электропроводностью меди и крепостью стали.

Мат. часть процесса

Электронно лучевая сварка — это технологически сложный процесс, предъявляющий высокие требования к оборудованию. Установки отличаются производительностью, мощностью, управлением и объемом, но неизменно имеют в составе:

электронную пушку, которых может быть несколько;
вакуумную камеру;
блок управления;
смотровое окно для наблюдения за процессом (или монитор).

В электронно лучевой пушке для сварки формируется поток электронов, который производится катодом, подогреваемым спиралью. Около катода расположены дополнительные электроды, которые предварительно фокусируют электроны, формируя луч. На катод подается отрицательное напряжение. На ускоряющий электрод, размещенный на расстоянии нескольких сантиметров от катода, прикладывается положительное напряжение. Высокая разность потенциалов разгоняет электроны до скорости выше 100 000 км/с. В связи с тем, что электроны имеют свойство взаимно отталкиваться, их необходимо сфокусировать электромагнитной фокусирующей системой. Для точного управления лучом в электроннолучевой пушке установлена электромагнитная отклоняющая система.

Все процессы происходят в вакуумной камере. Безвоздушная среда:

уменьшает потери энергии электронов от ударов об молекулы воздуха;
почти полностью снижается вероятность возникновения оксидной пленки на свариваемых материалах;
предотвращает образование дугового разряда.

Для сварки может применяться постоянное или импульсное напряжение с частотой 100-500 Гц. Использовать импульсное напряжение эффективнее, особенно при варке легкоиспаряющихся металлов: алюминий или магний. Энергия луча не тратится на ионизацию паров.

При правильно выборе частоты и скважности колебаний можно сваривать тонкие листы.

Виды сварочных лучевых установок

Электронно лучевые установки бывают камерными (обрабатываемые изделия помещаются целиком в камеру) и бескамерные (вакуум создается локально, только в месте сварки).

По величине рабочего ускоряющего напряжения установки делятся на:

низковольтные (10-30 кВ);
средние (40-60 кВ);
высоковольтные (100-200 кВ).

Промышленность производит универсальные установки и специализированные. Универсальные системы можно применять для ремонтной и экспериментальной сварки изделий. Специализированные системы настраиваются на изготовление однотипных деталей.

Системы могут применяться не только для сварки металлов, в том числе тугоплавких, но и для обработки керамики, стекла, алмазов и других материалов. Установки можно использовать для:

Некоторые агрегаты оснащаются механизмом горизонтального вращения для обработки деталей трубчатой формы.

Современные установки отличаются особой точностью позиционирования луча, поэтому они с успехом используется в микроэлектронике. Например, аппарат MEBW-60, который производит предприятие Focus, может сваривать детали из нержавеющей стали толщиной от 0,02 мм. Максимальная толщина стыка до 12 мм.

Использование сварки в промышленности

Расширение использования ЭЛС в промышленности продолжается. Несмотря на некоторые недостатки, как необходимость работы в вакууме и образование в некоторых случаях полостей в теле шва, ЭЛС остается наиболее экономичным и точным способом сварки. Эффективность КПД при электронно лучевой сварке составляет 85-95 %. Это на порядок выше, чем у дуговой сварки.

Без электроннолучевой сварки не обойтись во время обработки:

активных металлов;
термоупрочненных материалов;
деталей ответственного назначения;
тугоплавких металлов,
изделий из керамики, камня.

Метод лучевой сварки используется и для производства в металлургии. Титан выплавляется из титановой губки при помощи электронно лучевых пушек.

Японские строители атомных станций применяют лучевую сварку для соединения аустенитной нержавеющей стали, используемой в активной части реактора, используют электронно-лучевые установки. Исследования показали, что качество сварного шва, полученного лучевым способом, по многим показателям превосходит шов дуговой сварки.

ЭЛС широко применяются в электронной промышленности. С ее помощью герметизируют микросхемы и полупроводниковые приборы. Температура нагрева изделия не превышает 200 градусов. Сварочный аппарат ЭЛУМС-25/0,5, разработанный в НПО «Орион», может приваривать золотые проводники микросборок диаметром 5 мкм.

Наиболее мощные и большие установки применяются в авиационной промышленности. Объем камер составляет около 1500 кубических метров.

В последнее время, после некоторого спада интереса к электронно-лучевой сварке, из-за общего кризиса в экономике, активизировались работы по производству и разработке новых технологий ЭЛС. Если вы специалист в этой сфере, и вам есть что рассказать, добавить или поспорить по теме, высказывайтесь в блоке комментариев.

Читать еще: Мелкие сварочные работы

Электронно-лучевая сварка

Описание процесса.

Принцип электронно-лучевой сварки (ЭЛС) основан на торможении потока ускоренных электронов в свариваемом материале. Процесс превращения кинетической энергии в тепловую характеризуются высоким коэффициентом полезного действия, а также благодаря низкому содержанию газов в металле шва качество соединения получается очень высоким. Поток разогнанных электронов, проникая в свариваемое изделие на всю глубину обеспечивает: металлоёмкость сварочной ванны и минимальную деформацию изделия, увеличивает скорость кристаллизации материала. Форма созданного шва имеет вид узкого клина именуемый “кинжальный проплав”, соотношение глубины проплавления к ширине достигает 20:1. Уменьшение протяжённости зоны термического влияния (примерно в 25 раз меньше, чем при дуговой сварке) снижает вероятность рекристаллизации основного металла в сварной зоне. Сокращение затрат энергии на единицу длины шва в 4. 5 раз меньше, чем при дуговой сварке. Данный вид соединения характерен для электронно-лучевой и лазерной сварки. Электронный луч как источник сварочного нагрева по своей энергетической мощности и прецизионности превосходит все известные ранее источник. Возможность концентрации большой мощности электронного луча и автоматизации

Назначение установки:

Однопроходная сварка в вакууме по различным траекториям.

Оборудование обеспечивает сварку:

ПРЕИМУЩЕСТВО ЭЛС:

2. Широкий диапазон обрабатываем материалов

3. Минимальные коробление

4. Интеграция в производственные линии

5. Не требуется присадочный материал

6. Не требуется инертная среда

7. Инновации в конструировании

8. Создание разнородных материалов (биметаллических соединений)

ЭЛС позволяет соединять разнородные материалы такие как: алюминий и медь, сталь и алюминий, сталь и ниобий, алюминий и титан, титан и молибден и др*. Данная технология позволяет улучшить конструктивные характеристики: прочность и жаростойкость, а так же снизить массу с целью экономии дорогостоящих и дефицитных металлов.

КОМПЛЕКТАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ:

1. Блок управления

Обеспечивает в автоматизированном или ручном режиме управление и контроль всеми параметрами аппаратуры. Вывод динамических параметров оборудования в удобном восприятии для человека.

Предназначено для автоматизированного и ручного управления электронно-сварочными аппаратурами всех типов и модификаций. Функционально программа обеспечивает включение аппаратуры, возможность управления всеми системами и элементами аппаратуры в ручном режиме, индикацию всех параметров аппаратуры и работу автоматизированного управления режимами аппаратуры. Программа имеет возможность перепрограммирования режимов работы и создания индивидуальных рабочих файлов, может использоваться при модернизации устаревших ЭЛУ и изготовлении новых моделей.

2. Выносной пульт управления

Позволяет производить эргономичную настройку и контроль оборудования. Значительно облегчает работу персонала во время отработки технологических процессов.

3. Вакуумная камера

Камера имеет каркасную конструкцию и компонуется по ТЗ заказчика под конкретные технологические процессы.Вакуумная (рабочая) камера оснащена:

Механизм перемещения изделия/пушки;
Системой наблюдения: по вторичным электронам и видео;
Вспомогательного оборудования;
Элементы вакуумной системы.

4. Вакуумная система

Обеспечивает поддержание рабочего вакуума в камере и анодном блоке пушки.

Для откачки камеры система комплектуется турбомолекулярным или диффузионным насосом мощностью, соответствующей объёму камеры/ТЗ.

5. Электронно-лучевая пушка

Варианты исполнения пушек:

1. По виду размещения:

Внутренние – размещается в рабочем пространстве камеры и зачастую оснащена модулем перемещения, что позволяет повысить функциональность оборудования;
Внешние – расположена с внешней части камеры, дополнительно оснащена турбомолекулярным насосом и шибером.

2. По типу накала пушки:

6. Механизм перемещения обрабатываемого изделия

Обеспечивают ручное/автоматизированное управление и программирование траекторий. Система управления может оснащаться 6 координатами. Манипуляторы изготавливаются в соответствии с ТЗ состоят из элементов перемещения управляемых шаговыми или асинхронных приводами.

7. Система наблюдения

Цифровая система наведения на стык.

Обеспечивает вывод изображения сварного шва на монитор системы управления и гарантирует точное наведение луча на стык сварного шва.

Система видеонаблюдения обеспечивает:

Обеспечивает просмотр зоны “деталь-пушка”; Рабочего объёма камеры; Наблюдение за процессом сварки.

Формирование комплекта ЗИП исполняется:

Стандарт.
Комплект расходных материалов на гарантийный период эксплуатации.
Специализированный.
Формирование комплектующих в соответствии с ТЗ.

Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка (она же электроннолучевая, электронно лучевая сварка, ЭЛС) — это довольно быстро развивающийся вид сварки. С его помощью можно сварить практически все: и сплавы высокой прочности, и химически активные металлы, и тугоплавкие материалы. Словом, сфера применения очень большая.

В этой статье мы подробно расскажем, что такое ЭЛС сварка, какие есть достоинства и недостатки у такой технологии, и какие особенности нужно учитывать.

Общая информация

Электронно-лучевая сварка — метод сварки, в основе которого лежит применение луча. Луч выделяет тепло, которое формируется в результате столкновения пучка заряженных частиц. Технология непростая, но в ней все же лучше разобраться. Поскольку ЭЛС сварка получила широкое распространение во многих сферах, начиная от микроэлектроники заканчивая оптикой.

Данная технология просто не могла ни появиться. Существовала потребность сварки тугоплавких металлов, а добиться хорошего качества швов просто не получалось. Классические сварочные технологии просто не могли обеспечить должный уровень качества. Для решения этой проблемы была изобретена электронно-лучевая сварка, которая концентрирует тепло в одной точке, при этом сварочная зона остается защищенной.

Технология

Перейдем к описанию технологии ЭЛС сварки. Итак, ключевой элемент — это луч, который генерирует электронная пушка. Плотность энергии в таком луче высока, но ее недостаточно для качественной сварки.

Читать еще: Аргоновая сварка из инвертора своими руками

Чтобы исправить эту проблему электроны нужно сконцентрировать в магнитной линзе. На рисунке ниже линза обозначена цифрой 6. Далее электроны, находясь в подвижном состоянии, фокусируются в плотный световой пучок и ударяются о деталь (на картинке обозначена цифрой 1). За счет столкновения электроны тормозятся, и их энергия превращается в тепло. Тепло, в свою очередь, настолько мощное, что быстро нагревает металл до высокой температуры.

В конструкции предусмотрена магнитная отклоняющая система (обозначена цифрой 7). С ее помощью удается контролировать перемещение электронного луча по детали. Таким образом удается добиться точного положения луча, а значит сформировать шов в том месте, где это необходимо.

Когда электроны сталкиваются с молекулами кислорода, теряется огромное количество кинетической энергии. К тому же катод нуждается в дополнительной тепловой защите. Чтобы решить эти задачи в пушке создают вакуум. В результате энергия луча концентрируется строго в одной точке, а площадь нагрева минимальная. Из-за этого металл не деформируется при сварке. Это очень важно при сварке тонких металлов, особенно если деталь маленького размера.

Технология электронно лучевой сварки не простая, но важно понимать ее сущность. Чтобы четко осознавать, какой результат вы хотите получить. Ведь вам придется самому настраивать оборудование, фокусировку и мощность луча.

Особенности

Поскольку технология не самая простая, ее сопровождают некоторые нюансы, которые нужно учесть для полного понимания сути. Первый нюанс заключается в том, что вся сварка происходит в среде вакуума. От этого поверхность деталей идеально чистая. И второй нюанс — детали нагреваются до крайне высоких температур. В итоге мы получаем шов минимальной толщины, который при этом еще и быстро формируется. Это очень хорошо.

Благодаря этим особенностям ЭЛС сварку можно применять при сварке самых разнообразных металлов. У двух деталей может быть разная толщина, состав и даже температура плавления. Шов все равно получится качественным. Минимальная толщина для сварки составляет 0,02 миллиметра. А максимальная — 100 миллиметров. Диапазон очень большой, можно варить большинство деталей. Это все, что вам нужно учесть.

Достоинства и недостатки

Сварка электронная с применением луча имеет несколько весомых плюсов, благодаря которым она и получила свое широкое распространение. Прежде всего, детали при сварке не коробятся, поскольку на деталь воздействует малое количество тепла. В среднем оно в 5 раз меньше, чем при других технологиях сварки.

Второе достоинство — это большие возможности. Вы можете сварить любые металлы и даже не металлы. Сварка керамики с вольфрамом? Пожалуйста! К тому же, можно настроить фокусировку луча и нагреть зону диаметром менее 1 миллиметра. Это впечатляет. Можно сварить детали практически любого размера.

Еще один плюс — это высокое качество шва. И не важно, что вы варите: обычную сталь или химически активные металлы вроде титана. В любом случае, качество соединения вас приятно удивит. А порой благодаря ЭЛС сварке удается достичь и улучшения характеристик металла. Вы также можете сварить любые сплавы, в том числе стойкие к коррозии. Возможности безграничны!

ЭЛС очень экономичная, поскольку потребляется мало электроэнергии. К тому же, технология универсальна и позволяет варить любые металлы. Вы также можете не разделывать кромки, если у вас нет такой возможности.

Что ж, достоинства весомые. Но что насчет недостатков? И без них не обошлось. Например, при сварке металлов с высокими теплопроводными свойствами велика вероятность образования отверстий в корне шва. Это влияет на прочность сварного соединения. И влияет негативно.

Также применение электро-лучевой сварки не всегда оправдано. Она незаменима при работе в труднодоступных местах, но если говорить о сварке в заводских условиях, то достоиснтва не всегда оправдывают себя.

Оборудование

На сегодняшний день электронно-лучевое оборудование производится как у нас, так и за рубежом. Практически все модели оснащены пушками с косвенным или прямым каналом катодов. В целом, отечественная продукция мало в чем уступает зарубежной, при этом стоит дешевле. Да, у нее не такой футуристичный дизайн, но она справляется со всеми задачами. А это самое главное.

Существуют модели, у которых лучевые пушки располагаются в камере. С помощью таких установок можно выполнять сварку лучом со сложной траекторией движения. Во всех современных моделях используются компьютерные технологии, так что вероятность человеческого фактора крайне мала. Многие процессы вообще проходят в автоматическом режиме, оператор может не присутствовать на рабочем месте.

Несмотря на всю технологичность, сварочное оборудование для ЭЛС сварки довольно просто обслуживается и не требует долгого обучения сотрудников. Нужно один раз запрограммировать установку и проследить, чтобы луч фокусировался в нужном месте. Единственное, что затем придется делать каждый раз — это регулировать фокусировку или изменять мощность самого луча. Больше не нужно никаких настроек.

Вместо заключения

Установка электронно лучевой сварки хоть и стоит недешево, но с ее помощью можно сварить даже металл с керамикой, не говоря уже о простой сварке двух металлических деталей. Да и сама ЭЛС сварка очень технологична и шагает в ногу со временем. При этом сварочный процесс очень экономичный, не требует больших затрат.

Вы когда-нибудь сталкивались с электронно-лучевой сваркой? Может быть вы мастер высокого уровня и готовы поделиться своим опытом? Добро пожаловать в комментарии.

Оценка статьи:

Загрузка...