Электронно-лучевая сварка: понятие, особенности и технология процесса, состав применяемого оборудования

Электронно-лучевая сварка: понятие, особенности и технология процесса, состав применяемого оборудования

Электронно-Лучевая Сварка (ЭЛС) — это один из видов сварки плавлением. Источником энергии для осуществления процесса ЭЛС служит электронно-лучевая пушка с системой управления электронным пучком (лучом).

Технология процесса ЭЛС регламентируется отраслевыми стандартами и подлежит контролю качества по ГОСТ ISO 13919-1—2017 «Сварка. Соединения, полученные электронно-лучевой и лазерной сваркой. Руководство по оценке уровня качества для дефектов».

Достоинства

Электронно-лучевая сварка относится к высокотехнологичным видам сварочных работ и применяется, соответственно, на сложных и высокоточных производствах. Основной недостаток у нее, по сути своей, один — установка лучевой сварки сложна в производстве и монтаже, поэтому стоит очень дорого — порядка нескольких миллионов.

Ее применение оправдано и рентабельно там, где стоимость изделия на выходе по всем остальным производственным факторам коррелирует со стоимостью сварочной установки.

Как правило, это отрасли производства, где требуется сверхвысокое качество соединения, в том числе металлов, сварка которых иными методами затруднена или невозможна. К таким относятся химически активные металлы (алюминий, магний и особенно титан), а также сверхтвердые и тугоплавкие.

У электронно-лучевой сварки есть и другие преимущества. Она имеет высокий КПД, что влечет за собой потребление меньшего количества энергии, которое нужно затратить на одну операцию (по сравнению с контактной или дуговой электросваркой).

Сварка электронно-лучевым методом имеет минимальную область пятна нагрева — до 0, 00001 кв. см, меньше — только у лазерной сварки. У нее максимальная мощность в точке нагрева — до 100 миллионов ватт на кв. см (выше только у лазера).

Особенность электронно-лучевой технологии позволяет выполнить дегазацию сварного шва, появляется возможность сваривать химически активные металлы — ниобий, молибден, титан, цирконий. Возможна сварка очень тугоплавких металлов, таких, как вольфрам, так как основная энергия тратится именно на нагрев точки контакта.

Нет необходимости использовать дополнительные средства — припои, флюсы, присадки, плавящиеся и неплавящиеся электроды. широкий диапазон свариваемых деталей по толщине — от десятых долей миллиметра до 200 мм.

Возникает возможность тонко регулировать глубину проплавления и появляется прецизионная точность. Сварка лучом электронов идет практически без участия человека, оператор установки только задает и контролирует параметры.

У нее высокая скорость — до 5 см/сек, и есть возможность изготавливать детали очень малых размеров и сложной конфигурации, варить в труднодоступных местах.

При электронно-лучевой сварке появляется шов «кинжального» сечения, глубокий и узкий, с минимальным наплавлением. Величина угловых деформаций сводится к минимуму.

Достоинства и недостатки

Вакуумная среда, создающаяся в электронно-лучевой установке, помогает защищать поверхность обрабатываемого изделия. В этом смысле она куда совершеннее, чем даже самые продуманные варианты газовой сварки или сварочных работ под флюсом. Катод тоже очень хорошо защищен в химическом отношении. Потери кинетической энергии при электронно-лучевой сварке меньше, чем при других технологиях. Причина вполне понятна: фокусированный луч не натыкается на молекулы газов и взвесей.

Еще одним плюсом оказывается повышенная эффективность дегазации в сварочной ванне. Тот же вакуум является абсолютной гарантией против образования оксидных пленок. Однако все это не означает, что электронно-лучевая методика есть абсолютный идеал. На поверхность попадает сравнительно немного тепла.

Традиционное дуговое воздействие отличается большей мощностью.

Потому ЭЛС резко меняет кристаллическую структуру металла или сплава. Обрабатываемые участки могут подвергнуться короблению. Вернувшись к достоинствам методики, стоит подчеркнуть, что она позволяет обрабатывать керамику и тугоплавкие металлы. Фокусированный луч может обработать участки величиной меньше 1 мм. Отработана технология изготовления ответственных элементов и декоративной продукции, в том числе из стойких к коррозии сплавов.

Еще стоит отметить:

• существенную гибкость регулировки мощности;
• возможность получения узких швов на большой глубине;
• минимизацию риска повреждений при импульсной подаче энергии;
• пригодность для общей термообработки и перфорации металла, для нарезки заготовок.

Но очевидно, что вакуумная среда создается за определенное время. Потому, несмотря на относительно высокую производительность самого рабочего цикла, суммарный выход продукции будет меньше, чем при других технологиях. Корень шва может иметь полость. Предотвратить это помогает только специальная контрольная техника. В любом случае электронно-лучевая сварка невозможна в домашних условиях, она относительно дорога и требует квалифицированных операторов.

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

У ЭЛС существует две особенности:

1. Сварка производится в вакууме, поэтому гарантируется максимум чистоты поверхности и отсутствие нежелательного окисления соединительного шва.
2. Нагрев сплавляемых деталей происходит до максимально возможных температур, что способствует быстрому расплавлению металлов — шов при этом получается мелкозернистый с минимальной шириной.

Возможна эффективная работа со сплавами, которые довольно чувствительны к большим температурам. С помощью ЭЛС изготавливаются детали из титановых и алюминиевых сплавов, а также из высоколегированной стали, при этом максимум толщины достигает 100 мм, а минимум — 0,02 мм.

[stextbox установки ЭЛСТУ-60 Н. А. Богданов, стаж более 15 лет:«Уникальные сварочные работы можно сделать только с помощью установок ЭЛС».[/stextbox]

В чем суть ЭЛС

Данная технология основана на преобразовании кинетической энергии, вырабатываемой при движении электронов в тепловую энергию, необходимую для плавления металлической кромки. Скорость электронного потока, а значит и величина кинетической энергии, напрямую зависит от приложенной разности потенциалов (напряжения), которая может достигать 100 кВ. Сфокусированный в небольшой пучок луч при касании поверхности материала обеспечивает сверхвысокую плотность мощности, в результате чего электроны могут проникать в металл на определенную глубину. Именно во время такого проникновения электрон отдает накопленную энергию, что приводит к нагреву и плавлению места контакта.

Чтобы в процессе электронно-лучевой сварки заряд источника не расходовался на преодоление молекул воздуха или другого газа, обработку материала выполняют в условиях вакуума с внутренним давлением от 10 -1 до 10 -3 Па. Такой подход позволяет создать практически идеальную инертную среду для сварки.
Однако следует обратить внимание, что применять вакуум не всегда целесообразно, т.к. это очень дорогостоящий процесс. Для решения задач, не имеющих подобных повышенных требований к точности и допускам, используют защитные сварочные смеси газов (подробную информацию о них можно найти здесь).

Советское видео о техпроцессе:

А здесь можно увидеть, как все происходит на современном оборудовании:

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.

Отправьте заявку прямо сейчас

1. Надёжный поставщик
25 лет на рынке запасных частей. Богатый опыт работы с несколькими тысячами производственных предприятий России

2. Индивидуальный подход к каждому клиенту
Лучшие условия для наших клиентов

3. Комплексные поставки
Работая с нами, Вы выбираете работу с командой профессионалов, предлагающей комплексные решения по поставке запасных частей. Поставки от небольших расходников до полностью отработанных квартальных потребностей предприятия

4. Большой склад
Тысячи наиболее запрашиваемых запасных частей в наличии на складе в Москве и в Германии

5. Поставка под заказ
Поставки запасных частей и комплектующих для оборудования напрямую от заводов-изготовителей

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 10-2Па,
• 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.