Электронно-лучевая сварка
Содержание
Введение…………………………………………………………
1. Электронно-лучевая сварка…………………………………………....……5
1.1 Техника электронно-лучевой сварки…………………………….………..6-8
1.2 Основные параметры
режима электронно-лучевой
1.3 Преимущества сварки электронным лучом…………………………...11-12
1.4 Недостатки сварки электронным лучом………………………………….12
2. Специфические дефекты в сварных
швах при электронно-лучевой сварке………………………………………………………………
3. Технологические приемы сварки………………………………………...15-20
4. Экономическая эффективность электронно-лучевой сварки………….20-21
5. Применение электронно-лучевой
сварки в различных отраслях……………………………………………………….
Заключение……………………………………………………
Выводы………………………………………………………………
Список литературы…………………………………
Введение
В XXI веке развитие авиационной промышленности, а затем и космической, характеризуется в первую очередь тем, что они интенсивно аккумулируют все новые достижения науки и техники. Наиболее наглядным и характерным примером этому является разработка и внедрение различных методов получения неразъемных соединений.
Требования, предъявляемые к качеству сварных соединений на сегодняшний день очень высоки
В настоящее время существует большое количество методов и способов сварки. Особое применение в проектировании и производстве космических кораблей, самолетов, приборов управления полетом, получила электронно-лучевая технология сварки. К преимуществам данной технологии относится полная автоматизация, большая экономия электроэнергии и материала, высокая глубина проплавления, концентрация глубины проплавления по всему диапазону.
Указанные преимущества технологии делают актуальным ее применение для целей сварки тонкостенных деталей и микросварки герметизации корпусов в авиационной промышленности. Это означает, что благодаря электронно-лучевой сварки можно добиться высокого качества сварного шва, без понижения физических свойств, повысить ресурсы и мощность машин, создавать сложные узлы, детали и конструкции.
1.Электронно-лучевая сварка
Электронно-лучевая сварка
- сварка с высокой концентрацией
теплоты, отличной защитой. Сущность процесса
состоит в использовании
Электроны, обладающие достаточно высокой энергией, могут проникать в обрабатываемый материал на некоторую глубину. Максимальная глубина, пройдя которую электрон теряет свою энергию, зависит от ускоряющего напряжения и плотности обрабатываемого материала и может быть выражена зависимостью δ = 2,35 • 10-12U2/ ρ, гдe δ - глубина проникновения, cм; U - ускоряющее напряжение, B ; ρ - плотность обрабатываемого материала, г/см3. Так, для стали с плотностью 7,8 г/см3 при U = 60 кВ δ ≈ 12 мкм. Следовательно, энергия электронного луча преобразуется в тепловую внутри тонкого поверхностного слоя. Взаимодействие электронного луча с обрабатываемым материалом вызывает ряд явлений, влияющих на технологию сварки и конструкцию сварочных установок. Тепловое и рентгеновское излучения, отраженныe, вторичные и тепловые электроны незначительнo снижают эффективно используемую дoлю энергии электронного луча для нагревa и плавления свариваемого металла.
При воздействии пучка
электронов сравнительно невысокой
плотности мощности (до 1 • 105 Вт/см2)
процесс электронно-лучевая
Рисунок 2. Обычный электронно-лучевой монитор
1.1 Техника электронно-лучевой сварки
Сварку электронным лучом можно успешно применять в нижнем положении вертикальным лучом, вертикальным и горизонтальным швом на вертикальной стене (горизонтальным лучом) с неполным и сквозным проплавлением. Сварка в нижнем положении рекомендуется для толщин до 40 (стали) и до 80 мм (титановые и алюминиевые сплавы). Горизонтальным лучом со сквозным проплавлением сваривают металлы толщиной до 400 мм. Толщина зазора в стыке составляет 0,1—0,2 мм при глубине шва ≤20÷30 мм и 0,3 мм при глубине шва >30 мм. В общем случае, зазор должен быть меньше диаметра луча. [3]
Рисунок 3. Типы конструкций стыка при ЭЛС. [3]
Рисунок 4. Технология электронно-лучевой сварки [8]
При ЭЛС используют ряд технологических приемов для улучшения качества шва:
- сварку наклонным лучом (отклонение в направлении перемещения на 5—7°) для уменьшения пор и несплошностей и создания более равномерных условий кристаллизации;
- сварку с присадкой для легирования металла шва или восстановления концентрации легкоиспаряющихся в вакууме элементов;
- сварку на дисперсной подкладке для улучшения выхода паров и газов из канала (подкладка толщиной ~40 мм из гранул или рубленой сварочной проволоки);
- сварку в узкую разделку (0,8—8 мм) в нижнем положении за счет наплавки присадки в прямоугольную разделку кромок;
- тандемную сварку двумя электронными пушками, из которых одна осуществляет проплавление, а вторая (меньшей мощности) формирует либо корень канала, либо хвостовую часть ванны. При квазитандемной сварке используют один луч, но периодически отклоняя его, например в хвост ванны, получают практически два луча;
- предварительные проходы для проверки позиционирования луча и очистки и обезгаживания кромок свариваемых металлов;
- двустороннюю сварку одновременно или последовательно двух противоположных сторон стыка примерно на половину толщины стыка. Одновременную двустороннюю сварку осуществляют как с общей ванной, так и с раздельными;
- развертку электронного луча: продольную, поперечную, Х-образную, круговую, по эллипсу, дуге и т. п. с амплитудой порядка диаметра луча и частотами до 1—2 кГц для создания более благоприятных газо- и гидродинамических условий формирования канала (резонансные режимы нагрева). Двойное преломление луча в процессе развертки позволяет, например, расширить корневую часть канала, что необходимо для подавления корневых дефектов;
- расщепление луча (за счет отклоняющей системы) для одновременной сварки двух и более стыков (точек);
- модуляцию тока луча (обычно с частотой 1—100 Гц) для управления теплоподачей в сварной шов;
- «косметическое» заглаживание — повторный проход для ремонта видимых дефектов шва как с внешней, так и с внутренней сторон. В некоторых случаях «косметические» проходы осуществляют с присадкой.
1.2 Основные
параметры режима электронно-
Основные параметры режима электронно-лучевой сварки (таблица 1):
- сила тока в луче;
- ускоряющее напряжение;
- скорость перемещения луча по поверхности изделия;
- продолжительность импульсов и пауз;
- точность фокусировки луча;
- степень вакуумизации.
Металл |
Толщина, мм |
Режим сварки |
Ширина шва, мм | ||
Ускоряющее напряжение, кВ |
Сила тока луча, мА |
Скорость сварки, м/ч | |||
Вольфрам |
0,5 |
18...20 |
40...50 |
60 |
1,0 |
1,0 |
20...22 |
75...80 |
50 |
1,5 | |
Тантал |
1,0 |
20...22 |
50 |
50 |
1,5 |
Таль типа 18-8 |
1,5 |
18...20 |
50...60 |
60...70 |
2,0 |
20,0 |
20...22 |
270 |
50 |
7,0 | |
35,0 |
20...22 |
500 |
20 |
- | |
Молибден+вольфрам |
0,5 + 0,5 |
18...20 |
45...50 |
35...50 |
1,0 |
Таблица 1 Режимы электронно-лучевой сварки.[2]
Для перемещения луча по поверхности изделия используют перемещение изделия или самого луча с помощью отклоняющей системы. Отклоняющая система позволяет осуществлять колебания луча вдоль и поперек шва или по более сложной траектории. Низковольтные установки используют при сварке металла толщиной свыше 0,5 мм для получения швов с отношением глубины к ширине до 8:1. Высоковольтные установки применяют при сварке более толстого металла с отношением глубины к ширине шва до 25:1. [2]
Основные типы сварных соединений, рекомендуемые для электронно-лучевой сварки, приведены на рисунке 2. Перед сваркой требуется точная сборка деталей (при толщине металла до 5 мм зазор не более 0,07 мм, при толщине до 20 мм зазор до 0,1 мм) и точное направление луча по оси стыка (отклонение не больше 0,2 ... 0,3 мм). [2]
Рисунок 5.Типы сварных соединений при сварке электронным лучом
а - стыковое (может быть с бортиком для получения выпуклости шва ); б - замковое; в - стыковое деталей разной толщины; г - угловые; д и е - стыковые при сварке шестерен; ж - стыковые с отбортовкой кромок
При увеличенных зазорах (для предупреждения подрезов) требуется дополнительный металл в виде технологических буртиков или присадочной проволоки. В последнем случае появляется возможность металлургического воздействия на металл шва. Изменяя зазор и количество дополнительного металла, можно довести долю присадочного металла в шве до 50%.
Рисунок 6.Схемы прозвучивания , необходимые для выявления поперечных эксплуатационных дефектов на наружно й(а) и на внутренней (б) поверхности трубопровода
1.3 Преимущества сварки электронным лучом
Сварка электронным лучом имеет значительные преимущества:
- Высокая концентрация ввода теплоты в изделие, которая выделяется не только на поверхности изделия, но и на некоторой глубине в объеме основного металла. Фокусировкой электронного луча можно получить пятно нагрева диаметром 0,0002 ... 5 мм, что позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. В результате можно получить швы, в которых соотношение глубины провара к ширине до 20:1 и более. Появляется возможность сварки тугоплавких металлов (вольфрама, тантала и др.), керамики и т.д. Уменьшение протяженности зоны термического влияния снижает вероятность рекристаллизации основного металла в этой зоне. [4]
- Малое количество вводимой теплоты. Как правило, для получения равной глубины проплавления при электронно-лучевой сварке требуется вводить теплоты в 4 ... 5 раз меньше, чем при дуговой. В результате рез ко снижаются коробления изделия.
- Отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла газами. Наоборот, в целом ряде случаев наблюдается дегазация металла шва и повышение его пластических свойств. В результате достигается высокое качество сварных соединений на химически активных металлах и сплавах, таких как ниобий, цирконий, титан, молибден и др. Хорошее качество электронно-лучевой сварки достигается также на низкоуглеродистых, коррозионно-стойких сталях, меди и медных, никелевых, алюминиевых сплавах. [4]
1.4 Недостатки сварки электронным лучом
Недостатки электронно-лучевой сварки:
- создание вакуума в рабочей камере, загрузка и выгрузка изделий из нее требуют значительного времени, что не только снижает производительность процесса, но и затрудняет осуществление комплексной автоматизации;
- вследствие торможения электронов в свариваемом металле, особенно при большом ускоряющем напряжении (> 100 кВ), возникает жесткое рентгеновское излучение, что требует дополнительной защиты обслуживающего персонала и, кроме того, усложняет и без того непростое оборудование;
- необходимость высококвалифицированного персонала.
2. Специфические дефекты в сварных швах при электронно-лучевой сварке
Особенности гидродинамических, тепловых и деформационных процессов при формировании сварного шва в ходе электронно-лучевой сварки приводят к образованию специфических дефектов, снижающих эксплуатационные характеристики соединений.
Рисунок 4 Схема поведения канала при электронно-лучевой сварке : a - канал свободен oт жидкости; б - отражение волны жидкого металла от хвостовой части ванны; в - захлопывание канала. [7]
В следствие
периодического заливания дна
Корень шва имеет типичную пичковую структуру. Каждому пичку в корне шва соответствует чешуйка на поверхности шва, т.е. для сварного шва при ЭЛС характерна, как правило, слоистая структура.
Для предотвращения корневых дефектов необходимо формировать пародинамический канал с достаточно широкой нижней частью и закруглением канала. Изменение формы канала осуществляется изменением формы распределения плотности мощности электронного пучка в зоне сварки, например круговым сканированием пучка. Расширение корня шва позволяет также уменьшить опасность несплавлений свариваемых деталей из-за проявления остаточных или наведенных магнитных полей.
В центре шва по всей его высоте вследствие нормального теплоотвода в месте стыковки встречно-растущих кристаллитов и сосредоточения легкоплавких включений может возникать зона пониженной прочности с образованием продольных горячих трещин. Иногда их называют срединными трещинами. Их высота обычно составляет 2... 15 мм, а ширина 0,1... 0,3 мм . Следует при этом учитывать и высокую жесткость соединения при сварке больших толщин. [7]
При уменьшении скорости сварки (при q2 = const) глубина канала увеличивается. На выходе канала возможны захлопывание канала жидким металлом и образование полости (рисунок 4). [7]
К специфическим дефектам ЭЛС следует также отнести отклонение канала проплавления oт линии стыка вследствие отклонения луча при сварке сталей c остаточной намагниченностью. Для ликвидации этогo дефекта проводят предварительное размагничивание свариваемого изделия.
Из сказанного здесь следует, что геометрия и качество швов при ЭЛС взаимосвязаны более сильно, чем при дуговых способах сварки.
3. Технологические приемы сварки
Для улучшения качества шва и повышения производительности процесса ЭЛС разработано и применяется большое количество технологических приемов. Наиболее изученные и апробированные из них : формирование шва с обязательным полным проплавлением; развертка и наклон пучка; модуляция тока пучка; подача присадочного материала ; применение подкладок ; сварка смещенным и «расщепленным» пучком; выполнение прихваток и предгасительных проходов. Достаточно изученные и обоснованные приемы , но не получившие широко го применения, - тандемная сварка и сварка в узкую разделку. Рассмотрим наиболее освоенные приемы.
Полное проплавление свариваемого стыка - самый надежный и простой способ, позволяющий исключить корневые дефекты, свести к минимуму угловые деформации, уменьшить вероятность образования раковин и пор благодаря улучшению условий дегазации металла сварочной ванны. При сварке в нижнем положении этот прием применяется для соединения металлов c δ < 40 мм , а при сварке горизонтальным электронным пучком c δ ≤ 400мм. B последнем случае чтобы предотвратить вытекание из сварочной ванны жидкого металла иногда устанавливается ограничительная планка вдоль нижней кромки стыка.[5]
Развертка электронного пучка. Очень широко используются такие развертки пучка : Х-образная, продольная, поперечная, по окружности, пo эллипсу, дуге и т.п. c амплитудой порядка диаметра пучка, c частотами дo 1... 2 кГц. [5]
Эффект от развертки проявляется в изменении мгновенного и усредненного по периоду распределения плотности мощности электронного пучка. Соответственно меняются конфигурация сварочной ванны и характер гидродинамических процессов. Благодаря этому при сварке металлов больших толщин удается сильно расширить диаметр и повысить устойчивость канала в сварочной ванне, что благоприятно влияет на стабильность формирования швов : уменьшает разбрызгивание расплавленного металла, предотвращает вытекание расплава из ванны при сварке горизонтальным пучком. Вследствие изменения формы шва уменьшается склонность к образованию трещин, протяженных полостей и корневых дефектов.
Сварка наклонным электронным пучком. При сварке металлов большой толщины рекомендуется применять постоянное отклонение электронного пучка в направлении его перемещения по изделию. При этом удается избежать S-образной формы фронта кристаллизации, улучшить условия дегазации расплавленного металла пpи сварке в нижнем положении и обеспечить опок жидкости металла из глубины ванны при сварке на подъем. В последнем случае создаются практически одинаковые условия кристаллизации расплава по всей глубине сварочной ванны. Экспериментально установлено, что угол отклонения пучка должен составлять 5...7°. Такой прием позволяет уменьшить количество несплошностей и пор.[5]
Модуляция тока электронного пучка. Чтобы уменьшить тепловложение при сварке тонколистовых (дo 1 мм) материалов, а также чтобы осуществить точечную сварку, обычно используют импульсную модуляцию тока электронного пучка c частотой 1... 100 Гц. При шовной сварке частота импульсов и скорость сварки выбираются так, чтобы отдельные проплавленные участки перекрывали друг друга. Модуляцию пучка применяют для предотвращения образования трещин, для обеспечения возможности сварки тонкостенных малогабаритных деталей.
Многочисленные попытки применения модуляции тока пучка при сварке металлов средних и больших толщин не нашли широкого применения из-за интенсивного разбрызгивания металла, значительных подрезов с обеих сторон шва.[5]
Электронно-лучевая сварка с присадкой. Этот прием используют иногда для легирования металла шва, для восстановления необходимой концентрации легкоиспаряющихся элементов в шве и достаточно широко - при больших зазорах в стыке и исправлении дефектов шва.
В качестве при
садочного материала для
При переменном зазоре в стыке предложено применять системы автоматического регулирования скорости подач и присадочного материала. Параметром, за которым «следит» такая система, служит либо ширина зазора, либо ширина или высота усиления шва.
Зачастую между стыкуемыми поверхностями деталей помещается тонкий слой другого, переходного материала в виде ленты, гранул или порошка, предназначенного для легирования металла шва. Слой переходного материала может быть также нанесен напылением, осаждением и ли наплавкой на стыкуемые поверхности. Толщина слоя переходного материала в виде вставки должна быть равна диаметру электронного пучка, а в случае наплавки может достигать 10мм. Такая разновидность приема позволяет осуществить наиболее однородное легирование металла шва.
При сварке на легирующей подкладке одновременно обеспечивается выведение корневых дефектов в подкладку. Равномерное легирование шва достигается благодаря интенсивному переносу жидкого металла из глубины ванны к ее поверхности. Толщина подкладки должна составлять ≥20 ... 25 % общей глубины шва.
Возможна также
сварка с использованием легирующей
накладки. Толщина ее не должна превышать
высоты усиления шва. Область применения
этой модификации приема ограничивается
отсутствием или
Сварка на дисперсной подкладке. Чтобы улучшить выход газов и паров из сварочной ванны и уменьшения интенсивности гидродинамических явлений в ней, а также для снижения трудоемкости удаления подкладки сварку металлов толщиной ≥40 мм в нижнем положении рекомендуется осуществлять на подкладке из гранул или же рубленой сварочной проволоки. Конструктивно такая подкладка выполняется в виде металлической коробки с отверстиями, закрытым и металлической сеткой. Коробка наполняется дисперсным материалом. Режим сварки выбирается так, что с варочная ванна достигает наполнителя подкладки. При этом газы и пары из зоны сварки удаляются через промежутки между частицами наполнителя и отверстия в стенках коробки.[5]
Сварка с постоянным поперечным смещением электронного пучка. При сварке, а также при сварке-пайке разнородных металлов электронный пучок смещают относительно плоскости симметрии стыка в сторону более тугоплавкого металла. Величина смещения либо рассчитывается, либо определяется экспериментально.
Смещение пучка
применяется также в ряде случаев
для компенсации его
Сварка «расщепленным» пучком. Используя отклонение электронного пучка импульсным током (при изменении полярности) прямоугольной формы в электромагнитной отклоняющей системе пушки, можно одновременно сваривать отдельными точками или непрерывными швами два или более близко расположенных стыков. При шовной сварке период колебаний пучка выбирается исходя из условия устойчивости пародинамического канала в сварочной ванне, a время переброса пучка между стыками - из условия несплавления поверхности изделия. Поскольку здесь имеет место несовпадение при этом оси отклоненного пучка и плоскости симметрии стыка, такой прием подходит только при сварке металлов малых толщин.
Прихватки. При ЭЛС ферромагнитных материалов прихватки желательно выполнять электронным пучком, так как использование для этих целей дуговых методов сварки приводит к появлению намагниченности. Предпочтительно пучком выполнять прихватки и на термически упрочненных материалах.
Длина прихваток должна обеспечивать функционирование системы позиционирования пучка и слежения за стыком. Поэтому прихватки выполняют обычно длиной ≤2 0 ... 30 мм.
Порядок наложения прихваток вдоль стыка от середины к его краям. Число прихваток определяется конструкцией свариваемых деталей.
При выполнении прихваток на всю глубину шва осуществляется тaк называемая секционированная сварка, например для предотвращения возникновения микротрещин вследствие термических деформаций при сварке протяженных замкнутых стыков. Шов выполняют отдельными участками, причем в такой последовательности, чтобы каждый последующий участок отстоял от предыдущего как можно дальше. Желательно выдерживать паузы между сваркой отдельных участков. [5]
Электронно-лучевая сварка отклоненным пучком электронов. В Институте электросварки им. Е. О. Патона разработана техника и технология электронно-лучевой сварки изделий из сталей и алюминиевых сплавов отклоненным на 90 градусов пучком электронов. Такая техника позволяет выполнять сварку и косметическое «заглаживание» швов в трудно доступных местах или с внутренней стороны трубчатых конструкций длиной до 1200мм. Благодаря этому исключается необходимость в трудоемкой механической обработке корневой части швов, что имеет место при сварке, осуществляемой с внешней стороны изделия. Технология сварки отклоненным пучком электронов предусматривает использование компьютернойтехники, позволяющей управлять параметрами сварки, а формирование шва и оплавление свариваемых кромок отображать с помощью вторично-электронной эмиссии на экране дисплея в режиме реального времени.[6]
4.Экономическая эффективность электронно-лучевой сварки
Помимо основных технологических преимуществ электронно-лучевой сварки, таких как: надежно защищенная зона сварки от газов атмосферы, минимальные сварочные деформации, малая ширина зоны термического влияния и шва, для этого прецизионного способа соединения характерная высокая экономическая эффективность.
Использование
электронно-лучевой техники
Сокращение расходов
- Широкий выбор обрабатываемых материалов
- Отсутствие необходимости использования присадочного материала и защитного газа при сварке
- Отсутствие необходимости рихтовки и послесварочной обработки (минимальное коробление)
- Интеграция в производственные линии
- Новые решения в конструктивном исполнении и при планировании производства позволяют улучшить существующие изделия и создать принципиально новые.
5. Применение электронно-лучевой сварки
Электроннолучевую сварку применяют при сварке жаропрочных и высокопрочных сталей и сплавов на основе титана и алюминия, сварки молибдена, тантала, ниобия, вольфрама, циркония, никеля, бериллия, меди, алюминия и др. Для точной обработки и сварки микродеталей ( например, в микроэлектронике и других областях) используются высоковольтные электронные пушки с ускоряющим напряжением до 150 кв, токе пучка от 0,3 до 20 ма, дающие па изделии очень тонкий пучок диаметром от 0,01 до 0,1 мм. При этом обеспечивается высокая удельная мощность в пятне на изделий, достигающая 2000 квт/мм2. Работа на высоковольтных установках требует особой защиты персонала от радиоизлучения.
В связи
с трудностями создания вакуум-
Электроннолучевая сварка используется в авиа- и ракетостроении, ядерной энергетике, радиоэлектронике, точном машиностроении и приборостроении. Этот способ перспективен для соединения металлоконструкций в условиях космического пространства: ремонтной сварке, постройке орбитальных станций, устранении их повреждений и других подобных работах. При этом используется естественный вакуум и питание аппаратуры от солнечной энергии[9].
Заключение
Процесс образования сварного соединения ранее обычно связывали с нагревом металла до высоких температур. Современные представления о природе металлических межатомных связей показывают возможность использования этого механизма для соединения металлов в твердом состоянии.
При электронно- лучевой сварке, фокусировкой электронного луча можно получить пятно нагрева диаметром 0,0002 ... 5 мм, что позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. В результате можно получить швы, в которых соотношение глубины провара к ширине до 20:1 и более. Появляется возможность сварки тугоплавких металлов (вольфрама, тантала и др.), керамики и т.д. Уменьшение протяженности зоны термического влияния снижает вероятность рекристаллизации основного металла в этой зоне.

- Электронно-цифровая печать и ее правовые основы
- Электронно-цифровая підпис електронного документа
- Электронно-цифровая подпись
- Электронно-цифровая подпись как институт информационного права
- Электронные архивы
- Электронные аукционы
- Электронные банковские услуги и технологии
- Электронное правительство
- Электронное правительство
- Электронное правительство в РК
- Электронное правительство как концепция государственного управления в информационном обшестве
- Электронное правительство.Мир. Россия. Пермь
- Электронное правительство: основные понятия, идеология, предпосылки и этапы внедрения в РФ
- Электронное правительство РК