Электронно лучевая сварка: Электронно-лучевая сварка, ее преимущества, недостатки

alexxlab | 05.11.1981 | 0 | Разное

Содержание

Электронно-лучевая сварка, технология, оборудование, особенности и принцип работы

Впервые такой метод сварки появился в 1958 году. С помощью электронного луча можно производить сваривание металлов. Электронно-лучевая сварка сводится к соединению двух металлов на их стыке. Проводится она в вакууме, и сваривает детали самой разной конструкции и размеров, с высокой чистотой соединяемого шва.

Источником кинетической энергии электронов, собранных в электронный пучок, который формируется специальным приспособлением, производится соединение металла. Импульсным лучом происходит сваривание металла. Плотность энергии такого луча очень большая, частота импульсов составляет 100-500 Гц, используется при сварке легкоиспаряющихся металлов, например магний и алюминий. При таких параметрах глубина проплавления повышается. Варить можно металл разной толщины, но всегда учитывается какого рода этот металл, его толщина, структура.

Успешно соединяются и тонкие листы, но, перед процессом сварки проводят контрольную подготовку, чтобы правильно установить соотношение времени паузы и импульса.

Теплоотвод во время пауз позволяет уменьшить протяженность зоны термического влияния. Когда сваривают мелкие детали, очень важно, чтобы луч точно попадал на малую ширину шва, поэтому, сначала положения луча проверяют на пробном образце. Луч должен точно попадать на соединяемый шов, ни ниже, ни выше, иначе результат соединения не будет качественным. Параметры пучка проверяют путем технологического эксперимента. После этого производят серийное сваривание всех необходимых деталей.

В электронно-лучевой сварке для перемещения луча применяют перемещение самого луча или изделия с помощью отклоняющейся системы. Эта система дает возможность осуществлять колебания луча поперек и вдоль шва, а также по более сложной траектории. Существуют низковольтные и высоковольтные установки. Первые используют при сварке толщины металла 0,5 мм и выше, высоковольтные для более толстого металла.

Созданный вакуум в электронно-лучевой сварке позволяет значительно уменьшить потери кинетической энергии электронов за счет соударения с молекулами газов воздуха и для тепловой и химической защиты катода в электронной пушке. Вакуум составляет порядка 10-4-10-6 мм рт. ст. Проплавление металла происходит в основном давлением потока электронов, выделением теплоты в объеме твердого металла, а также мощным давлением испаряющегося металла. Качество и вид обработки лучом зависит от теплофизических свойств материала, параметра пучка, длительности импульса и не зависит от механических свойств материала. Следовательно, электронным лучом можно обрабатывать: кварц, керамику, драгоценные камни. Успешно применяется для сварки тугоплавких металлов, а также металлов, применяемых в авиационной промышленности, приборостроении. В зависимости от размера вакуумной камеры, можно соединять детали большой толщины.

Преимущества электронно-лучевой сварки:

  • можно сваривать детали толщиной от 0,1 до 200 мм. за один проход, а при других условиях и более толстые детали;
  • экономичность процесса, требуется в 10-15 раз меньше энергии, чем при дуговой сварке;
  • нет газового насыщения металла, что придает прочность шву;
  • высокое качество швов, глубокое проплавление металла.

Недостатки такой сварки:

  • в корне шва иногда недоваренный шов;
  • привязанность к рабочей камере, для создания вакуума.

Электронно лучевая сварка

Для создания сварных соединений подобным способом требуется сложное оборудование. Это означает, что в домашних условиях или на производстве, не обладающем специальным оснащением, выполнить такую работу невозможно. Тем не мене, методика постоянно совершенствуется и находит всё более широкое применение, поскольку обладает рядом важных достоинств и позволяет справляться с задачами, решить которые обычными способами сварки не удаётся.

Содержание страницы

Суть процесса

Часто бывает так, что чем сложнее технология, тем труднее объяснить её принципы. В конкретном случае вполне можно ограничиться осознанием того факта, что при проведении работ методом электронно-лучевой сварки детали помещают в вакуум и воздействуют на них пучком электронов, направляемых с помощью электронной пушки. Пугаться словосочетания «электронная пушка» не следует. Простейшим примером такого устройства могут служить кинескопы, игравшие в телевизорах ранних моделей роль экранов. Вот только в них основной проблемой было создание широкой развёртки, позволяющей бомбардировать электронами поверхность экрана электронами, а в сварочных системах электроны, напротив, концентрируют, регулируя плотность их потока и изменяя частоту импульсов.

Важные преимущества

Чем же так привлекательна относительно недавно появившаяся технология? Попробуем разобраться.

  • Электронно-лучевая сварка даёт возможность надёжно соединять между собой не только тугоплавкие металлы, такие как титан или вольфрам, но даже керамику. Для современного производства, в процессе которого используются новые материалы, плохо поддающиеся традиционным методам обработки, это имеет ключевое значение.
  • Прогрессивная технология, благодаря высокой концентрации теплоты, даёт возможность сваривать металлы и сплавы в большом диапазоне толщин, от 0,1 до 200 мм. Подобное качество позволяет применять электронно-лучевую сварку при изготовлении и небольших по размеру деталей, и массивных конструкций.
  • Обеспечивается высокое качество сварного шва, особенно в тех случаях, когда приходится соединять между собой химически активные металлы. Это происходит по причине повышения характеристик пластичности сварного шва и дегазации металла в процессе обработки.
  • Важную роль играет низкая степень тепловыделения в месте наложения сварного шва. Таким образом, снижается риск коробления соединяемых деталей и обеспечивается максимальное соответствие требуемым размерам. Преимущество, несомненно, оценили специалисты в области точного машиностроения.
  • Кратно снижается расход электроэнергии. Затраты на приобретение оборудования для электронно-лучевой сварки быстро окупаются. Далее – чистая экономия и зависть конкурентов, продолжающих оплачивать большие счета за электричество.

Характерные недостатки

Более широкому распространению новой методики проведения сварочных работ мешают два основных недостатка.

  • Сложность необходимого оборудования. В первую очередь того, которое требуется для создания вакуума над местом сварки. Теория считает возможным создание вакуумных камер даже очень большого, в сотни кубических метров, объёма. На практике подобные устройства ненадёжны. Как следствие, ограничивается максимальный размер соединяемых деталей. Отчасти помогают решить проблему камеры, с помощью которых создаётся локальный вакуум над обрабатываемой частью изделия. Однако, степень разрешения в них меньше, чем в стационарных установках, а значит, качество сварных швов хуже. В последнее время ведётся разработка технологических циклов, где электронно-лучевая сварка производится в среде нейтральных газов. Но вакуум пока не сдаёт лидирующих позиций.
  • При сваривании металлов с высокой теплопроводностью в корне шва могут образовываться полые отверстия и несплавления. Полностью решить эту проблему не удаётся, даже используя роботизированные устройства. Для обеспечения качества выполняемых работ необходимо, чтобы технологический участок, на котором используется электронно-лучевая сварка, был оборудован системами неразрушающего контроля качества сварных швов.

Влияя на результат

В зависимости от уровня решаемых задач на производстве используются различные способы электронно-лучевой сварки

  • Стараясь уменьшить размер и количество пор и несплошностей, обработку производят отклонённым на 5 – 7 градусов от вертикали лучом.
  • В случаях, когда необходимо повысить локальную прочность сварного шва или его коррозионную стойкость используют легирующие присадки.
  • Значительно повысить качество сварного соединения удаётся при выполнении операции за один заход сразу двумя электронными пушками. В этом случае одна из них проплавляет металл, а другая формирует корень канала.
  • Снизить энергозатраты, особенно при соединении листов металла значительной толщины, уменьшить количество отходов и сократить время работ удаётся, применяя технологию сварки в узкую разделку.
  • Улучшить выход из металла паров и газов позволяет дисперсная подкладка.
  • С учётом размеров соединяемых деталей можно ускорить процесс, производя с помощью двух электронных пушек последовательную или одновременную сварку, или напротив, расщепить один луч для сварки двух и более стыков.
  • Меняют форму развёртки электронного луча. Она может быть сколь угодно сложной – круговой, эллиптической,X-образной…

Разумеется, это далеко не все ухищрения, на которые идут технологи, стремясь добиться оптимальных результатов. Благодаря проводимым исследованиям появляются новые методики. Не исключено, что именно у тех, кто прочтёт эту статью, появятся свежие идеи относительно того, как можно усовершенствовать электронно-лучевую сварку.

Электронно-лучевая сварка | Сварка и сварщик

Электронно-лучевая сварка основывается на принципе нагрева и расплавления соединяемых элементов, который осуществляется с помощью электронного луча. В роли излучателя, в данной ситуации, выступает катод. Он излучает такие частицы, как электрон, способные набирать скорость вследствие действия электрического поля. Такое поле характеризуется высоким уровнем напряженности. Электроны разгоняются до очень больших скоростей, которые можно сравнить со световой скоростью. Вследствие этого, они соединяются в тонкий луч, сконцентрированный от излучателя к свариваемой детали, выступающей в роли анода.

Процесс электронно-лучевой сварки может быть выполнен только в вакууме, имеющие значение не ниже 4-10 мм рт. ст. Если это значение будет ниже, то большую часть энергии необходимо будет применить для ионизации и нагрева газов внешней среды. При встрече анода с электронами, последние свою кинетическую энергию отдают первым в виде тепла.

Оборудование для электронно-лучевой сварки

Основной составляющей установки сварки электронными лучами выступает пушка (сварочно-электронная). Она предназначена для того чтобы получать и ускорять электроны. Помимо этого, она служит для собирания электронного луча. Пушка располагается непосредственно в вакуум-камере, в которую помещается свариваемый элемент и механизм перемещения детали.

Выделяют следующие виды установок:

  • универсальные;
  • специализированные;
  • высоковакуумные;
  • промежуточного вакуума;
  • камерные.

Область применения электронно-лучевой сварки

Вышеописанный способ используется для сварки нескольких видов металлов, в частности, чистых, активных и тугоплавких. Также она применяется для чувствительных металлов к влиянию газов. В силу того, что возникают некоторые трудности при строительстве вакуумных камер внушительных размеров, вышеуказанным путем свариваются лишь небольшие детали.

Схожими свойствами обладает сварка когерентным световым лучом, которая осуществляется посредством лазера т.е. лазерная сварка. Световой луч, характеризующийся высоким содержанием энергии способен как сваривать, так и резать не только металлы, но и другие материалы. Этот процесс осуществляется без вакуума.

Как и любой другой вид сварки, электронно-лучевая имеет преимущества и недостатки.

К плюсам относятся:

  • таким способом за один раз можно сваривать металлы, толщина которых находится в пределах – 0,1 до 200 мм;
  • в отличие от дугового способа, электронно-лучевая использует более чем в 10 раз меньше энергии;
  • такой способ отличается отсутствием концентрации расплавленного металла газами.

Главным недостатком электронно-лучевой сварки выступает необходимость в создании вакуума.

Электронно-лучевая сварка: технология и особенности

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.

Содержание статьи

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.

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.

ОАО “НИТИ “Прогресс” – Электронно-лучевая сварка

«НИТИ «Прогресс» разрабатывает технологии электронно-лучевой сварки и применяет в промышленности на предприятиях серийного производства более 40 лет.

С начала 80-х годов разрабатывает новое оборудование и проводит коренную модернизацию имеющихся на предприятиях установок электронно-лучевой сварки различного объема вакуумных камер – от малых (0,04 м3) до больших (более 1300 м3).

За последние 5 лет специалистами института созданы и модернизированы 27 электронно-лучевых установок для ведущих предприятий различных областей промышленности: ОАО «Калужский турбинный завод», ОАО «ПО «Севмаш», «НАЗ им. В.П. Чкалова», ФГУП «Комбинат «Электрохимприбор», АО «Воткинский завод», ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», АО «ОКБМ «Африкантов», ОАО «НПО «Энергомаш», АО «НИКИЭТ», ФГУП «ВИАМ», ОАО «Красмаш», ПАО «Туполев», и другие. Институт обеспечивает полный технологический цикл создания оборудования для электронно-лучевой сварки и разрабатывает:

– вакуумные затворы большого проходного сечения ДУ 400 – 1000 мм;

– антропоморфные манипуляторы;

– системы управления;

– электронно-лучевую аппаратуру.

Как правило, разработка и модернизация выполняется под конкретные задачи технологии, что требует соответствующих решений конструкции и системы управления – оснащения устройствами подачи присадочной проволоки, многоместными вращателями, устройствами сварки продольных швов обечаек и т.п. При необходимости проводится корректировка технологии сварки.

Применяется электронно-лучевая аппаратура с пушками прямого или косвенного накала катодов как своего изготовления, так и различных отечественных и зарубежных производителей.

Сочетание точной механики с компьютерными системами управления устраняет зависимость качества сварных соединений от влияния «человеческого фактора» (оператора-сварщика) и обеспечивает программными средствами точное ведение луча по стыку, изменение мощности луча и фокусировки на требуемом отрезке траектории стыка.

Электронно-лучевая сварка:область применения, технология и режимы

Для узкоспециализированных отраслей промышленности, где используются высокоактивные металлы, часто применяются нестандартные технологии. Это обусловлено тем, что обыкновенными методами очень сложно добиться поставленных результатов требуемого качества. Электронно-лучевая сварка является методом соединения металлических изделий, в котором в качестве основного источника энергии для расплавления и достижения нужной температуры выступает кинетическая энергия электронов. Она появляется в пучке, который выпускается соответствующей установкой, в качестве которой выступает электронная пушка.  Также тут нужно обеспечивать защиту при помощи изоляции от внешних факторов путем их устранения, а не замещения, как это происходит в других методиках.

Электронно лучевая сварка

Данная методика далеко не так широко распространена, как остальные. Здесь множество сложностей в использовании самого оборудования, обслуживания и так далее. Тем не менее, это относительно безопасный и экологически чистый метод, почти не подвергающий опасности здоровье сварщика. Данная техника выпускается на протяжении более полувека.

Область применения

Основной сферой применения является сварка тугоплавких металлов, которые применяются в авиационной и космической отраслях. Благодаря своей тонкости работы установки электроннолучевой сварки находят применение в приборостроении. Также ведется работа с активными металлами, сложно переносящими контакт с газами и прочими элементами. Если требуется сварить шов, в котором нужна большая глубина проплавления, то следует использовать именно такой способ.

Крупные металлоконструкции, в которых металл обладает высокими качествами износостойкости и трудно поддается температурной обработке, может быть легко сварен таким методом. Электронно-лучевая сварка справляется со многими сложными работами. Для нее практически нет проблемных металлов, так что все сложные варианты сварки проводятся с ее помощью.

Преимущества

Технология электронно-лучевой сварки обладает рядом существенных преимуществ, если сравнивать ее с другими методиками соединения металла. Среди основных плюсов стоит отметить:

  • Здесь очень высокий коэффициент полезного действия, что позволяет тратить в 10, а то и в 15 раз меньше энергии, чем это требуется для ручной электродуговой сварки;
  • Благодаря высокой концентрации энергии, здесь можно всего за один проход сварить металл толщиной до 20 см, тогда как при использовании других методов потребовалась бы многослойная сварка;
  • Это весьма безопасный способ применения сварки, который не подвергает жизнь человека сильно большой опасности;
  • Здесь отсутствует процесс насыщения расплавленного металла сварочными газами, а также теми, которые находятся в атмосфере.

Недостатки

Несмотря на ряд явных преимуществ, которые существенно выделяют методику среди остальных, здесь есть и свои недостатки:

  • Процесс в рабочей камере невозможен без создания вакуума вокруг места сварки;
  • В корне шва могут образовываться полости и не провары, который приводят к ухудшению эксплуатационных характеристик;
  • Оборудование обладает высокой стоимостью и для многих сфер является недоступным;
  • Настройка происходит очень долго, так что далеко не всегда удобно создавать швы таким способом.

Режимы

Для проведения качественного процесса сваривания, следует учитывать все особенности настроек, а также металла, с которым ведется работа. К основным параметрам, которые определяют режим, относятся:

  • Ускоряющее напряжение;
  • Величина тока в выпускаемом луче;
  • Скорость передвижения пучка по поверхности свариваемой заготовки;
  • Точность фокусирования луча;
  • Продолжительность пауз и импульсов;
  • Степень вакуумизации.

Сами режимы для каждого типа свариваемого металла выглядят следующим образом:

Вид металла

Толщина заготовки, ммРежим сваривания

Ширина шва, мм

Напряжение ускоряющее, кВВеличина тока на луче, мАСкорость сварки, м/ч
Вольфрам

0,5

194560

1

1

217750

1,5

Тантал

1

25050

1,5

Сталь марки 18-8

1,5

195565

2

20

2127050

7

35

2150020

Сплав молибдена и вольфрам

0,5 + 0,5

194744

1

Технология

Электронно-лучевая сварка осуществляется при помощи пучка электрона, который распространяется в вакуумной камере.

«Важно!

Какими размерами должна обладать камера, зависит от того, какие габариты у свариваемой детали.»

Минимальный размер составляет от 10 квадратных сантиметров, а максимальный может превышать несколько сотен кубических метров. Образование зоны проплавления, а также само расплавление металла в определенном месте осуществляется при помощи давления потока, которое получается в электронно-лучевой пушке. Когда данный поток под давлением воздействует на поверхность, то выделяется кинетическая энергия, поглощаемая металлом, что приводит к повышению его температуры. Со временем это расплавляет конкретный участок.

Данный процесс сопровождается реактивным давлением испаряющегося металла, излучением, а также выделением тепловых и вторичных электронов. Сварка производится при помощи импульсного или непрерывного луча. Если применяются импульсные лучи, у которых наблюдается более высокая плотность излучаемой энергии, а также повышенная частота, достигающая до 500 Гц, то их применяют для сваривания легко испаряющихся металлов. К ним можно отнести алюминий и магний. Данная технология позволяет максимально увеличить глубину проплавляемого металла, но при необходимости, таким методом можно сварить и тонкие листы. В камере, где производится сварка, давление понижается до 1-10 Па, так что газы воздуха практически ни как не влияют на качество соединения.

Схема электронно-лучевой сварки

Используемое оборудование

Одной из главных особенностей, которым обеспечивается электронно-лучевая сварка, является принцип действия ее оборудования. Для этого используются специально разработанные установки. Среди всех вариантов используемого оборудования можно выделить специализированные и универсальные установки, которые работают с давлением от 1 до 10 Па. Также встречаются установки промежуточного вакуума, давление в которых достигает до 10 Па. Также может проводиться сварка в защитном газе, но тогда в камере давление значительно выше и составляет чуть более 100 Па.

Помимо этого можно выделить различные типы по конструкции. Это могут быть камерные установки, которые устанавливаются внутри какой-либо камеры, где есть возможность выкачивать воздух. Также есть установки с локальным вакуумированием, которые создают герметичную зону с вакуумом в месте непосредственного сваривания, а не во всем пространстве вокруг.

Пример оборудования для электронно-лучевой сварки

Практически все установки содержат в своем составе такие конструкционные элементы как:

  • Блок питания;
  • Электронная пушка.
Заключение

На данный момент электронно-лучевая сварка является современным высокотехнологичным способом соединения металла. Несмотря на свою сложность и дороговизну, он обеспечивает высокое качество и достаточную глубину проварки, что недостижимо для других способов. Это и обуславливает узость его применения.

 

Электронно-лучевая сварка – Остальные вопросы

Электронные пушки для ЭЛС

 

Схема электронно-оптической системы: 1 — изделие; 2 — электронный луч; 3 — катод; 4 — прикатодный управляющий электрод; 5 — анод; 6 — кроссовер; 7 — магнитная линза; 8 — система отклонения пучка; 9 — фокусное пятно; а0 — половинный угол расхождения луча; а1 — половинный угол сходимости луча на изделии; dкр — диаметр кроссовера; dфп — диаметр луча в фокусе

 

Электронные пушки

Электроннолучевая пушка предназначена для создания электронного луча, который и служит источником сварочной теплоты.(-b/T)

где Sк — эмиттирующая площадь катода; Т — абсолютная температура катода; Ае, b — константы, характеризующие материал катода.

 

В сварочных установках катоды обычно изготовляют из тугоплавких металлов (тантала, вольфрама) или из гексаборида лантана. Конструкции катода уделяется особое внимание, так как условия его работы чрезвычайно тяжелые: высокая температура и интенсивное разрушение под влиянием ионной бом-бардировки, а требования к точности и сохранению размеров его при работе очень высокие. От самых незначительных деформаций катода зависят в сильной степени параметры электронного луча. Обычно срок службы катода составляет не более 20 ч непрерывной работы, редко до 50 ч.

 

Мощность электронного луча определяется произведением Рл = Uускор.*Iл и регулируется путем изме-нения тока в нем (Iл), что в любых электронных пушках достигается изменением температуры нагрева катода. Но такой способ очень инерционен и неудобен тем, что эта зависимость нелинейна. Новый тепловой режим, а следовательно, и новое значение тока, устанавливаются лишь через несколько секунд.

 

Более распространен метод регулирования тока путем подачи отрицательного, относительно катода, потенциала на управляющий катод Uм величиной 1-3 кВ. Скорость установления тока луча при импульсном открывании электронной пушки А.852.19 составляет примерно 2 мА/мкс. Для импульсного управления током луча в электрической схеме установки предусмотрены специальные электронные схемы, которые вырабатывают сигнал, подаваемый на модулятор. Обычно схема позволяет также плавно управлять величиной тока в луче.

 

Плотность тока в луче можно регулировать, меняя его диаметр на изделии без изменения величины общего тока, с помощью магнитной линзы. Такая линза представляет собой катушку с током, ось которой совпадает с осью луча. Для повышения эффективности работы ее помещают в ферромагнитный экран. В этом случае магнитное поле концентрируется в узком немагнитном зазоре.

 

Фокусное расстояние линзы (f, см) — расстояние от середины этого зазора до минимального сечения прошедшего сквозь линзу пучка -определяется конструкцией линзы, анодным напряжением пушки и током, протекающим по обмотке линзы.

 

Фокусное расстояние линейно зависит от анодного напряжения установки, но не зависит от силы тока в луче. Параметры сварного шва непосредственно зависят от постоянства энергетических характеристик электронною луча, в том числе его диаметра, так как его величина определяет удельную мощность луча. Поэтому в электронно-лучевых установках особое внимание уделяется постоянству анодного напряжения. Применяют специальные меры для стабилизации его, что позволяет устранить влияние колебания напряжения сети, пульсаций силового выпрямителя и т. п.

 

Отклоняющие системы применяют для установки луча на шов или некоторой корректировки его положения относительно стыка, перемещения луча вдоль оси стыка при выполнении сварного шва; периодического отклонения луча при сварке с поперечными или продольными колебаниями луча и при слежении за стыком во время сварочной операции. Магнитное поле направлено поперек направления движения электронов, а сила, отклоняющая траекторию электрона, действует перпендикулярно оси луча и направлению магнитного поля. 

 

Поскольку электронный пучок при отклонении расфокусируется, то в сварочных установках отклонение его осуществляется на небольшие углы, не более 7-10 град.

 

При сварке толстолистовых металлов, а также при сварке в промежуточном вакууме и при атмосферном давлении неизбежно повышение ускоряющего напряжения, так как этим путем прежде всего можно заметно уменьшить рассеяние пучка. Однако повышение ускоряющего напряжения затрудняет совмещение луча со стыком, требует специальной защиты персонала от рентгеновского излучения; аппаратура усложняется.


Принципы электронно-лучевой сварки | Электронно-лучевая сварка | Основы автоматизированной сварки

Электронно-лучевая (светолучевая) сварка – это метод сварки, основанный на принципе испускания электронов в вакуумной трубке или трубке Брауна. Сварка в основном выполняется в вакууме (сварка в высоком вакууме) и характеризуется минимальной деформацией для применений от толстых до тонких листов и даже для сварки деталей. Однако в последние годы были разработаны аппараты для электронно-лучевой сварки, способные выполнять сварку даже без идеального вакуума (аппарат для низковакуумной сварки) или путем перемещения электронной пушки (сварочный аппарат с подвижной электронной пушкой), что еще больше расширило область применения.

Обязательно к прочтению всем, кто занимается сваркой! Это руководство включает в себя базовые знания по сварке, такие как типы и механизмы сварки, а также подробные знания, касающиеся автоматизации сварки и устранения неисправностей. Скачать

Когда катод в вакууме нагревается нитью накала, он испускает электроны. Испускаемые электроны ускоряются напряжением и сходятся электромагнитной катушкой, и при столкновении с основным материалом выделяют высокую тепловую энергию.Электронно-лучевая сварка использует это тепло для сварки.

Диаметр пятна луча типичного аппарата для электронно-лучевой сварки составляет примерно 0,2 мм, а плотность энергии электронного луча примерно в 1000 раз больше, чем у дуги. Тепло, прикладываемое к области вокруг сварного шва, невелико, что позволяет производить сварку с меньшими искажениями. Управление выходом электронного луча позволяет регулировать проникновение, что делает этот метод применимым к широкому спектру основных материалов, от толстых до тонких пластин.Электронно-лучевая сварка также может использоваться для сварки металлов с высокой температурой плавления (например, вольфрама), а также активных металлов, которые могут окисляться во время сварки (например, титана).

Возможные области применения: обшивка кораблей, мосты, резервуары для хранения, детали самолетов и электронные компоненты.
В электронных компонентах используется процесс, называемый запечатыванием электронного луча, для герметизации кварцевых генераторов, которые необходимо соединять в вакууме. В этом процессе вакуумная пайка выполняется путем плавления присадочного материала между металлической крышкой и керамической упаковкой за счет теплопроводности, индуцированной электронным лучом.

Аппарат для электронно-лучевой сварки

Как электронно-лучевая сварка, так и лазерная сварка позволяют добиться глубокого проплавления при небольшом нагреве. При лазерной сварке вакуум не требуется, оборудование может быть меньше, чем оборудование для электронно-лучевой сварки, и возможны высокие скорости сварки.
Однако лазерные лучи имеют меньшую мощность, чем электронные лучи, поэтому глубина проникновения мала, что делает лазерную сварку непригодной для сварки толстых листов.Кроме того, если коэффициент отражения поверхности основного материала высок, эффективность использования энергии снизится.

В таблице ниже сравниваются различные аспекты каждого метода. Сравнение показывает, что у обоих методов есть преимущества и недостатки, и что преимущества каждого метода должны использоваться соответствующим образом.

Сравнение электронно-лучевой сварки и лазерной сварки
Электронно-лучевая сварка Лазерная сварка
CO 2 (углекислый газ) лазер YAG-лазер
Устройство источника тепла Генератор высоковольтный + электронная пушка Оптический резонатор с CO 2 в качестве основной среды Оптический резонатор со стержнем из YAG в качестве среды
Диапазон выпуска серийно выпускаемого оборудования от 3 кВт до 100 кВт 0.От 5 кВт до 45 кВт от 0,1 кВт до 6 кВт
Максимальная плавильная мощность Прибл. 150 мм (100 кВт) Прибл. 30 мм (45 кВт) Прибл. 10 мм (6 кВт)
Энергоэффективность луча Прибл. 100% Прибл. 20%
Значительные потери из-за отражений от поверхности и поглощения плазмы
Коэффициент поверхностного поглощения немного выше, чем у CO 2 с меньшим поглощением плазмы
Практическая максимальная толщина листа Прибл.100 мм Несколько мм или меньше То же, что слева
Сварочная атмосфера Вакуум (<10-2 мм рт. Ст.)
Сварка должна выполняться в вакууме
Окружающий воздух
Требуется защита инертным газом, как при дуговой сварке
То же, что слева
Сварные материалы Только металлы
Отсутствуют металлические материалы с высоким давлением пара, такие как цинк и магний
Металлы, неметаллы То же, что слева

Электронно-лучевая сварка используется для плавления и соединения основных материалов.Поскольку при сварке выделяется небольшой участок с минимальным тепловым воздействием, идеально подходят муфты без зазоров. Однако при сварке на макс. глубина проплавления от 3 до 5 мм, допускаются зазоры до 0,1 мм. Более глубокие проникновения позволяют увеличить порог зазора. При глубине проплавления 50 мм сварка возможна даже с зазором 3 мм с использованием присадочного материала (сварочной проволоки).

Типовые сварные соединения, возможные при электронно-лучевой сварке
(EB = электронно-лучевая сварка)

Дом

Системы и решения для электронно-лучевой сварки

Sciaky предлагает самый широкий в мире ассортимент систем для EB-сварки

Электронно-лучевая (EB) сварка – отличный выбор для применений, содержащих тугоплавкие сплавы и разнородные материалы.Преимущества технологии электронно-лучевой сварки включают высокую удельную мощность с очень низким общим тепловложением и, следовательно, минимальные искажения. Детали, сваренные методом ЭП, требуют минимальной постсварочной обработки и термообработки, и, в отличие от других процессов сварки плавлением, ЭП не требует использования защитных газов. Качество сварки исключительное, а процесс чрезвычайно эффективен (обычно 95%), тщательно контролируется и полностью автоматизирован.


EB Сварочная техника дает следующие преимущества:
  • Универсальность для сварки тонкой фольги с толстыми профилями (более 2.Глубина проникновения 5 дюймов)
  • Многоосевое управление EB
  • Высокое соотношение глубины к ширине
  • Максимальное проникновение с минимальным искажением
  • Исключительная прочность сварного шва
  • Инертная атмосфера (вакуум)
  • Высокая точность и повторяемость практически без брака

Компания Sciaky находится на переднем крае разработки и производства систем для электронно-лучевой сварки на протяжении многих десятилетий.Мы с гордостью заработали репутацию экспертов по бизнесу, основанную на упорном труде и инновациях. Сварочный пистолет с внутренним перемещением EB от Sciaky – самый универсальный сварочный пистолет EB на рынке. Многокоординатное движение пистолета работает в половине объема камеры фиксированных / внешних систем пистолета, обеспечивает доступ к лучу для необычных конфигураций соединений и значительно упрощает инструментальную обработку деталей. Для получения дополнительной информации о электронно-лучевой сварочной горелке Sciaky с внутренним перемещением щелкните здесь. Sciaky также предлагает сварочные горелки для внешней электронно-лучевой сварки.Для получения дополнительной информации о внешнем сварочном пистолете EB от Sciaky щелкните здесь.

Вот несколько примеров деталей, сваренных по технологии EB Sciaky:

  • Сверхпроводящие полости для физики высоких энергий
  • Корпуса и агрегаты авиационных двигателей
  • Компоненты и конструкции военных самолетов
  • Узлы долот и трубы резервуаров для нефтяной / горнодобывающей промышленности Диафрагменные сборки для выработки электроэнергии
  • Шестерни трансмиссии для автомобилей, грузовиков и внедорожников

Благодаря нашему партнерству с EVOBEAM GmbH в Германии, Sciaky предлагает самый широкий спектр систем и услуг для электронно-лучевой сварки в отрасли.Чтобы ознакомиться с системами электронно-лучевой сварки Sciaky с большой камерой, щелкните здесь. Чтобы ознакомиться с системами электронно-лучевой сварки Sciaky со средней камерой, нажмите здесь. Чтобы познакомиться с системами электронно-лучевой сварки для малых камер Sciaky в рамках партнерства EVOBEAM, нажмите здесь.

Чтобы обсудить ваши требования к сварке со специалистом по сварке Sciaky, позвоните нам по телефону 877-450-2518.

Электронно-лучевая или лазерная сварка?

Лазерный луч сваривает кольцевой шов вращающейся детали.

«Что работает лучше всего?» Кто не слышал этот вопрос, когда консультировался с заказчиком по поводу изготовления детали? В некоторых случаях на вопрос есть простой ответ, но часто нет, и решение использовать процесс A или процесс B сводится к сравнению плюсов и минусов, при этом стоимость как большой палец на шкале, подсказывающий чашу весов.

Для прецизионной сварки обычно выбирают между электронно-лучевой сваркой и лазерной сваркой. Иногда другие типы сварки плавлением, такие как GMAW или GTAW, могут быть вариантом, но процессы дуговой сварки не имеют проплавления, небольшой площади термического влияния, высокой точности и чистоты сварного шва, как при электронно-лучевой и лазерной сварке.Электронные лучи и лазеры могут быть сфокусированы и нацелены с исключительной точностью, необходимой для сварки самых маленьких имплантируемых медицинских устройств, и в то же время обеспечить огромную мощность, необходимую для сварки больших частей космического корабля. Электронно-лучевая и лазерная сварка – это универсальные, мощные, автоматизированные процессы. Оба могут создавать красивые сварные швы с металлургической и эстетической точек зрения. И то, и другое может быть рентабельным.

Но, несмотря на все сходства, электронно-лучевая и лазерная сварка сильно отличаются друг от друга с точки зрения физических и функциональных особенностей реального мира цеха.Именно в этих различиях один конкретный процесс может иметь преимущество для конкретного приложения. Ключом к поиску конкретных характеристик, которые могут сделать одну более подходящей, чем другую, является понимание того, как работают электронно-лучевая сварка и лазерная сварка. На первый взгляд они кажутся одинаковыми, но дьявол кроется в деталях.

Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка была разработана в конце 1950-х годов. Он был быстро воспринят высокотехнологичными отраслями, такими как аэрокосмическая промышленность, за точность и прочность получаемых сварных швов.Электронный луч может быть очень точно направлен, и сварной шов может сохранить до 97 процентов первоначальной прочности материала. Не будет преувеличением сказать, что электронно-лучевая сварка с точки зрения качества шва не имеет себе равных: это лучшая собака сварочных процессов.

Сварку

EB объяснить просто. Вольфрамовая нить накаливания нагревается, и к точке, в которой нить накала испускает электроны, прикладывается мощность. Эти свободные электроны ускоряются и фокусируются с помощью электрических полей и магнитных «линз».«Этот невидимый поток быстро движущихся электронов обладает огромной кинетической энергией. Когда эти электроны ударяются о металлическую деталь, кинетическая энергия передается молекулярной решетке материала, нагревая ее почти мгновенно.

Мощность электронного луча может быть огромной – до 10 000 кВт / мм 3 . Фактически, система электронно-лучевой сварки может выдавать достаточно энергии, чтобы просто испарить металл (процесс, называемый электронно-лучевой обработкой). Сварочные аппараты EB обычно бывают двух классов мощности: низкого напряжения (60 кВ) и высокого напряжения (150 кВ).Типичная высоковольтная машина мощностью 7500 Вт может производить сварной шов в стали глубиной 2 дюйма с шириной примерно 10 процентов глубины проплавления.

Однако логистика эксплуатации системы электронно-лучевой сварки непроста. Процесс должен происходить в вакууме; в противном случае частицы воздуха / газа рассеивают и диффундируют электроны. Для создания вакуума требуется вакуумная камера, поэтому размер свариваемой детали ограничен размером камеры. Вакуумные камеры могут быть маленькими или большими, но чем больше камера, тем больше времени потребуется для установления надлежащего уровня вакуума, который составляет минимум 1.0 x 10 -3 торр. Использование вакуума, а также присутствие рентгеновского излучения (побочного продукта луча) исключает вмешательство человека, поэтому весь процесс должен контролироваться извне, как правило, с использованием таблиц ЧПУ.

Сварка

EB была полностью автоматизирована на протяжении десятилетий. Сочетание всей этой технологии – высокого напряжения, вакуума и высокотехнологичной автоматизации – означает, что для электронно-лучевой сварки требуются хорошо обученные операторы и очень компетентное обслуживание, а установка и эксплуатация системы электронно-лучевой сварки может быть дорогостоящей.

Сварка

EB – это процесс сварки плавлением, поэтому требуется точная посадка между свариваемыми деталями, поскольку присадочный материал обычно не используется или не требуется. Детали также должны быть надежно прикреплены к столу с регулируемым перемещением, чтобы точно перемещать свариваемые области в контакт с электронным лучом. В большинстве аппаратов для электронно-лучевой сварки используется фиксированная балка, под которой можно манипулировать деталью с помощью ЧПУ.

Надежное крепление также сводит к минимуму эффект усадки и деформации во время сварки.Электронный луч должен быть тщательно откалиброван, сфокусирован и синхронизирован с движением ЧПУ, чтобы обеспечить однородный сварной шов с равномерным проплавлением и минимальной пористостью. Каждый цикл сварки включает загрузку сварочной камеры, откачку вакуума, сварку детали и затем сброс вакуума.

Электронно-лучевая сварка позволяет получать очень качественные сварные швы, но процесс должен выполняться в вакууме. (Точки и небольшие искажения на этой фотографии вызваны взаимодействием процесса с объективом камеры.)

Узлами заслонки являются откачка вакуумной камеры и загрузка / разгрузка деталей. Следовательно, крайне важно, чтобы задействованные инженеры и техники увеличивали количество деталей, свариваемых в каждом цикле, и оптимизировали движение стола с ЧПУ. Когда все это сделано правильно, электронно-лучевая сварка может обеспечить очень высокое качество и высокую рентабельность.

Системы электронно-лучевой сварки могут сваривать все свариваемые металлы и некоторые металлы, которые обычно не свариваются.Электронно-лучевые швы невероятно прочны и чисты. Примеси в сварном шве испаряются, а сварка в вакууме означает, что нет газов или воздуха, которые могут вступить в реакцию и вызвать образование оксидов.

Сварка

EB позволяет также соединять разнородные материалы, которые в противном случае были бы несвариваемыми из-за разницы в точках плавления, что приводит к образованию интерметаллических соединений, вызывающих хрупкость. Точная природа электронного луча и плотная зона термического влияния позволяют электронно-лучевой сварке в основном плавить низкотемпературный материал на нерасплавленном, высокотемпературном материале, в результате чего получается компактный, герметичный сварной шов.Это может быть немного обременительно, но продукты для электронно-лучевой сварки первоклассны во всех отношениях.

Сварка лазерным лучом

Лазеры были разработаны в начале 1960-х годов, а к середине 1960-х годов для сварки использовались CO 2 лазеров. Десять лет спустя автоматические лазеры начали сваривать на производственных линиях, и эта технология продолжала совершенствоваться и находить широкое применение во многих отраслях промышленности.

Система лазерной сварки способна очень быстро и с максимальной точностью передать огромное количество энергии.Луч можно сфокусировать и отразить к труднодоступным сварным швам, а также направить по оптоволоконному кабелю, чтобы обеспечить еще больший контроль и универсальность.

Лазеры в основном работают за счет быстрого повышения и понижения энергетического состояния материала, что вызывает испускание фотонов. Как это происходит, зависит от типа лазера, будь то CO 2 или твердотельная система, такая как Nd: YAG или волоконный лазер.

Независимо от того, как производятся фотоны, они концентрируются и становятся когерентными (выстраиваются в фазе друг с другом), а затем проецируются.Когда фотоны фокусируются на поверхности детали, излучаемое тепло плавит материал в зоне теплового воздействия и распространяется вниз через деталь за счет теплопроводности.

Этот способ нагрева сильно отличается от метода сварки EB. Выходная мощность лазера может варьироваться от нескольких ватт до сотен киловатт, а разные типы лазеров имеют разные сварочные характеристики.

Лазерная сварка обычно требует использования покровного газа, чтобы не допустить попадания кислорода в зону сварки и повысить эффективность и чистоту сварного шва.Тип используемого газа зависит от типа лазера, свариваемого материала и конкретного применения. Некоторые применения лазерной сварки, такие как герметичное уплотнение, требуют использования герметичного перчаточного ящика для обеспечения полностью контролируемой среды. Последние несколько лет ведутся работы по лазерной сварке в вакууме. Этот метод дал интересные результаты, но еще не получил широкого распространения в отрасли.

Одна из проблем лазерной сварки связана с отражательной способностью. Многие материалы имеют склонность отражать часть света (и энергии) лазерного луча от детали и соединения, особенно когда материал плавится и становится более зеркальным.Это может минимизировать проникновение и повреждение материала в непосредственной близости от сварного шва.

Чтобы решить эту проблему, лазер можно использовать в импульсном режиме или изменять его энергию для «разрушения» поверхности. Импульсный режим в целом является полезным методом лазерной сварки, поскольку количество тепла, прикладываемого к детали, сводится к минимуму, что ограничивает деформацию детали. Альтернативой импульсному режиму является непрерывная волна (CW). Как следует из названия, в непрерывных лазерах используется непрерывный лазерный луч.

Лазеры

CW используются для резки или когда важна скорость сварки.Например, автоматический аппарат GTAW может иметь скорость сварки 10 дюймов в минуту (IPM), в то время как CW-лазер может легко работать со скоростью 100 IPM.

При сварке лазерным лучом можно добиться хорошего проплавления, обычно на глубину до 0,040 дюйма в стали для типичного 350-ваттного лазера. Лазерная сварка обычно может соединять материалы, склонные к образованию трещин, такие как определенные типы стали и алюминия, и, как и электронная сварка, лазеры могут соединять разнородные материалы.

Лазеры умеют подводить минимальное количество тепла к деталям, что делает их хорошим выбором для сварки корпусов электроники, особенно герметично закрытых.Минимальный нагрев означает, что сварка может происходить очень близко к чувствительным электронным компонентам и паяным соединениям, не повреждая их. Лазеры также популярны для применения в медицинских устройствах, поскольку сварные швы могут быть довольно небольшими с минимальным обесцвечиванием детали, и часто сварной шов можно наносить без необходимости какой-либо вторичной обработки.

Итак, какой процесс использовать?

Какой процесс лучше всего, обычно зависит от особенностей приложения. Лазерная сварка – это обычно процесс, на который мы в первую очередь обращаем внимание при новом применении.Без необходимости в вакууме лазерная сварка, как правило, дешевле, чем электронно-лучевая сварка, а детали проще подобрать и закрепить. Если требуется глубокое проплавление, лучше всего подойдет электронно-лучевая сварка. Более глубокое проникновение также может иметь значение, когда речь идет о материалах с высокой теплопроводностью, таких как медь.

Типичная система лазерной сварки может проникать в медь только на 0,020 дюйма, в то время как машина EB может проникать в 0,500 дюйма. Разные комбинации металлов обычно лучше свариваются с EB, но есть некоторые области применения, в которых лазеры работают лучше.

Хотя на самом деле нет никакой разницы между этими двумя процессами с точки зрения качества, существует огромная разница в доступных стандартах качества и спецификациях, которые контролируют нанесение сварных швов. Следовательно, требования к качеству сварки могут повлиять на выбор процесса.

Сварка

EB возникла в аэрокосмической промышленности до того, как стали доступны лазеры. В результате спецификации для EB-сварки являются полными и широко признанными. Эти спецификации контролируют все аспекты процесса, включая проектирование соединений, очистку, требования к вакууму, квалификацию машины, обучение операторов и критерии проверки.Лазерная сварка не так жестко контролируется. Это возлагает на инженера большую ответственность за понимание всех аспектов процесса, чтобы убедиться, что он выполняется правильно.

Откровенно говоря, сложно и несколько неискренне перечислить типичные области применения сварки электронным лучом или типичные области сварки лазерным лучом, потому что каждый случай использования уникален. Да, электронно-лучевая сварка, вероятно, лучший способ сваривать титан, но если деталь не помещается в вакуумную камеру, электронно-лучевую сварку использовать нельзя. Лазерная сварка может хорошо работать для небольших деталей, но динамика тепловой чувствительности деталей может сделать электронный луч лучшим вариантом.

Часто один или два критических фактора делают выбор процесса очень простым. При прочих равных, лазерная сварка, как правило, более рентабельна, в то время как электронно-лучевая сварка обеспечивает наилучшее сварное соединение. Но в некоторых случаях даже это неверно: электронно-лучевая сварка позволяет достичь высоких производственных скоростей с использованием правильной детали и правильного крепления, а лазерные лучи могут создавать красивые, чистые сварные швы с использованием правильных материалов и правильных настроек.

Электронно-лучевая и лазерная сварка – отличные средства для плавления металлов.Оба процесса гибки, универсальны и при правильном применении позволяют получить прочные сварные швы. Выбор того, что использовать, зависит от требований к сварке и особенностей каждого процесса.

Электронно-лучевая сварка – обзор

12.6 Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка использует пучок электронов очень высокой энергии для получения глубокого и узкого проплавления. Электронный луч имеет более высокое энергосодержание, чем лазерный луч, а также меньше по размеру. Проникновение более глубокое для данного уровня мощности, и общая эффективность процесса преобразования энергии от входящего электричества до выходной мощности луча намного выше.Важные характеристики включают высокую плотность энергии, которая позволяет плавить зазор между двумя частями без проблем с деформацией.

Сварка обычно должна выполняться в вакууме, так как электронный луч поглощается воздухом. Это усложняет процесс смены заготовки. С другой стороны, отсутствие воздуха благоприятно сказывается на процессе сварки, поскольку между воздухом и металлом сварного шва или заготовки не происходит никаких реакций. Сварные швы обычно выполняются встык.

Электронно-лучевая сварка часто используется для обработки современных материалов и сложных критических деталей, таких как роторы турбин, но она также может быть подходящей и экономичной для многих более простых процессов, требующих больших производственных циклов. Он отлично подходит для стыковой сварки материалов различной толщины, но особенно подходит для сварки толстых материалов до 250 мм. Электронно-лучевая сварка имеет следующие преимущества:

Высокая гибкость этого метода позволяет сваривать все, от тонких листов до очень толстых материалов.

Скорость сварки намного выше, чем (например) дуговой сварки. Однако при оценке общей производительности необходимо учитывать время, необходимое для откачивания воздуха из вакуумной камеры.

Вакуум означает, что химически активные материалы, такие как титан, можно сваривать без риска окисления.

Сварные швы узкие, с высоким отношением проплавления к глубине.

Поглощение невелико в абсолютном выражении, что приводит к низким остаточным напряжениям и небольшой деформации заготовки.Воспроизводимость и допуски также хорошие, поскольку метод механизирован.

Можно сваривать многие трудные материалы и комбинации материалов.

Метод идеален для герметизации вакуумных камер.

Может потребоваться размагнитить магнитные материалы перед их сваркой, поскольку в противном случае магнитное поле может отклонить электронный луч. Совместную подготовку необходимо проводить осторожно, в том числе обеспечивая точное позиционирование.Также очень важен тщательный контроль пути луча вдоль стыка.

Электронная пушка (см. Рисунок 12.6) питается от источника высокого напряжения (30–175 кВ), но с низким током (менее 1 А). Электроны ускоряются от анода, фокусируются и отклоняются магнитными катушками аналогично тому, как это используется в экранах телевизоров и компьютеров.

Рисунок 12.6. Электронно-лучевая сварка.

Электронный луч требует вакуума, поэтому сварка выполняется в вакуумной камере.Обычно это требует открытия камеры для загрузки или замены обрабатываемой детали, после чего воздух должен быть откачан с помощью высоковакуумного насоса. Однако различные конструкции, в которых используются формы воздушных шлюзов для загрузки и разгрузки материалов, были разработаны для работы с более мелкими предметами или (например) полосовыми материалами. Когда электронный луч встречается с заготовкой, он производит вторичное излучение рентгеновских лучей, поэтому вакуумная камера также обеспечивает защиту от этого излучения.

Хотя сама электронная пушка требует высокого вакуума, вакуум в остальной части камеры не обязательно должен быть таким высоким.Электронный луч может перемещаться даже на небольшое расстояние в воздухе, но быстро поглощается и рассеивается, что ограничивает проникновение. Кроме того, если сварка выполняется вне вакуумной камеры, потребуется другой способ защиты от рентгеновских лучей.

Сварка обычно выполняется путем перемещения или вращения заготовки с помощью программируемого управления, при этом электронный луч остается неподвижным. Особое внимание следует уделять поддержанию надлежащей точности с учетом узкого луча и стыка.Однако это может быть достигнуто путем отклонения луча, заставляя его перемещаться вперед и назад через соединение (хотя это влияет на профиль проникновения) или путем отслеживания соединения.

Сравнение лазерного луча и электронно-лучевой сварки Какой процесс для чего лучше всего подходит?

Сторонники лазерно-лучевой сварки (LBW) и электронно-лучевой (EBW) сварки, каждый произносит особые похвалы своей любимой технологии, но часто лучшим решением для клиента является использование обеих технологий вместе. Оба процесса хорошо подходят для соединения компонентов со сложной геометрией и способны удовлетворить самые строгие требования к металлургическим характеристикам конечной сборки.

Рис. 1. Твердотельная лазерная сварочная система (фото любезно предоставлено TRUMPF Inc.)

Использование лазерных и электронно-лучевых технологий на одном предприятии может упростить производственный процесс, когда конструкция компонента включает несколько сварных соединений, отдельно предназначенных для одного процесса или одного процесса. Другие. Примеры включают датчики, медицинские устройства и продукты, которым требуется инертный газ или вакуум для герметизации внутри готовой детали.

Лазерная обработка требуется, когда размер конечной сборки слишком велик для сварочной камеры EB, некоторые компоненты сборки несовместимы с вакуумной обработкой (например, жидкость или газ), или когда сварной шов недоступен для сварочного аппарата. источник электронного пучка.Электронный луч будет основным выбором, когда законченная сборка должна быть герметизирована внутренними компонентами под вакуумом, когда глубина сварного шва превышает 1⁄2 дюйма, когда материал затрудняет инициирование лазерной связи или когда сварной шов не должен подвергаться воздействию атмосферных условий. до тех пор, пока он не остынет до приемлемой температуры. Примерами являются аэрокосмическая сварка титана и его сплавов, а также многих тугоплавких металлов, таких как вольфрам, ниобий, рений и тантал.

LBW – Упрощенная оснастка и сокращение времени цикла

Источники энергии для лазерной сварки использовать либо непрерывный (CW), либо импульсный выход фотонов.В системах CW лазерный луч всегда включен во время процесса сварки. Импульсные системы модулируются для вывода серии импульсов с задержкой между этими импульсами. При использовании обоих методов лазерный луч оптически фокусируется на свариваемой поверхности детали. Эти лазерные лучи могут быть доставлены непосредственно к детали через классическую жесткую оптику или через очень гибкий оптоволоконный кабель, способный доставлять лазерную энергию на удаленные рабочие станции.

Высокая плотность энергии лазера позволяет быстро довести поверхность материала до температуры ликвидуса, обеспечивая короткое время взаимодействия луча по сравнению с традиционными методами сварки, такими как GTAW (сварка TIG) и аналогичными процессами.Таким образом, у энергии остается меньше времени для ее рассеивания внутри заготовки. Это приводит к узкой зоне термического влияния и меньшему износу детали.

Выходную энергию луча можно строго контролировать и модулировать для создания произвольных профилей импульсов. Сварные швы могут быть получены путем наложения отдельных импульсов, что снижает тепловложение за счет введения короткого цикла охлаждения между импульсами, что является преимуществом при сварке термочувствительных материалов.

Салай Стэннард, инженер по материалам компании Joining Technologies, компании East Granby, новатора в области лазерной наплавки, электронно-лучевой и лазерной сварки, отмечает, что непрерывные лазеры могут достигать глубины проникновения до 0 и более.5 дюймов, в то время как импульсные лазеры обычно достигают только 0,030-0,045 дюйма. Она говорит: «Эти результаты могут различаться в зависимости от лазерной системы и во многом зависят от выбора параметров обработки и конструкции соединения». На рисунке 1 изображена конструкция системы твердотельной лазерной сварки.

Стэннард добавляет: «Поскольку источником тепла в этом типе сварочного процесса является энергия света, следует учитывать отражательную способность сварочного материала. Например, золото, серебро, медь и алюминий требуют более интенсивных затрат энергии.После плавления отражательная способность снижается, а теплопроводность процесса прогрессирует до проникновения ».

Как уже отмечалось, высокая плотность мощности лазера приводит к образованию небольших зон термического влияния и гарантирует, что критически важные компоненты не будут повреждены. Это имеет особое преимущество для хирургических инструментов, электронных компонентов, сборок датчиков и многих других прецизионных устройств. В отличие от EBW, LBW не генерирует рентгеновских лучей и легко управляется с помощью автоматизации и робототехники. Как правило, LBW также имеет более простые требования к инструментам, и нет никаких физических ограничений, связанных с вакуумной камерой.Более короткое время цикла приводит к снижению затрат без ущерба для качества. В таблице 1 перечислены преимущества непрерывной волны и импульсной LBW.

EBW – более глубокое проникновение сварного шва и отсутствие загрязнений

Широко распространенная во многих отраслях, EBW позволяет сварку тугоплавких и разнородных металлов, которые обычно не подходят для других методов. Как показано на рисунке 2, на заготовку обрушивается сфокусированный поток электронов, движущихся с чрезвычайно высокой скоростью. Кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию, которая, в свою очередь, является движущей силой синтеза.Обычно добавка присадочного материала не требуется и не используется, а деформация после сварки минимальна. Сверхвысокая плотность энергии обеспечивает глубокое проплавление и высокое соотношение сторон, в то время как вакуумная среда обеспечивает сварку без загрязнения атмосферным газом, что имеет решающее значение для таких металлов, как

Рис. 2. Электронно-лучевая сварка титана, ниобия, тугоплавких металлов и никеля. на основе суперсплавов.

Однако основная необходимость для работы в вакууме – это точное управление электронным пучком.Рассеяние происходит при взаимодействии электронов с молекулами воздуха; уменьшив давление окружающей среды, можно более жестко контролировать электроны.

Современные вакуумные камеры оснащены новейшими уплотнениями, датчиками вакуума и высокопроизводительными насосными системами, обеспечивающими быструю откачку. Эти особенности позволяют фокусировать электронный пучок до диаметров от 0,3 до 0,8 мм.

Благодаря использованию новейшего микропроцессорного компьютерного числового управления (ЧПУ) и системного мониторинга для более точного управления деталями, детали различного размера и массы могут быть соединены без чрезмерного плавления более мелких компонентов.Точный контроль диаметра электронного луча и скорости перемещения позволяет сплавить материалы толщиной от 0,001 дюйма до нескольких дюймов. Эти характеристики делают EBW чрезвычайно ценной технологией.

В процессе обработки обрабатываемая деталь нагревается минимально, что приводит к минимально возможной деформации и позволяет соединять готовые обработанные детали без дополнительной обработки. В таблице 2 перечислены основные преимущества электронно-лучевой сварки.

Рисунок 2.Электронно-лучевая сварка

По словам Джона Ру, менеджера по маркетингу и продажам компании PTR-Precision Technologies, Inc., расположенной в Enfield CT, EBW – это процесс, который будет использоваться в течение длительного времени. «Поскольку большая часть электронно-лучевой сварки выполняется внутри вакуумной камеры, она отлично подходит для соединения современных материалов, используемых в таких отраслях, как аэрокосмическая, энергетическая, медицинская и ядерная, которые необходимо производить в условиях вакуума, чтобы защитить их от кислорода и кислорода. азот, обнаруженный на открытом воздухе.

Он добавляет: «Чистота сварочной среды – это одна из переменных, о которой вам просто не нужно беспокоиться. Помимо обеспечения идеальных условий для сварки, новые элементы управления электронно-лучевой сваркой обеспечивают быстрое электромагнитное отклонение луча, что позволяет настраивать тепловложение сварного шва и окружающей области для получения оптимальных свойств материала ».

Например, такое быстрое отклонение позволяет одновременно осуществлять предварительный нагрев, сварку и последующий нагрев, просто быстро перемещая положение луча, фокусировку и уровни мощности.Это дает возможность сваривать трудные или «несвариваемые» сплавы.

По словам Джеффри Янга, генерального директора компании Cambridge Vacuum Engineering, расположенной в Массачусетсе, «детали для ЭЛС требуют минимум обработки после сварки и термообработки, и, в отличие от других процессов сварки плавлением, ЭЛС не требует использования защитных газов». Он добавляет: «Качество сварки исключительное, процесс чрезвычайно эффективен (обычно 95 процентов), все параметры процесса тщательно контролируются, а процесс полностью автоматизирован.”

Лучшее из обоих миров
Сопло непрерывной коаксиальной подачи порошка позволяет выполнять многонаправленную лазерную наплавку там, где требуется высокая эффективность порошка. Он также предлагает отличные возможности защиты от атмосферных воздействий для материалов, которые очень чувствительны к сильному окислению, таких как титан.

По словам Джона Ру, LBW обычно используется для сварки деталей из стального листового металла и обработанных деталей толщиной от 1/3 до 1⁄2 дюйма. Лазерная сварка также полезна для соединения деталей, которые не подходят для обработки в вакуумной камере.

«Некоторые детали и связанные с ними сварочные приспособления могут быть слишком большими, чтобы поместиться в имеющиеся камеры для электронно-лучевой сварки», – сказал Раф. «Помимо размера, если свариваемые компоненты содержат жидкости, которые могут мешать вакуумной откачке, лазерная сварка будет хорошим выбором». Для вакуумирования камеры электронно-лучевой сварки требуются минуты, и это время может не окупиться для менее чувствительного шва.

Если компоненты имеют высокую стоимость и изготовлены из материала, который может быть полезен в условиях вакуума, например, из титановых и никелевых сплавов, сварные швы должны быть глубже от 1/3 до 1/2 дюйма, или если лазерный луч плохо взаимодействует с свариваемого материала, такого как алюминиевые сплавы, электронно-лучевая сварка часто предпочтительнее, чем лазерная сварка.

Хотя каждая технология имеет свои преимущества с практической точки зрения, многие конструкции компонентов включают в себя как электронно-лучевую, так и лазерную сварку. В этих случаях выполнение обоих типов сварки на одном предприятии значительно упрощает производственный процесс.

Эта статья написана Джоном Лукасом, техническим специалистом по разработке процессов, Joining Technologies (Ист-Грэнби, Коннектикут). Для получения дополнительной информации свяжитесь с Джоном по адресу Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.или посетите http://info.hotors.com/34454-200 .


Photonics Tech Briefs Magazine

Эта статья впервые появилась в майском выпуске журнала Photonics Tech Briefs за май 2011 года.

Читать статьи в этом выпуске здесь.

Другие статьи из архивов читайте здесь.

ПОДПИСАТЬСЯ

10 преимуществ электронно-лучевой сварки

Электронно-лучевая сварка (EB) – отличный выбор для соединения современных материалов, используемых в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность, производство полупроводников и медицинских устройств.Вот 10 преимуществ электронно-лучевой сварки. (Я мог бы придумать больше, но 10 – хорошее круглое число, не так ли?)

  1. Без газового загрязнения : Поскольку электронно-лучевая сварка выполняется в вакууме, нет загрязнения атмосферным газом. В результате получается максимально чистый и качественный сварной шов. Для деталей, требующих послесварочного тестирования, например рентгеновского просвечивания, электронно-лучевая сварка – лучший вариант.
  2. Меньше деформации и усадки : Электронно-лучевая сварка – это контролируемый процесс с минимальной усадкой.Размер пятна EB составляет менее 0,003 дюйма, что приводит к очень узкому сварному шву и очень узкой зоне термического влияния. Это минимальное тепловложение приводит к меньшим деформациям и усадке. Это большое преимущество для клиентов, так как оно позволяет сваривать готовые детали без дополнительной обработки после сварки.
  3. Превосходно подходит для огнеупорных материалов , таких как титан, ниобий и тантал. Поскольку электронно-лучевая сварка выполняется в вакуумной камере, она предотвращает воздействие кислорода, которое может вызвать разрушение этих сварных швов.Это особенно важно при сварке титана – если сварные швы подвергаются воздействию кислорода, это может вызвать серьезную неисправность, называемую альфа-корпусом.
  4. Не повреждает жаропрочные материалы : Из-за низкого тепловложения при электронно-лучевой сварке термочувствительные детали могут быть расположены в непосредственной близости от области сварного шва.
  5. Способность сваривать разнородные металлы : EB-сварка – это надежный процесс соединения меди с нержавеющей сталью, а меди со сплавами на основе никеля, включая инконель и хастеллой, что нецелесообразно при использовании других процессов.
  6. Гибкий процесс : Я сваривал материалы толщиной менее 0,001 дюйма и толщиной до 4 дюймов на одном и том же аппарате. Он достаточно универсален, чтобы обрабатывать очень глубокие и очень мелкие сварные швы.
  7. Подходит для больших объемов высококачественных сварных швов: Электронно-лучевая сварка в недавнем прошлом сделала скачки в производительности и точности. Передние камеры исключают время простоя насоса из уравнения, а отслеживание шва исключает опыт оператора. Электронно-лучевая сварка – теперь очень надежный процесс.
  8. Автоматизация : Электронно-лучевая сварка использует автоматизацию ЧПУ с 1960-х годов. Фактически, некоторые из EB-станков с ЧПУ, которые были построены в 1960-х годах, все еще работают. Электронно-лучевая сварка доказала свою долговечность и является очень стабильным, повторяемым процессом.
  9. Светоотражающие материалы : Поскольку система доставки энергии при электронно-лучевой сварке – это электроны, а не фотоны, она может легко сваривать материалы с высокой отражающей способностью, такие как медь, платина и сплавы Хастел. Большинство лазерных лучей отскакивают сразу от этих материалов.
  10. Высокоэффективный : эффективность электронно-лучевой сварки составляет около 90 процентов – это означает, что 90 процентов входной мощности поступает на деталь. Для нас как сварщиков это важнее, чем для вас, как для клиентов, но это еще одна причина полюбить электроэрозионную сварку.

Как видите, существует множество преимуществ электронно-лучевой сварки, которые могут стать решениями для ваших самых сложных сварочных проектов. Мы обсудим эти темы более подробно в следующих статьях. А пока, если у вас есть вопрос или комментарий, не стесняйтесь оставлять его в свободном месте ниже.

И, как всегда, обязательно поговорите со специалистом по сварке, чтобы получить лучшие рекомендации по вашему конкретному проекту.

Сварка электронным лучом

Электронно-лучевая сварка применяется для соединения металлических материалов с нормальной глубиной сварного шва. Очень тонкий сварной шов и его узкие зоны термического влияния резко сводят к минимуму передаваемую энергию и деформацию детали в целом. Компоненты, которые имеют тенденцию к деформации, и узлы, требующие высокого уровня механической предварительной обработки, могут быть соединены этим методом без повреждений.

Принцип

Электроны создаются в генераторе EB путем испускания и ускоряются в вакууме с использованием высокого напряжения (до 150 кВ и выше). Генератор монтируется в камеру обработки с заготовкой внутри. Камера должна быть эвакуирована. Чтобы сделать сварной шов, электроны фокусируются на точке шва. Обычно детали свариваются без присадочных материалов.

В зависимости от основной геометрической формы деталей, требующих сварки, различают различные типы сварного шва:

  • Сварка радиальная
  • Осевой шов
  • Сварной шов на плоских заготовках
  • Изогнутая / произвольная форма
    Сварка может быть непрерывной, прерывистой или точечной.

Основные области применения:

  • Автомобильная промышленность
  • Машиностроение
  • Медицинская техника
  • Аэрокосмическая промышленность
  • Энергетика
  • Вакуумная техника

Эффект глубокой сварки

  1. Высокая концентрация энергии в пятне луча плавит материал.
  2. Материал испаряется в центре.
  3. Луч проникает глубже в заготовку через образовавшийся паровой канал.
  4. При перемещении заготовки расплавленный материал течет спереди назад вокруг парового канала и затвердевает.
использование:

Заполните форму, начиная сверху. Выберите свой высокий уровень напряжения и ток луча. Мощность луча будет рассчитана. Задав скорость, можно рассчитать энергию трека. Для выбранного материала отображается приблизительная глубина сварки. При вводе значения глубины рассчитываются энергия трека и мощность луча.Ток пучка можно определить по мощности пучка.

Пожалуйста, введите данные здесь:

Биметаллические соединения: свариваемость

мг
Ag Al Au Be Кд Co Кр Cu Fe мг Мн Пн Nb Ni Пб Pt Re Sn Ta Ti В Вт Zr
AG Серебро С S С D С С D С D N С С S D С С D D
Al Алюминий С С С С С N С
Au Золото S С D S С С N S S N N D N
Be Berylium С N N D D
Cd Кадмий С N D D D S D N N D С N С N N N D
Кобальт D С D С С С С S С S S
Cr Хром С D D С С С С S С С С S С S D S
Cu Медь С С S С С С S D С S С S D С D D D
Fe Чугун D С D С С С D С С С С S S
Магний С S D D N N N D N D D
Mn Марганец С D С С S С D С N D
Mo Молибден D С N S D С S D С D S S S S
Nb Ниобий N N N С N S N S S S S S
Ni Никель С S D S С S С С S D
Свинец Свинец С С N С С С С С С D N С N С N N D
Pt Платина S S S С S S С S С S
Re Рений D N N N S S D N N D N С D D
Sn олово С С D С С С D С D D
Ta Тантал N D N D N S S N S S С
Ti Титан С S D S S S S С S
V Ванадий D D N D D S N S S N D S S
Вт Вольфрам D N N S D D D S S D S D S С S
Циркон D D S С S

Выдержка из примерных комбинаций материалов

Легенда

пусто = образуются интерметаллические соединения – нежелательное сочетание
D = недостаточно данных для правильной оценки – используйте с осторожностью!
N = данные отсутствуют – используйте с особой осторожностью!
S = Твердая растворимость существует во всех комбинациях сплавов – очень желательная комбинация
C = Могут существовать сложные структуры – вероятно, приемлемая комбинация

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *