Установка электронно лучевой сварки: Электронно-лучевая сварка: технология, режимы, оборудование

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.

[Всего: 0   Средний:  0/5]

Электронно лучевая сварка

Источником теплоты при этом методе служит концентрированный поток электронов. Зона нагрева электронным лучом в зависимости от степени фокусировки может изменяться в значительных пределах. В современных сварочных установках диаметр пятна нагрева может изменяться от 0,05 до 5 мм, плотность энергии в нем 104—106 Вт/см2. Электронный луч позволяет выполнять сварку материалов с максимальной глубиной проплавления и минимальной зоной термического влияния.

Процесс электронно-лучевой сварки осуществляется в камерах. Различают однокамерные и двухкамерные установки электронно-лучевой сварки (рис. 5.1).

Электронно-лучевой сваркой могут быть получены различные виды сварных соединений и достаточно большое количество типов швов. Наибольшее распространение способ получил при выполнении стыковых, угловых и реже тавровых соединений. Технологические особенности подготовки кромок и сборки их перед сваркой связаны со специфичностью электронного луча как источника нагрева. В первую очередь необходимо учитывать малые размеры пятна нагрева.

Это приводит к получению узких клиновидных швов. Отсюда вытекают высокие требования к точности сборки свариваемых элементов. Подготовка кромок должна обеспечить возможность их тщательной подгонки по всей длине с минимальным зазором и смещением по высоте.

Электронно-лучевая сварка осуществляется в большинстве к случаев без подачи присадочного материала. Выпуклость шва, как правило, отсутствует. Следовательно, разделка кромок нежелательна.

При сварке стыковых соединений со сквозным проплавлением для формирования обратной стороны шва могут быть использованы остающиеся или съемные подкладки. В отличие от дуговой сварки давление потока электронов на сварочную ванну невелико. Импульс давления, передаваемый единице площади электронным лучом,

Р = i√Uo,

где i — плотность тока электронного луча; Uo — ускоряющее напряжение.

Основное пространственное положение — нижнее. Допускаются значительные отклонения от нижнего с переходом в вертикальное положение по схеме формирования швов на подъем (снизу вверх).

При этом создаются условия получения более глубокого проплавления, благоприятных очертаний шва и даже небольшой выпуклости.

Процесс электронно-лучевой сварки может быть выполнен с поверхностным нагревом кромок и глубинным (рис. 5.2). В первом случае при сварке используют небольшие плотности энергии в пятне нагрева или недофокусировку луча. Во втором случае применяют высокие плотности энергии в пятне нагрева и оптимальную фокусировку. В сварочной ванне образуется кратер, который способствует глубинному проплавлению металла. Поверхностный нагрев применяют в основном при сварке тонких металлов; он способствует увеличению ширины шва и зоны термического влияния.

Рис. 5.2. Влияние фокусировки на конфигурацию потока электронов и форму ванны: а — недофокусировка; б — оптимальная фокусировка; в — перефокусировка

Часто встречающийся дефект — несплавление кромок в корне шва—связан со смещением луча относительно стыка при клиновидной форме сечения шва. С увеличением толщины свариваемых элементов вероятность несплавлений возрастает. Исходя из этого требуется высокая точность направления луча по стыку (отклонения не более ±0,15 мм) с применением систем слежения.

Основные параметры режима электронно-лучевой сварки — сила тока, ускоряющее напряжение, скорость сварки. Ускоряющее напряжение и сила тока луча определяют мощность источника нагрева.

Ускоряющее напряжение в основном определяет тепловую энергию в пятне нагрева, оказывает исключительно большое влияние на глубину проплавления сварочной ванны. При сохранении постоянной удельной мощности в пятне нагрева глубина проплавления увеличивается с повышением ускоряющего напряжения. В первом приближении глубина проплавления пропорциональна квадратному корню из ускоряющего напряжения.

На практике электронно-лучевую сварку выполняют при ускоряющем напряжении 10—100 кВ. В процессе сварки необходима высокая стабильность ускоряющего напряжения.

Колебание напряжения (±0,1 %) приводит к существенному изменению диаметра пятна нагрева и отклонению электронного луча относительно свариваемого стыка.

Сила тока электронного луча оказывает большое влияние на ширину сварочной ванны и шва. Увеличение силы тока приводи: к их существенному возрастанию. Глубина проплавления сварочной ванны мало зависит от силы тока. Однако общее увеличение мощности электронного луча приводит к некоторому ее возрастани

технология, оборудование, сущность и особенности

Электронно-лучевая сварка — новый метод сваривания, который характеризуется быстрым развитием. Его уж достаточно давно используют в разных сферах промышленности, и популярность этого метода только возрастает. Востребованность связано с тем, что с помощью ЭЛС можно соединить любые типы материалов — высокопрочные сплавы, металлы с сильной химической активностью, тугоплавкие основы. Но все же, несмотря на его высокую популярность, стоит изучить главные особенности и принципы проведения.

Краткая информация

Электронно-лучевая сварка — способ сваривания, в основе которого лежит использование луча. При проведении данной технологии луч вырабатывает тепло, которое образует при столкновении пучка из заряженных частиц. Механизм не простой, но все же перед тем как приступать к работам, стоит в нем внимательно разобраться.

Сварка ЭЛС часто используется для сваривания и обработки тугоплавких металлов, легко окисляемых сплавов, которые не получается варить другими методами. При ее проведении тепло концентрируется в одной точке, а сварочная зона остается под надежной защитой. Она нашла широкое применение в разных областях промышленности, начиная от микроэлектроники и заканчивая оптикой.

Достоинства и недостатки

Технология электронно-лучевой сварки имеет преимущества и недостатки, которые стоит предварительно рассмотреть. Но сначала стоит изучить положительные особенности данного метода:

1. При помощи сварки можно сваривать компоненты с размером толщины от 0,2 мм.
2. При расплавлении металла происходит перемещение ванны расплава в нижнюю зону, а стыковая область наполняется до краев, после основа кристаллизуется.
3. Сварка имеет высокую производительность.
4. Генерирование пучка из электронов происходит в постоянном и импульсивном режиме. При обрабатывании сплавов из магния и алюминия используется импульсивное воздействие.
5. Благодаря тому, что во время сварочного процесса используется вакуумизация, происходит улучшение качества сварного соединения. Металлическая основа не вступает в реакцию с элементами воздуха.
6. Сила тока луча имеет огромный потенциал, это делает оборудование более многофункциональным.

Но не стоит забывать про то, что электро-лучевая сварка имеет негативные качества:

• технологическое оборудование, которое применяется во время сварочного процесса, имеет сложное применение. Чтобы с ним работать, необходима дополнительная подготовка;
• наблюдается быстрое изнашивание катода. В связи с тем, что при сварке используется электрическое поле, наблюдается разогревание тугоплавкой проволоки до 2400 градусов;
• во время генерации электронов проявляется рентгеновское излучение. По этой причине должна быть обеспечена защита для сварщиков.

Важно! При проведении сварки металлов с высокими теплопроводными свойствами наблюдается высокая вероятность образования отверстий в корне шва. Это оказывает негативное влияние на качество сварного соединения.

Особенности оборудования

Электронная лучевая сварка является технологически сложным процессом, который предъявляет повышенные требования к оборудованию. Для работы с ним требуется иметь специальные навыки, опыт и знания. Желательно предварительно пройти обучение.

Установка электронно-лучевой сварки имеет массу положительных качеств. Она отличается высокой производительностью, мощностью, многофункциональностью, объемом. Устройство сварочного оборудования имеет следующие компоненты:

• пушка электронного вида. В устройстве может быть 2-3 пушки;
• камера с вакуумным устройством;
• блок управления;
• смотрового окна, которое применяют для контролирования работ.

Все работы производятся в вакуумной камере. Среда без воздуха способствует следующим положительным условиям:

• снижает расход энергии электронов, которые могут возникать от ударов об молекулы воздуха;
• понижает вероятность появления оксидной пленки на изделиях, которые применяются для сваривания;
• противостоит появлению дугового разряда.

Технология

Для проведения сварочного процесса обязательным условием является соблюдение вакуумизации. Необходимая глубина разряжения в пушке способствует беспрепятственному передвижению электронов. Из области камеры полностью удаляется воздушные массы, в них имеет кислород, который может вызывать окисление металлической структуры. Действие вакуума похоже на действие флюса — он защищает от коррозийного поражения.

В основе данной технологии лежит способность электронов перемещать энергию. Когда для движения нет препятствий, частицы в прямолинейном направлении перемещаются к сварной поверхности. Именно расплавление металла производится под их воздействием.

Параметры

Электронная сварка с использованием луча должна производиться с соблюдением важных параметров, от этого зависят прочностные характеристики сварного шва. К ним относятся:

1. Степень вакуумизации. Это означает, что при сварочном процессе в вакууме происходит сильное повышение эффективности работ.
2. Объемы подаваемого тока в луче могут изменяться в широком диапазоне. Чем больше будет толщина свариваемой детали, тем выше должны быть показатели силы тока.
3. Скоростные показатели передвижения луча на поверхности определяют степень производительности сварочных работ. Помимо этого повышение скорости передвижения предотвращает прожигание металлической основы.
4. Точная фокусировка луча оказывает влияние на эффективность сварки. Но это зависит от того, какое оборудование используется для электронно-лучевой сварки.
5. Длительность пауз. В некоторых технологиях может наблюдаться прерывистое влияние импульса.

Стоит отметить! Основные требования и принципы проведения данной сварочной технологии можно найти в специальной документации и ГОСТах. А используемое оборудование позволяет вводить основные параметры.

Электронная сварочная технология с использование луча — уникальный метод соединения металлических элементов, который не имеет аналогов. За счет высокой производительности и больших возможностей сварку используют практически во всех областях промышленности. При помощи этого способа производят различные конструкции с высокой важностью.

Интересное видео

суть метода, технология, где используется, плюсы и минусы

ЭЛС считается трендовым методом работ 21 века. Он быстро развивается и набирает высокую популярность. В основном, по причине своей универсальности.

Электронно-лучевая сварка позволяет работать с любым материалом. Даже сверхпрочные соединения и химически активные металлы легко поддаются сварщику.

В нашей статье хотим остановиться на том, что же такое электронно-лучевая сварка со всеми характеристиками этой технологии.

Содержание статьиПоказать

Общая информация

Электронно-лучевое сваривание считается методом, при котором работает световой луч. Из него выходит тепло, которое получают после столкновения узла и заряженных частиц.

Вопреки сложностям метода, следует тщательно разбираться в нем. Хотя бы потому, что он широко популярен в сварочном деле. В 21 веке таким типом сварки пользуются в микроэлектронике, оптике и других областях.

Появления этой технологии было продиктовано временем. Перед сварщиками стояла проблема соединения тугоплавких материалов. При этом было нереальным получение ровного шва.

Обычные виды сварки не справлялись с высоким качеством работы, для этого был придуман новый метод. ЭЛС направляет тепло в единую точку, а зона сварки при этом полностью ограждена.

Технологические качества

Необходимо описать технологию электронно-лучевой сварки. Главным моментом считают луч, который получается под действием электронной пушки. Он выдаёт при этом энергию высокой плотности, но ее не хватает для сварочных работ высокого качества.

Чтобы решить вопрос, необходимо поместить электроны в центре стекла. Предлагаем посмотреть на рисунок, что расположен внизу текста. Обозначили линзу под цифрой 6.

Затем электроны, которые двигаются, размещаются в плотный узел света и после этого бьются о конструкцию. На картинке этот момент обозначен цифрой 1.

Из-за ударов частицы замедляются, а их активность превращается в тепло. Она достаточно мощная, и за минуты прогревает вещество до высоких температурных показателей.

Под цифрой 7 находится магнитная система, которая отклоняется. Рассчитав ее работу, у вас получится управлять электронным лучом и его движением по механизму. Поток будет расположен достаточно четко, и сформирует соединение в нужном для нас месте.

Когда электрон соединяется с газом, кинетическая энергия рассеивается. Катод при этом необходимо защитить в тепловом плане. Вакуум приходит на помощь для решения таких задач.

В итоге энергия луча размещается в едином месте. Площадь нагрева при этом сводится к минимуму. Поэтому металл не меняет свою форму во время сварочных работ. Это важно, если вы варите тонкий металл или деталь небольших размеров.

Несмотря на то, что технология электронно-лучевого сваривания достаточно сложная, сварщику нужно разбираться в тонкостях. Если хотите знать, как будет выглядеть результат, нужно понимать строение оборудования и мощность луча.

Особенности ЭЛС

Технология, о которой идёт речь в этой статье, считается сложной. Для того, чтобы понимать, как выглядит вся картина, нужно разобраться в деталях. Первый момент – это то, что электронно-лучевое сваривание происходит в вакуумной среде.

По этой причине детали и их поверхности остаются чистыми. Ещё один момент: механизм прогревается до высоких температур. У нас при этом получится сделать шов с небольшой толщиной, сформированный за минуты. Это можно считать преимуществом метода.

Электронно-лучевая сварка за счет таких характеристик используется во время металлообработки разных материалов. Две детали могут обладать не одинаковой толщиной, быть разными по составу, иметь не одинаковую температуру плавления.

Несмотря на эти моменты, шов будет высококачественным. Если говорить о толщине сварки, наименьшим значением будет 0. 02 мм, а наибольшим – 100 мм. Благодаря широкому диапазону можно работать с любыми элементами.

Преимущества и недостатки

Электронно-лучевая сварка имеет много плюсов, которые послужили распространению этого метода:

• Тепло, используемое при этом виде сварки, выделяется в 5 раз меньше, чем у иных технологий. Это помогает деталям сохранять форму, потому что на них распространяется небольшой объём тепла.
• Благодаря технологии можно варить детали всех размеров. У вас получится работать как с керамикой, так и вольфрамом. Возможна настройка фокусировки луча и прогрев области, диаметр которой не превышает 1 мм.
• Шов при этой технологии получается ровным. На это не влияет выбор вида металла. При работе с любым материалом качество шва будет высоким. ЭЛС помогает улучшить особенности вашего металла. Работая по этой технологии, получается варить разные сплавы, даже устойчивые к коррозии.
• Сварка использует немного электрической энергии при работе. Можно не отделять кромки, если такая возможность не представилась. Это поможет работать со многими видами металла.

Если говорить о минусах технологии, то их немного. Могут появиться дыры в корне соединения, когда вы работаете с высокими теплопроводными характеристиками. Это может сказаться на качестве сварочных швов.

Эту технологию не всегда можно применять. Используйте электронно-лучевое сваривание, когда работаете в труднодоступных местах. Но если сварка происходит в рабочих условиях – применяйте другой метод сварки.

Рабочие установки

В 21 веке можно купить как местное, так и зарубежное оборудование. Оно будет разным по свойствам и качеству. Но стоит учитывать, что каждая вторая модель включает в себя пушки с косвенным или прямым катодным каналом.

Российские и украинские модели для сварки не яркие по дизайну, но при этом на отлично решают все задачи. Это куда важнее внешней картинки.

Есть модели, которые оснащены лучевыми пушками, находящимися в камере. Их работа направлена на металлообработку лучом, имеющим сложную траекторию движения.

Благодаря активному применению компьютерных технологий, человеческий фактор уходит на второй план. Сварочное оборудование тому подтверждение. Из-за режима работы на автопилоте сварщик может не переживать за качество работы.

Ещё одним преимуществом электронно-лучевой сварки считается простота работы. Сварщиков не нужно долго обучать технологии: достаточно раз запрограммировать механизм, и луч будет располагаться в определенном месте.

Оператору остается только следить за фокусировкой или корректировать мощность луча каждый раз, когда он приступает к работе. Помимо этого от мастера не требуется никаких действий.

Подведем итоги

Несмотря на то, что электронно-лучевая сварка – дорогое удовольствие, она позволяет работать с металлом любой сложности. Её нужно выбирать по причине технологичности и ответов на сварочные запросы.

Процесс сварки будет более экономным и доведенным до автоматизма.

Если вы однажды работали с электронно-лучевой сваркой – напишите в комментариях. Желаем успехов в работе!

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, мм	Режим сваривания			Ширина шва, мм
		Напряжение ускоряющее, кВ	Величина тока на луче, мА	Скорость сварки, м/ч
Вольфрам	0,5	19	45	60	1
	1	21	77	50	1,5
Тантал	1	2	50	50	1,5
Сталь марки 18-8	1,5	19	55	65	2
	20	21	270	50	7
	35	21	500	20	–
Сплав молибдена и вольфрам	0,5 + 0,5	19	47	44	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.

 

«Электромеханика» | Продукция

 Установка «ЭЛУ-27» предназначена для электронно-лучевой сварки кольцевых, продольных швов на цилиндрических изделиях из нержавеющей стали, жаропрочных и титановых сплавов, а также щеточных уплотнений.

Состав установки «ЭЛУ-27»:

—                   рабочая камера;

—                   электронно-лучевая пушка;

—                   вращатель;

—                   механизм продольного перемещения;

—                   механизм поперечного перемещения;

—                   вакуумная станция;

—                   блок энергетический высоковольтный стабилизированный БЭВС-60/15;

—                   пневматическая система;

—                   блок водяного охлаждения;

—                   система управления.

 

Конструкция установки.

Рабочая камера, предназначена для создания вакуумной среды в зоне сварки изделий электронным лучом.

Камера имеет три смотровых окна: по одному на камере и двери – для визуального наблюдения; одно – на верхней стенке камеры – для установки контрольно-измерительных приборов. Смотровые окна изнутри камеры защищены от напыления, а так же оснащены двойными стеклами повышенной прочности для защиты от рентгеновского излучения.

Отличительной особенностью сварной конструкции камеры установки «ЭЛУ-27» от обычных сварных конструкций является наличие двух вакуумноплотных и прочных оболочек, внешней – сваренной из простой листовой стали и внутренней рабочей – сваренной из нержавеющей стали 12Х18Н10Т.

В рабочей камере размещены:

— манипулятор изделия, состоящий из вращателя, механизмов продольного и поперечного перемещений;

— система освещения камеры;

— система защиты стекол от напыления.                                                                                                                                        

Вакуумная станция установки обеспечивает получение вакуума в рабочей камере не ниже 1,33´10^-2 Па (1´10^{-4 мм рт.ст). Напуск воздуха в рабочую камеру осуществляется через пылевлагоуловительный фильтр, расположенный на присоединительном фланце вакуумной системы к камере.}

Система водяного охлаждения предназначена для охлаждения насосов вакуумной станции. Контроль наличия воды в каналах охлаждения осуществляется на выходе датчиками индукционными бесконтактными. При отсутствии воды на сливе выдается аварийный сигнал.

Система освещения камеры обеспечивает освещенность зоны сварки, необходимую для нормального функционирования системы наблюдения и визуального контроля оператором, имеет два вида освещения: с помощью ламп, закрепленных на потолке камеры, при атмосферном давлении в камере, и двумя вольфрамовыми  открытыми спиралями при рабочем давлении.

В состав энергетического комплекса установки «ЭЛУ-27» входят: электронно-оптическая система – электронная пушка («ЭПН-60/15»), высоковольтный источник питания («БЭВС-60/15»), источники питания магнитных линз и накала катода, системы управления и контроля.

Энергетический комплекс состоит из следующих конструктивных узлов:

—                   электронно-лучевая пушка;

—                   силовой шкаф;

—                   шкаф управления;

—                   высоковольтный бак с СВН;

—                   турбомолекулярный насос ВВ-150;

—                   Электроннолучевая пушка

—                   комплект жгутов.

Источник питания «ИВС-60/15»  предназначен для питания постоянным током электронно-лучевой пушки. «ИВС-60/15» является полупроводниковым выпрямителем с жёсткой вольтамперной характеристикой.

Система управления.

Система управления «ЭЛУ-27»,  выполненная на базе программируемого логического контроллера семейства DirectLogic DL-205, обеспечивает выполнение следующих функций:

—        трёхосевое позиционирование изделия во время технологического процесса сварки;

—        программное управление энергетическими характеристиками;

—        возможность регистрации параметров технологического процесса и архивирования результатов.

Система управления обеспечивает работу установки в нескольких режимах: «Наладка», «Ручное управление», «Автоматизированный».

В составе системы управления электронно-лучевой установки используется блок измерения температурного поля в зоне «сварко-пайки» (тепловизор) и устройство управления сканированием луча для получения заданного температурного поля.

Современная система управления позволяет реализовать разработанный алгоритм, обеспечивая проведение «сварко-пайки» в автоматическом режиме с высокой повторяемостью результатов. Метод адаптивного управления, базирующийся на обработке информации в реальном масштабе времени, существенно повышает качество управления; позволяет корректировать режим «сварко-пайки», адекватно реагировать на возмущающие воздействия, делает технологический процесс более гибким, сводя к минимуму затраты на переналадку при смене марки сплава.

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 минимальным искажением 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 в области сварки, такие как типы и механизмы сварки, а также подробные сведения об автоматизации сварки и устранении 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 для герметизации кварцевых генераторов, которые должны быть соединены в вакууме, используется процесс, называемый запечатыванием электронного луча. 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 достичь 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 меньше, поэтому лазерная сварка не подходит 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 соответственно.

Сравнение электронно-лучевой сварки и лазерной сварки

	Электронно-лучевая сварка	Лазерная сварка
		CO 2 (углекислый газ) лазер	YAG лазер
Устройство источника тепла	Генератор высокого напряжения + 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 небольшое пятно 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

Электронно-лучевая сварка

Новые разработки в области современной сварки

U.D I L T H E Y, RWTH-Aachen University, Германия

7.1 Введение

История электронно-лучевой техники восходит к 1869 году, когда Хиттдорф открыл электронные лучи. Томсон в 1897 году узнал об их отрицательном электронном заряде. В 1905 году Пирани первым использовал пучки электронов для испытаний на термоядерный синтез с металлами (Schiller et al. , 1977).

Принцип технологии основан на пучке электронов, который ускоряется высоким напряжением и может использоваться в качестве инструмента для обработки материалов, например, при сварке.В настоящее время электронно-лучевая сварка прочно вошла во многие области производства; В частности, в технологии соединения электронный пучок получил широкое признание за его надежность и эффективность. Толщина соединяемых материалов варьируется от тонких листов толщиной в доли миллиметра до толстых листов более 150 мм из стали и более 300 мм из алюминия. Можно сваривать почти все электропроводящие материалы, а многие из них можно соединять. Высокая плотность мощности составляет до 108 Вт / см2 (типично для электронно-лучевой сварки), а связанное отношение глубины к ширине сварного шва составляет до 50: 1.Эти цифры позволяют использовать самые разные варианты применения процесса соединения. Поскольку электронный пучок отклоняется электромагнитно и фактически не имеет массы, прогресс в области методов управления и повышение производительности процессора расширили спектр приложений, и их число продолжает расти. В некоторых случаях электронно-лучевая сварка выполняется в вакуумной камере (с высоким или низким вакуумом), а в других электронно-лучевая сварка может применяться при нормальных атмосферных условиях.Различные варианты условий для электронно-лучевой сварки показаны на рис. 7.1.

Высокий вакуум Низкий вакуум 7.1 Условия изменения давления, при которых может выполняться электронно-лучевая сварка.

Экологические проблемы

10.4.1 Введение За последние 30 или более лет наблюдалось значительное пробуждение интереса к окружающей среде и гораздо большее понимание того, как деятельность человека в одном географическом регионе…

Недавние и текущие исследования

10.3.1 Фундаментальные трудности Несмотря на данные о рабочей силе, указывающие на то, что около 400 000 человек в США непосредственно занимаются сваркой, трудно исследовать влияние на здоровье и добиться положительных результатов.

Охрана труда и техника безопасности

Ф. Дж. БЛАНТ, Кембриджский университет, Великобритания 10.1 Введение Сварочная промышленность играет важную роль в производстве. Он охватывает как традиционные дуговые и газовые процессы, так и современные…

Характеристики электронно-лучевой сварки

Рисунок 1 EBW подходит для изготовления сферических алюминиевых резервуаров.

Примечание редактора: эта статья была адаптирована из статьи «Современные и передовые технологии электронно-лучевой сварки конструкций», опубликованной в ноябрьском выпуске журнала Paton Welding Journal за 2004 год. Исследования для этой статьи взяты из нескольких источников; за полным списком источников обращайтесь к авторам.

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) используется в основном для изготовления конструкций, которые имеют строгие требования к качеству, прочности и надежности соединений. Более 45 лет этот процесс применяется в авиакосмической отрасли, судостроении и приборостроении.

The E.O. Институт электросварки им. Патона (PWI) разработал и внедрил эту технологию для промышленного изготовления больших корпусных конструкций и топливных баков для баллистических ракет, морских ракет и крылатых ракет. EBW также полезен для сварки фольгированных систем для судов на подводных крыльях; в качестве завершающей сборочно-сварочной операции для изготовления гироскопов стартовой платформы; производство современных танков и судовых навигационных систем.ЭЛС используется для изготовления толстостенных оболочечных конструкций ядерных комплексов и тонкостенных элементов СВЧ-устройств.

EBW алюминиевых сплавов широко применяется при изготовлении конструкций, которые имеют строгие требования к прочности и герметичности стыков и должны выдерживать жесткие рабочие условия, такие как переменные нагрузки, глубокий вакуум и криогенные температуры (см. Рисунок 1 ). Электронно-лучевая сварочная сварка экономически эффективна для многих приложений массового производства, таких как сварка поршней с полостью для охлаждения масла, которые используются в дополнительных дизельных двигателях (см. , рис. 2, ).Это полезно в качестве отделочной операции, например, при сварке корпусов и поплавков гироскопа.

Рис. 2 EBW используется для наплавки. Типичное применение — наплавка верхней компрессионной канавки этих поршней.

Этот процесс особенно эффективен при изготовлении крупных конструкций с одним типом сварного соединения. В этом типе применения процесс основан на локальной вакуумировании стыкового соединения перед сваркой.Примерами являются оболочки большого диаметра с несколькими продольными стыковыми соединениями, а также толстостенные алюминиевые панели для заготовок днища железнодорожных цистерн. Эта технология также использовалась для изготовления кожухов из листовых оребренных панелей, требующих сварки элементов с предварительным упругим натяжением.

Почему выбирают EBW?

PWI разработало несколько руководств о характеристиках и использовании EBW. По сравнению с процессами дуговой сварки, EBW улучшает прочность соединения на 15-25 процентов.Он имеет узкую зону термического влияния (HAZ), что позволяет получать более легкие продукты. Геометрические формы и размеры очень стабильны, особенно когда это используется в качестве чистовой операции. Удаляет включения оксидов и вольфрама, а также загрязнения. Металл шва имеет мелкокристаллическую структуру.

EBW также подходит для множества сложных применений, таких как сварка конструкций, на которых обратная сторона стыка недоступна; сварка самотеком тонкого металла; и сварка в различных пространственных положениях.Позволяет подавать присадочную проволоку в сварочную ванну; обеспечивает низкий уровень общего нагрева конструкций; и имеет возможность одновременно вакуумировать внутренний объем, что подходит для герметизации инструментов. Поскольку EBW — это автоматизированный процесс, качество сварных соединений остается неизменным. Этот процесс не требует использования защитных газов, вольфрамовых электродов или подготовки кромок для сварки толстого металла. Наконец, с его помощью можно сварить некоторые соединения, которые невозможно выполнить с помощью других сварочных процессов.

Рисунок 3 Операторное управление электронным пучком позволяет настраивать пространственное распределение плотности мощности пучка. Цифры указывают относительное время пребывания луча в различных точках контура сканирования.

Доступны новые конструкционные материалы с уникальными свойствами. Например, алюминиево-литиевые сплавы, композиты с алюминиевой матрицей, пена алюминия и наноматериалы широко используются в авиационной, аэрокосмической и оборонной промышленности.Точно так же технологии, оборудование и средства управления EBW постоянно совершенствуются. Компания PWI разработала принципиально новую технологию ЭЛС, которая способствует контролируемому тепломассопереносу сформированного объема жидкого металла сварочной ванны.

Внедрение и применение EBW

В основе нового процесса лежит инструмент, который управляет электронным лучом — программатор обеспечивает дискретное сканирование электронного луча по любой заданной траектории и позволяет останавливать луч в любой точке траектории с контролируемое время пребывания.Программатор совместим с любым источником питания любого производителя.

Рисунок 4 Поперечные макрошлифы асимметричного проплавления сплава АМг6 показывают глубину проплавления на двух уровнях тока — 70 миллиампер (слева) и 90 миллиампер (справа).

Управление распределением мощности луча в пятне нагрева позволяет:

• Управлять тонкой структурой металла шва и, следовательно, улучшать механические свойства соединений.
• Исключение анизотропии прочностных характеристик в стыковых соединениях с толстыми кромками.
• Получение стыков с равномерной шириной сварного шва по всей толщине кромки, что снижает остаточные угловые деформации.
• Сварка стыков с большим зазором в стыке без проникновения электронного луча в зазор.
• Сварка разнородных материалов с разными теплофизическими характеристиками, чему способствует обеспечение двух разных подводов тепла вдоль стыковых кромок.
• Соединительные материалы разной толщины (соотношение может превышать 1: 50).
• Выполнение стыковой сварки с одновременной подачей присадочной проволоки с любой стороны сварочной ванны относительно направления перемещения луча.
• Сварные соединения с непроваром без образования корневых дефектов.
• При кольцевой сварке, чтобы избежать образования дефектов на участках, где кратер исчезает и сварные швы перекрываются.
• Модифицирование легированием поверхностных слоев деталей без разбавления материала матрицы.

Рис. 5 При плавлении ранее нанесенного присадочного металла три изменения частоты сканирования и положения фокального пятна приводят к образованию трех совершенно разных слоев поверхностного слоя.

Последовательности смещения луча и распределение плотности мощности показаны на Рис. 3 . Оператор сварочного оборудования разрабатывает программу для выполнения конкретного соединения, используя необходимые параметры, включая форму траектории, количество точек, последовательность перемещения луча от точки к точке, амплитуду сканирования и время пребывания луча в каждой точке.

Асимметричное проникновение AMg6 показано на рис. 4 . Изменение параметров перемещения балки приводит к вариациям в формировании структуры металла шва (см. Рисунок 5 ).

Соединение трудно свариваемых металлов и разнородных металлов

Компания PWI использовала EBW для сварки сложных материалов, которые трудно сваривать или которые считаются несвариваемыми. Одно из применений — это высокопрочные алюминиево-литиевые сплавы (см. , рис. 6, ). Эти сплавы обладают более высокими прочностными характеристиками по сравнению с широко применяемыми сплавами АМг6 и 1201 и снижают вес сварной конструкции на 15-20 процентов.

EBW решила проблему сварки трубчатых переходников из разнородных материалов, а именно нержавеющей стали с алюминиевыми сплавами, для криогенной техники. Для изготовления таких переходников часто используются обычные методы, при которых края не плавятся — сварка взрывом, металлургическая прокатка биметалла или диффузионная сварка. Эти традиционные процессы приводят к образованию соединений, в которых чистый алюминий контактирует со сталью. Такое соединение имеет прочностные свойства чистого алюминия, но его характеристики при термических циклах ограничены из-за интерметаллической прослойки в переходной зоне.

Компания PWI разработала метод, который не приводит к прямому контакту алюминия и стали. Слой модификаторов, таких как никель, цирконий или ниобий, толщиной от 3 до 7 мм наносится из паровой фазы в вакуумной камере на поверхность свариваемой трубы из нержавеющей стали. Определенный температурный режим обеспечивает прилегание наплавленного слоя к стали. Затем, после сборки трубы из нержавеющей стали с трубой из любого алюминиевого сплава, выполняется стыковая сварка для проплавления алюминиевой трубы на всю толщину, в то время как кромка со стальной стороны просто предварительно нагревается и смачивается жидким алюминием.Возможность запрограммировать подвод тепла в необходимом объеме к каждой из заготовок делает возможным этот процесс. Модификаторы на поверхности стальной трубы обеспечивают дополнительное легирование расплава алюминиевой ванны, и соединение приобретает новые свойства. Испытания на разрыв показывают, что предел прочности составляет от 320 до 350 мегапаскалей (МПа), что в четыре-пять раз выше, чем у соединений, содержащих слой интерметаллидов и чистого алюминия.

Рис. 6 Прочностные характеристики сварных соединений алюминиево-литиевых сплавов

Другое применение — композиты с алюминиевой матрицей, упрочненные частицами SiC и Al2O3 без плавления краев. Такие стыки сваривают, нанося на края рассеянный поток мелких капель присадочного материала. В качестве наполнителя можно использовать как композитный матричный материал, так и другой алюминиевый сплав. Расходуемый электрод из присадочного материала плавится на поверхности электронным лучом, и из-за его высокоскоростного вращения мельчайшие капли образуют соединение без дефектов или границ раздела.

Рис. 7 EBW подходит для изготовления высокопрочных рабочих колес из нержавеющей стали для центробежных компрессоров.

В электронно-лучевой сварке конструкций с толстыми краями или с переменным поперечным сечением успешно реализована технология, обеспечивающая микролегирование металла шва модификаторами, такими как скандий или цирконий, по всей глубине ванны. Перед сваркой в ​​шов закладывается наполнитель в виде фольги толщиной от 100 до 200 мм. Фольга производится методом сверхбыстрого затвердевания в вакууме (до 107 К / с) и включает модификаторы в количествах, превышающих их взаимную растворимость в алюминии.Например, содержание скандия составляет от 2 до 4 объемных процентов, а циркония — от 1,4 до 1,5 объемных процентов. Это увеличивает герметичность стыка и, что более важно, улучшает прочностные свойства стыков любых марок алюминиевых сплавов и стойкость к образованию горячих трещин.

При производстве высокопрочных рабочих колес из нержавеющей стали (см. , рис. 7, ) для центробежных компрессоров закрывающий диск прикрепляется с помощью щелевой электронно-лучевой сварки к встроенным лопаткам основного диска. Затем участки без проплавления заполняются высокотемпературным припоем и пайкой в ​​вакууме.Прочность соединения эквивалентна прочности основного металла при усталостных испытаниях и испытаниях на длительную прочность.

B.E. Патона и А.А. Бондарев — научные сотрудники НИИ им. Е.О. Патона, ул. Боженко, 11, г. Киев, 03680, Украина, 380-44-261-5045, факс 380-44-268-0486, [email protected], www.paton.kiev.ua.

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 сварки, 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 обеспечивать 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. Оба могут быть рентабельными.

Но, несмотря на все сходства, электронно-лучевая и лазерная сварка сильно отличаются друг от друга с точки зрения основных физических свойств и функциональных возможностей в реальном мире цеха.Именно в этих различиях один конкретный процесс может иметь преимущество для конкретного приложения. Ключом к определению 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. Его быстро приняли в высокотехнологичных отраслях, таких как авиакосмическая промышленность, за точность и прочность получаемых сварных швов.Электронный луч может быть размещен очень точно, и сварной шов может сохранить до 97 процентов первоначальной прочности материала. Не будет преувеличением сказать, что электронно-лучевая сварка с точки зрения качества сварки не имеет себе равных: это лучшая собака сварочных процессов.

Сварку

EB объяснить просто. Вольфрамовая нить накаливания нагревается, и к точке, где нить накала испускает электроны, подается 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 пучка 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) или высокого напряжения (150 кВ).Типичная высоковольтная машина мощностью 7500 Вт может производить сварной шов в стали глубиной 2 дюйма с шириной приблизительно 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 EB-сварки требуются хорошо обученные операторы и очень компетентное обслуживание, а установка и эксплуатация системы EB-сварки может быть дорогостоящей.

Сварка

EB — это процесс сварки плавлением, поэтому требуется точная подгонка между свариваемыми деталями, поскольку присадочный материал обычно не используется или не требуется. Детали также должны быть надежно закреплены на столе с регулируемым перемещением, чтобы точно перемещать свариваемые области в контакт с электронным лучом. В большинстве аппаратов для электронно-лучевой сварки используется неподвижная балка, под которой с помощью ЧПУ управляют деталью.

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.)

Узлы — это 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 расплавлять низкотемпературный материал на нерасплавленный, высокотемпературный материал, в результате чего получается компактный, герметичный сварной шов.Это может быть немного обременительно, но продукты для электронно-лучевой сварки первоклассны во всех отношениях.

Лазерная сварка

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 области применения лазерной сварки, такие как герметизация, 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 свести к минимуму проникновение и повреждение материала в области 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, автоматическая машина GTAW может иметь скорость сварки 10 дюймов в минуту (IPM), тогда как CW-лазер может легко работать со скоростью 100 IPM.

При сварке лазерным лучом можно добиться хорошего проплавления, обычно на глубину примерно 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 детали, 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 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 электронно-лучевой сварки полны и широко приняты. Эти спецификации контролируют все аспекты процесса, включая конструкцию стыков, 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.

Честно говоря, сложно и несколько неискренне перечислить типичные области применения сварки электронным лучом или типичные области применения лазерной сварки, поскольку каждый вариант 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, тогда 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 являются гибкими, универсальными 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 | Лазерная сварка

Поскольку мы продолжаем внимательно следить за развитием коронавируса (COVID-19), здоровье и благополучие наших сотрудников, клиентов и партнеров-поставщиков остается важнейшим приоритетом для Electron Beam Engineering, Inc.Как ключевой поставщик для вашего бизнеса, мы понимаем, что крайне важно ограничить любое влияние, которое это нарушение здоровья может оказать на наши услуги для вас, и наши сотрудники прекрасно осознают важность продолжения выполнения ваших критических заказов.
Что касается Общего Калифорнийского приказа о домогательствах, наша компания подпадает под критически важные производственные условия и может продолжать свою деятельность. Компания Electron Beam Engineering, Inc. продолжает свою деятельность. На сегодняшний день мы открыты для бизнеса во время пандемии.Обычные сроки поставки могут быть увеличены, и мы по-прежнему стремимся как удовлетворить ваши производственные потребности, так и обеспечить безопасность наших сотрудников. Компания
Electron Beam Engineering, Inc. предприняла упреждающие и профилактические действия на основе текущих рекомендаций Центров по контролю и профилактике заболеваний США (CDC) и Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) по предотвращению распространения вируса COVID-19.
Чтобы свести к минимуму сбои в бизнес-операциях, мы реализовали следующие меры:

• Мы предоставили нашим сотрудникам информацию и передовые методы предотвращения распространения, включая напоминания о частом мытье рук и применении, когда это возможно, 6-футового дистанцирования
• Выключатели освещения, дверные ручки, туалеты, телефоны, рабочие поверхности, стойка администратора и кухонные столешницы теперь очищаются ежедневно с помощью антибактериального дезинфицирующего средства.
• Мы приказываем нашим сотрудникам оставаться дома, если они плохо себя чувствуют или если у них есть нездоровые члены семьи.
• Мы ограничили все посещения второстепенных клиентов и внедрили процесс проверки анкет посетителей
• Мы включили возможность работы из дома

Мы продолжим внимательно следить за этой ситуацией, чтобы обеспечить вам доступность основных услуг. Благодарим вас за то, что вы являетесь клиентом компании Electron Beam Engineering, Inc. Мы продолжим делать все возможное, чтобы заслужить ваше доверие.Если у вас есть вопросы, позвоните мне по телефону (714) 491-5990 x109 или напишите по электронной почте [email protected]. Мы будем держать вас в курсе по мере поступления новой информации.

Спасибо, Грант Триллвуд

Микроэлектронно-лучевая сварка | Инструмент, проверенный временем

Из-за очень высокой функциональной плотности интеграции компонентов, а также большого разнообразия материалов микросистемы и, в частности, гибридные микросистемы предъявляют высокие требования к технологиям соединения. Например, мельчайшие размеры компонентов и частое соединение разнородных материалов с различными теплофизическими свойствами требуют методов соединения, которые передают их энергию выборочно и локально в минимальном пространстве. И лазерные лучи, и электронные лучи являются подходящими инструментами для этой цели. Кроме того, обработка в высоком вакууме отвечает требованиям высокой чистоты окружающей среды.

7.4.1 Технологии

Аппараты для электронно-лучевой сварки макро-диапазона нельзя использовать для микрокомпонентов.Это связано с тем, что мощность их пучка составляет от 100 Вт до нескольких кВт, что слишком велико для сварки мелких деталей. Намного более перспективным представляется использование растрового электронного микроскопа (СЭМ) в качестве сварочного инструмента. Этот тип машины сочетает в себе две основные функции, наблюдение и сварку, всего в одном устройстве. Расчеты показывают, что максимальное ускоряющее напряжение 30 кВ и ток зонда 200 мА дают максимальную мощность пучка 6 Вт в генераторе пучка. Потери мощности, вызванные экранированием через диафрагму и рассеянием в колонне пучка, уменьшают мощность примерно до 3–4 Вт на заготовке.

На рис. 7.11 показан путь луча сварочного оборудования в обоих рабочих условиях, наблюдении и сварке. Интеграция обеих функций в одно оборудование предъявляет противоположные требования к технике. Наблюдение и анализ подложек требуют низкого энергопотребления и высокого разрешения. Большое количество диафрагм, которые достаточно малы, чтобы экранировать краевые электроны, и две конденсаторные катушки, которые уменьшают избыточные электроны в пучке, обуславливают чрезвычайно малые радиусы пучка.С другой стороны, в большинстве сварочных приложений необходима более высокая мощность на несколько порядков. Успешно выполненные технические модификации обратимы и в первую очередь касаются электромагнитных компонентов. К таким модификациям относятся удаление двух диафрагм из гильзы и увеличение диаметра апертурной диафрагмы до

.

Источник электронов Конденсор линзы

Диафрагма Объектив Образец

7. 11 Установка для микроэлектронно-лучевой сварки.

, а также отключение первого змеевика конденсатора. Поскольку эти модификации обратимы, существующее оборудование может использоваться как для наблюдения, так и для сварки (Carslaw and Jaeger, 1967).

В практических приложениях техники микросистем микрокомпоненты соединяются друг с другом в различных схемах. Качество сварного соединения в значительной степени зависит от точности регулировки соединяемых компонентов, среди других факторов, таких как подготовка стыка.Например, небольшое угловое отклонение двух компонентов, соединенных квадратным стыковым соединением, может привести к тому, что зазор больше не будет компенсироваться малым диаметром луча в несколько микрометров. Следствием этого являются неисправные суставы. Благодаря отличным возможностям наблюдения SEM, высокоточная юстировка осуществляется только в его рабочей камере. Это означает, что существующая система координат внутри составной камеры с помощью пятиосевой макро-таблицы была преобразована во вторую независимую систему координат. Кроме того, возможна последующая корректировка положения компонентов без повторного извлечения компонентов из камеры компаунда.

Устройство регулировки состоит из трех линейных регуляторов, двух осей наклона и одного блока управления. Пригодность компонентов для вакуума позволяет поддерживать необходимый вакуум и надежную работу двигателей. Самоблокировка шестерен позволяет отключать органы управления после достижения желаемого положения и оставляет электронный луч без влияния электромагнитных полей.

При выборе и установке второго блока регулировки в вакуумную камеру РЭМ необходимо учитывать несколько условий:

• Пригодность механических и приводных компонентов к вакууму;

• Высокая плоскопараллельность переходных пластин;

• Предотвращение столкновения со стенкой, электронной пушкой и детекторами в течение

операция;

• Центральное положение всех осей ниже выходного отверстия электронного луча;

Перевозчик

Зажимное устройство 2 ступени гониометра (система позиционирования) 0x, 0y

Опора стационарного прижимного устройства Оси x, y, z (система позиционирования)

3 линейных ступени и 1 вращающаяся ступень (SEM),

Оси X, Y, Z, 0Z

7. 12 Схема блока перегородок.

• Z-позиция стыковочной плоскости должна находиться в области рабочего расстояния электронного луча;

• Вакуумная трубка для электропривода двигателей.

Конструкция системы позволяет перемещать один соединительный компонент с помощью пятиосевого позиционера независимо от второго соединительного компонента. На рисунке 7.12 показан блок позиционирования и его схематическое изображение после установки в SEM.

7.4.2 Процесс микросварки

Последовательность процессов

Рисунок 7.13 показана хронологическая последовательность процесса сварки. На первом этапе соединяемые компоненты точно регулируются по отношению друг к другу, и электронный луч помещается на соединение. Затем происходит переключение на режим сварки, чтобы можно было начать собственно сварочную операцию; однако наблюдение за процессом в режиме онлайн пока невозможно. После завершения процесса сварки точка соединения может быть подвергнута дополнительному анализу или измерениям после переключения в режим наблюдения. На практике все последовательности сварки соответствуют этой последовательности шагов.

Варианты процесса

На практике есть выбор из нескольких способов сварки (рис. 7.14). Принципиально они различаются по способу манипулирования пучком на подложке. При однократном сканировании электронный луч один раз проходит над зоной сварки с помощью

• Оценка позиции

• Регулировка компонентов • Позиционирование луча

• Оценка структуры поверхности В ‘

7.13 Последовательность процессов при микроэлектронно-лучевой сварке. Сканирование слоя

Одно сканирование Электронный пучок N. Основной материал Сварной шов N VS

Отсканированная область нанесенного слоя припоя

фиксированная скорость сварки; при многократном сканировании он колеблется в течение определенного периода времени с заранее выбранной частотой отклонения. Выбор метода зависит от задачи присоединения. Однократное сканирование для соединения фольги приводит к очень чистым, четко разграниченным кромкам сварных швов без сварных надрезов; многократное сканирование, однако, показывает заметно проработанные края сварных швов. Энергия пучка, поглощаемая за более длительный период времени, приводит к частичному испарению металла. Вложенная энергия может быть дополнительно изменена путем сканирования большей поверхности подложки на латеральном уровне. Здесь электронный луч используется в качестве источника тепла для процесса пайки.На первом этапе на соединяемые микрокомпоненты наносятся легкоплавкие припойные материалы. Электронный луч из-за своего теплового воздействия приводит к развитию промежуточных составляющих фаз внутри материалов для пайки, и это в

поворот приводит к соединению компонентов. В частности, материалы с хорошей теплопроводностью или неметаллы при определенных условиях могут быть соединены посредством пайки микроэлектронным пучком.

7.4.3 Примеры присоединения

Знания о методологии и оборудовании электронно-лучевой сварки в основном применялись для соединения проволоки и металлической фольги.Кроме того, были проведены испытания на сварку для изучения поведения кремния и пластмасс. Соединение термоэлементов, изготовленных из комбинаций проволоки NiCr-Ni, с проволокой диаметром 70 мм каждый позволяет получить практически шаровидные шарики для измерения температуры в микродиапазоне. В области пластмасс полиэтилен после предварительного золотого покрытия показал хорошие результаты сварки. Посредством материалов с благоприятными теплопроводными свойствами, таких как медь или алюминий, микропайка с использованием электронного луча в качестве источника тепла исследуется с использованием паяльных систем Cu-Sn (Janssen, 1991).

7.4.4 Резюме

Понимание процессов, связанных с электронно-лучевой сваркой в ​​микротехнике, и расширение техники оборудования подкреплено дальнейшими исследовательскими работами в области определения характеристик луча, взаимодействия луча с материалом, измерения температуры и интеграции обработки изображений в систему управления.