Лучевые способы сварки и резки конструкционных материалов

В зависимости от вида применяемой энергии различают электронно-лучевую и лазерную сварку.

Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) представляет собой сварку плавлением, при выполнении которой для нагрева используется энергия ускоренных электронов.

Электронный луч — это сжатый поток электронов, перемещающихся с большой скоростью от катода к аноду в сильном электрическом поле. При соударении электронного потока с твердым телом до 90% кинетической энергии электронов переходит в тепловую. Температура в месте соударения достигает 5 000… 6000 °C.

Схема формирования сварного шва показана на рис. 4.1. При сварке электронным лучом теплота выделяется непосредственно в самом свариваемом металле, вызывая его плавление и частичное испарение. Расплавленный металл заготовок 4 вытесняется из зоны сварки давлением его паров. Распределение расплавленного.

Рис. 4.1. Схема формирования шва при электронно-лучевой сварке:

/ — сварной шов; 2 — динамический парогазовый канал; 3 — электронный луч; 4 — заготовки; 5 — фронт расплавленного металла; 6 — основной объем расплава; V_CH — скорость перемещения электронного луча (скорость сварки) металла по сварочной ванне неравномерно: фронт 5 расплавленного металла (передняя стенка динамического парогазового канала 2) имеет толщину 0,05…0,5 мм, а за электронным лучом 3, вблизи верхней части ванны, сосредоточен основной объем расплава. При его кристаллизации образуется сварной шов 1.

Силы, действующие на расплавленный металл, весьма значительны, а размеры канала и объем сварочной ванны невелики. Поэтому в ней интенсивно протекают электрои гидродинамические процессы, влияющие на формирование сварного шва и обусловливающие следующие особенности ЭЛС:

• • из-за наличия зазора между свариваемыми заготовками, частичного испарения и выброса материала заготовок образуется вогнутый сварной шов;
• • остаточные магнитные поля в деталях из ферромагнитных материалов отклоняют электронный луч от плоскости стыка заготовок, поэтому после сборки заготовок, непосредственно перед сваркой, необходимо их размагнитить;
• • на характер вытеснения материала заготовок из канала 2 влияет угол наклона луча к плоскости сварного шва. Перед сваркой необходимо провести специальную разделку поверхностей стыка заготовок, которая обеспечит оптимальные условия формирования сварного шва и повысит точность сварки. Иногда необходимо выполнить специальные технологические буртики, удаляемые после сварки механической обработкой;
• • для повышения точности сварки желательно предварительно выполнить прихватки. Число, расположение и последовательность наложения прихваток зависят от конструкции свариваемого узла (детали);
• • для обеспечения высокого качества сварного шва пользуются различными приемами сварки: осуществляется полное проплавление материала, электронному лучу придается определенная траектория (развертка) и наклон, выполняется сварка с применением присадочного материала и (или) подкладки, а также сварка смещенным или расфокусированным электронным лучом, модулируется сила тока луча.

При сварке разнородных материалов электронный луч смещают в сторону более тугоплавкого материала. Лучу может быть придана круговая или эллиптическая траектория, а также строчное продольное или поперечное перемещение. При кольцевой сварке очень сложно выполнить замыкание кольцевого шва. В процессе замыкания в сварном шве могут появиться прожоги, кратеры, непровары, горячие и холодные трещины, а также колебания глубины проплавления. Эти явления можно устранить плавным изменением мощности луча и формы его развертки. Для защиты поверхностей свариваемых заготовок от брызг расплавленного металла необходимо использовать экраны.

Современные сварочные установки позволяют сфокусировать электронный луч на площади менее 10'² мм², что обеспечивает высокую концентрацию энергии в луче (50… 75 кВт/mm²). Благодаря такой концентрации энергии реализуется кинжальное плавление материала заготовок, основанное на подводе энергии к границе расплава через узкий парогазовый канал.

Кинжальное плавление материала заготовок позволяет получать сварные швы с отношением глубины шва к его ширине до 1 :30. При сварке менее концентрированными источниками теплоты (газовая или дуговая сварка) это отношение составляет 1: 1 или 1 :2, а сечение шва по форме приближается к равнобедренному треугольнику. Высокая скорость сварки в сочетании с кинжальным проплавлением обеспечивает небольшую ширину зоны термического влияния и, следовательно, малые тепловые деформации и незначительное коробление готового изделия.

Обычно ЭЛ С производится в вакуумных камерах при остаточном давлении газов около 1 мПа. Наличие вакуума позволяет беспрепятственно перемешаться электронам и исключает окисление катодной нити и зоны сварки.

На рис. 4.2 приведена схема ЭЛС с классической электронной пушкой. Формирование луча начинается с эмиссии электронов с нагретой вольфрамовой спирали 2 Ускорение электронов происходит при наличии напряжения (30… 150 кВ) между катодом 1

и кольцевым анодом 3. Для прохождения электронного луча 5 анод снабжен центральным отверстием. Обмотка 4 фокусирует луч до получения диаметра 0,1…0,5 мм. При перемещении заготовок 9 под неподвижным лучом образуется сварной шов. При необходимости электронный луч перемещают с помощью отклоняющей системы 6.

Рис. 4.2. Схема электронно-лучевой сварки с классической электронной пушкой:

/ — катод; 2 — вольфрамовая спираль; 3 — кольцевой анод; 4 — фокусирующая обмотка; 5 — электронный луч; 6 — отклоняющая система; 7 — точка фокусирования луча; .

Сварку производят две одновременно работающие электронные пушки, расположенные друг против друга. Комплекс снабжен:

• • системой визуального наблюдения за процессом сварки;
• • видеоустройством, позволяющим точно наводить луч на кромки свариваемых заготовок;
• • системой диагностики состояния катодного узла, электронной пушки и аппаратуры в целом;
• • устройством управления электронным лучом, обеспечивающим осуществление разных видов развертки луча;
• • устройством ввода-вывода луча, позволяющим при сварке кольцевых деталей плавно регулировать его мощность в начале и в конце процесса.

Комплекс обеспечивает возможность сварки изделий диаметром до 3,2 м, высотой до 1,8 м и общей массой до 10 т.

С помощью ЭЛС сваривают большинство электропроводящих материалов (легированные и высоколегированные стали; титановые, вольфрамовые, танталовые, ниобиевые, циркониевые, молибденовые и никелевые сплавы; некоторые виды керамики).

Плохо свариваются стали с высокой концентрацией углерода, серы и фосфора из-за плохих прочностных свойств сварного шва и образования горячих и холодных трещин.

Не свариваются легкоиспаряемые материалы (бронзы, содержащие кадмий и свинец, а также латуни), поскольку при воздействии высококонцентрированного электронного луча происходит их взрывное вскипание с выбросом основной массы расплава, что не позволяет добиться сплошности сварного шва.

Металлы и сплавы можно сваривать в однородных и разнородных сочетаниях со значительным отличием заготовок друг от друга по толщине. Минимальная толщина свариваемых заготовок составляет 0,02 мм, максимальная — 100 мм.

Электронно-лучевую сварку применяют для соединения малогабаритных (электроника, приборостроение, часовая промышленность) и крупногабаритных деталей (диски диаметром 50… 2 300 мм, цапфы, валы, рычаги, трубные и корпусные изделия).