Понятие и применение электронно-лучевой сварки

Идея электронно-лучевой сварки появилась в 50-х годах прошлого века во Франции. Она заключалась в том, что сваривать большинство видов металлов можно, бомбардируя их потоком отрицательно заряженных частиц.

Довольно быстро на свет появились первые опытные установки ЭЛС, и к настоящему моменту они с успехом применяются во многих областях промышленности, как правило — в высокотехнологичном и высокоточном производствах.

Принцип действия

Лучевая сварка в целом — это метод создания неразрывно-монолитного соединения металлов воздействием на их стыки высокоэнергетического луча. При этом природа луча может быть различной.

В электронно-лучевой сварке луч представляет собой плотно скомпонованный поток быстро движущихся электронов, которым сообщается большая кинетическая энергия. При столкновении с металлической поверхностью эта энергия переходит в теплоту, вызывая расплавление металлов.

Воздействие возможно как непрерывным, так и импульсным лучом. В последнем случае частота импульсов обычно находится в диапазоне от 100 до 500 Гц.

Существует и такое понятие, как сварка световым лучом. Изредка так ошибочно называют электронно-лучевую сварку. На самом деле этот термин к ней неприменим, поскольку электронный луч не относится к видам светового излучения, так как невидим.

Свет — это диапазон электромагнитных излучений, видимых человеческому глазу. Сваркой световым лучом правильнее называть лазерную сварку. Лазерный луч действительно представляет собой поток когерентного светового излучения.

Для инициирования электронного потока используются специальные установки — электронные пушки. Луч инициируется мощным электрическим полем, напряжение которого достигает 100 кВ.

При этом в установке создается максимально приближенное к абсолютному вакууму состояние. Из нее выкачивают воздух, создавая давление порядка 10 в минус 4…10 в минус 6 степени мм рт. ст. Это практический предел вакуума, которого можно достичь в промышленности.

Вакуумирование установки необходимо для того, чтобы электроны не теряли кинетическую энергию, сталкиваясь с атомами воздуха. Оно дает приятный побочный эффект — в результате этого происходит дегазация шва. Сварочное соединение не насыщается элементами атмосферного воздуха либо защитных газов.

Данные обстоятельства ведут к тому, что электронно-лучевая сварка имеет широкий спектр достоинств — но в то же время и несколько существенных недостатков, которые ограничивают повсеместное распространение данного метода.

Достоинства

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Недостатки

Разумеется, есть у электронно-лучевой сварки и недостатки. Основной — высокая стоимость самой установки. К другим относятся:

• сложность контроля проплавления толстого металла — у основания шва могут сохраниться лакуны, воздушные поры;
• теоретическая возможность повышенного количества брызг металла, появления подрезов или провисов (что характерно и для других методов сварки);
• длительная и сложная настройка оборудования, требующая высокой квалификации от наладчика;
• для каждой операции установку требуется перенастраивать, что на практике уменьшает диапазон ее возможностей. Не каждое соединение целесообразно выполнять на станке электронно-лучевой сварки.

Кроме того, перед началом электронно-лучевой сварки детали необходимо очень тщательно зачистить. Первый этап зачистки проводят механическими способами, а второй — физико-химическими, с помощью специальных растворителей.

В некоторых случаях применяется еще и третий — незначительное оплавление краев соединяемых деталей перед сваркой включением установки на малой мощности.

Конструкция установок

Установка электронно-лучевой сварки может быть смонтирована стационарно, либо располагаться внутри вакуумной камеры. Она всегда включает в себя, кроме камеры:

• катод и анод;
• механизм транспортировки (самой пушки или деталей);
• насос для нагнетания вакуума;
• систему электромагнитного отклонения луча;
• систему позиционирования электронного пучка;
• различные вспомогательные устройства и систему управления на основе соответствующего ПО.

В качестве примера можно привести установку ЭЛТУ-60. Этот аппаратный комплекс отечественного производства (НИТИ «Прогресс) предназначен для однопроходной сварки различных, в том числе разнородных металлов и сплавов. Имеет ограничение по толщине — до 30 мм.

Область, в которой используется эта и аналогичные установки — создание воздушных и космических кораблей, изготовление турбин, ядерная энергетика, массовое изготовление подшипников, конструирование сложных электровакуумных приборов, а также другие области особо ответственного назначения.