2794.Электронно-лучевая сварка

2.6.1. ЭЛС в промежуточном вакууме

Установка для ЭЛС, показанная на рис. 2.112, предназначена для сварки больших деталей машин (для тяжелого машиностроения), весом до 5 т, диаметром до 1500 мм, максимальной длины 2800 мм. Спроектировано ТЦ ЕПТТ (София) и произведено в Болгарии для ИЭС им. Е.О. Патона в г. Киеве (Украина).

Толщина свариваемых материалов (при применении на электронной пушке 60 кВт и 120 кВ производства ИЭС им. Е.О. Патона, Украина) достигает 75 мм для стали, 120 мм для меди и 300 мм для алюминия. Манипуляторы позволяют получить продольные прямые горизонтальные и вертикальные швы и кольцевые горизонтальные и вертикальные швы. Сварка без присадочного материала. Скорость сварки находится в диапазоне от 0,4 до 15,0 см/с (0,24–9,0 м/мин). Размер вакуумной камеры 3,0× 3,0× 2,5 м (объем 22,5 м3). Вакуумная система обеспечивает достижение рабочего вакуума в технологической камере от 10 Па за 16 мин. Следует отметить, что сварка выполняется при промежуточном вакууме (порядка 10 Па, т.е. 10–1 ммрт. ст.). Турбомолекулярный насос дифференциальной откачки электронной пушки работает прямо в свободном объеме вакуумной камеры – специальные механические насосы для дифференциальной откачки объема ускоряющей электростатической части пушки не требуются. Для монтажа комплекта установки необходимо порядка 180 м2 площади. Высота рабочего помещения 6 м. Необходим кран грузоподъемностью до 5 т. Электрическое питание 160 кВт, водоснабжение 2,4 м3/ч. Рабочая вакуумная камера имеет две сдвижные двери. Для загрузки/разгрузки камеры манипулятор можно выдвигать из рабочего пространства камеры по рельсовому пути. При необходимости сварки кольцевых швов на манипулятор монтируется вращатель или поворотный стол с заданным центром. Точность позиционирования электронной пушки осуществляется специальным механизмом и механикой манипулятора электронной пушки. Трехкоординат-

302

ный манипулятор электронной пушки работает как высокопрецизионное устройство, с допусками порядка сотых долей миллиметра. Электронная пушка может быть установлена в вертикальном или горизонтальном положении, имеет независимый турбомолекулярный насос, цифровое управление в координатной плоскости, перпендикулярно которой она смонтирована; может быть отклонена по углу. Катодная зона пушки изолирована от общего вакуумного обема вакуумным вентилем для сохранения вакуума около горячих частей пушки во время открытия дверей рабочей камеры. Следует отметить, что из-за большой механической нагрузки на стенки при вакуумированной рабочей камере, независимо от приваренных с внешней стороны ребер жесткости, имеются деформации камеры. Исходя из этого направляющие движения манипулятора пушки не могут быть связаны с боковыми стенками или потолком вакуумной камеры, следует иметь собственный несущий механизм с системой приводов, не зависящий от деформируемых стенок камеры.

Сварка в промежуточном вакууме является одним из путей роста производительности установок ЭЛС, так как время откачки значительно уменьшается.

В стандартных установках загрузка заготовок в манипулятор, размещение его в технологической камере в положении сварки, закрытие двери, откачка камеры, открытие клапана пушки, сварка, закрытие клапана пушки, открытие двери и отгрузка детали следуют друг за другом. Установки ЭЛС с тремя манипуляторами на ротаторе (для загрузки и отгрузки, сварки и для откачки) и камера, которая позволяет делать замену манипулятора, нашли широкое применение в промышленности. Благодаря адаптированию (минимизации) объема камеры к одновременному выполнению многих из указанных задач производительность таких установок самая высокая (следующая по производительности – установка с загрузкой нескольких деталей одновременно и сваркой всех загруженных деталей в одном цикле вакуумирования).

304

Идея производить операции процесса параллельно привела к появлению трех разновидностей установок.

Установки с двумя камерами: одна для сварки, другая для установки следующей заготовки. Если время сварки всех швов детали совпадает по времени с откачкой второй камеры, то загрузка электронной сварочной пушки может составлять 100 %.

Вторая возможность – это упомянутая выше трехпозиционная машина. Она оперирует тремя рабочими модулями, причем луч выключается за время 15–30 с, когда манипулятор с заготовкой заменяет манипулятор со сваренной деталью. Сварка производится при вакууме 10–3 –10 –4 Па. Может быть адаптирована для сварки различных деталей.

Последняя возможность, менее гибкая, но осуществляется быстрее, – это использование шлюзов. Две камеры со шлюзами располагаются с двух сторон сварочной камеры. Они загружаются, откачиваются и двигаются последовательно таким образом, что детали могут транспортироваться от позиции загрузки через позиции сварки и, наконец, на позиции разгрузки при соответствующей откачке двух шлюзовых камер без нарушения вакуума в сварочной камере. Время, необходимое для перемещения детали, обычно около 10 с. Недостатком является необходимость возвращать несущий инструмент к модулю загрузки.

2.6.2. Распространение установок ЭЛС и общие тенденции развития процесса

Цена установки ЭЛС в массовом производстве (толщина до нескольких миллиметоров) находится в жесткой конкуренции с такими процессами, как лазерная сварка, гибридная лазернодуговая сварка, микроплазменная сварка.

Оценка количества установок ЭЛС следующая: в 2000 году было 7000 установок [72], a в 2008 году не менее 8000 установок во всем мире [73].

В табл. 2.10 представлены данные [74] (с благодарностью Д. фон Добенеку, который начал эту оценку) для баланса произ-

305

Окончание табл. 2 . 1 0

307

веденных, экспортированных и импортированных установок ЭЛС. Оказалось, доступнее, легче и надежднее собрать данные, относящиеся к сварочным установкам, у производителей, чем у пользователей. Общий результат этого баланса, полученный в 2006 году, следующий: общее число произведенных установок ЭЛС – около 6000; рабочих в это время было около 4200; нерабочих около 1700, и можно предположить, что доступно для модернизации в это время было порядка 500–700 установок. Для Западной Европы и США более точные данные и более приблизительные для России, Украины, Индии и Китая. В графе «Другие» показаны наши оценки для остальных стран Азии (Южная Корея, Тайвань и др.), Израиля, Ирана, Южной Америки, Италии, Канады и др.

Большинство действующих утановок используется в производстве автомобилей. В остальных 12 отраслях промышленности ЭЛС получила применение достаточно равномерно и широко. Новые возможности для применения открываются при сварке толстостенных деталей для газотурбинных двигателей, компрессоров, баков и труб высокого давления, ядерных и химических реакторов, мощных электрогенераторов и др. В большинстве случаев окупаемость инвестиций порядка 2 лет, а в случае массовой продукции – меньше.

США является лидером по числу действующих ЭЛС установок. ЭЛС имеет приоритетное применение в космической и ядерной промышленности. Множество машин работает в производстве автомобилей.

Намечается тенденция делать капитальный ремонт и модернизация старых машин. При этом заменяют и модернизируют основные блоки с целью достижения высокой производительности и повышения качества процесса. В результате жесткой конкуренции со стороны других технологий важной целью модернизации становится снижение цены процесса. Данную задачу в Азии решают путем упрощения и унификации блоков ЭЛС установок, производя их малыми сериями вместо

308

производства уникальных для каждого потребителя. Таким образом, цена модернизации и всего оборудования, а следовательно, и процесса падает. В Западной Европе требование уменьшения цены каждого шва удовлетворяется ростом производительности путем автоматизации. В России и Восточной Европе при переходе от плановой к рыночной экономике много ЭЛС машин выведено из эксплуатации и необходимость модернизации возросла.

В Европе новая легковая машина содержит 25–30 швов, сваренных ЭЛС. Исследование Института сварки в Университете г. Аахена (Германия) [5] показало, что ЭЛС труб большого диаметра толщиной 11–40 мм позволяет получить больше прибыли (иногда в комбинации с дуговои сваркой). Важно применение ЭЛС для сварки деталей большой толщины.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Рыкалин Н.Н., Зуев И.В., Углов А.А. Основы электроннолучевойобработкиматериалов. – М.: Машиностроение, 1978. – 239 с.

2.Шиллер З., Гайзиг У., Панцер З. Электронно-лучевая технология: пер. снем. яз. – М.: Энергия, 1980. – 528 с.

3.Электронно-лучевая сварка / О.К. Назаренко, А.А. Кайдалов, С.Н. Ковбасенко, А.А. Бондарев, А.Д. Шевелев, А.И. Чвертко, Ю.В. Зубченко, Ю.Н. Ланкин, В.Д. Шелягин; под ред. Б.Е. Патона. – Киев: Наукова думка, 1987. – 256 с.

4.Орлинов В., Младенов Г. Електронни и йонни методи за обработка и анализ навеществото. – София: Техника, 1982. – 308 с.

5.Младенов Г. Електронни и йонни технологии. – София: Проф. Марин Дринов, 2009. – 387 с.

6.Hershcovitch A. Non-vacuum electron beam welding through

a plasma window // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. – Section B, vol. 241, № 1–4. – P. 854–857.

7.Pat. 119363 (Germany). A method and device for charged particles flow control / K.O. Mauer. 20.04.1976.

309

8. Electric probe studies of the ionizing metal vapor accompanying electron beam welding / T. Dyakov, M. Bielawski, M.S. Kardjiev, B.E. Djakov, G.M. Mladenov // Int. Conf. on EB technologies. – Varna,

1985. – P. 199–204.

9. Беленький В.Я., Язовских В.М., Журавлев А.П. Природа вторичного тока в плазме, образующейся в зоне взаимодействия электронного луча при сварке // Физика и химия обработки материалов. – 1983. – № 6. – С. 128–131.

10. The mechanism of secondary emission processes in electron beam welding with the modulation of the electron beam / V.M. Yazovskikh, D.N. Trushnikov, V.Ya. Belenk’iy, L.N. Krotov // Welding International. – 2004. – Vol. 18, №9. – P. 724–729.

11. Tong H., Giedt W. Radiographs of the electron beam welding cavity // Review of Scientific Instruments. – 1969. – Vol. 40, №10. –

P.1283–1284.

12.Arata Y., Matsuda F., Murakami T. Some dynamic aspects of

molten metal in electron-beam welding // Trans / JWRI. – 1973. – Vol. 2, № 2. – P. 23–32.

13. Irie H., Hashimoto T., Inagaki M. Power density of electron beam in an electron beam welder // Trans / JWRI. – 1980. – Vol. 22,

№2. – P. 95–103.

14.Petrov P., Georgiev Ch., Petrov G. Experimental investigation of weld pool formation in electron beam welding // Vacuum. – 1998. –

Vol. 51, №3. – P. 339–343.

15. Ледовской В.П., Младенов Г.М. Учет влияния плазменых явлений на взаимодействие мощных электронных пучков с веществом // Журнал технической физики. – 1970. – Т. 40,

№10. – С. 2260–2262.

16.Mладенов Г., Ледовской В., Kривков Б. О тепловой модели процесса обработки вещества внедренным электронным

пучком // Физика и химия обработки материалов. – 1974. – № 4. –

С. 134–137.

17. К вопросу об ионной фокусировке электронного пучка при глубоком проплавлении металла / Н.Д. Габович, В.П. Ковален-

310