книги / Электронно-лучевая сварка и смежные технологии

А. А. КАЙДАЛОВ

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА И СМЕЖНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

2 -е изд ан ие , переработ анное и до п о л н е н н о е

КиТв

Екотехнолопя»

2004

Предисловие ____________________________

Возможности технологического применения электронно-луче­ вого нагрева изучались с начала XX века. До 1940 г. в мире уже было создано лабораторное оборудование для электронно-луче­ вой плавки и сверления. С развитием вакуумной техники и появ­ лением актуальных технических задач соединения, обработки и получения новых материалов в середине XX века начался период активной разработки и промышленного использования различных электронно-лучевых технологий. В первую очередь это было обус­ ловлено бурным развитием ядерной энергетики и ракетно-косми­ ческой техники.

Электронно-лучевые технологические процессы протекают в ва­ кууме, поэтому процесс сварки экологически чист и технически безопасен. Это создает высокий уровень комфортности эксплуа­ тации оборудования, но требует высокой степени механизации и автоматизации всех операций. Высокая концентрация энергии в электронном пучке, локальность нагрева металла, минимальные деформации обрабатываемого изделия, вакуумная защита зоны нагрева, дистанционность ведения технологического процессса, точная управляемость пространственно-энергетическими парамет­ рами электронного пучка, высокий КПД и низкие эксплуатацион­ ные расходы обеспечивают конкурентоспособность электронно­ лучевы х технологий. Эти особенности электронно-лучевы х технологий принципиально предопределяют их дальнейшую перс­ пективу.

Развитие метода электронно-лучевой сварки началось с иссле­ дований, проведенных в 1950-1957 гг. в ФРГ, Франции и СШ А . Первое сообщение об электронно-лучевой сварке (применитель­ но к кожухам топливных элементов ядерных реакторов) опубли­ ковал J. A. Stohr (Французская комиссия по атомной энергии) в ноябре 1957 г. [109].

Для этого метода сварки, как правило, не используют расходные сварочные материалы (проволоку, электроды и другие присадки, флю­ сы, защитные газы). Присадочные материалы применяют лишь в ред­ ких случаях, в основном для ремонта сварных швов и для сварки сты­ ковых соединений с большим зазором. По эксплуатационным расходам сварка электронным пучком в вакууме существенно дешевле, чем дуговая сварка в камерах с контролируемой атмосферой.

Обычно давление в вакуумных камерах (1,33-10-2—1,33-10-5 Па) полностью защищает от окисления расплав в сварочной ванне. Защиг-

з

ные свойства вакуума обеспечиваются уже при давлении менее 1,33 Па. Безвакуумную электронно-лучевую сварку осуществляют

всреде защитных газов при атмосферном давлении в камерах. Аксиально-симметричный электронный пучок имеет высокую

концентрацию энергии в поперечном сечении и малый диаметр (0,01-1 мм), а сварные швы соответственно большую глубину и малую ширину. Отношение глубины к ширине шва достигает 50. Сварку выполняют за один проход со сравнительно высокой ско ­ ростью. Электронно-лучевую сварку характеризуют наивысший коэффициент полезного действия (термический и эффективный) по сравнению с другими методами сварки и малое время пребыва­ ния металла в расплавленном состоянии. Для сварки используют пучки электронов с энергией 20-150 кэВ. В лабораторных услови­ ях исследуют применение для сварки пучков электронов с энерги­ ей 300-500 кэВ [99], а также релятивистских пучков с энергией электронов 1-10 МэВ [110].

Все основные энергетические и геометрические параметры элек­ тронного пучка (мощность, уровень фокусировки, направление, угол и скорость отклонения) регулируются с высокими точностью и быс­ тродействием. Это позволяет вводить в металл при сварке точно дозированную энергию, реализовывать различные технологические приемы и обеспечивать высокую воспроизводимость процесса свар­ ки. Расстояние от электронной пушки до зоны сварки обычно со­ ставляет 50-200 мм, но может быть увеличено для мощных пушек до 1500 мм. Это дает возможность осуществлять сварку сложных конструкций, в углублениях и труднодоступных местах.

В режиме сквозного проплавления прошедший сквозь изделие электронный пучок имеет обычно еще высокие характеристики и может быть использован для сварочных операций. Таким обра­ зом, реализуется сварка «многоэтажных» конструкций или под­ варка обратной стороны сварного шва.

Наибольшая эффективность электронно-лучевой сварки про­ является при соединении толстостенных (30-200 мм) металличес­ ких конструкций, тугоплавких и химически активных металлов.

К недостаткам электронно-лучевой сварки можно отнести:

•необходимость очень тщательной подготовки свариваемых поверхностей (размагничивание, очистка, обеспечение за­ зора в стыке не более 0,1-0,3 мм);

•сложное и дорогостоящее сварочное оборудование (ваку­ умная техника, высокоточные механизмы перемещения, вы­ соковольтная электроника, системы управления);

4

•длительный цикл подготовительных операций (монтаж -де­ монтаж свариваемого изделия, вакуумирование-разваку- умирование, тестирование электронной пушки и других функ­ циональных систем, наведение на стык и др.);

•трудности правильного выбора режима сварки, наблюдения за зоной сварки, слежения за свариваемым стыком, контроля пространственно-энергетическиххарактеристикэлектронного пучка;

•ограничения по свариваемости различных металлов из-за вакуума и высокой концентрации энергии электронного пучка;

•невозможность сварки неэлектропроводных материалов;

•необходимость защиты от рентгеновского излучения.

По техническим возможностям электронно-лучевая сварка имеет довольно широкую область применения, но экономическая целесообразность в каждом случае является определяющим фак­ тором. Для данного метода сварки характерны большие капиталь­ ные затраты (дорогостоящие сварочное и вспомогательное обору­ дование), низкие эксплуатационные расходы (не требую тся дорогостоящие расходные сварочные материалы) и хорошие ус­ ловия труда технического персонала.

В последние годы стало актуальным применение сварочных установок для других технологических процессов, которые можно осуществлять аксиально-симметричным электронным пучком. К таким технологиям относят модифицирование поверхностных сло­ ев материалов, наплавку, резку, термическое сверление, пайку, гравировку. Эти технологии не требуют дорогостоящей модерни­ зации сварочного оборудования и обеспечивают максимальную эффективность его использования в производственных условиях.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ТЕХНОЛОГИИ____________________________

Основные характеристики и классификация электронно-луче­ вых технологий представлены в табл. 1 [35]. Практически все указанные технологии имеют промышленное применение более чем в 30 странах мира. В Украине основной вклад в развитие электронно-лучевы х технологий внес Институт электросварки им. Е. О. Патона, являющийся с 1958 г. одним из ведущих науч­ ных центров в мире в этом направлении. Разработки в этой об­ ласти в Украине ведут такж е ОАО «SELMI» (Сумы), НПЦ «Ти­ тан» (К иев), АО «Ф ико» (Киев), НПП «Геконт» (Винница), НТУ «Киевский политехнический университет», Восточно-Украин­ ский национальный университет им. В. Даля (Луганск) и др.

Таблица 1. Классификация электронно-лучевых технологий

v=1—15 мм/с

Продолжение табл. 1

Примечание. hmin, hmax — соответственно минимальная и максимальная глубина обработки; Втах — максимальная ширина обработки; v — скорость обработки; Тщах — максимальная температура; D — диаметр отверстия; Uyc(t — ускоряю­ щее напряжение; Ртах — максимальная мощность электронного пучка; d — диа­ метр элек-тронного пучка; fCK — частота сканирования электронного пучка;

fMM — частота модуляции тока электронного пучка.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ ___________

Основной задачей в теории лучевых методов сварки, характеризу­ ющихся узким и глубоким проплавлением (рис. 1), является создание достоверной физической модели процесса сварки. Модель должна позволять прогнозировать геометрию и качество сварного шва и явля­ ется основой для разработки различных технологических приемов.

Нагрев электронным пучком

Среди источников сварочного нагрева высоконцентрированными являются лучевые источники (табл. 2), наиболее эффективны из которых электронный и лазерный пучки.

Электронным пучком называют узкий поток быстродвижущихся электронов. Электроны, эмитированные катодом, ускоряются в вакууме в высоковольтном электрическом поле между катодом и анодом, а затем формируются в аксиально-симметричный пу­ чок диаметром 0,01-1 мм. При торможении ускоренных электро­ нов в металле их кинетическая энергия превращается в тепловую. Чем больше плотность мощности в месте торможения электронов пучка, тем больше локальный разогрев металла.

Таблица 2. Сравнительные характеристики основных источников сварочного нагрева

В зависимости от ускоряющего напряжения и плотности метал­ ла электроны проникают в него на некоторую глубину (обычно до 50 мкм). Длину пробега быстрых электронов можно оценить по соотношению [44]

Физические основы

эффективный КПД нагрева пучком электронов составляет 80-95% в зависимости от атомного номера металла мишени. При сварке образуется глубокий канал в сварочной ванне. Выход из него от­ раженных электронов уменьшается, поэтому эффективный КПД нагрева электронным пучком при сварке возрастает до 90-99% .

Основные требования к пучку электронов — достаточно боль­ шая плотность энергии в поперечном сечении Wn и малый угол сходимости ап пучка на изделии. В большей мере они могут быть удовлетворены при высокой энергии электронов, что видно из со­ отношений [108]:

где 1„— ток электронного пучка. При увеличении ускоряющего на­ пряжения, уменьшении длины пути электронного пучка, уменьше­ нии давления (но не менее 1,93-10-6 Па) и молекулярной массы рассеивающего газа плотность энергии в поперечном сечении пуч­ ка увеличивается.

Торможение и рассеяние пучка электронов в результате столк­ новений с частицами среды при вневакуумной электронно-луче­ вой сварке ограничивают рабочее расстояние электронная пуш­ ка-изделие. При энергии электронов 175-200 кэВ оно составляет 10-20 мм. Разогрев газа в области прохождения пучка ведет к небольшому снижению рассеяния электронов.

Анализ тепловых процессов при электронно-лучевой сварке выполняют с помощью различных моделей ввода теплоты в зави­ симости от способа сварки. Существуюттри основные модели: 1 — точечного источника теплоты, соответствующая сварке тонкостен­ ных деталей; 2 — линейного источника теплоты, используемая для сварки со сквозным проплавлением; 3 — суперпозиция точечного и линейного источника теплоты, что отвечает сварке с неполным проплавлением. В некоторых случаях зона проплавления в попе­ речном сечении имеет треугольную форму. В связи с этим исполь­ зуется источник теплоты с треугольным распределением энергии по глубине свариваемого материала.

Температурное поле при лучевых методах сварки, соответству­ ющее моделям 2 и 3, характеризуют нестационарность, нелиней­ ность, неоднородность, конвективный тепломассоперенос в сва­ рочной ванне и наличие пародинамического канала. Поэтому полное решение задач о нагреве с учетом этих особенностей и кон­