Файл: Электроннолучевая сварка.docx

Оглавление

Введение

В XXI веке развитие авиационной промышленности, а затем и космической, характеризуется в первую очередь тем, что они интенсивно аккумулируют все новые достижения науки и техники. Наиболее наглядным и характерным примером этому является разработка и внедрение различных методов получения неразъемных соединений.

Требования, предъявляемые к качеству сварных соединений на сегодняшний день очень высоки.

В настоящее время существует большое количество методов и способов сварки. Особое применение в проектировании и производстве космических кораблей, самолетов, приборов управления полетом, получила электронно-лучевая технология сварки. К преимуществам данной технологии относится полная автоматизация, большая экономия электроэнергии и материала, высокая глубина проплавления, концентрация глубины проплавления по всему диапазону.

Указанные преимущества технологии делают актуальным ее применение для целей сварки тонкостенных деталей и микросварки герметизации корпусов в авиационной промышленности. Это означает, что благодаря электронно-лучевой сварки можно добиться высокого качества сварного шва, без понижения физических свойств, повысить ресурсы и мощность машин, создавать сложные узлы, детали и конструкции.

1. Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка - сварка с высокой концентрацией теплоты, отличной защитой. Сущность процесса состоит в использовании кинетической энергии потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме. Для уменьшения потери кинетической энергии электронов за счет соударения с молекулами газов воздуха, а также для химической и тепловой защиты катода в электронной пушке создают вакуум порядка 104 - 106 мм. рт. ст.

Электроны, обладающие достаточно высокой энергией, могут проникать в обрабатываемый материал на некоторую глубину. Максимальная глубина, пройдя которую электрон теряет свою энергию, зависит от ускоряющего напряжения и плотности обрабатываемого материала и может быть выражена зависимостью δ = 2,35 • 10^-12U²/ ρ, гдe δ - глубина проникновения, cм; U - ускоряющее напряжение, B ; ρ - плотность обрабатываемого материала, г/см³. Так, для стали с плотностью 7,8 г/см³ при U = 60 кВ δ ≈ 12 мкм. Следовательно, энергия электронного луча преобразуется в тепловую внутри тонкого поверхностного слоя. Взаимодействие электронного луча с обрабатываемым материалом вызывает ряд явлений, влияющих на технологию сварки и конструкцию сварочных установок.

Тепловое и рентгеновское излучения, отраженные, вторичные и тепловые электроны незначительнo снижают эффективно используемую дoлю энергии электронного луча для нагревa и плавления свариваемого металла.

При воздействии пучка электронов сравнительно невысокой плотности мощности (до 1 • 10⁵ Вт/см²) процесс электронно-лучевая сварки подобен процессу обычной электродуговой сварки. Проплавление существенно ограничено по глубине и в поперечном сечении близко по форме к полусфере. Такой процесс при меняется для сварки малых толщин (дo 3 мм).

1.1. Техника электронно-лучевой сварки

Сварку электронным лучом можно успешно применять в нижнем положении вертикальным лучом, вертикальным и горизонтальным швом на вертикальной стене (горизонтальным лучом) с неполным и сквозным проплавлением. Сварка в нижнем положении рекомендуется для толщин до 40 (стали) и до 80 мм (титановые и алюминиевые сплавы). Горизонтальным лучом со сквозным проплавлением сваривают металлы толщиной до 400 мм. Толщина зазора в стыке составляет 0,1—0,2 мм при глубине шва 20-30 мм и 0,3 мм при глубине шва >30 мм. В общем случае, зазор должен быть меньше диаметра луча.

При ЭЛС используют ряд технологических приемов для улучшения качества шва:

- сварку наклонным лучом (отклонение в направлении перемещения на 5—7°) для уменьшения пор и несплошностей и создания более равномерных условий кристаллизации;

- сварку с присадкой для легирования металла шва или восстановления концентрации легкоиспаряющихся в вакууме элементов;

- сварку на дисперсной подкладке для улучшения выхода паров и газов из канала (подкладка толщиной 40 мм из гранул или рубленой сварочной проволоки);

---

- сварку в узкую разделку (0,8—8 мм) в нижнем положении за счет наплавки присадки в прямоугольную разделку кромок;

- тандемную сварку двумя электронными пушками, из которых одна осуществляет проплавление, а вторая (меньшей мощности) формирует либо корень канала, либо хвостовую часть ванны. При квазитандемной сварке используют один луч, но периодически отклоняя его, например в хвост ванны, получают практически два луча;

- предварительные проходы для проверки позиционирования луча и очистки и обезгаживания кромок свариваемых металлов;

- двустороннюю сварку одновременно или последовательно двух противоположных сторон стыка примерно на половину толщины стыка. Одновременную двустороннюю сварку осуществляют как с общей ванной, так и с раздельными;

- развертку электронного луча: продольную, поперечную, Х-образную, круговую, по эллипсу, дуге и т. п. с амплитудой порядка диаметра луча и частотами до 1—2 кГц для создания более благоприятных газо- и гидродинамических условий формирования канала (резонансные режимы нагрева). Двойное преломление луча в процессе развертки позволяет, например, расширить корневую часть канала, что необходимо для подавления корневых дефектов;

- расщепление луча (за счет отклоняющей системы) для одновременной сварки двух и более стыков (точек);

- модуляцию тока луча (обычно с частотой 1—100 Гц) для управления теплоподачей в сварной шов;

- «косметическое» заглаживание — повторный проход для ремонта видимых дефектов шва как с внешней, так и с внутренней сторон. В некоторых случаях «косметические» проходы осуществляют с присадкой.

1.2. Основные параметры режима электронно-лучевой сварки

Основные параметры режима электронно-лучевой сварки (таблица 1):

- сила тока в луче;

- ускоряющее напряжение;

- скорость перемещения луча по поверхности изделия;

- продолжительность импульсов и пауз;

- точность фокусировки луча;

- степень вакуумизации.

Металл	Режим сварки
	Ускоряющее напряжение, кВ	Сила тока луча, мА	Скорость сварки, м/ч	Толщина, мм	Ширина шва, мм
Вольфрам	0,5	18...20	40...50	60	1,0
	1,0	20...22	75...80	50	1,5
Тантал	1,0	20...22	50	50	1,5
Таль типа 18-8	1,5	18...20	50...60	60...70	2,0
	20,0	20...22	270	50	7,0
	35,0	20...22	500	20	-
Молибден+вольфрам	0,5 + 0,5	18...20	45...50	35...50	1,0

---

Таблица 1

Таблица 1. Режимы электронно-лучевой сварки.
Для перемещения луча по поверхности изделия используют перемещение изделия или самого луча с помощью отклоняющей системы. Отклоняющая система позволяет осуществлять колебания луча вдоль и поперек шва или по более сложной траектории. Низковольтные установки используют при сварке металла толщиной свыше 0,5 мм для получения швов с отношением глубины к ширине до 8:1. Высоковольтные установки применяют при сварке более толстого металла с отношением глубины к ширине шва до 25:1.

Перед сваркой требуется точная сборка деталей (при толщине металла до 5 мм зазор не более 0,07 мм, при толщине до 20 мм зазор до 0,1 мм) и точное направление луча по оси стыка (отклонение не больше 0,2 ... 0,3 мм).

При увеличенных зазорах (для предупреждения подрезов) требуется дополнительный металл в виде технологических буртиков или присадочной проволоки. В последнем случае появляется возможность металлургического воздействия на металл шва. Изменяя зазор и количество дополнительного металла, можно довести долю присадочного металла в шве до 50%.

1.3. Преимущества сварки электронным лучом

Сварка электронным лучом имеет значительные преимущества:

1. Высокая концентрация ввода теплоты в изделие, которая выделяется не только на поверхности изделия, но и на некоторой глубине в объеме основного металла. Фокусировкой электронного луча можно получить пятно нагрева диаметром 0,0002 ... 5 мм, что позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. В результате можно получить швы, в которых соотношение глубины провара к ширине до 20:1 и более. Появляется возможность сварки тугоплавких металлов (вольфрама, тантала и др.), керамики и т.д. Уменьшение протяженности зоны термического влияния снижает вероятность рекристаллизации основного металла в этой зоне.

2. Малое количество вводимой теплоты. Как правило, для получения равной глубины проплавления при электронно-лучевой сварке требуется вводить теплоты в 4 - 5 раз меньше, чем при дуговой. В результате резко снижаются коробления изделия.

3. Отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла газами. Наоборот, в целом ряде случаев наблюдается дегазация металла шва и повышение его пластических свойств. В результате достигается высокое качество сварных соединений на химически активных металлах и сплавах, таких как ниобий, цирконий, титан, молибден и др. Хорошее качество электронно-лучевой сварки достигается также на низкоуглеродистых, коррозионно-стойких сталях, меди и медных, никелевых, алюминиевых сплавах.

---

1.4. Недостатки сварки электронным лучом

Недостатки электронно-лучевой сварки:

1. создание вакуума в рабочей камере, загрузка и выгрузка изделий из нее требуют значительного времени, что не только снижает производительность процесса, но и затрудняет осуществление комплексной автоматизации.

2. Вследствие торможения электронов в свариваемом металле, особенно при большом ускоряющем напряжении (> 100 кВ), возникает жесткое рентгеновское излучение, что требует дополнительной защиты обслуживающего персонала и, кроме того, усложняет и без того непростое оборудование.

3. Необходимость высококвалифицированного персонала.

2. Специфические дефекты в сварных швах при электронно-лучевой сварке

Особенности гидродинамических, тепловых и деформационных процессов при формировании сварного шва в ходе электронно-лучевой сварки приводят к образованию специфических дефектов, снижающих эксплуатационные характеристики соединений.

Вследствие периодического заливания дна пародинамического канала наблюдаются неравномерность проплавления с образованием пилообразной формы нижней части границы литой зоны, образование пор и усадочных раковин, особенно в корневой части шва, из-за недостатка жидкого металла при высокой скорости кристаллизации литой зоны малых размеров.

Корень шва имеет типичную пичковую структуру. Каждому пичку в корне шва соответствует чешуйка на поверхности шва, т.е. для сварного шва при ЭЛС характерна, как правило, слоистая структура.

Для предотвращения корневых дефектов необходимо формировать пародинамический канал с достаточно широкой нижней частью и закруглением канала. Изменение формы канала осуществляется изменением формы распределения плотности мощности электронного пучка в зоне сварки, например круговым сканированием пучка. Расширение корня шва позволяет также уменьшить опасность несплавлений свариваемых деталей из-за проявления остаточных или наведенных магнитных полей.

В центре шва по всей его высоте вследствие нормального теплоотвода в месте стыковки встречно-растущих кристаллитов и сосредоточения легкоплавких включений может возникать зона пониженной прочности с образованием продольных горячих трещин. Иногда их называют срединными трещинами. Их высота обычно составляет 2... 15 мм, а ширина 0,1... 0,3 мм . Следует при этом учитывать и высокую жесткость соединения при сварке больших толщин.

---

При уменьшении скорости сварки (при q₂ = const) глубина канала увеличивается. На выходе канала возможны захлопывание канала жидким металлом и образование полости.

К специфическим дефектам ЭЛС следует также отнести отклонение канала проплавления oт линии стыка вследствие отклонения луча при сварке сталей c остаточной намагниченностью. Для ликвидации этогo дефекта проводят предварительное размагничивание свариваемого изделия.

Из сказанного здесь следует, что геометрия и качество швов при ЭЛС взаимосвязаны более сильно, чем при дуговых способах сварки.

3. Технологические приемы сварки

Для улучшения качества шва и повышения производительности процесса ЭЛС разработано и применяется большое количество технологических приемов. Наиболее изученные и апробированные из них : формирование шва с обязательным полным проплавлением; развертка и наклон пучка; модуляция тока пучка; подача присадочного материала ; применение подкладок ; сварка смещенным и «расщепленным» пучком; выполнение прихваток и предгасительных проходов. Достаточно изученные и обоснованные приемы , но не получившие широко го применения, - тандемная сварка и сварка в узкую разделку. Рассмотрим наиболее освоенные приемы.

Полное проплавление свариваемого стыка - самый надежный и простой способ, позволяющий исключить корневые дефекты, свести к минимуму угловые деформации, уменьшить вероятность образования раковин и пор благодаря улучшению условий дегазации металла сварочной ванны. При сварке в нижнем положении этот прием применяется для соединения металлов c ?< 40 мм , а при сварке горизонтальным электронным пучком c ? ? 400мм. B последнем случае чтобы предотвратить вытекание из сварочной ванны жидкого металла иногда устанавливается ограничительная планка вдоль нижней кромки стыка.

Развертка электронного пучка. Очень широко используются такие развертки пучка : Х-образная, продольная, поперечная, по окружности, пo эллипсу, дуге и т.п. c амплитудой порядка диаметра пучка, c частотами дo 1- 2 кГц.

Эффект от развертки проявляется в изменении мгновенного и усредненного по периоду распределения плотности мощности электронного пучка. Соответственно меняются конфигурация сварочной ванны и характер гидродинамических процессов. Благодаря этому при сварке металлов больших толщин удается сильно расширить диаметр и повысить устойчивость канала в сварочной ванне, что благоприятно влияет на стабильность формирования швов: уменьшает разбрызгивание расплавленного металла, предотвращает вытекание расплава из ванны при сварке горизонтальным пучком. Вследствие изменения формы шва уменьшается склонность к образованию трещин, протяженных полостей и корневых дефектов.

---