Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка использует кинетическую энергию потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме. Чтобы уменьшить потери кинетической энергии электронов при соударении с молекулами газов воздуха и обеспечить химическую и тепловую защиту катода, в электронной пушке создают вакуум порядка 10-4… 10-6 мм рт. ст.

Техника сварки

При сварке электронным лучом проплавление принимает форму конуса (рис. 1). Плавление металла происходит на передней стенке кратера, а расплавляемый металл перемещается по боковым стенкам к задней стенке, где и кристаллизуется.

Рис. 1. Схема переноса жидкого металла при электронно-лучевой сварке: 1 — электронный луч; 2 — передняя стенка кратера; 3 — зона кристаллизации; 4 — путь движения жидкого металла ​

Проплавление во время электронно-лучевой сварке в основном обусловлено четырьмя факторами:

• давлением потока электронов;
• характером выделения теплоты в объеме твердого металла;
• реактивным давлением испаряющегося металла, вторичных и тепловых электронов;
• излучением. 

Также можно проводить сварку непрерывным электронным лучом. Но при сварке легкоиспаряющихся металлов — например, алюминия или магния — эффективность электронного потока и количество выделяющейся в изделии теплоты уменьшаются из-за потери энергии на ионизацию паров металлов. Тогда лучше вести сварку импульсным электронным лучом с большой плотностью энергии и частотой импульсов 100… 500 Гц. 

В результате глубина проплавления повышается. Правильная установка соотношения времени паузы и импульса позволяет сваривать очень тонкие листы. Теплоотвод во время пауз уменьшает протяженность зоны термического влияния. Однако при этом возможно образование подрезов, которые можно устранить сваркой колеблющимся или расфокусированным лучом.

Основные параметры режима электронно-лучевой сварки 

• сила тока в луче;
• ускоряющее напряжение;
• скорость перемещения луча по поверхности изделия;
• продолжительность импульсов и пауз;
• точность фокусировки луча;
• степень вакуумизации.

Таблица 1. Режимы электронно-лучевой сварки:

Чтобы перемещать луч по поверхности изделия, можно либо передвигать изделие, либо сам луч 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.

Основные типы сварных соединений, рекомендуемые для электронно-лучевой сварки, приведены на рисунке 2. Перед сваркой нужно провести точную сборку деталей — при толщине металла до 5 мм зазор не более 0,07 мм, при толщине до 20 мм зазор до 0,1 мм. Также важно поддерживать точное направление луча по оси стыка — отклонение не больше 0,2… 0,3 мм.

Рис. 2. Типы сварных соединений при сварке электронным лучом: а — стыковое (может быть с бортиком для получения выпуклости шва); б — замковое; в — стыковое деталей разной толщины; г — угловые; д и е — стыковые при сварке шестерен; ж — стыковые с отбортовкой кромок

Чтобы предупредить подрезы при увеличенных зазорах, нужен дополнительный металл в виде технологических буртиков или присадочной проволоки. В последнем случае появляется возможность металлургического воздействия на металл шва. Изменения зазора и количества дополнительного металла могут довести долю присадочного металла в шве до 50%.

Преимущества сварки электронным лучом

Высокая концентрация ввода теплоты в изделие. Теплота выделяется не только на поверхности изделия, но и на некоторой глубине в объеме основного металла. Фокусировка электронного луча может создать пятно нагрева диаметром 0,0002… 5 мм — это позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. Так 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.

Малое количество вводимой теплоты. Обычно для равной глубины проплавления при электронно-лучевой сварке нужно вводить теплоты в 4… 5 раз меньше, чем при дуговой. В результате резко снижаются коробления изделия.

Отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла газами. Наоборот, в ряде случаев наблюдается дегазация металла шва и повышение его пластических свойств. Это приводит к высокому качеству сварных соединений на таких химически активных металлах и сплавах, как ниобий, цирконий, титан, молибден и др. Можно также достичь хорошего качества электронно-лучевой сварки на низкоуглеродистых, коррозионностойких сталях, меди и медных, никелевых, алюминиевых сплавах.

Недостатки электронно-лучевой сварки: 

Возможность образования несплавлений и полостей. В корне шва на металлах с большой теплопроводностью и швах с большим отношением глубины к ширине.

Продолжительность приготовлений. Для создания вакуума в рабочей камере после загрузки изделий требуется длительное время.