Электронно лучевая пушка своими руками

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 05.10.2024

Метод электронно-лучевой сварки разработан в середине прошлого века. Он используется для соединения тонкостенных и толстостенных деталей из различных сплавов, включая тугоплавкие, сложные, деформирующиеся при нагреве. Лучевая сварка применяется даже для обработки керамики. Метод ЭЛС основан на способности электронов переносить энергию. Для образования потока заряженных частиц необходим вакуум высокой степени разряжения. Из-за этой технологической особенности перспективный метод не получил широкого применения.

Содержание

Сущность процесса электронно-лучевой сварки
Параметры и показатели ЭЛС
Схема установки электронно-лучевой сварки
Технология электронно-лучевой сварки

Техника ЭЛС
Технологические приёмы ЭЛС

Оборудование для электронно-лучевой сварки
Классификация и состав установок для ЭЛС
Электронно-лучевые пушки
Источники питания электронно-лучевой пушки

Сущность процесса электронно-лучевой сварки

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) осуществляется в вакууме, с помощью сфокусированного потока электронов с большой удельной мощностью, который воздействует на сварные кромки, расплавляя их.

Сварка тонкого металла проводится потоком мощностью, примерно, 104 Вт/см2. Для однопроходной сварки больших толщин металла, порядка 200-300мм, необходима мощность 105-106 Вт/см2.

Высокая концентрация энергии в лучевом потоке позволяет получать узкие и глубокие сварные швы с минимальной зоной термического влияния и высокими механическими свойствами при этом, сварка выполняется на больших скоростях.

Особенности

Поскольку технология не самая простая, ее сопровождают некоторые нюансы, которые нужно учесть для полного понимания сути. Первый нюанс заключается в том, что вся сварка происходит в среде вакуума. От этого поверхность деталей идеально чистая. И второй нюанс — детали нагреваются до крайне высоких температур. В итоге мы получаем шов минимальной толщины, который при этом еще и быстро формируется. Это очень хорошо.

Благодаря этим особенностям ЭЛС сварку можно применять при сварке самых разнообразных металлов. У двух деталей может быть разная толщина, состав и даже температура плавления. Шов все равно получится качественным. Минимальная толщина для сварки составляет 0,02 миллиметра. А максимальная — 100 миллиметров. Диапазон очень большой, можно варить большинство деталей. Это все, что вам нужно учесть.

Параметры и показатели ЭЛС

К характеристикам электронного луча, измеряемым в процессе сварки, относятся сила тока луча I, ускоряющее напряжение U, сила тока фокусирующей системы Iф, рабочее расстояние (расстояние от центра фокусирующей системы до сварных кромок) L, угол сходимости луча а, скорость перемещения лазерного луча V. Мощность луча Q=IU, Вт. Эти параметры задаются при сварке и с помощью них можно определить удельную мощность Qу, Вт/см2 и диаметр электронного луча d:

Если сварка ведётся в импульсно-периодическом режиме, то среднюю мощность луча можно определить по формуле:

где Iи — сила тока луча в импульсе, А; U — ускоряющее напряжение, В; f — частота импульсов, Гц; t — продолжительность импульса, с. Скорость сварки в импульсном режиме определяется по формуле:

где K — коэффициент перекрытия точек (обычно находится в пределах 0,5-0,9); b — диаметр сварной точки, см.

Наиболее распространённые значения параметров электронного луча для сварки находятся в следующих пределах: Q=1-120 кВт, при U=25-120 кВ, а=1-5°, t=20-200 мм; Vи=0,1-3 см/с; d=0,1-3 мм, f=1-100 Гц, t=5-100 мс, К>10.

Схема установки электронно-лучевой сварки

Электронно-лучевая сварка, в большинстве случаев, выполняется вертикальным, либо горизонтальным лучом в вакуумных камерах, размер которых зависит от размеров свариваемого изделия. Объём сварочных камер может составлять от 0,1 до сотен кубических метров. На рисунке ниже показана схема установки ЭЛС:

Электронная пушка, расположенная в камере (или на камере) создаёт электронный луч. В камере создают вакуум, который может колебаться в широких пределах: 1-10-3 Па. Но даже в низком вакууме (1Па), содержание кислорода в 17 раз, а азота в 10 раз меньше, чем в особо чистом аргоне, поэтому, защита зоны сварки в вакуумной камере очень эффективна.

Достоинства и недостатки

Сварка электронная с применением луча имеет несколько весомых плюсов, благодаря которым она и получила свое широкое распространение. Прежде всего, детали при сварке не коробятся, поскольку на деталь воздействует малое количество тепла. В среднем оно в 5 раз меньше, чем при других технологиях сварки.

Второе достоинство — это большие возможности. Вы можете сварить любые металлы и даже не металлы. Сварка керамики с вольфрамом? Пожалуйста! К тому же, можно настроить фокусировку луча и нагреть зону диаметром менее 1 миллиметра. Это впечатляет. Можно сварить детали практически любого размера.

Еще один плюс — это высокое качество шва. И не важно, что вы варите: обычную сталь или химически активные металлы вроде титана. В любом случае, качество соединения вас приятно удивит. А порой благодаря ЭЛС сварке удается достичь и улучшения характеристик металла. Вы также можете сварить любые сплавы, в том числе стойкие к коррозии. Возможности безграничны!

ЭЛС очень экономичная, поскольку потребляется мало электроэнергии. К тому же, технология универсальна и позволяет варить любые металлы. Вы также можете не разделывать кромки, если у вас нет такой возможности.

Что ж, достоинства весомые. Но что насчет недостатков? И без них не обошлось. Например, при сварке металлов с высокими теплопроводными свойствами велика вероятность образования отверстий в корне шва. Это влияет на прочность сварного соединения. И влияет негативно.

Также применение электро-лучевой сварки не всегда оправдано. Она незаменима при работе в труднодоступных местах, но если говорить о сварке в заводских условиях, то достоиснтва не всегда оправдывают себя.

Технология электронно-лучевой сварки

Техника ЭЛС

Электронно-лучевую сварку можно выполнять в нижнем положении вертикальным лучом, а также её можно применять при сварке вертикальных и горизонтальных швов на вертикальной стене. В этом случае электронный луч будет горизонтальным.
Сварка в нижнем положении рекомендуется при сваривании сталей толщиной до 40мм, или при сварке титановых и сварке алюминиевых сплавов толщиной до 80мм. С помощью горизонтального луча можно проварить металл толщиной до 400 мм со сквозным проплавлением. Для однопроходной ЭЛС конструкция должна учитывать глубокое проникновение луча в металл. На рисунке слева даны распространённые примеры конструкций, свариваемые электронным лучом.

Зазор в стыке составляет 0,1-0,2мм при сварке металла толщиной до 30мм. При сварке металла с толщиной более 30мм, величина зазора составляет 0,3мм. В общем случае, диаметр луча должен быть больше величины зазора.

Технологические приёмы ЭЛС

При электронно-лучевой сварке есть ряд специальных приёмов, позволяющих улучшить качество сварного шва:

1. Сварка наклонным лучом (отклонение луча составляет порядка 5-7°) позволяет уменьшить такие дефекты в сварном шве, как поры и несплошность металла, а также позволяет добиться равномерной кристаллизации металла.

2. Для легирования металла шва и для восполнения испаряющихся в процессе сварки элементов, используют присадку.

3. Для улучшения отхождения газов и пара из металла, сварку ведут на дисперсной прокладке из гранул или мелко нарубленной сварочной проволоки. Толщина прокладки составляет 40мм.

5. Сварку ведут тандемом из двух электронных пушек разной мощности. Более мощная пушка выполняет проплавление, а менее мощная пушка формирует корень канала, либо хвостовую часть ванны.

6. Для проверки позиционирования луча и очистки свариваемых кромок применяют предварительные проходы лучом.

7. Двустороннюю сварку выполняют одновременно с двух сторон стыка или последовательно, примерно на половину толщины металла.

8. В процессе сварки применяют развёртку электронного луча, тем самым создают лучшие газо- и гидродинамические условия формирования канала. Развёртка может быть продольная, поперечная, Х-образная, по окружности, по эллипсу и др. Двойное преломление луча в процессе развёртки позволяет качественнее проварить корень шва и снизить дефекты в нём.

9. Для сварки одновременно двух и более стыков выполняют расщепление луча с помощью отклоняющей системы.

10. Для управления теплоотдачей в сварной шов используют модуляцию тока луча, чаще всего с частотой 1-100Гц.

Область применения

стали разного класса при толщине металла до 8 см;
титановых или легких сплавов, у которых толщина не более 10 см;
медные сплавы — до 2 см.

тонкостенных или толстостенных конструкций, предназначенных для отдельного назначения;
крупных конструкций из однородного металла, когда их обработка высокими температурами крайне затруднительна.

Ученые, проектировавшие такие промышленные установки, заверяют — для ЭЛС нет проблемных материалов, среди тех, что известны современной науке.

Расчёт некоторых параметров режима ЭЛС

Скорость сварки, необходимая для проникновения луча на глубину Н, определяется по формуле:

Vсв

Связь параметров электронного луча с геометрическими характеристиками определяется по формуле:

B=(4nпnтQd/3,14VсвHSпл)1/2, где В — ширина сварного шва.

Оборудование для электронно-лучевой варки

Классификация и состав установок для электронно-лучевой сварки

По степени специализации установки для электронно-лучевой сварки делятся на универсальные и специализированные. По давлению в рабочей камере: с высоким вакуумом (с давлением в камере менее 1Па), с промежуточным вакуумом (давление в камере от 1 до 10 Па) и для сварки в среде защитных газов или в атмосфере (с давлением 1000-100000 Па).

По способу создания вакуума в зоне сварки различают камерные электронно-лучевые установки (когда изделие находится внутри рабочей камеры) и с локальным вакуумированием (вакуум создаётся только в зоне сварки).

На рисунке выше показана структура камерной установки для ЭЛС. В состав любой подобной установки обязательно входит электронно-лучевая пушка, источник питания, система создания вакуума, система управления.

Электронно-лучевые пушки

Электронно-лучевые пушки создают электронный луч. Основные узлы пушки показаны на рисунке слева. Это генератор электронов и система проведения луча. В состав генератора электронов входит катод, управляющий электрод и анод. В систему проведения луча входят юстирующие, фокусирующие и отклоняющие катушки.

Катоды бывают накальными (термокатоды) или плазменными. Термокатоды изготавливают из вольфрама, тантала, сплавов этих металлов с рением, или из гексаборида лантана.

Высоковольтные изоляторы изготавливают из керамики, стекла или специальных пластмасс. Анод и управляющий электрод изготавливаются из меди или нержавеющей стали.

Между анодом и катодом проложено ускоряющее напряжение. Управление лучом происходит путём изменения потенциала управляющего электрода по отношению к катоду.

Источники питания электронно-лучевой пушки (ЭЛП)

В состав источников питания ЭЛП входит источник ускоряющего напряжения, а также источники питания управляющего электрода, катода, юстирующей катушки, фокусирующей катушки и отклоняющей катушки. В состав источника ускоряющего напряжения входит регулирующий элемент на первичной или вторичной стороне высоковольтного трансформатора с преобразованием частоты питающего напряжения, или без него. На рисунке ниже показана схема источников ускоряющего напряжения.

Регулируют напряжение тиристорами или транзисторами на первичной стороне. Регулировка на вторичной стороне происходит при помощи специальных высоковольтных ламп. Для предохранения ЭЛП от электрических пробоев, источники ускоряющего напряжения оснащаются устройствами автоматического повторного включения. Это оснащение позволяет успешно выполнять сварку при частых пробоях при этом, значительного снижения качества сварки не происходит.

Источники ускоряющего напряжения располагают в баке с трансформаторным маслом, которое, кроме всего прочего, играет роль охлаждающей среды. Существуют также источники ускоряющего напряжения до 60 кВ, в которых в качестве охлаждения применяется воздух или компаунд.

Для гальванического разделения в источнике питания управляющего электрода предусмотрены трансформаторы высокой чистоты или совместно используемые светодиод/фототранзистор, соединённые между собой световодом. Для обеспечения постоянных параметров системы проведения луча, питание юстирующей, фокусирующей и отклоняющей катушек осуществляется при помощи регулятора тока.

Вакуумная система электронно-лучевой установки ЭЛУ

Вакуумная система ЭЛУ необходима для обеспечения требуемого давления в ЭЛП и в рабочей камере. В большинстве случаев, давление составляет 0,1-0,001 Па в ЭЛП и 0,01-10 Па в рабочей камере. ЭЛП изолируется от рабочей камеры посредством специального вакуумного клапана, который открывается на время проведения сварки. На рисунке справа представлена схема типичной вакуумной камеры электронно-лучевой установки.

В качестве механических насосов с максимальным давлением 0,1-10 Па, на практике применяются шиберные или золотниковые насосы и агрегаты на их основе. В их составе также используются двухроторные насосы. В случае необходимости создания высокого вакуума, применяют высоковакуумные паромасляные или турбомолекулярные насосы.

Система управления электронно-лучевой установкой

Система управления должна обеспечивать выполнение следующих задач:

1. Программное управление функционированием всех систем установки.

2. Мониторинг и диагностику работы всех систем установки.

3. Контроль и управление положением электронного луча по отношению к сварному стыку.

4. Контроль и управление пространственными, энергетическими и временными характеристиками электронного луча.

5. В случае работы установки в составе гибкой производственной системы — обеспечивать связь с системой управления более высокого уровня.

Элементарной базой системы управления является микропроцессор. Всё программное управление может осуществляться одним достаточно мощным компьютером, либо системой компьютеров, среди которых есть центральный и местные микропроцессоры, на которых выполняется локальное управление одним, или несколькими устройствами.

Виды сварочных лучевых установок

Электронно лучевые установки бывают камерными (обрабатываемые изделия помещаются целиком в камеру) и бескамерные (вакуум создается локально, только в месте сварки).

По величине рабочего ускоряющего напряжения установки делятся на:

низковольтные (10-30 кВ);
средние (40-60 кВ);
высоковольтные (100-200 кВ).

Промышленность производит универсальные установки и специализированные. Универсальные системы можно применять для ремонтной и экспериментальной сварки изделий. Специализированные системы настраиваются на изготовление однотипных деталей.

Системы могут применяться не только для сварки металлов, в том числе тугоплавких, но и для обработки керамики, стекла, алмазов и других материалов. Установки можно использовать для:

Некоторые агрегаты оснащаются механизмом горизонтального вращения для обработки деталей трубчатой формы.

Современные установки отличаются особой точностью позиционирования луча, поэтому они с успехом используется в микроэлектронике. Например, аппарат MEBW-60, который производит предприятие Focus, может сваривать детали из нержавеющей стали толщиной от 0,02 мм. Максимальная толщина стыка до 12 мм.

Дефекты сварных швов при электронно-лучевой сварке

Наиболее характерными дефектами при электронно-лучевой сварке с несквозным проплавлением являются не заполненные металлом полости, размером 5-10мм и периодическое несплавление корня шва.

Возникают дефекты из-за изменения глубины проплавления. Глубина проплавления может быть различной при одной и той же удельной мощности электронного луча и зависит она от скорости сварки. Чем меньше скорость сварки, тем больше глубина проплавления.

На рисунке сбоку показано формирование полости внутри сварного шва в сварочном канале. При уменьшении скорости сварки глубина канала увеличивается, и на выходе из канала возникает вероятность его захлопывание жидким металлом и образование полости в металле шва.

Формирование периодических дефектов в корне шва в виде несплавлений, амплитуда которых может достигать порядка 3-4мм, объясняется периодическими колебаниями жидкого металла в сварочной ванне и связанным с этими колебаниями периодическим перемыканием (закупориванием) канала.

Характерными дефектами электронно-лучевой сварки также являются отклонение канала проплавления от линии стыка кромок. Происходит это из-за отклонения электронного луча по причине воздействия на него магнитного поля. Это явление наблюдается при сварке сталей с остаточной намагниченностью. Для предотвращения подобного дефекта свариваемые изделия размагничивают до начала сварки.

Электронно-лучевая сварка – процесс далеко не новый и успешно применявшийся еще в далекие советские времена и применяемый по сегодняшний день. Принцип ее действия очень прост: в герметичной камере при помощи вакуумного насоса откачивается высокий вакуум порядка 2-5•10-4 мм рт.ст. Во вращателе закрепляются свариваемые детали в вертикальном или горизонтальном направлении. Конструкция всей установки напоминает конструкцию трубки телевизора. Есть электронная пушка большой мощности, состоящая из катушки, анодного и катодного элетродов и магнитов, в которой регенерируется электронный или ионный луч. Направив его на кромки соединяемых деталей можно производить их оплавление. На установках типа УЭЛС max глубина провара составляет около 5 мм. Сварку можно производить как точками, так и сплошным швом, путем проворачивания тел вращения вокруг оси или путем прямолинейного передвижения узлов. Детали устанавливаются в бронзовые оправки для интенсивного отвода тепла с места термического воздействия.

Если ранее сварка производилась преимущественно в ручном режиме оператором установки, то на сегодняшний день, прогресс не стоит на месте и появилась возможность программировать оборудование с целью его эффективной автоматической работы, а усовершенствование манипуляторов дает возможность соединять более сложные конфигурации швов.

Область применения: может применяться в приборо- агрегатостроении, радиотехнике, электронной и других областях.

Преимущества данного вида сварки очевидны:

Идеальная чистота узлов
Минимальные деформации
Возможность сваривать уже готовые детали с чертежными допусками
Шов аккуратный, без окалины и шлака
Сварка разнородных материалов и элементов разных толщин, возможность предварительного их подогрева расфокусированным лучем и последующий их отпуск до запуска воздуха в камеру.

Особенно целесообразно использование сварки электронным лучом в вакууме в следующих случаях:

При выпуске продукции из титана и сплавов на его основе
При изготовлении ответственных изделий, к сварным швам которых предъявляются высокие требования
Миниатюрных узлов для которых не допускается попадание окислов (частиц) во внутреннюю полость изделия
Когда изделие изготавливается из разнородных сплавов и один из них относится к числу легкоокисляемых металлов.

К минусам можно отнести стоимость оборудования. Это единственная причина, почему электронно-лучевой метод не получил своего развития в быту, а применяется исключительно в промышленности. Но тех, кто придумает упрощенный бытовой вариант ждут достойные вознаграждения. Так, что для тех, кто любит изобретать что-то новое есть такая возможность.

От общего к частному. Представляем вашему вниманию отчет, который будет полезен специалистам, а также общему кругу людей, интересующихся вопросами специальных методов сварки.

Прим. Приведенные сварочные режимы могут отличаться в зависимости от типа применяемого оборудования и являются ориентировочными.

Технический отчет

Отработка изготовления корпусов электромагнитов с применением электронно-лучевой сварки вместо диффузионной сварки.

Цель: повышение технологичности изделия

Описание объекта: корпус электромагнита состоит из 5 деталей, изготовленных из сталей 12Х18Н10 и 10864, чередующихся между собой и соединенных диффузионной сваркой. См. Рис.1.

Деталь предназначена для направления линий магнитного поля, создаваемых обмоткой, через сердечник в центре детали см. Рис.2, т.к. сталь 12Х18Н10 сопротивляется прохождению магнитного поля.

Методика проведения работы

1 этап

На первом этапе были изготовлены три образца для изучения и отработки технологии лучевой сварки см. Рис.3

Сварка проводилась на установке УЭЛС-902. Рабочая среда вакуум. Схема оборудования приведена на Рис.4 и 5.

Были проведены опыты с шестью режимами сварки (в зависимости от силы тока) для определения глубины сварки. Фотография микрошлифов и режимы сварки приведены на Рис.6, луч был настроен по центру сварного шва.

Возможные причины: плохая промывка деталей (была проведена ручная промывка в ацетоне и спирте) требуется ввести промывку в ультразвуковой ванне (УЗВ).

В результате проведенной работы были получены замеры глубины сварки при разной энергии пучка, данные приведены в таблице.

№ п/п	Энергия пучка, mA	Глубина провара, мм
1	20	2,5
2	25	2,9
3	30	3,7
4	35	4
5	40	4,5
6	45	5

Также на фотографии микрошлифов (Рис.4) отчетливо видно, что при сварке сталь 12Х18Н10т вытесняет сталь 10864. Возможные причины – более высокая температура плавления стали 12Х18Н10 -1480±5 о С, чем у стали 10864. В результате размер 12 (см. Рис.3) увеличился приблизительно до 13 мм.

Для настройки луча по центру сварного шва на кромках деталей, выходящих в сварной шов, необходимо сделать фаски 0,2 … 0,3 мм.

Этап 2

Для обеспечения провара всех швов была пересмотрена конструкция детали, в частности схемы расположения сварных швов (см. Рис.8). Тонкими линиями на рисунке показан контур детали.

В связи с эффектом вытеснения сталью 12Х18Н10 стали10864 длина детали позиция 3 была уменьшена с 12 мм на 0,8 мм, а деталей позиция 2 и 4 соответственно каждая увеличена на 0,4 мм (см. Рис.9) для обеспечения чертежных размеров.

Заготовки под сварку были изготовлены согласно приведенным эскизам. Припуски под дальнейшую обработку показаны на рис. 8.

Подготовка деталей

К сварке было подготовлено 4 комплекта деталей.

Все детали были промыты в ультразвуковой ванне (УЗВ), затем в ацетоне и окончательно в спирте. Промывка в ацетоне и спирте и сборка деталей проводилась пинцетом для исключения загрязнения свариваемых поверхностей.

Примечание. До момента сварки детали хранились в емкости со спиртом, сборка под сварку проводилась непосредственно на участке, чтобы на деталях не появлялась ржавчина.

Сварка

Окружающая среда: температура 25 о С, влажность 83%.

Рабочая среда сварки – вакуум. Время вакуумирования составляет ≈ 15 … 20 минут.

Основные настраиваемые параметры электронно-лучевой сварки:

-А –энергия луча, mA (определяется силой тока);

-V- скорость вращения двигателя на приспособлении (влияет на скорость вращения детали в приспособлении), рад/сек;

-Т- время сварки, сек.

Энергией луча регулируют глубину провара. Для настройки энергии луча был изготовлен образец (многоразовый), эскиз приведен в приложении Б. Образец необходим при каждой перенастройке энергии луча.

Скоростью и временем сварки регулируют перекрытие сварного шва (в зависимости от диаметрального расположения шва длина шва будет изменяться).

Внимание!! При настройке перекрытия также необходимо учитывать режим сглаживания шва. Этот режим всегда присутствует и длится ≈1-2 сек., при этом установка постепенно уменьшает энергию луча, если его не учесть, тогда на каком-то участке детали возможен провар на меньшую глуюину.

Сварка производилась на приспособлениях, фото которых приведены в приложении В.

Эскизы приспособлений, изготовленных для проведения сварки, приведены в приложении Г.

Настройка луча на сварной шов регулируется с помощью:

Расположением приспособления в рабочей зоне – грубая настройка, в продольном направлении, по отношению к детали, регулировка производится автоматикой на панели управления и может проводиться при закрытой камере. В поперечном направлении регулировка возможна только вручную винтом и при открытой камере;
Отклонением луча – точная настройка.

Результаты

Сварено 4 детали.
Раковины от микровзрывов отсутствуют от всех деталях.
Качество сварки хорошее, проверено изготовлением микрошлифа на детали (см. Рис.10) и давлением жидкости 550 атм., поданной в полость ø 10 +0,018 в течение 3 минут – деталь не разрушилась, течи не наблюдались.
Биения ø16 и ø28 относительно ø53, полученные после сварки, показаны на Рис.11 и в табл. 2. Возможные причины: биение резьбы в детали поз1. Относительно конуса под сварку, в результате чего при затяжке возникла изгибающая нагрузка и при сварке на 1 переходе деталь согнуло. При последующей механообработке на первой токарной операции деталь базировали по ø53 и выставляли биение ø28 до 0,35 мм. Заложенных припусков оказалось достаточно. Возможные меры:

— переходы сварки выполнить в обратном направлении – сварка на торце, сварка под углом, сварка центральной части;

-предусмотреть методы обеспечения биения резьбы М5 относительно конуса в пределах 0,1 мм.

-предусмотреть в первой операции выставление биения ø28 детали до 0,35 max

Изобретение относится к электронике и электротехнике в области термообработки металлов с целью их вакуумного плавления, испарения, наплавления, сварки, резки, для аддитивных технологий, и может быть использовано в автоматизированных технологических процессах для авиационно-космического, судо- и автомобилестроения, железнодорожного транспорта, двигателе- и машиностроения.

Известные конструкции электронно-лучевых пушек (ЭЛП) имеют ресурс эксплуатации до 50 часов. Между тем, использование ЭЛП в технологических установках, как правило, сопровождается вакуумированием рабочей камеры и самой ЭЛП. Это длительный подготовительный процесс, который существенно расходует ресурс ЭЛП. Таким образом, ресурс ЭЛП является неприемлемо низким при высокой цене самой ЭЛП и является серьезным ограничением для реализации современных технологий термообработки металлов. Невозможность многократного повторения технологических процессов без изменения условий обеспечения является причиной разброса параметров и качества технологической продукции. В связи с этим ресурс эксплуатации ЭЛП наряду с ее функциональными параметрами является параметром, определяющим качество ЭЛП в целом. Основным элементом, определяющим надежность и ресурс ЭЛП, является катод. Причиной его износа является поток встречных положительных ионов, имеющих место в корпусе ЭЛП из-за недостаточного вакуумирования, а также появляющихся в технологическом процессе термообработки металлов и интенсивного нагрева элементов конструкции ЭЛП. Материал, конструкция, условия и режимы работы катода определяют ресурс ЭЛП.

Изобретение RU 2314591 C1 10.01.2008 предлагает способы, компенсирующие деструктивные изменения катодного каскада в процессе его разрушения и повышающие ресурс эксплуатации и надежность, однако они не касаются явных средств борьбы с разрушительным потоком обратных ионов.

Наиболее близким к настоящему изобретению является изобретения RU 2314593 С2 10.01.2007. В зависимости от назначения ЭЛП катод выполняется с плоской эмитирующей поверхностью, либо в нем создается углубление для локализации приема бомбардирующих его положительных ионов. Недостатком такого способа является отсутствие четкой границы между эмитирующими поверхностями катода и областью поглощения ионов. Это ведет к износу катода и изменению его эмиссионных способностей в процессе эксплуатации. В результате даже одна партия изделий, полученных в ходе технологического процесса, может иметь значительный разброс параметров.

Еще один недостаток, снижающий надежность и ресурс эксплуатации ЭЛП, связан с косвенным нагревателем катода, выполненным из вольфрамовой проволоки. Разность потенциалов между катодом и нагревателем около 2 кВ. В изолированной камере нагревателя при температуре более 2300°С возникает локальный поток положительных ионов, обусловленный наличием остаточных газов и газовыделений, сопровождающих разрушение катода в процессе его эксплуатации. Спираль нагревателя не содержит средств защиты от бомбардировки ионами, которая пропорциональна высокому напряжению между катодом и нагревателем.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка ЭЛП с существенно повышенным ресурсом эксплуатации за счет конструктивных особенностей катода и его нагревателя.

Поставленная задача решается тем, что электронно-лучевая пушка с повышенным ресурсом эксплуатации содержит катодный каскад в корпусе с собирающей линзой, анод и лучевод с фокусирующими и отклоняющими линзами, тепловые изоляторы, токоподводы и систему водоохлаждения, причем катод имеет разделение эмитирующей поверхности и ионо-поглотительного углубления за счет цилиндрической формы углубления, нагреватель катода выполнен в виде нагревательной спирали, обвитой вокруг катода, и соединенной с катодом последовательно, сечение катода со стороны высоковольтного питания заужено.

На фиг. 1 показан общий вид электронно-лучевой пушки.

На фиг. 2 показан катодный каскад.

ЭЛП предназначена для создания электронного пучка и управления им. Основными модулями ЭЛП являются высоковольтный ввод 1, катодный каскад 2, анод 3 и лучевод 4.

В корпус высоковольтного ввода 1, внутренняя поверхность которого выполнена из электроизоляционного материала 5, заключен опорный изолятор. Опорный изолятор конструктивно объединяет в себе изолятор 6 и проходящий через него к катодному узлу 2 коаксиальный водоохлаждаемый токоподвод 7.

С внешней стороны коаксиального водоохлаждаемого токоподвода 7 (со стороны атмосферы) на нем установлены клеммы 8 для подсоединения электрических кабелей высокого напряжения и штуцеры 9 для подачи охлаждающей воды. Охлаждение коаксиального водоохлаждаемого токоподвода 7 устроено по принципу трубки Фильда. С внутренней стороны (со стороны вакуума), к коаксиальному водоохлаждаемому токоподводу 7, крепится тепловой экран 10, выполненный из магнитомягкой стали предохраняющий изолятор 6 от радиационного излучения катодного узла 2.

Катодный каскад 2 (фиг. 2) установлен в корпусе 11 с водоохлаждением 12. Катод крепится к внутренней части коаксиального водоохлаждаемого токоподвода 7 опорного изолятора. В тепловом экране 10 закреплен электрод 13, проходящий через тепловую изоляцию 14 и подающий питание на вольфрамовую спираль 15 нагрева катода 16.

Нагрев катода осуществляется радиационным способом вольфрамовой спиралью 15. Катод и вольфрамовая спираль окружены многослойной экранной тепловой изоляцией 14.

Корпус 11 катодного узла, выполненный из немагнитной нержавеющей стали с водяной рубашкой охлаждения, установлен на анод 3. В корпусе 11 имеется патрубок дифференциальной откачки 17 катодного узла 2.

С внешней стороны корпус 11 катодного узла 2 охвачен катушкой собирающей электромагнитной линзы 18, а внешний кожух 19, изготовленный из магнитомягкой стали, является обратным магнитопроводом собирающей линзы и одновременно исполняет роль конструктивного элемента, через который производится вакуумное уплотнение изолятора 6 с корпусом 11 и корпуса с анодом 3.

Анод 3 установлен на лучевод 4, который выполнен из немагнитной нержавеющей стали с водоохлаждением 20. На наружной поверхности лучевода базируются две фокусирующие 21 и отклоняющая 22 электромагнитные линзы.

Анод 3 выполнен из магнитомягкой стали и имеет водяное охлаждение 23. Со стороны, обращенной к катоду, он имеет форму конуса с углом Пирса. С обратной стороны внутренняя часть анода 3 выполнена тоже конической для обеспечения свободного прохода расширяющегося электронного пучка. Анод 3 является полюсом как электростатической, так и магнитной линз. Электростатическое поле образуется за счет разности потенциалов между катодом и анодом. Благодаря конической поверхности с углом Пирса градиент электростатического поля постоянен, поэтому эмиттанс получаемого электронного пучка минимальный. Магнитное поле возбуждается катушкой собирающей линзы 18 и замыкается по контуру анод 3 - внешний кожух (обратный магнитопровод) 19 - тепловой экран (второй полюс магнитной линзы) 10 - анод.

Водоохлаждение ЭЛП разделено на два контура. Первый контур со штуцерами 9 охлаждает коаксиальный водоохлаждаемый токоподвод 7, находящийся под высоким напряжением, а второй - лучевод 4 (водоохлаждение 20), анод 3 (водоохлаждение 23) и корпус 11 катодного узла 1 (водоохлаждение 12), находящиеся под потенциалом земли. Лучевод 4, анод 3 и корпус катода 11 по охлаждению соединены последовательно.

Электронно-лучевая пушка работает следующим образом.

Катод 16 нагревается до температуры, при которой ток эмиссии с его поверхности 24, обращенной к аноду 3, достигает необходимой величины. Электроны, эмитированные с поверхности, ускоряются потенциалом катода и фокусируются в отверстие анода как электростатическим, так и магнитным полями. Конфигурация полей такова, что эмиттанс пучка минимален. Непосредственно за отверстием анода пучок проходит кроссовер 25 и начинает расширяться. Первая фокусирующая линза 21 преобразует расширяющийся пучок в параллельный, а при помощи второй устанавливается необходимый по технологическому процессу диаметр пучка на поверхности изделия. При такой фокусировке искривление портрета пучка на фазовой плоскости и, соответственно, аберрации, вносимые в пучок фокусирующей системой минимальны. Отклоняющая линза 22 состоит из двух независимых блоков катушек, создающих взаимно перпендикулярные магнитные поля 26, перпендикулярные оси пучка. Величина магнитного поля, создаваемого каждым блоком катушек в апертуре линзы постоянна. Катушки базируются на круговом магнитопроводе и имеют разное количество витков. Количество витков в катушках аппроксимируют синусоидальный закон распределения плотности тока по углу для создания магнитного поля по оси Х и косинусоидальный вдоль оси Y.

Ресурс эксплуатации ЭЛП определяется ресурсом эксплуатации катода. Износ катода определятся двумя процессами:

- распыление металла бомбардировкой потоком обратных ионов, которые исходят из пучковой плазмы, ускоряются до энергии пропорциональной потенциалу катода и попадают на его поверхность;

- испарение металла с нагретых до высокой температуры поверхностей деталей катода.

Детали, определяющие ресурс эксплуатации катода, это нить накала и активная поверхность катода, участвующая в получении тока эмиссии.

Нить накала выполнена из вольфрама. Диаметр и длина нити определяются тепловым расчетом и приняты такими, что при температуре поверхности катода, с которой идет эмиссия электронов, 2200°С температура поверхности нити не превышает 2300°С.

Распыление нити бомбардировкой потоком обратных ионов исключено, так как она надежно защищена тепловой защитой и самим катодом.

Время, за которое диаметр нити уменьшится на 0,1 мм (а радиус, - на 0,005 см) составит

Катод выполнен из ниобия. Рабочая поверхность катода, с которой идет эмиссия электронов, нагревается до температуры 2200°С.

Распыление рабочей поверхности бомбардировкой потоком обратных ионов не происходит, так как ионы фокусируются собирающей линзой, проходят через центральное отверстие в катоде и попадают на его дно. Поверхность дна отверстия в эмиссии электронов для получения пучка не участвует. Конструкция катода такова, что его распыление на дне центрального отверстия на ресурс эксплуатации катода в целом не сказывается.

Время, за которое длина катода уменьшится на 4 мм (на 0,4 см) составит

где ΔL уменьшение длины катода; V=1,87⋅10 -7 г/см 2 с - скорость испарения ниобия при температуре 2227°С; γ=8,57 г/см 3 - удельный вес ниобия.

На основании приведенных расчетов и опыта эксплуатации ресурс эксплуатации катода и, соответственно, ЭЛП определен не менее 500 час.

Отличие настоящего изобретения в том, что эмитирующая поверхность 24 катода 16 и ионо-поглотительное углубление 27 радикально разделены за счет формы углубления: не конусообразной, а цилиндрической. Облако эмитированных электронов, скопившихся в ионо-поглотительном углублении, создает потенциальный барьер для дальнейшей эмиссии электронов со дна ионо-поглотительного углубления, и в то же время является четкой мишенью для обратных ионов, устремленных от анода к катоду. В результате эмитирующая поверхность катода оказывается надежно защищенной от разрушительной бомбардировки обратными ионами.

Еще одно отличие заключается в конструкции нагревателя катода, который выполняют в виде нагревательной спирали, обвитой вокруг катода, и соединенной с катодом последовательно. Сечение катода со стороны высоковольтного питания зауживают для направленного теплового воздействия на эмитирующую поверхность катода. Такая конструкция исключает наличие высоковольтного напряжения между нагревателем и катодом, а, следовательно, потоки обратных ионов, бомбардирующих обмотку нагревателя катода, снижающих ее ресурс эксплуатации и надежность.

Технический результат настоящего изобретения, заключается в том, что ресурс эксплуатации ЭЛП увеличивается по сравнению со среднестатистическим ресурсом аналогичных ЭЛП до 10 раз. Это радикально изменяет эксплуатационные возможности ЭЛП в технологических процессах термообработки металлов в вакууме, поскольку становится возможным непрерывное многократное повторение технологического процесса. Вся партия выходной продукции, выпущенная в одинаковых условиях и с одинаковыми режимами, имеет минимальные разбросы параметров.

Иллюстрации к изобретению RU 2 709 793 C1

Реферат патента 2019 года ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ПУШКА С ПОВЫШЕННЫМ РЕСУРСОМ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Изобретение относится к электронике и электротехнике в области термообработки металлов с целью их вакуумного плавления, испарения, наплавления, сварки, резки, для аддитивных технологий. Электронно-лучевая пушка содержит катодный каскад в корпусе с собирающей линзой, анод и лучевод с фокусирующими и отклоняющими линзами, тепловые изоляторы, токоподводы и систему водоохлаждения. Катод имеет разделение эмитирующей поверхности и ионопоглотительного углубления за счет цилиндрической формы углубления. Нагреватель катода выполнен в виде нагревательной спирали, обвитой вокруг катода и соединенной с катодом последовательно. Сечение катода со стороны высоковольтного питания заужено. Технический результат - увеличение ресурса эксплуатации ЭЛП, возможность непрерывного многократного повторения технологического процесса. Вся партия выходной продукции, выпущенная в одинаковых условиях и с одинаковыми режимами, имеет минимальные разбросы параметров. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 709 793 C1

Электронно-лучевая пушка, содержащая катодный каскад в корпусе с собирающей линзой, анод и лучевод с фокусирующими и отклоняющими линзами, тепловые изоляторы, токоподводы и систему водоохлаждения, отличающаяся тем, что катод имеет разделение эмитирующей поверхности и ионопоглотительного углубления за счет цилиндрической формы углубления, нагреватель катода выполнен в виде нагревательной спирали, обвитой вокруг катода и соединенной с катодом последовательно, сечение катода со стороны высоковольтного питания заужено.

Публикации для людей, интересующихся наукой и техникой

Рис. 1. Упрощенное изображение электронно-лучевой сварки в вакууме

По эксплуатационным расходам сварка электронным лучом в вакууме существенно дешевле дуговой сварки в камерах с контролируемой атмосферой. Все основные энергетические и геометрические параметры электронного пучка регулируются с высокой скоростью и быстродействием. Это позволяет вводить в металл точно дозированную энергию, реализовывать различные технологические приемы и обеспечивать высокую воспроизводимость процесса сварки. Можно производить сварку сложных сборок в углублениях и труднодоступных местах.

При ЭЛС используется кинетическая энергия потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме. Для снижения 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 10 -4 . 10 -6 мм рт. ст.

Высокая концентрация ввода мощности в изделие, которая выделяется не только на поверхности, но и на значительной глубине в объеме основного металла. Фокусировкой электронного луча можно получить пятно нагрева диаметром 2·10 -4 . 5 мм, что позволяет сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. В результате можно получить швы, в которых соотношение ψ глубины к ширине провара достигает 20 и более. Появляется возможность сварки тугоплавких металлов: вольфрама, тантала, керамики. Технически возможно уменьшение ширины зоны термического влияния по сравнению с другими способами сварки плавлением, что повышает качество сварного соединения.
Малое количество затрачиваемой энергии. Расходы характеризуются удельной энергией (Дж/см 2 ), приходящейся на единицу площади образуемого соединения.

Так как эффективные мощности при ЭЛС близки к мощностям дуговой сварки, то благодаря высокой скорости соединения для получения равной глубины проплавления при ЭЛС требуется вводить энергии в 4…5 раз меньше, чем при дуговой сварке. В результате значительно снижаются сварочные остаточные напряжения и деформации изделия.

Эффективность способа сварки плавлением можно оценить показателем, которому авторы дали название частоты сварки. При сварке плавлением обычно значительная мощность затрачивается нерационально на переплавление большого количества металла, чтобы обеспечить расплавление точек, наиболее удаленных от источника тепла.

ЭЛС рассматривается как наиболее перспективный способ соединения изделий из тугоплавких металлов, изделий из термически упрочнённых материалов, когда нежелательна, затруднена или невозможна последующая термообработка изделий после завершающей механической обработки при необходимости обеспечения минимальных сварочных деформаций и ряда толстостенных конструкций ответственного назначения.

При сварке электронным лучом проплавление имеет форму конуса (рис. 2). Плавление металла происходит на передней стенке кратера, а расплавляемый металл перемещается по боковым стенкам к задней стенке, где он и кристаллизуется.

Рис. 2. Схема переноса жидкого металла при электронно-лучевой сварке:

1 – электронный луч; 2 – передняя стенка кратера; 3 – зона кристаллизации; 4 – путь движения жидкого металла

Проплавление при элс обусловлено в основном давлением потока электронов, характером выделения теплоты в объеме твердого металла и реактивным давлением испаряющегося металла, вторичных и тепловых электронов и излучением. Часто сварку ведут электронным лучом со стабильной мощностью, но при сварке легкоиспаряющихся металлов (алюминия, магния) эффективность электронного потока и количество выделяющейся в изделии теплоты уменьшаются вследствие потери энергии на ионизацию паров металлов. В таком случае сварку нужно вести импульсным электронным лучом с большой плотностью энергии и частотой импульсов 100. 500 Гц. При правильном выборе соотношения времени паузы и импульса можно сваривать очень тонкие листы. При формировании сварного шва возможно протекание двух типов процессов: периодическое испарение (с частотой до 10 кГц) и колебания жидкого металла в сварочной ванне (с частотой порядка 1. 100 Гц). Применение высоких скоростей сварки обеспечивает минимальное термическое воздействие на свариваемый материал в околошовной зоне, а высокие скорости кристаллизации при эффективном теплоотводе – получение высоких механических свойств сварных соединений.

ЭЛС применяется в различных отраслях промышленности. Она позволяет соединить за один проход металлы и сплавы толщиной от 0,1 до 400 мм и обладает очень обширными технологическими возможностями.

Высокое качество сварных соединений в изделиях достигается с помощью оптимальных конструктивных решений и технологических приемов сварки, выбор которых должны осуществлять совместно технолог-сварщик и проектировщик изделия. Качество шва при ЭЛС, определяется общностью заданных технологических и энергетических параметров процесса. Поддержание на стабильном уровне энергетических параметров процесса сварки обеспечивает при неизменных технологических условиях постоянство эксплуатационных параметров сварного соединения. Неверный выбор режима или нарушение оптимального режима ЭЛС нередко приводят к появлению в швах дефектов. Классификация дефектов следующая: непровары, подрезы, провисание шва, повышенное разбрызгивание корневые, протяженные полости в объеме сварного шва, срединные трещины, отклонения сварного шва от стыка из-за остаточных или наведенных магнитных полей, периодическая бугристость сварного шва и периодические выплески расплава. Корневые дефекты шва - это самый распространенный вид дефектов при сварке, обычно с глубиной шва более 5 мм, в любом пространственном положении. Протяженные полости встречаются при сварке сталей, титановых и алюминиевых сплавов с глубиной шва более 15 мм.

С помощью электронного пучка можно сваривать только электропроводящие материалы, т. е. металлы, химические соединения и сплавы на их основе. Большинство современных конструкционных металлов и сплавов хорошо свариваются электронным лучом.

Диапазон свариваемости может быть расширен путем использования более чистых материалов. Применение сталей, полученных методом электрошлакового переплава, позволяет, получать высококачественные сварные соединения более простыми технологическими приемами при гораздо более низкой доле неисправимого брака.

Не свариваются с помощью электронного луча легкоиспаряющиеся материалы: автоматные, цементированные и низкоуглеродистые стали с высокой концентрацией углерода, кадмий, медь, олово, свинец, цинк, бронза, латунь. Это объясняют тем, что под действием высококонцентрированного электронного луча в вакууме происходит их взрывное вскипание, это приводит к выбросу основной массы расплава. ЭЛС позволяет соединять довольно большое количество комбинаций разнородных и разноименных материалов, в том числе из растворимых и нерастворимых друг в друге материалов.

Количество соединяемых пар может быть увеличено, если в стык свариваемых деталей вводить вставку в виде фольги толщиной 0,1…0,8 мм из специально подобранного связующего металла. Для соединения разнородных материалов используется как режим сварки, так и режим пайки, при котором электронный пучок смещается относительно плоскости симметрии стыка в сторону более тугоплавкого металла, величина же смещения либо рассчитывается, либо определяется экспериментально. Значения эффективного КПД при ЭЛС порядка 0,85…0,95.

В результате высокой концентрации мощности в направлении распространения тепла при сварке электронный луч – один из самых эффективных, по сравнению с другими сварочными источниками энергии.

Технологические схемы сварки

Сварку электронным лучом можно осуществлять с определенными ограничениями в любых пространственных положениях. Для листовых материалов сварку в нижнем положении (рис. 3) выполняют как без подкладки, так и на подкладке. Ее применяют для соединения сталей толщиной до 40 мм, титановых и алюминиевых сплавов толщиной до 80 мм. Наиболее предпочтительна сварка на боку и на подъем, которую выполняют для металлов любой толщины, в основном без подкладки. Для предотвращения вытекания расплава из сварочной ванны при сварке с глубоким проплавлением иногда устанавливают ограничительную планку вдоль нижней кромки стыка. Сварку в потолочном положении выполняют на металлах толщиной до 20 мм и применяют чрезвычайно редко.

Рис. 3. Основные типы соединений деталей при электронно-лучевой сварке:

а – в стык тонколистовых деталей на подкладке и без нее;

б – с отбортовкой кромок различной толщины; в – внахлестку;

г – в узких разделках и труднодоступных местах;

д – однопроходная сварка одновременно нескольких стыков проникающим лучом;

е – сварка двух цилиндров электронным лучом через ребро жесткости

Подготовка поверхности к сварке

Предварительная очистка свариваемых поверхностей и самих деталей выполняется механически. Очистке подлежат стыкуемые поверхности, внешние и внутренние поверхности деталей на расстоянии до 100 мм от кромки при сварке толстолистовых металлов и до 10 мм при сварке тонколистовых металлов.

Элементы конструкций, детали механизмов и конструкции в целом в зависимости от марки материала в процессе изготовления приобретают остаточную намагниченность.

Остаточная намагниченность изделий приводит к ряду негативных явлений:

Операцию размагничивания необходимо осуществлять после сборки стыкового соединения непосредственно перед загрузкой изделия в вакуумную камеру или подачей в зону сварки.

Размагничивание – это процесс воздействия внешнего магнитного поля, в результате которого уменьшается намагниченность ферромагнитного материала. Полное размагничивание достигается в том случае, если возможен предварительный подогрев изделия до температуры Кюри с последующим охлаждением в отсутствие магнитного поля и механических воздействий.

Наиболее применяемым способом размагничивания является периодическое перемагничивание с убывающей амплитудой.

Схемы установок для ЭЛС

Электронно-лучевые сварочные пушки (рис. 4) могут быть стационарными или перемещаемыми внутри вакуумной камеры. Размеры вакуумных камер электронно-лучевых сварочных установок определяются габаритами свариваемых изделий. Установки для сварки изделий малых и средних габаритов обычно снабжаются универсальными многопозиционными механизмами для перемещения либо вращения изделий.

Рис. 4. Схема установки для электронно-лучевой сварки:

1 – стационарная электронно-лучевая сварочная пушка; 2 – катод и прикатодный электрод;

3 – смотровое окно; 4 – вакуумная камера; 5 – механизм перемещения свариваемого изделия;

6 – система электромагнитного отклонения луча; 7 – система фокусировки луча

Основным элементом любой сварочной установки для элс является электронная пушка (рис. 5), назначение которой состоит в формировании электронного пучка с большой плотностью энергии.

Рис. 5. Принципиальная схема элс:

1 – катод; 2 – фокусирующий электрод; 3 – анод; 4 – магнитная линза;

5 – магнитная отклоняющая система; 6 – площадка для детали;

7 – источник высокого напряжения постоянного тока;

8 - электронный пучок; 9 - плавление материала

Пушка состоит из катода 1, помещённого в центре фокусирующего электрода 2, и анода 3 с отверстием, расположенного на некотором удалении от катода. Прикатодный фокусирующий электрод и анод имеют форму, обеспечивающую такое строение электрического поля, которое формирует узкий электронный пучок. Пушка питается электрической энергией от источника высокого напряжения постоянного тока 7. Положительный потенциал анода может достигать нескольких десятков тысяч вольт, поэтому электроны, эмитированные катодом на пути к аноду, приобретают значительную энергию.

Для увеличения плотности энергии в луче электроны после выхода из анода фокусируются с помощью магнитной линзы 4. Сфокусированные в плотный пучок электроны с большой скоростью ударяются о малую, резко ограниченную площадку на детали 6. При этом кинетическая энергия электронов вследствие торможения в веществе превращается в тепло, нагревая материал до температуры его кипения. Для перемещения луча по свариваемому изделию устанавливается магнитная отклоняющая система 5.

Для обеспечения свободного движения электронов от катода к изделию, а также для предотвращения возможности дугового разряда между электродами в установке создается вакуум порядка 1∙10 -4 мм рт. ст., который обеспечивается системой откачки.

Электронные пушки, используемые для целей сварки, должны удовлетворять ряду требований:

обеспечивать требуемую мощность пучка при определенном разгоняющем напряжении;
фокусировать электронный пучок до весьма малых диаметров;
быть достаточно простыми в управлении и надежными в эксплуатации.

Ввиду необходимости вакуума в камере, где образуется и формируется поток электронов, в большинстве случаев при элс и само изделие размещают внутри вакуумной камеры, чтобы устранить рассеяние электронов на атомах и молекулах газов. Это обеспечивает хорошую защиту сварного шва. Поэтому наряду с высоковакуумными установками разрабатывают и такие, где электронный луч выводится из камеры пушки, в которой поддерживается высокий вакуум, и сварка производится в низком вакууме 10 -2 …10 -1 мм рт. ст. Специальные установки разрабатывают для микросварки в производстве модульных элементов и различного рода твердых радиосхем. Особенности заключаются в первую очередь в точном дозировании тепловой энергии, перемещении луча по изделию с помощью отклоняющих электрических и магнитных полей, совмещении нескольких технологических функций, выполняемых электронным лучом в одной камере. Поскольку вакуумные камеры вакуумных систем стоят очень дорого.

Существующие конструкции можно разделить на следующие группы:

универсальные установки для сварки изделий средних размеров;
универсальные и специализированные установки для микросварки малогабаритных деталей;
установки для сварки изделий малых и средних размеров;
установки для сварки крупногабаритных изделий с полной герметизацией;
установки для сварки крупногабаритных изделий с частичной герметизацией места стыка;
установки для сварки в промежуточном вакууме. Установки первой группы предназначены в основном для использования в исследовательских и заводских лабораториях, а также в промышленности при единичном и мелкосерийном производстве.

Они имеют вакуумные камеры объемом 0,001…4,0 м 3 и манипуляторы для перемещения свариваемых деталей, позволяющие выполнять более универсальные перемещения при сварке. Такие установки оснащают также системами наблюдения за областью сварки. Электронная пушка может быть стационарной или перемещается внутри камеры с целью начального направления луча на стык.

Установки для сварки крупногабаритных деталей отличаются наличием дорогостоящих вакуумных камер большого объема, куда детали помещаются целиком. Часто электронные пушки, которые имеют гораздо меньшие размеры, чем изделие, размещают внутри камеры. В этом случае сварной шов выполняется при перемещении самой электронной пушки. Иногда, особенно при сварке обечаек кольцевыми швами, на камере размещают несколько пушек позволяющих за счет ликвидации продольного перемещения изделия также уменьшить размеры камеры.

Для снижения затрат на оборудование и повышения производительности установок последние иногда выполняют лишь с местным вакуумированием в области свариваемого стыка. Тогда откачиваемый объем сокращается, размеры установки в целом также получаются меньше, чем в том случае, если все изделие помещать в камеру. В некоторых случаях рабочая камера установки может быть откачана лишь до промежуточного вакуума 1330…13300 Па. Диффузионный насос для откачки рабочей камеры становится ненужным.

Область применения электронно-лучевых установок

ЭЛС является наиболее перспективным способом соединения деталей из химически активных и тугоплавких металлов и сплавов, изделий из термически упрочняемых материалов, когда нежелательна, затруднена или невозможна термическая обработка. ЭЛС широко применяют в авиакосмической отрасли, ядерной энергетике, энергетическом машиностроении, производстве электровакуумных приборов, автомобильной промышленности при серийном изготовлении подшипников.

Техника безопасности при работе на установках элс

Источниками опасности при работе на установке для ЭЛС являются работающие механизмы, электрические цепи с напряжением до 1000 В, сосуды давления, свечение сварочной ванны, газоаэрозольный выхлоп, шум и вибрация форвакуумных насосов. Источники повышенной опасности для персонала – тормозное рентгеновское излучение из зоны воздействия электронного пучка на материал.

Защита от всех источников опасности и повышенной опасности предусмотрена в конструкции сварочных установок. Все защитные меры описаны в инструкциях по эксплуатации и ремонту установок с учетом возможных аварийных ситуаций. При этом защита разработана на основании правил безопасной эксплуатации электроустановок и санитарных норм допустимой дозы радиационного облучения и допустимой концентрации в воздухе рабочей зоны масляных аэрозолей.

Надеюсь теперь вы разобрались с электронно-лучевой сваркой, как это устроено, достоинства и недостатки этого процесса. Если у вас остались вопросы, можете их задать тут. Так же рекомендую зайти на наш YouTube канал.

Читайте также: