книги / Электронно-лучевая сварка и смежные технологии

Задняя стенка пародинамического канала в меньшей степени облучается электронным пучком, объем расплава здесь суще­ ственно больше, температура его ниже и давление отдачи пара не является определяющим. Здесь возникают более регулярные вол­ ны. Длину незатухающих волн, возникающих на поверхности рас­ плава у фронта кристаллизации, определяют выражением [37]

(89)

где гк — рад иус канала; р п — плотность пара в канале; рп=1,6*10-5 Мпр4/Тп,[г/см3]; Мп— относительная молекулярная масса пара; Тп — температура испарения. Оценивая длину волны для стали (Тп=2500 К, г= 0,1 см; Vn=0,85-105 см/с; а=1500 дин/см), по­

лучим Afl=0,1 см. Именно эти волны способствуют формированию чешуйчатой поверхности швов при сварке плавлением.

Перемещ ающ иеся по стенкам пародинамического канала «складки» расплавленного металла экранируют различные участ­ ки канала, в том числе и дно от воздействия электронного пучка. За время экранировки и вытеснения жидкого металла со дна ка­ нала электронный пучок, перемещаясь со скоростью сварки, «про­ сверливает» пик (нижнюю часть канала) уже в другом месте, от­ стоящем от предыдущего пика на некотором расстоянии. Когда поперечные размеры нижней части канала превышают амплитуду поступающих туда возмущений расплава, то глубина сварного шва претерпевает лишь малые колебания. В случае узкой нижней час­ ти канала на некотором расстоянии от его дна возникает перемыч­ ка расплава при поступлении очередной волнообразной «склад­ ки» металла достаточной амплитуды. Реакция отдачи паров на поверхности перемычки резко возрастает, расплав начинает «за­ талкиваться» в узкий корень канала, но быстрая кристаллизация нижней части перемычки останавливает движение и образуется полый пик. При этом колебания глубины сварного шва значитель­ ны и корень шва имеет типичную «пичковую» структуру. Такое явление присуще всем методам сварки высококонцентрирован­ ными источниками нагрева и называется корневыми дефектами сварного шва. Поскольку волновые движения в сварочной ванне имеют не линейный характер, то амплитуда колебаний глубины про­ плавления, расстояние между пиками, высота полости в пике не являются постоянными величинами. Соответственно наиболее

эффективным способом борьбы с корневыми дефектами может быть лишь формирование достаточно широкого корня пародина­ мического канала с закругленным дном.

Контроль и регулирование процесса сварки

Электронно-лучевая сварка сопровождается электромагнит­ ным излучением, вторичной эмиссией заряженных частиц, пото­ ками пара и брызг, вылетающих из сварочной ванны. Эти физичес­ кие явления можно использовать в лабораториях и на практике для дистанционного бесконтактного контроля и регулирования про­ цесса сварки.

Визуальное наблюдение за поперечными размерами светящей­ ся сварочной ванны, за цветом и высотой ионизационного свечения в паровом потоке и за интенсивностью потока брызг из сварочной ванны традиционно используют операторы для контроля и выбора фокусировки электронного пучка. При сварке тонкостенны х (5М<3 мм) конструкций такого способа контроля процесса сварки (особенно с применением оптических средств) обычно вполне дос­ таточно.

При сварке толстостенных конструкций более точный контроль, а также регулирование процесса сварки необходимы для поддер­ жания стабильного процесса при изменении расстояния до свари­ ваемого изделия, переменной толщине свариваемого изделия и нарушениях заданных параметров электронного пучка или одно­ родности металла при длительной сварке. Однако эти задачи, кро­ ме подбора режима сварки, не являются актуальными для прак­ тики, так как их решают альтернативными методами (используя высоконадежное сварочное оборудование и оснастку, а также про­ граммы сварки в соответствии с программами механической обра­ ботки свариваемых деталей). Автоматический подбор режима свар­ ки или подбор без разрушения тест-образцов важен лишь при разработке технологии сварки и при сварке единичных изделий.

Анализируя все виды излучений и эмиссий из сварочной ван­ ны, можно заключить:

■электромагнитное излучение в световом и рентгеновском диапазоне несет непосредственную информацию о состоя­ нии поверхности сварочной ванны;

■электромагнитное излучение в более низкочастотном диапа­ зоне и вторичная эмиссия заряженных частиц несут усред­ ненную информацию о поведении сварочной ванны.

Ясно, что лишь рентгеновское излучение, возникающее при тор­ можении электронов сварочного пучка на поверхности пародина­ мического канала, может быть наиболее эффективно использова­ но для контроля геометрии сварочной ванны. Это и необходимо в первую очередь для построения систем неразрушающего подбо­ ра режима сварки. Немногочисленные исследования [16,98] в этом направлении свидетельствуют о возможности создания таких про­ мышленных систем.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ________________________________

Оборудование для электронно-лучевой сварки относят к клас­ су сложных электронных и электромеханических систем в облас­ ти вакуумной техники. Эксплуатация его требует специальной под­ готовки персонала.

Научной основой указанного оборудования является высоко­ вольтная электроника, электронная оптика и вакуумная техника.

Общие характеристики для электронно-лучевой сварки

Установки для электронно-лучевой сварки состоят обычно из трех основных комплексов: энергетического, электромеханичес­ кого и вакуумного. К энергетическому комплексу относят аппара­ туру ;Для формирования и управления электронным пучком: элек­ тронную пуш ку, источник ее питания и систему управления. Электромеханический комплекс включает в себя механизмы пе­ ремещений электронной пушки и свариваемого изделия, а также их блоки питания и управления. Вакуумный комплекс состоит из вакуумной камеры с механизмами для герметизации и разгерме­ тизации, вакуумных насосов, вакуумной арматуры, вакуум -про­ водов и средств контроля степени разрежения. Полная схема ти­ повой установки для сварки крупногабаритных изделий показана на рис. 15.

Кроме традиционной вакуумной защиты сварочной ванны от окисления, в установках для электронно-лучевой сварки приме­ няют и защитные газы (при вневакуумной сварке). Именно способ защиты сварочной ванны является основным классификационным признаком установок. Полная принципиальная классификация сва­ рочных установок приведена в табл. 7.

Таблица 7. Классификация установок для электронно-лучевой сварки

Сварочные электронные пушки

Сварочная электронная пушка представляет собой высоковоль­ тный электровакуумный прибор, формирующий мощный аксиаль­ но-симметричный электронный пучок.

Сварочные пушки (рис. 16 и 17) состоят из следующих основ­ ных функциональных систем: электронно-оптической системы, си­ стемы изолирования и системы охлаждения. Основными элемен­ тами электронно-оптической системы являются катодный узел (рис. 18), прикатодный электрод (рис. 19), анод (рис. 20), элек­ тромагнитная фокусирующая линза (может быть не одна), электро­ магнитная отклоняющая система (также может быть не одна). В боль­ шинстве случаев поток электронов эмитируется термокатодом, имеющим прямой или косвенный подогрев, и ускоряется и предва­ рительно формируется аксиально-симметричным электрическим по­ лем. Для ускорения электронов между катодом и анодом электрон­ ной пушки прикладывают ускоряющее напряжение в диапазоне

3 4 4

Рис. 17. Продольный разрез сварочной электронной пушки У Л 119 (30 кВ, 5 0 0 м А): 1 — катодный блок; 2 — защитный кожух; 3 — фланец крепления пушки; 4 — анодный блок; I — электронный прожектор___________________

Таблица 8. Допуски на межэлектродные расстояния электрон­ ного прожектора (рис. 21) в сварочных пушках типа ЭЛА для

достижения максимальных значений токов электронного пучка

П р и м е ч а н и е . — расстояние эмитирующая поверхность катода — ближняя опти­ ческая плоскость управляющего электрода; L — расстояние торец управляющего

электрода-анод

Таблица 9. Межэлектродные расстояния в электронном про­ жекторе сварочных пушек типа ЭЛА (60 кВ-60 кВт)