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.
Рисунок 4 Схема поведения канала при электронно-лучевой сварке : a — канал свободен oт жидкости; б — отражение волны жидкого металла от хвостовой части ванны; в — захлопывание канала.
В следствие 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
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.
Электронный луч в технологии
… образования дефектов обработки. Электронный луч в технологии Электронно-лучевое воздействие на металлы, приводящее к их нагреву, … развития техники электронно-лучевой сварки металлов связана с тем, что основной объем теоретических и экспе-риментальных …
Понятие и сущность сварки и сварочных работ
… автоматов, разработал способы дуговой сварки разными электродами, дугового резания, подводной сварки и резания, сварки на вертикальной поверхности. Он … Г. Кетов и П. А. Скачков тепло отзываются о нем. Первые в мире электросварщики братья Павел и …
Лучевые методы обработки материалов
В настоящее время широко используются в производстве и ионно-лучевые технологии. Освоение лазерных технологий значительно повышает эффективность современного производства. Электронно-лучевая обработка материалов Электронно-лучевая обработка …
Реферат сварка световым лучом
… — источник питания; 7 — полупрозрачное зеркало; 8 — световой луч; 9 — фокусирующая линза; 10 — обрабатываемые детали … При сварке d изменяют от 0,05 до 1,0 мм путем расфокусировки луча. При этом фокальную плоскость, на которой сфокусированный световой …
Особенности сварки лучевого типа
Технология применения сфокусированного луча встречается крайне редко
Рассматривая особенности сварки лучевого типа уделяется внимание следующим моментам:
- Получить чистую поверхность и обеспечить максимальную степень дегазации металла можно только в случае проведения работы в условии вакуума.
- Нагрев проводится до высокой температуры, за счет обеспечивается плавка металла в зоне контакта. За счет этого получается мелкозернистый шов с привлекательными характеристиками.
Подобный метод не приводит к образованию трещин. Именно поэтому он используется для работы с материалами, которые восприимчивы к сильному нагреванию и могут плавится.
Применение ЭЛС
Примером можно назвать процесс изготовления деталей из различных алюминиевых сплавов. Минимальная толщина обрабатываемых деталей составляет 0,02 мм, максимальный показатель около 100 мм.
Преимущества и недостатки
Обычно преимущества и недостатки определяются в сравнении с аналогами. В данном случае приходится говорить об условных недостатках, так как для определенных конструкций и свариваемых материалов просто нет альтернативных методов и аналогов для сравнения. Главным и непревзойденным преимуществом является высокое качество сварных швов.
| Преимущества | Недостатки |
|
|
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:
Qу=IU/(3,14d24).
Если сварка ведётся в импульсно-периодическом режиме, то среднюю мощность луча можно определить по формуле:
Qср=IиUft,
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:
Vи=b(L-K)f,
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.
Параметры режима
К основным режимам относятся:
- Степень разряжения в камере. Чем выше вакуумизация, тем качественнее эффективность соединения.
- Сила тока варьируется и зависит от толщины металла заготовок.
- Скорость перемещения лучевого потока по поверхности деталей определяется производительностью оборудования, она настроена так, чтобы исключить прожигание металлов.
- Эффективность сварки определяет точность фокусировки луча, что напрямую зависит от оборудования.
- Существуют технологии прерывистого воздействия на металлы светового потока.
- Передвижение сварочного луча осуществляется вдоль, поперек шва или по сложной траектории; существуют два метода: перемещение луча с помощью системы отклонения или движение заготовок.
При увеличении зазора между заготовками рекомендуется применять специального состава присадки.
Основные типы соединений
Важными параметрами в процессе ЭЛС считаются геометрические составляющие и формы стыковки заготовок и пространственное положение лучевого потока относительно места сварки.
а) — встык;
б) — в виде замка;
в) — стык деталей, имеющих большую разницу по толщине металла;
г) — угловое;
д), е) — первый вариант при сваривании шестерни;
ж) — он же, но при отбортовке кромки.
Электронно-лучевая сварка. Технология
Источником энергии при этом способе сварки является не традиционная дуга, а поток электронов с высокой энергией из электронно-лучевой пушки. Для того чтобы поток электронов не терял энергию при столкновении с атомами воздушной среды, создают вакуум в пространстве проведения сварочных работ. Эта электронно-лучевая сварка обеспечивает выход энергии с разогревом непосредственно в месте соединения металлов без потерь в прослойке воздуха, а также гарантирует отсутствие окисления поверхности, свариваемых заготовок. Об этом методе сварки расскажем более подробно.
Один проход позволяет соединить детали от 0,1 мм до 400 мм независимо от химического состава, свариваемых металлов.
Этот метод позволяет воздействовать на соединяемые металлы пучком электронов с высокой энергетикой, которые вызывают в вакууме расплав металла или сплава с последующим свариванием заготовок. Для беспрепятственного прохождения электронно-лучевого потока необходимо разрешение газов от 10-2Па, чтобы обеспечить заданные параметры для соединения титана, алюминия, химически активных металлов и сплавов, а также тугоплавких элементов.
Существуют два компонента, которые обеспечивают бесперебойный процесс электронно-лучевой сварки металлов и сплавов, и основным из них является энергетическая составляющая.
Формирует пучок электронов раскалённый катод, а электроны ускоряются напряжением до 200 кВ до 0,5 скорости света, что вызывает расплавление зоны сварочного шва. Плотность энергетического выброса при столкновении с материалом деталей значительно превышает энергетику сварочной дуги.
Вторая составляющая сварки является электромеханическим комплексом, обеспечивающим перемещение луча и деталей относительно друг друга, угловое отклонение потока электронов и гарантирующим наличие вакуума в зоне сварки.
Электронно-лучевой тип сварки используется в заводских условиях в вакуумной среде.
Важно понимать, что технические условия процесса, делают метод весьма затратным и высокотехнологичным, что исключает его применение в домашних или бытовых условиях
Параметры
Электронная сварка с использованием луча должна производиться с соблюдением важных параметров, от этого зависят прочностные характеристики сварного шва. К ним относятся:
- Степень вакуумизации. Это означает, что при сварочном процессе в вакууме происходит сильное повышение эффективности работ.
- Объемы подаваемого тока в луче могут изменяться в широком диапазоне. Чем больше будет толщина свариваемой детали, тем выше должны быть показатели силы тока.
- Скоростные показатели передвижения луча на поверхности определяют степень производительности сварочных работ. Помимо этого повышение скорости передвижения предотвращает прожигание металлической основы.
- Точная фокусировка луча оказывает влияние на эффективность сварки. Но это зависит от того, какое оборудование используется для электронно-лучевой сварки.
- Длительность пауз. В некоторых технологиях может наблюдаться прерывистое влияние импульса.
Не пропустите: Сварка ПНД труб своими руками разными методами
Стоит отметить! Основные требования и принципы проведения данной сварочной технологии можно найти в специальной документации и ГОСТах. А используемое оборудование позволяет вводить основные параметры.
Электронная сварочная технология с использование луча — уникальный метод соединения металлических элементов, который не имеет аналогов. За счет высокой производительности и больших возможностей сварку используют практически во всех областях промышленности
При помощи этого способа производят различные конструкции с высокой важностью
Режимы
Для проведения качественного процесса сваривания, следует учитывать все особенности настроек, а также металла, с которым ведется работа. К основным параметрам, которые определяют режим, относятся:
- Ускоряющее напряжение;
- Величина тока в выпускаемом луче;
- Скорость передвижения пучка по поверхности свариваемой заготовки;
- Точность фокусирования луча;
- Продолжительность пауз и импульсов;
- Степень вакуумизации.
Сами режимы для каждого типа свариваемого металла выглядят следующим образом:
| Вид металла | Толщина заготовки, мм | Режим сваривания | Ширина шва, мм | ||
| Напряжение ускоряющее, кВ | Величина тока на луче, мА | Скорость сварки, м/ч | |||
| Вольфрам | 0,5 | 19 | 45 | 60 | 1 |
| 1 | 21 | 77 | 50 | 1,5 | |
| Тантал | 1 | 2 | 50 | 50 | 1,5 |
| Сталь марки 18-8 | 1,5 | 19 | 55 | 65 | 2 |
| 20 | 21 | 270 | 50 | 7 | |
| 35 | 21 | 500 | 20 | – | |
| Сплав молибдена и вольфрам | 0,5 + 0,5 | 19 | 47 | 44 | 1 |
Область применения
Этот вид неразъёмного соединения различных материалов нашел широкое применение в авиационно-космической технике, судостроении, строительстве, микроэлектронике и других сферах человеческой жизнедеятельности, где необходимо сваривать тугоплавкие, прецизионные (особо чистые) материалы с уникальными свойствами.
Уникальность метода заключается в том, что с его помощью удается сваривать как сверхтонкие детали толщиной до десятков микрон, так и особо толстые (200…300 мм) конструкции из однородных и разнородных металлов и даже некоторые неметаллические материалы.
Использование сварки в промышленности
Применение ЭЛС постоянно расширяется несмотря высокую себестоимость процесса и некоторые ее недостатки. Технология характеризуется показателем КПД почти 95%. Этот показатель больше чем у более распространенной дуговой сварки.
Промышленное применение выражено следующим образом:
- При работе с активными металлами.
- При обработке термоупрачненных металлов.
- Для соединения тугоплавких материалов.
- При работе с камнем и керамикой.
- Для создания ответственных деталей.
Сегодня ЭЛС получила широкое распространение в сфере производства электронных изделий. За счет вакуума можно обеспечить герметизацию микросхем. При этом на поверхность может оказывать воздействие самая различная температура. Производительные установки подходят для работы в сфере авиации. Объем камер может варьировать в большом диапазоне. В заключение отметим, что в последнее время технология активно развивается. Это связано с возможностью получения качественных изделий при небольших затратах.
Особенности сварки лучевого типа
Технология применения сфокусированного луча встречается крайне редко
Рассматривая особенности сварки лучевого типа уделяется внимание следующим моментам:
- Получить чистую поверхность и обеспечить максимальную степень дегазации металла можно только в случае проведения работы в условии вакуума.
- Нагрев проводится до высокой температуры, за счет обеспечивается плавка металла в зоне контакта. За счет этого получается мелкозернистый шов с привлекательными характеристиками.
Подобный метод не приводит к образованию трещин. Именно поэтому он используется для работы с материалами, которые восприимчивы к сильному нагреванию и могут плавится.
Применение ЭЛС
Примером можно назвать процесс изготовления деталей из различных алюминиевых сплавов. Минимальная толщина обрабатываемых деталей составляет 0,02 мм, максимальный показатель около 100 мм.
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.
4. Сварку в узкую разделку (0,8-8мм) выполняют в нижнем положении за счёт наплавки присадочного материала в прямоугольную разделку кромок.
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.
11. По окончании сварки выполняют так называемый «косметический» проход. Это повторный проход, который призван устранить дефекты сварного шва как внешние, так и внутренние.
Это интересно: Электрошлаковая сварка — сущность, флюсы, процесс, применение
Где применяется электронно-лучевая сварка
Поскольку ЭЛС обладает высокой плотностью создаваемой мощности, которая достигает 10 8 Вт/см², и осуществляется в вакуумной среде, подобная технология дает возможность скреплять тугоплавкие и химически активные металлы и их сплавы, такие как:
- вольфрам;
- тантал;
- молибден;
- ниобий;
- цирконий;
- титан;
- алюминий;
- высоколегированная сталь.
Данные материалы можно сваривать как в однородных, так и разнородных сочетаниях при разных толщинах и температурах плавления. Естественно, выбор ускоряющего напряжения, силы тока луча и скорость обработки во многом зависят от физико-механических свойств детали. Например, при работе с вольфрамом толщиной 0,5 мм разность потенциалов составляет 18 кВ, ток равен 40 мА, а скорость перемещения луча достигает 60 м/ч. Тогда как для 35-миллиметровой стали эти показатели будут несколько иными: 22 кВ, 500 мА, 20 м/ч.
Электронно-лучевой сварочный процесс получил широкое применение в тех отраслях, где нежелательна или невозможна высокая термообработка изделия, при этом шов должен отличаться большой надежностью и эстетической привлекательностью. Поэтому ЭЛС часто используется в авиакосмической сфере, энергетике, машиностроительной промышленности, приборостроении и электровакуумном производстве.
Шов крепления нержавеющей стали
Преимущества и недостатки по сравнению с другими видами сварки
Как уже отмечалось, электронный луч отличается высокой плотностью мощности, уступая по этому показателю только лазерному лучу и значительно превосходя ацетилено-кислородное пламя и электрическую дугу. Кроме того, площадь пятна нагрева является минимальной и составляет около 10 -5 см² (для сравнения, при обработке металлических деталей ацетиленом создается пятно контакта минимум 0,2 см², а электрической дугой – 0,1 см²).
Еще одним существенным преимуществом ЭЛС является полная дегазация рабочей области, в результате чего достигается высококачественное соединение химически активных металлов. Отсутствие воздействия атмосферных кислорода и водорода на шов позволяет добиться его более однородной и плотной структуры, а также избежать последующей коррозии.
Основной недостаток описываемого способа – высокие затраты на создание условий вакуума. Этот метод сварки работает в узкоспециализированном диапазоне задач, для высокотехнологичных дорогостоящих деталей с серьезными требованиями по допускам.
Классификация по тонкости шовных соединений
К минусам электронно-лучевого воздействия также можно отнести высокие требования к качеству обрабатываемой поверхности, которая в обязательном порядке должна быть очищена от следов консервации, ржавчины и других дефектов. При этом очистку материала, как правило, выполняют в несколько этапов – начиная механической обработкой и заканчивая применением специальных химических реагентов. К тому же после загрузки подготовленных деталей в камеру требуется длительное время для достижения необходимого вакуума, что не всегда подходит для серийного и массового производства.
В этом плане ацетилено-кислородная и электро-дуговая технологии являются более простыми и производительными. И если в первом случае шов не всегда выглядит эстетично, то при использовании электрической дуги многое зависит от применяемой защитной среды. Правильно подобранная смесь не только делает соединение более аккуратным, но и существенно повышает его надежность. Подробнее про сварочные смеси для разных видов металлов вы можете узнать, перейдя по этой ссылке.
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.
