Электроннолучевая сварка

При электронно-лучевой сварке (ЭЛС) происходят сложные процессы - тепловые, гидродинамические, плазменные, деформационные и др., ряд которых оказывает существенное влияние на формирование шва и его свойства[16]. При воздействии обычной электродуговой сварки на постоянном токе при прямом включении. Поверхность сварочной ванны при этом мало деформируется, гидродинамические явления в объеме жидкости металла проявляются относительно слабо. Такой процесс ЭЛС применяется при толщине металла не более 2-3 мм.

При повышении плотности мощности электронного пучка до 10⁹ -10¹⁰ Вт/м² развивается интенсивное испарение металла, поверхность ванны расплава прогибается, и в жидком металле формируется канал на всю глубину ванны. При сварке электронным лучом, так же как и лазерным, в режиме глубокого проплавления, зона проплавления имеет форму конуса (рис. 4.3).

.

Рис. 4.3 Схема переноса жидкого металла при электронно-лучевой сварке: 1 — электронный луч; 2 — передняя стенка кратера;3 — зона кристаллизации; 4 — путь движения жидкого металла [16]

Плавление металла происходит на передней стенке кратера; расплавляемый металл перемещается по боковым стенкам к задней стенке, где и кристаллизуется. Проплавление свариваемых металлов при электронно-лучевой сварке обусловлено в основном потоком электронов, теплофизическими процессами в объеме твердого металла и реактивным давлением испаряющегося металла. При сварке непрерывным электронным лучом легкоиспаряющихся металлов (алюминия, магния и др.) эффективность электронного потока и количество выделяющейся в изделии теплоты уменьшаются вследствие потери энергии на ионизацию паров металлов. В этом случае целесообразно вести сварку импульсным электронным лучом с большой плотностью энергии и частотой импульсов 100-500 Гц. В результате повышается глубина проплавления. Поперечное сечение шва имеет слабосходящиеся или параллельные боковые стенки, что обеспечивает минимальные угловые деформации, снижает склонность к образованию и развитию трещин. Этот режим приемлем для осуществления процесса однопроходной ЭЛС толстолистовых материалов.

Параметры ЭЛС. Процесс ЭЛС осуществляется в высоком вакууме (р = 10^-2-10^-3 Па). Диапазон скоростей сварки электронным лучом составляет 1-25 мм/с. Электронный луч имеет следующие параметры: радиус пятна r_п ~ 0,1-1 мм, угол расходимости α≈10^-2-10^-3рад, ускоряющее напряжение U_ус =10-200 кВ, мощность - от 500 Вт до 120 кВт, плотность мощности q≤10¹¹ Вт/м2. По достигаемой плотности мощности электронный луч уступает только лазерному лучу. КПД (коэффициент поглощения А) использования энергии электронного луча при ЭЛС равен 80-85-%, в зависимости от атомного номера металла. С ростом атомного номера коэффициент отражения R растет, то есть КПД падает.

При ЭЛС металл находится в жидком состоянии и вероятность отражения электронов резко уменьшается, поэтому КПД может возрастать до 90-95%. Глубина проплавления электронным пучком может достигать 200-400 мм в зависимости от вида свариваемых металлов, энергии электронов и мощности электронного пучка. Отношение глубины проплавленного слоя к средней ширине (h_пропл/d) составляет 20-30.

Для расчета режимов сварки электронным лучом используются те же формулы, что и в случае сварки лазерным лучом, но при этом необходимо учесть ряд особенностей: 1) коэффициент поглощения А энергии электронного луча металлами значительно выше (0,75-0,85) и слабо зависит от природы свариваемых металлов; 2) мощность Р_о электронного луча выражается через силу тока I_эл и ускоряющее напряжение U_ус,.то есть Р_о =I_элU_ус.

Необходимо также отметить, что при сварке в вакууме практически полностью исключаются процессы окисления и поэтому формируется очень высококачественное сварное соединение.

Энергетические параметры процесса электронно-лучевой сварки можно оценить из выражения

(4.17)

где - погонная энергия, Дж/м; - термическийКПД, среднее значение которого равно 0,452; - диаметрэлектронного луча; - глубина проплавления; b - ширина зоны плавления; - эффективная мощность электронноголуча; - эффективный коэффициент проплавления; -теплота плавления свариваемого материала, Дж/кг.

Результаты расчета и эксперимента для сварки коррозионостойкой стали приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Расчет и эксперимент для сварки коррозионно-стойкой стали

dЭЛ, мм	Ширина шва, b, мм	hпл, мм эксперим.	hпл, мм расчет.
0.1	0.4	8.5	8.1
0.15	0.5	8.2	7.8
0.2	0.6	8.0	7.3
0.3	0.75	7.1	7.0
0.37	0.9	6.1	5.9
0.43	1.0	5.0	5.6

Примечание: сварка производилась при ускоряющем напряжении =130кВ, токе луча =13мА, скорости сварки =10мм/с.

Механизм глубокого проплавления электронным лучом подобен механизму глубокого проплавления лазерным лучом, т.е. обусловлен образованием парового канала, способствующего более глубокому проникновению электронного луча в материал. Максимальная глубина проплавления достигается при фокусировке пучка на некоторой глубине от поверхности детали. При увеличении ускоряющего напряжения глубина проплавления возрастает, что связано с уменьшением рассеяния электронов на атомах свариваемого материала. Рост силы тока луча (мощности) вызывает повышение глубины проплавления, повышение скорости сварки приводит к ее уменьшению. Наибольшая глубина сварки достигается при наименьшим угле расходимости.

4.4. Электронно-лучевая прошивка отверстий

Электронно-лучевая обработка происходит в вакууме, поэтому электронно-лучевая прошивка отверстий производится за счет испарения материала металла в вакууме. Схема процесса углубления электронного луча (ЭЛ) в материал без изменения угла расходимости показана на рис. 4.4 [16].

Рис. 4.4 Схема процесса углубления электронного луча (ЭЛ) в материал без изменения угла расходимости [16]

Между углублением h фокуса электронного луча (ЭЛ) и его параметрами существует определенная зависимость. Первая зависимость связывает величину углубления h с углом Θ расходимости ЭЛ:

, (4.18)

Для обеспечения процесса испарения необходимо обеспечить плотность q мощности ЭЛ больше порогового значения q_пор. Причем данное значение плотности мощности должно быть обеспечено на диаметре D, которое будет максимально на поверхности детали при максимальной глубине h.

Значение пороговой плотности мощности q_пор при небольших глубинах получаемых отверстий (до 1 мм) можно оценить из выражения

, (4.19)

Величина мощности Р_пор электронного луча рассчитывается по формуле

, (4.20)

где r_п=D.

Учитывая то, что прошивка на небольшие глубины осуществляется импульсно-периодическим излучением, необходимо в расчетах использовать среднее значение мощности (Р) электронного луча. Для прямоугольных импульсов (Р) находится из выражения

, (4.21)

где Р — мощность ЭЛ; τ - длительность импульса; Т- период; f _сл- частота следования импульсов.

Зная время воздействия или необходимую глубину сверления, можно найти любую из этих величин через скорость фронта испарения для стационарного процесса по формуле

(4.22)

где t — время воздействия, намного большее времени t_o установления квазистационарного режима обработки; q - плотность мощности больше пороговой величины q_пор, т.е. q > q_пор; L_исп - теплота испарения металла, Дж/кг; k - постоянная Больцмана, 1,38·10^-23 Дж/К; Т_0б - температура зоны обработки, более высокая, чем температуры кипения металла, Т_0б > T_кип.

При электронно-лучевом прошивке плотность потока мощности имеет значение q ~ 10⁹ - 10¹¹ Вт/м^`, коэффициент поглощения А=0,75- 0,85.

При прошивке глубоких отверстий расчеты режимов обработки проводятся для процесса кинжального проплавления.

При условии, когда r_л<r<h(r_л - равен радиусу парогазового канала) значение мощности ЭЛ можно оценить из выражения

, (4.23)

Диаметр получаемого отверстия и длительность импульса тока электронного луча связаны эмпирической зависимостью

, (4.24)

Где К – коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого ма­териала. Диаметр d_отв зависит также от числа импульсов.

Форма продольного сечения сквозного отверстия при размерной обработке электронным лучом показана на рис. 4.10. Кромки обычно имеют плавное скругление, а диаметр по глубине уменьшается. В ряде случаев такая форма отверстия благоприятна для работы конструкции (алмазные волочильные фильеры, часовые камни). Лучшие образцы установок для электроннолучевой размерной обработки позволяют при глубине реза до 5 мм получать уклон стенок 1°.

Рис. 4.5. Продольное сечение сквозного отверстия

4.5. Размерная обработка электронным лучом

В результате размерной обработки электронным лучом в за­готовке получают глухие или сквозные отверстия заданных размеров и заданный контур на заготовке с определенными допусками на его размеры.

Размерная обработка электронным лучом основана на том, что при достаточно большой удельной поверхностной мощности ско­рость испарения обрабатываемого материала и давление пара воз­растают настолько, что весь жидкий металл с потоком пара вы­брасывается из зоны обработки.

Использование электронного луча для размерной обработки на­кладывает целый ряд ограничений на его параметры. Электронный луч является постоянно действующим источником теплоты для по­верхности, на которую он попадает. При образовании на заготовке вырезаемого контура ухудшается точность его размеров из-за оп­лавления краев. Следовательно, необходимо обеспечить строгое до­зирование энергии электронного луча в месте соприкосновения его с поверхностью заготовки. Осуществить это требование при размерной обработке можно, введя либо импульсное действие электронного луча на поверхность, либо организуя перемещение луча по по­верхности со строго заданной скоростью.

Таким образом можно определить три режима размерной элект­роннолучевой обработки.

1. Моноимпульсный режим, когда обработка ведется одиночным импульсом, т.е. отверстие получают за время действия только одного импульса.

2. Многоимпульсный режим, когда отверстие получают воздействием на заданное место заготовки несколькими импульсами.

3. Режим обработки с перемещением электронного луча по заготовке с заданной скоростью. Последний режим реально осуще­ствим в основном для прямолинейных профилей получаемых де­талей.

Параметры электроннолучевой размерной обработки связаны с физическими характеристиками материала заготовки (температурой плавления, теплоемкостью, удельной теплотой испарения, уп­ругостью пара) и не зависят от его механических свойств (прочности, твердости, пластичности), которые обычно влияют на обра­батываемость материалов при обработке резанием.

Образование полостей с помощью электроннолучевой размер­ной обработки обычно ведут в многоимпульсном режиме (время импульса t_и = 10^–7...10^–3с, скважность q=100...200). В периоды пауз между импульсами материал в зоне обработки успевает охладиться до температуры, близкой к начальной температуре заготовки, и общий нагрев заготовки невелик. С увеличением числа импульсов глубина обрабатываемой полости растет по логарифмической зависимости. При очень большом числе импульсов скорость обработки резко уменьшается, поэтому на практике размерную электроннолучевую обработку обычно ведут на глубину не более15... 20 мм.

Сфокусированный электронный луч в фокальной плоскости мо­жет иметь диаметр менее 1 мкм – съем металла производится в весьма малых количествах и на малых площадях, что трудно осу­ществимо традиционными способами обработки. Минимальная ши­рина реза при электроннолучевой размерной обработке может до­стигать 5...10 мкм.

Важной особенностью процесса электроннолучевой размерной обработки является возможность перемещения электронного луча с помощью отклоняющей системы. В сочетании с модуляцией мощно­сти луча это позволяет обрабатывать отверстия сложных профилей, получать на поверхности заготовок канавки различной формы. При этом траектория перемещения луча обычно задается в виде электрических сигналов, поступающих на отклоняющую систему. Зона перемещений луча при этом обычно ограничена размерами 10×10 мм. При необходимости обработки большей поверхности используют дополнительные механические перемещения заготовки.

Особой разновидностью размерной электроннолучевой обработ­ки является перфорация (получение мелких сквозных отверстий) различных материалов. Перфорацией изготовляют металлические и керамические элементы фильтров, пористый материал для охлаждения камер сгорания и лопаток турбин.

Точность размеров и качество поверхности при размерной обработке зависят от рода материала, вида обработки, параметров процесса и характеристик электронной пушки. Погрешность размеров при этом не превышает ±5 мкм, а шероховатость поверхности R _z= 5 мкм.

При жестких режимах электроннолучевой обработки, когда в зоне воздействия луча возникают значительные градиенты темпера­тур, достигающие 10⁸ К/м, в хрупких материалах образуются микро­трещины. В этом случае обычно или уменьшают удельную поверхно­стную мощность луча, или подогревают заготовку перед обработкой.

Дата добавления: 2017-02-01