Методика расчета некоторых параметров режимов ЭЛС

Определим связь мощности электронного луча qпри скорости сварки V_св с глубиной Н и шириной В сварного шва.

Скорость сварки, необходимая для проникновения луча на глубину Н при одновременном перемещении со скоростью V_св, определяется из условия:

V_св ≤ 4q/ (πdHS_кип).                                                  (14)

Для титанового сплава по экспериментальным данным работы: q = 54 кBт, Н =10 см,  V_св = 0,5 см/с, d = 2,7мм, S_кип = 5*10⁴) Дж/см³.

Получаем  V_св ≤ 4*5,4*10⁴/(3,14*0,27*10*5*10⁴) ≤ 0,5 см/с.  На рис. 8 представлена экспериментальная зависимость термического КПД  η_т проплавления от параметра q/(HV_св) для сталей. Наличие экстремума на кривой существенно облегчает расчеты, так как максимум η_т соответствует значению

4-5 кДж/см² для сталей и, как показывает обработка результатов данных работы, для титановых сплавов.

Связь параметров луча с геометрическими характеристиками шва дается выражением

В_Н//е = (4η_П η_Тqd/π V_свHS_пл)^1/2,                                     (15)

где В_Н/е – ширина шва на уровне Н/е.                      

Пример. Для титанового сплава при q = 54 кBт, H = 10см,V _св = 0,5см/с имеем q/(HV_св) = 1,08*10⁴кДж/см², η_П ≈ 1,

η_Т = 0,45, d =2,7мм, S_пл = 6,07*10³ Дж/см³.

В _Н/е=(4*1*0,45*0,27*1,08*10⁴/3,14*6,07*10³)^1/2=5,2 мм.

Результат хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Рис. 8. Зависимость термического КПД проплавления основного металла при ЭЛС от параметра q/(H v_св) для сталей аустенитного и перлитного классов.

Оборудование для ЭЛС

10.1. Классификация и состав электронно-лучевых установок

По степени специализации электронно-лучевые установки делятся на универсальные и специализированные, а по давлению в рабочей камере – на высоковакуумные (давление в рабочей камере <10^-1 Па), промежуточного вакуума (давление в рабочей камере10 – 10^-1 Па),  для ЭЛС в атмосфере или в защитном газе (10³ – 10⁵Па). По принципу создания вакуума в зоне сварки электронно-лучевые установки делятся на камерные (изделие внутри рабочей камеры) и с локальным вакуумированием (герметизация изделия осуществляется только в зоне сварки).

Рис. 9. структура камерной электронно-лучевой установки: ЭЛП – электронно-лучевая пушка; РК – рабочая камера; ВС ЭЛП – вакуумная система ЭЛП; ИУН – источник ускоряющего напряжения; ВС РК – вакуумная система РК; СУ – система управления установкой.

В состав любой электронно-лучевой установки (рис. 9) входит: электронно-лучевая пушка (ЭЛП); источник питания ЭЛП; вакуумная система; система управления.

10.2. Электронно-лучевые пушки (ЭЛП)

ЭЛП служит для генерации и формирования электронного луча. Основные узлы ЭЛП: генератор электронов и система проведения луча (рис. 10.) Генератор электронов состоит из катода, управляющего электрода, или электрода Венельта, анода. Система проведения луча включает юстирующие, фокусирующие и отклоняющие катушки.

Катоды выполняются накальными  (термокатоды  прямого или косвенного накала) или плазменными. Материал термокатодов – вольфрам, тантал, сплавы этих металлов с рением, гексаборит лантана (LaBe₆).

В случае термокатодов прямого нагрева нагрев осуществляется за счет пропускания через катод тока канала, а в термокатодах косвенного нагрева – за счет бомбардировки катода электронами от вспомогательного катода.

Материал высоковольтного изолятора – керамика, стекло, специальные пластмассы. Типичные материалы для анода и управляющего электрода – нержавеющая сталь, медь.

Ускоряющее напряжение приложено между анодом и катодом. Управление током луча осуществляется, как правило, путем изменения потенциала управляющего электрода по отношению к катоду.

  В настоящее время выпускаются ЭЛП на мощность от 1 до 300 кВт с ускоряющим напряжением 25-150 кВ. Основными изготовителями являются: ФРГ, Франция, Великобритания, ИЭС им. Патона, ПО «Электрон», НПО «Исток», НИИАТ, ВНИИЭСО, США, Япония.

10.3. Источники питания ЭЛП

Источники питания ЭЛП состоят из источника ускоряющего напряжения, а так же источников питания УЭ, К, ЮК, ФК, ОК.

Источники ускоряющего напряжения выполняются с регулирующим элементом на первичной или вторичной стороне высоковольтного трансформатора, с преобразованием или без преобразования частоты питающего напряжения (рис. 11).

                       Рис. 10. Типичная структура ЭЛП. К – катод, УЭ – управляющий электрод, ЮК – юстирующие катушки, А – анод, ЭЛ – электронный луч, ФК – фокусирующие катушки, ОК – отклоняющие катушки, И – свариваемое изделие.

.

Рис. 11. Функциональные схемы источников ускоряющего напряжения. а – с тиристорным регулятором (ТР), б – с регулирующим элементом (РЭ) на вторичной стороне трансформатора, ВТ – высоковольтный трансформатор, ВВ – высоковольтный выпрямитель, Ф – фильтр, ВД – высоковольтный делитель.

Регулировку на первичной стороне осуществляют тиристорными или транзисторными регуляторами, на вторичной стороне специальной высоковольтной лампой. Для защиты от пробоев в ЭЛП источники ускоряющего напряжения обычно снабжаются устройствами автоматического повторного включения. Это позволяет без заметного ухудшения качества сварки проводить ЭЛС даже в условиях частых пробоев. Конструктивно источники ускоряющего напряжения размещают в баке с трансформаторным маслом, которое одновременно выполняет функции охлаждающей среды. Известны также источники ускоряющего напряжения на напряжение до 60 кВ, в которых в качестве изолирующей среды используется воздух или компаунды.

Для гальванического разделения в источнике питания управляющего электрода используют высокочастотные трансформаторы или пару светодиод/фототранзистор, соединенную световодом. Для обеспечения постоянства характеристик системы проведения электронного луча питание катушек ЮК, ФК, ОК, (см. рис. 10) осуществляется от регуляторов тока.

В России в настоящее время серийно выпускаются источники ускоряющего напряжения в комплекте с электронно-лучевой пушкой на ускоряющее напряжение 60 кВ и мощность 5, 15 и 60 кВт (ЭЛА5, ЭЛА15, ЭЛА60 и др.).

10.4. Вакуумная система электронно – лучевой установки.

Вакуумная система ЭЛУ служит для создания необходимого давления в ЭЛП в рабочей камере: как правило 10^-2 – 10^-4 Па в ЭЛП и 10-10^-3 Па в рабочей камере. ЭЛП отсекается от рабочей камеры с помощью специального вакуумного клапана, который открывается на время проведения сварки (рис. 12.)

Рис. 12. Типичная вакуумная камера электронно-лучевой установки для сварки в промежуточном вакууме:

 N1 – механический насос ЭЛП, N2 – высоковакуумный насос ЭЛП, N3 – двухроторный механический насос, N4 – золотниковый или пластинчато-роторный насос, V1 – клапан откачки высоковакуумного насоса, V2 – клапан откачки ЭЛП высоковакуумным насосом, V3 – клапан откачки ЭЛП механическим насосом, V4 – клапан напуска в ЭЛП, V5 – клапан отсечки ЭЛП, V6 – клапан напуска в рабочую камеру (РК) , V7 – клапан откачки рабочей камеры, V8 – напуск в насосы откачки рабочей камеры.

В качестве механических насосов с предельным давлением 0,1 – 10 Па используются шиберные или золотниковые насосы и агрегаты на их основе, в состав которых включаются также двухроторные насосы (насосы Рутса). В качестве высоковакуумных насосов используются паромасляные или турбомолекулярные насосы.

10.5. Система управления электронно – лучевой установкой.

Система управления (СУ) должна выполнять следующие основные функции:

- программное управление работой всех систем установки;

- диагностику работы всех систем установки;

- контроль и управление положением электронного луча по отношению к стыку;

- контроль и управление пространственными, энергетическими и временными характеристиками электронного луча;

- связь с СУ более высокого уровня при работе в составе гибкой производной системы.

Элементная база СУ – мини - и микроЭВМ, микропроцессоры. Все программное управление осуществляется либо одной достаточно мощной ЭВМ, либо центральной микроЭВМ и местными микроЭВМ, на которых реализуется локальное управление одним или несколькими устройствами. В отечественных установках используются микроЭВМ семейства «Электроника», СМ-1800 и др. Для повышения помехоустойчивости и надежности работы микроЭВМ и объект управления гальванически разделены.

10.6. Примеры оборудования ЭЛС.

Установка EBW36000/60-150 является типичным представителем камерных машин. Она предназначена для сварки крупногабаритных деталей. Размеры рабочей камеры – 4,9*3,35*2,15 м. Для откачки камеры до рабочего давления 5*10^-2 Па используется трехступенчатая откачная система с двумя криогенными насосами производительностью 10 м³/с. Время откачки рабочей камеры - ~15 мин.

Установка оснащена ЭЛП мощностью 60 кВт при ускоряющем напряжении 150 кВ, системами слежения за стыком во время сварки и телевизионного наблюдения за процессом сварки. Управление установкой полностью автоматизировано.

Установка УВЛ-6003, разработанная ВНИИЭСО, является типичной для тактовых высокопроизводительных специализированных установок. Она предназначена для сварки кольцевых швов на деталях с вертикальной осью вращения. Максимальные габариты деталей: диаметр 0,3, высота 0,3 м. Расположение ЭЛП – вертикальное или горизонтальное. Вакуумная система рабочей камеры оснащена двухступенчатой системой откачки производительностью 600 л/с, а вакуумная система ЭЛП – турбомолекулярным насосом производительностью 150 л/с. Время откачки камеры 30-45 с.

Установка содержит трехпозиционный поворотный стол с позициями загрузки – выгрузки, подогрева детали перед сваркой, сварки. На установке можно проводить сварку среднеуглеродистых сталей (установка снабжена позицией отжига деталей). Подогрев и отжиг осуществляются среднечастотными индукционными генераторами. СУ выполнена на базе микроЭВМ «Электроника МС 2716» и осуществляет управление всеми устройствами установки, а также контроль и диагностику неисправностей. Установка комплектуется энергоблоком ЭЛА – 15 (15 кВт, 60 кВ).

Порядок выполнения работы

 1. Изучить конструкцию установки ЭЛУ-8.

2. Ознакомиться с общими сведениями о технологии и технике ЭЛС.

3. Подготовить образцы для проведения работы. Материал образцов – нержавеющая сталь Подготовленные образцы перед сваркой собрать в кассету.

4. Провести сварку на оптимальных режимах.

5. Проверить образцы внешним осмотром. 4. Содержание отчёта

Отчет должен содержать:

1. Краткие теоретические сведения о процессе ЭЛС.

2. Схему устройства электронной пушки.

3. Эскизы образцов и режимы сварки.

4. Анализ результатов контроля.

5. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

• Какие материалы свариваются электронно-лучевой сваркой?

•   Преимущества ЭЛС.

• Что является источником тепла при электронно-лучевой сварке?

• Схема устройства электронно-лучевой пушки.

• Основные параметры режима электронно-лучевой сварки.

• Технология электронно-лучевой сварки.

Библиографический список

 1. Фролов, В. А. Специальные методы сварки и пайки: учебник для вузов / В. А.Фролов, В. В.Пешков, А. Б.Коломенский, В. А.Казаков. - М.: Интермет Инжиниринг, 2003. - 190 с.

2. Фролов, В.А. Технологические основы сварки и пайки в са-молётостроении: учебник для вузов / В. А.Фролов, В. В.Пешков, А. Б.Коломенский, В. А.Казаков; под ред. В.А Фролова. - М: Интермет Инжиниринг, 2002. - 456 с.