Электронно-лучевая сварка: процесс, оборудование, преимущества и применение

Электронно-лучевая сварка (EBM)

Что такое ЭБС (EBM)?

EBM или электронно-лучевая сварка — процесс сварки, использующий тепло, генерируемое пучком высокоэнергетических электронов. Электроны ударяют в заготовку, их кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию, нагревая металл так, что края заготовки соединяются и после застывания формируется шов.

Электронно-лучевая сварка — также процесс сварки в жидком состоянии. Металл-металл соединение формируется в жидком/расплавленном состоянии. Называется так, потому что использует кинетическую энергию электронов для соединения двух металлических заготовок.

Когда изобретена ЭБС?

Изобретена в 1958 году немецким физиком Карлом-Хайнцем. В этом процессе высокоскоростной поток электронов ударяет в свариваемые пластины, где кинетическая энергия преобразуется в тепловую.

Этой тепловой энергии достаточно для плавления заготовок и их соединения в единое целое. Весь процесс проходит в вакууме, иначе электроны сталкиваются с молекулами воздуха и теряют энергию.

Стоимость станка ЭБС (например, EBW-112x102x66 от Sciaky) — около $1 000 000. Станок имеет 30 кВт компьютерно-управляемый вакуумный луч, низковольтная пушка (60 кВ).

Оборудование ЭБС

Основное оборудование:

1. Электронная пушка (Electron gun)
2. Анод (Anode)
3. Магнитные линзы (Magnetic lenses)
4. Электромагнитная линза и дефлекционная катушка (Electromagnetic lens and deflection coil)
5. Устройство удержания заготовки (Work holding device)
6. Вакуумная камера (Vacuum chamber)
7. Источник питания (Power supply)

Читайте также: Контактная сварка: типы, работа, применение, преимущества

Газовая сварка: типы, принцип работы, оборудование, применение

1. Электронная пушка

Ключевое оборудование. Катодная трубка (отрицательный полюс), генерирующая электроны, ускоряющая и фокусирующая их в точку. Часто из вольфрама или танталовых сплавов. Катодный нагреватель нагревается до 2500 °C для непрерывного выброса электронов.

2. Анод

Положительный полюс сразу за электронной пушкой. Основная функция — притягивать отрицательный заряд (электроны), задавать им траекторию и не допускать отклонений.

3. Магнитные линзы

Серия магнитных линз пропускает только сходящиеся электроны. Поглощают расходящиеся электроны с низкой энергией и формируют высокоинтенсивный электронный пучок.

4. Электромагнитная линза и дефлекционная катушка

Электромагнитные линзы фокусируют электронный пучок на заготовке, дефлекционная катушка отклоняет пучок на предполагаемую зону шва. Это финальные блоки процесса ЭБС.

5. Устройство удержания заготовки

Процесс использует ЧПУ-столы для удержания заготовок, вращающихся во всех трех направлениях. Листы закрепляются на ЧПУ-столе с помощью подходящих приспособлений.

6. Вакуумная камера

Весь процесс проходит в вакуумной камере. Вакуум создается механическими или электрическими насосами. Давление в камере ~0,1–10 Па.

7. Источник питания

Сварочный процесс использует источник питания для непрерывного пучка электронов. Напряжение сварки для низковольтного оборудования (тонкие стыки) — 5–30 кВ, для высоковольтного (толстые стыки) — 70–150 кВ.

Принцип работы электронно-лучевой сварки

Работает по принципу электронно-лучевой обработки. Процесс использует кинетическую энергию электронов для генерации тепла. Это тепло используется для сварки двух пластин.

Когда высокоскоростной поток электронов ударяет в свариваемые пластины, его кинетическая энергия преобразуется в тепловую. Энергии достаточно для формирования сплавленного шва соединением двух металлических пластин.

Процесс электронно-лучевой сварки

ЭБС — сварочный процесс, использующий тепло, генерируемое пучком высокоэнергетических электронов. Электроны ударяют в заготовку, их кинетическая энергия превращается в тепловую, нагревая металл так, что края заготовки соединяются и шов формируется после застывания.

Процесс проводится в вакуумной камере при давлении ~2×10⁻⁷ – 2×10⁻⁶ psi (0,0013–0,013 Па). Такой высокий вакуум нужен для предотвращения потери энергии электронов при столкновениях с молекулами воздуха.

Электроны испускаются катодом (электронной пушкой). Из-за высокого напряжения (~150 кВ) между катодом и анодом электроны ускоряются до 30–60% скорости света. Кинетическая энергия становится достаточной для плавления целевого шва. Часть энергии преобразуется в рентгеновское излучение.

Электроны, ускоренные электрическим полем, фокусируются в тонкий пучок в фокусирующей катушке. Дефлекционная катушка движет электронным пучком вдоль шва. Электронный пучок способен сваривать заготовки толщиной от 0,004" (0,01 мм) до 6" (150 мм) стали и до 20" (500 мм) алюминия.

Электронно-лучевая сварка может соединять любые металлы, включая редко свариваемые другими методами: рефрактарные металлы (вольфрам, молибден, ниобий) и химически активные (титан, цирконий, бериллий).

Также способна соединять разнородные металлы. Компоновка показана на рисунке.

Преимущества электронно-лучевой сварки

1. Плотный непрерывный шов.
2. Низкие деформации.
3. Узкий шов и узкая термически воздействуемая зона.
4. Наплавной металл не требуется.
5. Можно сваривать как однородные, так и диффузионно-связанные металлы.
6. Высокая скорость соединения металлов.
7. Можно сваривать твердые материалы.
8. Высокое качество поверхности шва.
9. Весь процесс в вакууме — меньше дефектов сварки.

Недостатки электронно-лучевой сварки

1. Очень дорогое оборудование.
2. Высокие производственные расходы.
3. Рентгеновское излучение.
4. Высокие капитальные затраты / стоимость установки.
5. Требуется регулярное обслуживание.
6. Размер заготовки ограничен размером вакуумной камеры.
7. Требуется высококвалифицированный персонал.

Применение электронно-лучевой сварки

1. Авиакосмическая и морская промышленность — инфраструктурные работы.
2. Автомобилестроение — шестерни, трансмиссии, турбонаддувы.
3. Сварка титана и его сплавов.
4. Электронная промышленность — сварочные коннекторы.
5. Ядерные реакторы и медицинская промышленность.

Скачать PDF этой статьи

Download now

---

Надеемся, что мы развеяли все сомнения по ЭБС. Остались вопросы по «Электронно-лучевой сварке» — пишите в комментариях.

Спасибо за чтение. Если понравилось — поделитесь с друзьями. Вопросы по любой теме — в комментариях.

Подпишитесь на рассылку для уведомлений о новых публикациях.