Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

Фокусування електронного променя здійснюють однією або двома магнітними лінзами. У гарматах з однією лінзою для зменшення діаметра променя на деталі потрібно зменшувати відношення М = b/а (рис.3.15,б), тобто розташовувати лінзу далеко від анода і близько до деталі. При наявності двох лінз першу з них розташовують близько до анода, що зменшує діаметр електронного променя в основній лінзі. Лінзи виконують у вигляді котушок з великим числом витків у залізному екрані особливої форми.

Для переміщення і корегування електронного променя по стику використовують магнітні системи. Для зварювання металів товщиною 3…5 мм придатні системи з кутовим відхиленням променя. При зварюванні великих товщин така система може давати перекос шва відносно вертикальної площини стика. Тому для таких товщин доцільно застосовувати дві пари систем, розташованих на різній висоті, що забезпечують паралельний перенос променя. Відхиляючу систему звичайно виготовляють у вигляді чотирьох котушок, з'єднаних послідовно попарно і розташованих під кутом 180º одна до іншої. Це плоскі котушки з діаметром d умовного циліндра. Змінюючи струм у котушках, можна встановлювати промінь у будь-якій точці і забезпечувати його рух по складних траєкторіях. Число ампер-витків пари котушок, необхідне для відхилення пучка електронів з енергією U на кут θ, визначається рівнянням

(Iω) = 2,65 d U sin θ ,

(3.23)

відх l

де І – сила струму в котушці; ω – число витків котушки; l – ширина котушки.

У промисловості застосовується автоматична система спрямування променя по стику. Для цього в ІЕЗ ім. Є.О. Патона запропоновано використовувати ефект зниження вторинної емісії електронів при проходженні зондувального електронного пучка через стик кромок.

315

Основну роль у формуванні електронного променя відіграє прикатодна електронно-оптична система – прожектор гармати. У більшості випадків у прожекторах зварювальних гармат використовують триелектродні системи. Вони складаються з катода, керуючого електрода з отвором та прискорюючого анода. Керуючий електрод ще називають фокусуючим або прикатодним і рідше – модулятором. Катодний вузол гармати кріпиться на високовольтному ізоляторі. Живлення до прожектора гармати подається броньованим високовольтним кабелем. Сила струму променя регулюється шляхом подачі негативного керуючого потенціалу на прикатодний електрод прожектора, зміною прискорюючої напруги або, рідше, зміною сили струму розжарення катода. У випадку імпульсно-модульованого режиму зварювання на прикатодний електрод подаються негативні прямокутні імпульси моделюючої напруги.

Катоди електронних гармат працюють у жорстких умовах, обумовлених високотемпературним нагріванням, іонним бомбардуванням, окисненням і забрудненням парами металів, що зварюються. Для виготовлення катодів використовують вольфрам, тантал та інші тугоплавкі метали з низькою роботою виходу електронів. Застосовують лантанборидні (LаВ6) катоди, які мають високу емісійну здатність при відносно низькій робочій температурі (1600 °С). По мірі металізації поверхні катода тугоплавкими металами для збільшення емісії його робочу температуру необхідно підвищувати до 1900…2000 °С. Конятруктивно катоди виконують з прямим або з непрямим нагріванням. Катоди з непрямим нагріванням мають більш рівномірну по поверхні щільність емісії і є еквіпотенціальними. Лантанборидні катоди виготовляють із непрямим нагріванням. Катоди можуть бути у вигляді плоскої спіралі, штиреві, плоскі тощо. Для одержання в промені великих потужностей застосовують гармати з плоским катодом.

Загальний вигляд гармати ES 30/5 з регульованою прискорюю-

316

чою напругою 30 кВ і регульованою потужністю променю 6 кВт показано на рис.3.16. У гарматі застосовано триелектродну систему формування електронних пучків і масивний вольфрамовий катод, що нагрівається за допомогою електронного бомбардування.

Рис.3.16. Електронна гармата ES 30/5 інституту Манфреда фон Арденне (Дрезден):

1 – виріб; 2 – відхиляюча магнітна система; 3 – фокусуюча магнітна лінза; 4 – підключення до вакуумної системи; 5 – катодний вузол; 6 – анод; 7 – магнітна юстіровка; 8 – вакуумний вентиль; 9 – система спостере-

ження

Разом із гарматами, які мають термоелектронні катоди, розроблено газорозрядні гармати. Принципову схему газорозрядної гармати з

формуванням електронного пучка за рахунок іонного бомбардування катода показано на рис.3.17 [98].

Рис.3.17. Принципова схема газорозрядної гармати з формуванням пучка за рахунок іонного бомбардування катода:

1 – деталь; 2 – плазма; 3 – прискорюючий електрони проміжок; 4 – катод; 5 – електрони; 6 – анод; 7 – робочий простір гармати; 8 – вторинні та відбиті електрони

317

У цій гарматі катод 4 являє собою алюмінієвий блок із сферичною виїмкою, радіус якої приблизно дорівнює відстані від катода до виробу. На деякій відстані від катода знаходиться анод 6 з апертурним отвором. Зварювана деталь 1 розміщується в центрі кривизни виїмки на катоді і має електричний зв'язок з анодом. Робочий простір 7 гармати заповнюється інертним газом до тиску 20 Па. При подачі на катод високого негативного потенціалу в камері збуджується тліючий розряд. Плазма 2 формується між анодом і деталлю. Позитивні іони прискорюються полем між анодом і катодом (прискорюючий проміжок 3) і при попаданні на катод вибивають з нього електрони 5, що вилітають перпендикулярно поверхні катода. Кожен іон, який попадає на катод, вибиває 5…10 електронів, що забезпечує формування могутнього пучка електронів. Поблизу катода електричне поле формує конічний пучок емітованих електронів, який фокусується в точку на деталі. Цифрою 8 позначено відбиті і вторинні термоелектрони від деталі. Положення фокуса від напруги не залежить. При відстані між деталлю і катодом до 100 мм і різниці потенціалів більше 10 кВ розсіювання електронів газом невелике і близько 75 % енергії передається деталі.

Для виготовлення катода використовують алюміній, тому що він має високий коефіцієнт вторинної електронної емісії при іонному бомбардуванні і низьку швидкість розпилення. Вибором відповідної форми катода можна фокусувати електронні пучки в точку, лінію або кільце.

Іншим типом газорозрядних гармат є гармати з порожнім катодом. Вони можуть працювати в режимі гарячого або холодного катода. У першому випадку електронний пучок усередині порожнього циліндричного катода формується під дією електричного поля або за рахунок термоелектронної емісії, а також вторинної емісії під дією іонного бомбардування. У результаті бомбардування внутрішні стінки катода нагріваються. В іншому випадку електронний пучок утворюється в порожнині катода при іонізації атомів аргону в тліючому розряді і в результаті вторинної емісії електронів від іонного бомбарду-

318

вання. Промінь фокусується за допомогою електромагнітної системи. Перевагою газорозрядних гармат є те, що вони працюють при значно більших тисках, ніж гармати з розжарюваним катодом. Ці гармати можна використовувати в різних технологічних процесах.

На рис.3.18 показано схему електронної системи газорозрядної камери гармати з плазмовим катодом, у якій для генерації плазми використовуються низьковольтний розряд із порожнім катодом [101].

Рис.3.18. Схема електродної системи газорозрядної камери з порожнім катодом:

1 – прискорюючий електрод; 2 – емісійний канал; 3, 5 – еміттерний та порожній катоди відповідно; 4 – анод

Розряд збуджується в електродній системі з трьома холодними електродами: порожнім катодом 5, анодом 4 та додатковим електродом 3, що в більшості випадків має потенціал Uр порожньогокатода. Порожній

катод та анод мають циліндричну форму, додатковий катод, розміщений проти порожнього катода, – плоский. Порожній катод має систему дозованого напуску робочого газу. У розрядній камері створюється аксіальне магнітне поле. Розряд збуджується в розрядній камері при тиску 1…5 Па і напрузі 350…450 В. Еміттерний катод має емісійний канал діаметром 1,8 мм для відбору електронів. Для емісії та прискорення електронів між катодом 3 і прискорюючим електродом 1 подається напруга U до 50 кВ. Відібрані з плазми електрони формуються в промінь і фокусуються магнітним полем фукусуючої системи.

У ВАТ "Новосибірський завод хімконцентратів" електронні гармати потужністю до 5 кВт з плазмовим катодом використовують у складі модернізованих енергокомплексів типу У-250, ЭЛА-50/5, ЭЛА-15

319

в умовах поточних автоматизованих ліній зварювання. Вони мають ряд переваг перед гарматами з термокатодами, зокрема високу надійність та ресурс роботи в умовах інтенсивного випаровування металу.

Система електричного живлення електронно-променевої гармати включає в себе високовольтне джерело прискорюючої напруги з мережею живлення катода та джерело струму фокусуючої і відхиляючої систем.

Однією з головних вимог до систем електроживлення електро- нно-променевих гармат є висока стабільність енергетичних параметрів, тому що навіть короткочасні і порівняно малі їх зміни можуть істотно вплинути на параметри шва. Коливання прискорюючої напруги призводять не лише до коливань потужності променя, але й до зміни фокусування та кута відхилення. Тому для зварювання рекомендується використовувати стабілізовану апаратуру. Щоб зменшити пульсації напруги, установлюють фільтри, які складаються з конденсаторів і дроселів, що значно ускладнює системи електроживлення гармат. Великогабаритне устаткування для електронно-променевого зварювання забезпечується промисловими телевізійними установками.

Залежно від глибини вакууму установки ЕПЗ поділяються на три класи: для зварювання у високому вакуумі (10–2…10–3 Па), проміжному вакуумі (10–1 Па) та з виводом електронного променя в середовище з атмосферним тиском. У високовакуумних установках можна отримати гостросфокусований електронний промінь із високою концентрацією енергії в плямі нагрівання. При зварюванні в проміжному вакуумі концентрація енергії суттєво знижується за рахунок збільшення розсіювання електронів. Для зварювання при атмосферному тиску характерна низька концентрація енергії внаслідок великого розсіювання електронного променя при проходженні через газове середовище між гарматою та виробом. У цьому випадку електронний промінь формується у високому вакуумі (10–2…10–3 Па) і за допомогою спеціальних

320

пристроїв виводиться в середовище інертного газу або на повітря. Одним із варіантів виводу променя в газове середовище є створення електронних гармат зі ступінчастою відкачкою. У гарматі виділяється декілька камер, з яких ведеться автономна відкачка газів. У міжелектродному проміжку створюється вакуум до 10–2 Па, але з виходом променя тиск зростає. Відомі й інші способи виводу променя електронів в атмосферу, наприклад запирання вихідного отвору за допомогою надзвукового газового струменя або застосування вікна з танталової фольги, що пропускає електрони і не пропускає газ.

За ступенем спеціалізації установки поділяються на універсальні і спеціалізовані. У промисловості експлуатується велика кількість універсальних та спеціалізованих установок [98]. В установках типу ЭЛУ (ЭЛУ-1, ЭЛУ-13 та ін.) використовуються електронні гармати ЭП-60, ЭП-60М, ЭП-60/2,5, ЭП-60/1 ОМ з прискорюючою напругою 60 кВ та потужністю в промені 2,0…10,0 кВт. За конструкцією ці установки подібні, але відрізняються габаритами вакуумних камер, конструкцією зварювальних маніпуляторів та допоміжних механізмів, а також параметрами електронно-оптичних систем. Якщо універсальна установка ЭЛУ-2 має вакуумну камеру діаметром 500 мм і довжиною 400 мм, то установка ЭЛУ-13 має камеру розмірами 10000×3400×5400 мм.

Загальний вигляд універсальної установки У-570 показано на рис.3.19 [98].

Вакуумна камера установки виконана з нержавіючої сталі товщиною 25 мм. Її габарити 1200×1200×1200 мм. У верхній частині камери зроблене вікно діаметром 1020 мм, що закривається поворотною плитою 1, на напрямних якої встановлюється механізм переміщення гармати. Універсальний зварювальний маніпулятор 4 являє собою візок із привідною й опорною бабками для зварювання виробів із горизонтальною віссю обертання та планшайбою для зварювання плоских виробів з вертикальною віссю обертання.

321

Установка У-570 має електронну гармату УЛ-141 з джерелом живлення У-843 (енергоблок) ЭЛА-60/60. Джерела живлення оснащені контролерами для автоматичного управління основними параметрами ЕПЗ. Вони використовуються в багатьох установках для ЕПЗ, наприклад ЭЛУ-21, У-736, УЛ-209, ЭЛУ-9 та ін. Енергоблок ЭЛА-60/60 має номінальну потужність променя 60 кВт, прискорюючу напругу 60 кВ, нестабільність прискорюючої напруги 1 %, силу струму променя 1000 мА, нестабільність сили струму +1 %, нестабільність струму фокусування променя +10–2 %, живлення мережі 100 кВт.

Рис.3.19. Загальнийвигляд універсальноїелектронно-променевоїустановкиУ-570:

1 – поворотна плита; 2 – механізм переміщення гармати; 3 – електронна гармата; 4 – універсальний зварювальний маніпулятор; 5 – привід маніпулятора; 6 – вакуумна система; 7 – пульт управління

У промисловості використовують установки для ЕПЗ великогабаритних виробів із локальною герметизацією, наприклад установка У-101 для зварювання труб, установка КЛ-104 для зварювання врізних

322

елементів великогабаритних обичайок з алюмінієвого сплаву АК8. Спеціалізовані установки використовують для зварювання труб з трубними дошками (УЛ-178, УЛ-206), виробів електронної техніки (А.306.02, А.306.05), біметалічних стрічкових машинних пил та ножовок (ЭЛС-101), тепловиділяючих елементів атомних електростанцій (У-250 з плазмовим катодом) та багатьох інших виробів.

3.1.4. Особливості та сфери застосування електронно-проме-

невого зварювання. ЕПЗ є одним із процесів, які належать до елект- ронно-променевих технологій. Інші – електронно-променеве напилення з парової фази, плавлення титану та отримання композиційних матеріалів із диспергованого розплаву [105]. Усі ці процеси успішно розвиваються завдяки особливостям електронно-променевих технологій. Характерними особливостями є можливість високої концентрації енергії, проведення процесів у вакуумі, а також повної автоматизації процесів.

Однією з головних переваг ЕПЗ є висока концентрація енергії і можливість одержання вузької і глибокої зони проплавления, площа якої в десятки разів менше, ніж при дуговому зварюванні. При елект- ронно-променевому зварюванні потрібно в 10…15 разів менше енергії, ніж при електродуговому. Висока зосередженість нагрівання і мінімальна площа зони проплавления забезпечують незначні залишкові деформації виробів. Вузька зона термічного впливу зменшує небезпеку неприпустимих змін фізико-механічних властивостей основного металу, хоча не виключає виникнення навколошовних тріщин у сталях і сплавах, схильних до їх утворення.

Інша важлива перевага ЕПЗ – можливість використання ефективного вакуумного захисту і поліпшення властивостей металу шва в результаті вакуумного переплаву. Економічна доцільність зварювання у вакуумі визначається не лише підвищенням фізико-механічних показників металу, але і значно меншими витратами на створення вакууму в порівнянні зі створенням захисного високочистого інертного або конт-

323

рольованого середовища. За даними роботи [120], якщо враховувати лише експлуатаційні витрати, електронно-променеве зварювання в 35 разів дешевше зварювання вкамерах ізконтрольованою атмосферою [120].

Мінімальні деформації зварюваних виробів та високі фізикомеханічні властивості з'єднань після ЕПЗ дозволяють скоротити або цілком виключити наступну механічну і термічну обробки.

Сучасне устаткування для ЕПЗ має системи комп'ютерного управління, діагностики стану та протокольне оформлення результатів зварювання. Комп'ютерна діагностика дає положення фокуса, щільність енергії та зображення на екрані дисплея поздовжніх перерізів променя, сигналізує про необхідність заміни зношеного катода тощо. Весь процес діагностики променя займає близько 1 хв [105].

ЕПЗ широко використовують у промисловості, незважаючи на такі недоліки способу, як складність зварювального устаткування та необхідність висококваліфікованих кадрів. Цим способом зварюють не лише високолеговані сталі і сплави, активні та тугоплавкі метали, але й конструкційні сталі при виготовленні виробів з малим припуском або в остаточний розмір.

ЕПЗ використовується в енергетичному та транспортному машинобудуванні, при виготовленні аерокосмічної техніки, авіаційних двигунів та агрегатів, виробів електронної техніки, тепловиділяючих елементів атомних станцій тощо. Воно широко застосовується при виготовленні газотурбінних установок різного призначення для зварювання високолегованих сталей різних структурних класів, жароміцних сталей і сплавів, титану та його сплавів [50,55,62,127,145].

Наприклад, створення НВП "Машпроект" та ВО "Зоря" (нині Державне підприємство "Науково-виробничий комплекс газотурбобудування "Зоря–Машпроект") сучасних газотурбінних установок для морського флоту, газоперекачування та теплової енергетики стало можливим завдяки широкому застосуванню ЕПЗ. Основу нових паро-

324