Электронно-лучевая сварка ( ЭЛС ) — это процесс сварки плавлением , при котором пучок высокоскоростных электронов применяется к двум соединяемым материалам. Детали плавятся и сливаются, поскольку кинетическая энергия электронов преобразуется в тепло при ударе. ЭЛС часто выполняется в условиях вакуума, чтобы предотвратить рассеивание электронного пучка.
Электронно-лучевая сварка была разработана немецким физиком Карлом-Хайнцем Штайгервальдом в 1949 году, [1] который в то время работал над различными приложениями электронно-лучевой сварки. Штайгервальд задумал и разработал первый практический аппарат для электронно-лучевой сварки, который начал работать в 1958 году. [2] Американский изобретатель Джеймс Т. Рассел также был удостоен чести спроектировать и построить первый аппарат для электронно-лучевой сварки. [3] [4] [5]
Электроны — элементарные частицы , обладающие массой m = 9,1 · 10−31 кг и отрицательным электрическим зарядом e = 1,6 · 10−19 Кл . Они существуют либо связанными с атомным ядром , как электроны проводимости в атомной решетке металлов , либо как свободные электроны в вакууме .
Свободные электроны в вакууме могут быть ускорены, а их траектории контролируются электрическими и магнитными полями . Таким образом, могут быть сформированы пучки электронов, несущие высокую кинетическую энергию . При столкновении с атомами в твердых телах их кинетическая энергия преобразуется в тепло. EBW обеспечивает превосходные условия сварки, поскольку она включает:
Эффективность луча зависит от многих факторов. Наиболее важными являются физические свойства свариваемых материалов, особенно легкость, с которой они могут плавиться или испаряться в условиях низкого давления. EBW может быть настолько интенсивным, что материал может вскипеть, что необходимо учитывать. При более низких значениях поверхностной плотности мощности (в диапазоне около 10 3 Вт/мм 2 ) потеря материала на испарение пренебрежимо мала для большинства металлов, что благоприятно для сварки. При более высокой мощности материал, на который воздействует луч, может быстро испаряться; переход от сварки к обработке .
Электроны проводимости (не связанные с ядрами атомов) движутся в кристаллической решетке металлов со скоростями, распределенными по закону Гаусса и зависящими от температуры. Они не могут покинуть металл, если их кинетическая энергия (в эВ) не превышает потенциальный барьер на поверхности металла. Число электронов, удовлетворяющих этому условию, экспоненциально увеличивается с ростом температуры металла, следуя правилу Ричардсона.
В качестве источника электронов для электронно-лучевых сварщиков материал должен соответствовать определенным требованиям:
Эти и другие условия ограничивают выбор материала для эмиттера металлами с высокими температурами плавления, практически только танталом и вольфрамом . Вольфрамовые катоды допускают плотность тока эмиссии около 100 мА/мм 2 , но только небольшая часть эмитированных электронов принимает участие в формировании пучка, в зависимости от электрического поля, создаваемого напряжениями анода и управляющего электрода. Наиболее часто используемый катод изготавливается из вольфрамовой полосы толщиной около 0,05 мм, имеющей форму, показанную на рисунке 1а. Соответствующая ширина полосы зависит от наибольшего требуемого значения тока эмиссии. Для нижнего диапазона мощности пучка, примерно до 2 кВт, подходит ширина w=0,5 мм.
Электроны, испускаемые катодом, имеют низкую энергию, всего несколько эВ . Чтобы придать им необходимую скорость, их ускоряют электрическим полем, приложенным между эмиттером и анодом . Ускоряющее поле также должно направлять электроны так, чтобы они образовывали узкий сходящийся «пучок» вокруг оси. Этого можно добиться с помощью электрического поля вблизи катода, которое имеет радиальную добавку и аксиальную составляющую, заставляя электроны двигаться в направлении оси. Благодаря этому эффекту электронный луч сходится к некоторому диаметру в плоскости, близкой к аноду.
Для практических применений мощность электронного пучка должна быть контролируемой. Это может быть достигнуто с помощью другого электрического поля, создаваемого другим катодом, отрицательно заряженным по отношению к первому.
По крайней мере, эта часть электронной пушки должна быть откачана до высокого вакуума, чтобы исключить «сгорание» катода и возникновение электрических разрядов.
Расходящийся электронный пучок, покидая анод, не имеет достаточной для сварки металлов плотности мощности и должен быть сфокусирован. Этого можно добиться с помощью магнитного поля, создаваемого электрическим током в цилиндрической катушке.
Фокусирующий эффект вращательно-симметричного магнитного поля на траекторию электронов является результатом сложного влияния магнитного поля на движущийся электрон. Этот эффект представляет собой силу, пропорциональную индукции B поля и скорости электрона v . Векторный продукт радиальной составляющей индукции B r и аксиальной составляющей скорости v a представляет собой силу, перпендикулярную этим векторам, заставляющую электрон двигаться вокруг оси. Дополнительным эффектом этого движения в том же магнитном поле является другая сила F, ориентированная радиально оси, которая отвечает за фокусирующий эффект магнитной линзы. Результирующая траектория электронов в магнитной линзе представляет собой кривую, похожую на спираль . В этом контексте изменения фокусного расстояния (возбуждающего тока) вызывают небольшое вращение поперечного сечения пучка.
Пятно луча должно быть точно позиционировано относительно свариваемого соединения. Обычно это достигается механическим способом, перемещая заготовку относительно электронной пушки, но иногда предпочтительнее отклонить луч. Для этой цели обычно используется система из четырех катушек, расположенных симметрично вокруг оси пушки за фокусирующей линзой, создающей магнитное поле, перпендикулярное оси пушки.
Когда электроны из пучка ударяются о поверхность твердого тела, некоторые из них отражаются (рассеиваются обратно), а другие проникают в поверхность, где сталкиваются с твердым телом. При неупругих столкновениях они теряют свою кинетическую энергию. Электроны могут «пройти» лишь небольшое расстояние под поверхностью, прежде чем они преобразуют свою кинетическую энергию в тепло. Это расстояние пропорционально их начальной энергии и обратно пропорционально плотности твердого тела. В типичных условиях «расстояние прохождения» составляет порядка сотых долей миллиметра.
Увеличивая число электронов (ток пучка), можно увеличить мощность пучка до любого желаемого значения. Фокусируя пучок на небольшом диаметре, можно достичь значений плоской плотности мощности от 10 4 до 10 7 Вт/мм 2 . Поскольку электроны переводят свою энергию в тепло в тонком слое твердого тела, плотность мощности в этом объеме может быть высокой. Объемная плотность может достигать значений порядка 10 5 – 10 7 Вт/мм 3 . Следовательно, температура в этом объеме быстро увеличивается, на 10 8 – 10 9 К/с.
Результаты применения луча зависят от нескольких факторов:
Конечный эффект зависит от конкретной комбинации этих параметров.
Для сварки тонкостенных деталей обычно требуются соответствующие сварочные приспособления. Их конструкция должна обеспечивать идеальный контакт деталей и предотвращать перемещение во время сварки. Обычно их приходится проектировать индивидуально для конкретной заготовки.
Не все материалы можно сваривать электронным лучом в вакууме. Эту технологию нельзя применять к материалам с высоким давлением паров при температуре плавления, что касается цинка , кадмия , магния и практически всех неметаллов.
Другим ограничением может быть изменение свойств материала, вызванное процессом сварки, например, высокая скорость охлаждения. [2]
Некоторые металлические компоненты невозможно сварить, т. е. расплавить часть обоих в непосредственной близости от стыка, если материалы имеют разные свойства. Тем не менее, возможно реализовать соединения, отвечающие высоким требованиям механической компактности и являющиеся идеально вакуумно-плотными. Основной подход заключается в том, чтобы расплавить тот, у которого более низкая температура плавления, в то время как другой остается твердым. Преимущество электронно-лучевой сварки заключается в ее способности локализовать нагрев в точной точке и точно контролировать энергию, необходимую для процесса. Более высокий вакуум существенно способствует положительному результату. Общее правило для создания соединений, выполненных таким образом, заключается в том, что часть с более низкой температурой плавления должна быть напрямую доступна лучу.
Локальные вакуумные системы позволяют сваривать заготовки, не требуя, чтобы заготовка была заключена в рабочую камеру. Вместо этого вакуум создается путем герметизации камеры в одной секции заготовки, сварки этой секции и перемещения камеры или заготовки (непрерывно или дискретными шагами) в дополнительные секции и повторения процесса до тех пор, пока сварка не будет завершена. [6] Использование дуговой сварки на сосудах под давлением требует 100 или более отдельных сварных швов/циклов с дополнительной обработкой для каждого цикла. Материалы толщиной до 200 мм можно сваривать за один проход. Усадка минимальна (рекомендуется термообработка). Сварные швы избегают загрязнения оксидами или нитридами. Материал лучше сохраняет прочность. Сварочный шов имеет меньше дефектов/пустот, требуется меньше неразрушающего контроля, и он существует уже десятилетиями.
Если расплавленный лучом материал сжимается при охлаждении после затвердевания, могут возникнуть трещины, деформации и изменения формы.
Стыковая сварка двух пластин может привести к изгибу сварной конструкции, поскольку в головке расплавлено больше материала, чем в корне шва, хотя этот эффект не столь существенен, как при дуговой сварке.
В сварном шве могут появиться трещины. Если обе части жесткие, усадка сварного шва может привести к высокому напряжению, которое может привести к растрескиванию хрупкого материала (даже если только после переплавки сваркой).
Разработано много типов сварочных аппаратов, различающихся по конструкции, объему рабочего пространства, манипуляторам заготовок и мощности луча. Электронно-лучевые генераторы (электронные пушки), предназначенные для сварки, могут поставлять лучи мощностью от нескольких ватт до нескольких сотен киловатт. Могут быть реализованы «микросварки» крошечных компонентов, а также глубокие сварные швы до 300 мм и более. Объемы вакуумных рабочих камер варьируются от нескольких литров до сотен кубических метров.
Основными компонентами EBW являются:
Электронная пушка генерирует, ускоряет и фокусирует луч. Свободные электроны получаются путем термоэмиссии из горячей металлической полосы (или проволоки).
Затем они ускоряются и формируются в узкий пучок электрическим полем, создаваемым тремя электродами: полосой, испускающей электроны, катодом, подключенным к отрицательному полюсу источника питания высокого (ускоряющего) напряжения (30 - 200 кВ), и анодом. Третий электрод (Венельта или управляющий) заряжен отрицательно по отношению к катоду. Его отрицательный потенциал управляет долей испускаемых электронов, попадающих в ускоряющее поле, т. е. током электронного пучка. Пройдя отверстие анода, электроны движутся с постоянной скоростью в слегка расходящемся конусе.
Для технологических применений расходящийся пучок необходимо сфокусировать, что осуществляется магнитным полем катушки — магнитной фокусирующей линзой.
Пучок должен быть ориентирован на оптические оси ускоряющей электрической линзы и магнитной фокусирующей линзы. Это можно сделать, прикладывая магнитное поле определенного радиального направления и силы, перпендикулярное оптической оси перед фокусирующей линзой. Обычно это реализуется простой системой коррекции, состоящей из двух пар катушек. Регулировка токов в этих катушках создает правильное поле.
После прохождения фокусирующей линзы луч может быть применен для сварки, либо напрямую, либо после отклонения системой отклонения. Система отклонения Она состоит из двух пар катушек, по одной для направлений X и Y. Они могут использоваться для «статического» или «динамического» отклонения. Статическое отклонение полезно для точного позиционирования луча. Динамическое отклонение реализуется путем подачи на отклоняющие катушки токов, управляемых компьютером. Затем луч может быть перенаправлен для удовлетворения потребностей приложений, выходящих за рамки сварки, таких как поверхностная закалка, отжиг, точное позиционирование луча, визуализация и гравировка. Может быть достигнуто разрешение 0,1 мм.
Сварка обычно выполняется в рабочей вакуумной камере в условиях высокого или низкого вакуума, хотя сварщики могут работать и без камеры.
Объемы рабочих камер варьируются от нескольких литров до сотен кубических метров.
Электронно-лучевая сварка никогда не может быть «ручной», даже если она не реализуется в вакууме, из-за наличия сильного рентгеновского излучения . Относительное движение луча и заготовки чаще всего достигается вращением или перемещением заготовки или луча.
Электронно-лучевое оборудование должно быть снабжено соответствующим источником питания. Диапазон ускоряющего напряжения составляет 30-200 кВ, обычно 60-150 кВ. Технические проблемы и стоимость оборудования являются возрастающей функцией рабочего напряжения.
Высоковольтное оборудование должно также обеспечивать подачу тока низкого напряжения, свыше 5 В, для нагрева катода и отрицательного напряжения примерно до 1000 В для управляющего электрода.
Электронной пушке необходимы низковольтные источники питания для системы коррекции, фокусирующей линзы и отклоняющей системы.
Электроника управляет манипулятором заготовки, контролирует процесс сварки и регулирует различные напряжения, необходимые для конкретного применения.
Такие системы применялись для сварки корпусов реакторов высокого давления для небольших модульных реакторов , что дало огромную экономию времени и средств по сравнению с дуговой сваркой. [6] Использование дуговой сварки на корпусах высокого давления требует 100 или более отдельных сварных швов/циклов с дополнительной обработкой для каждого цикла. Материалы толщиной до 200 мм можно сваривать за один проход. Усадка минимальна (рекомендуется термообработка). Сварные швы избегают загрязнения оксидами или нитридами. Материал лучше сохраняет прочность. Сварочный шов имеет меньше дефектов/пустот. Требуется меньше неразрушающего контроля. [7]
Для морской ветровой турбины может потребоваться 6000 часов дуговой сварки. Локальная вакуумная EBM может заменить это с гораздо меньшими затратами и временем, с улучшенным качеством. [7]
