Электронно-лучевая сварка ( ЭЛС ) — это процесс сварки плавлением , при котором луч высокоскоростных электронов воздействует на два соединяемых материала. Заготовки плавятся и стекают вместе, поскольку кинетическая энергия электронов при ударе преобразуется в тепло. ЭЛС часто выполняется в условиях вакуума , чтобы предотвратить рассеивание электронного луча.
Электронно-лучевая сварка была разработана немецким физиком Карлом-Хайнцем Штайгервальдом в 1949 году [1] , который в то время работал над различными применениями электронно-лучевой сварки. Штайгервальд задумал и разработал первый практический аппарат для электронно-лучевой сварки, который начал работать в 1958 году. [2] Американскому изобретателю Джеймсу Т. Расселу также приписывают проектирование и создание первого аппарата для электронно-лучевой сварки. [3] [4] [5]
Электроны — это 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 в виде электронов проводимости в атомной решетке металлов . Свободные электроны в вакууме .
Свободные электроны в вакууме можно ускорять, при этом их траектория контролируется электрическими и магнитными полями . Таким образом могут быть сформированы узкие пучки электронов, несущих высокую кинетическую энергию , которые при столкновении с атомами твердых тел преобразуют свою кинетическую энергию в тепло. Электронно-лучевая сварка обеспечивает отличные условия сварки, поскольку включает в себя:
Эффективность электронного луча зависит от многих факторов. Наиболее важными являются физические свойства свариваемых материалов, особенно легкость их плавления или испарения в условиях низкого давления. Электронно-лучевая сварка может быть настолько интенсивной, что при сварке необходимо учитывать потери материала из-за испарения или кипения в процессе процесса. При меньших значениях поверхностной плотности мощности (в пределах около 10 3 Вт/мм 2 ) потери материала на испарение для большинства металлов незначительны, что благоприятно для сварки. При более высокой плотности мощности материал, на который воздействует луч, может полностью испариться за очень короткое время; это уже не электронно-лучевая сварка; это электронно-лучевая обработка .
Электроны проводимости (не связанные с ядром 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, увеличивается экспоненциально с увеличением температуры металла, следуя правилу Ричардсона.
В качестве источника электронов для электронно-лучевых сварщиков материал должен отвечать определенным требованиям:
Эти и другие условия ограничивают выбор материала эмиттера металлами с высокими температурами плавления, практически только двумя: танталом и вольфрамом . С помощью вольфрамовых катодов можно достичь плотности эмиссионного тока около 100 мА/мм 2 , однако в формировании пучка принимает участие лишь небольшая часть эмиттируемых электронов, в зависимости от электрического поля, создаваемого напряжением анода и управляющего электрода. Катод, наиболее часто используемый в электронно-лучевых сварочных аппаратах, изготовлен из вольфрамовой ленты толщиной около 0,05 мм и имеет форму, показанную на рис. 1а. Подходящая ширина полосы зависит от максимального требуемого значения тока эмиссии. Для нижнего диапазона мощности луча, примерно до 2 кВт, подходит ширина w=0,5 мм.
Электроны, вылетающие из катода, обладают очень малой энергией, всего несколько эВ . Чтобы придать им необходимую высокую скорость, их ускоряют сильным электрическим полем, приложенным между эмиттером и другим, положительно заряженным электродом, а именно анодом. Ускоряющее поле также должно направлять электроны, чтобы сформировать узкий сходящийся «пучок» вокруг оси. Этого можно достичь с помощью электрического поля вблизи поверхности эмитирующего катода, которое имеет радиальную добавку, а также аксиальную составляющую, вынуждающую электроны двигаться в направлении оси. Благодаря этому эффекту электронный пучок сходится к некоторому минимальному диаметру в плоскости, близкой к аноду.
Для практических приложений мощность электронного пучка, конечно, должна быть управляемой. Этого можно добиться с помощью другого электрического поля, создаваемого другим катодом, заряженным отрицательно по отношению к первому.
По крайней мере, эту часть электронной пушки необходимо откачать в «высокий» вакуум, чтобы предотвратить «сгорание» катода и возникновение электрических разрядов.
Расходящийся электронный луч после выхода из анода не имеет достаточной для сварки металлов плотности мощности и его приходится фокусировать. Этого можно добиться с помощью магнитного поля, создаваемого электрическим током в цилиндрической катушке.
Фокусирующее воздействие вращательно-симметричного магнитного поля на траекторию электронов является результатом сложного воздействия магнитного поля на движущийся электрон. Этот эффект представляет собой силу, пропорциональную индукции поля B и скорости электрона v . Векторное произведение радиальной составляющей индукции B r и осевой 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 еще одна сила F , ориентированная радиально к оси, отвечающая за фокусирующий эффект магнитной линзы. Результирующая траектория электронов в магнитной линзе представляет собой кривую, похожую на спираль. В этом контексте следует отметить, что изменения фокусного расстояния (тока возбуждения) вызывают небольшое вращение поперечного сечения пучка.
Как упоминалось выше, пятно луча должно быть очень точно расположено относительно свариваемого соединения. Обычно это достигается механически путем перемещения заготовки относительно электронной пушки, но иногда вместо этого предпочтительнее отклонить луч. Чаще всего для этой цели используют систему из четырех катушек, расположенных симметрично вокруг оси пушки за фокусирующей линзой, создающих магнитное поле, перпендикулярное оси пушки.
Есть и более практические причины, по которым наиболее подходящая система отклонения используется в ЭЛТ-телевизорах или мониторах ПК. Это касается как отклоняющих катушек, так и необходимой электроники. Такая система позволяет не только «статическое» отклонение луча для упомянутых выше целей позиционирования, но и точное и быстрое динамическое управление положением пятна луча с помощью компьютера. Это позволяет, например: сваривать соединения сложной геометрии, создавать увеличенные изображения объектов в рабочей камере на мониторах телевизора или ПК.
Обе возможности находят множество полезных применений в практике электронно-лучевой сварки.
Чтобы объяснить способность электронного луча создавать глубокие и узкие сварные швы, необходимо объяснить процесс «проникновения». Прежде всего можно рассмотреть процесс для «одиночного» электрона.
Когда электроны луча ударяются о поверхность твердого тела, некоторые из них могут отражаться (как «обратно рассеянные» электроны), а другие проникают через поверхность, где они сталкиваются с частицами твердого тела. При неупругих столкновениях они теряют свою кинетическую энергию. Как теоретически, так и экспериментально было доказано, что они могут «пройти» лишь очень небольшое расстояние под поверхностью, прежде чем переведут всю свою кинетическую энергию в тепло. Это расстояние пропорционально их начальной энергии и обратно пропорционально плотности твердого тела. В условиях, обычных в сварочной практике, «расстояние хода» составляет порядка сотых долей миллиметра. Именно этот факт обеспечивает при определенных условиях быстрое проникновение луча.
Тепловой вклад одиночных электронов очень мал, но электроны можно ускорять очень высокими напряжениями, а за счет увеличения их числа (тока пучка) мощность пучка можно увеличить до любого желаемого значения. Фокусируя луч на поверхности твердого объекта небольшого диаметра, можно достичь значений планарной плотности мощности от 10 4 до 10 7 Вт/мм 2 . Поскольку электроны передают свою энергию в тепло в очень тонком слое твердого тела, как объяснялось выше, плотность мощности в этом объеме может быть чрезвычайно высокой. Объемная плотность мощности в малом объеме, в котором кинетическая энергия электронов преобразуется в тепло, может достигать значений порядка 10 5 – 10 7 Вт/мм 3 . Следовательно, температура в этом объеме возрастает чрезвычайно быстро, на 10 8 – 10 9 К/с.
Эффект действия электронных пучков в таких условиях зависит от ряда условий, прежде всего от физических свойств материала. Любой материал можно расплавить или даже испарить за очень короткое время. В зависимости от условий интенсивность испарения может изменяться от незначительной до существенной. При меньших значениях поверхностной плотности мощности (в пределах около 10 3 Вт/мм 2 ) потери материала на испарение для большинства металлов незначительны, что благоприятно для сварки. При более высокой плотности мощности материал, на который воздействует луч, может полностью испариться за очень короткое время; это уже не электронно-лучевая сварка; это электронно-лучевая обработка .
Результаты применения луча зависят от нескольких факторов: Многочисленные эксперименты и бесчисленные практические применения электронного луча в технологии сварки доказывают, что действие луча, т. е. размер и форма зоны воздействия луча, зависит от:
Конечный эффект луча зависит от конкретного сочетания этих параметров.
Для сварки тонкостенных деталей обычно необходимы соответствующие сварочные приспособления. Их конструкция должна обеспечивать идеальный контакт деталей и предотвращать их перемещение во время сварки. Обычно их приходится проектировать индивидуально под данную заготовку.
Не все материалы можно сваривать электронным лучом в вакууме. Эту технологию нельзя применять к материалам с высоким давлением паров при температуре плавления, таким как цинк , кадмий , магний и практически все неметаллы.
Другим ограничением свариваемости может быть изменение свойств материала, вызванное процессом сварки, например, высокая скорость охлаждения. Поскольку подробное обсуждение этого вопроса выходит за рамки данной статьи, читателю рекомендуется поискать дополнительную информацию в соответствующей литературе. [2]
Часто невозможно соединить два металлических компонента сваркой, т.е. расплавить часть обоих вблизи соединения, если свойства двух материалов сильно отличаются от свойств их сплава, из-за образования хрупких интерметаллических соединений. Эту ситуацию не изменить даже электронно-лучевым нагревом в вакууме, но это тем не менее позволяет реализовать соединения, отвечающие высоким требованиям к механической компактности и идеально вакуумонепроницаемые. Принципиальный подход состоит в том, чтобы плавить не обе части, а только ту, у которой более низкая температура плавления, в то время как другая остается твердой. Преимущество электронно-лучевой сварки заключается в ее способности локализовать нагрев в определенной точке и точно контролировать энергию, необходимую для процесса. Атмосфера высокого вакуума существенно способствует положительному результату. Общее правило выполнения соединений таким образом заключается в том, что часть с более низкой температурой плавления должна быть непосредственно доступна для балки.
Материал, расплавленный лучом, сжимается при охлаждении после затвердевания, что может иметь нежелательные последствия, такие как растрескивание, деформация и изменение формы, в зависимости от условий.
Стык двух пластин приводит к изгибу сварного изделия, поскольку в головке сварного шва расплавлено больше материала, чем в основании шва . Этот эффект, конечно, не столь существенен, как при дуговой сварке.
Еще одна потенциальная опасность – появление трещин в сварном шве. Если обе детали жесткие, усадка сварного шва создает в нем высокие напряжения, которые могут привести к появлению трещин, если материал хрупкий (даже если только после переплавки сваркой). Последствия усадки сварного шва всегда следует учитывать при изготовлении свариваемых деталей.
С момента публикации Штайгервальдом в 1958 году первого практического оборудования для электронно-лучевой сварки электронно-лучевая сварка быстро распространилась во всех отраслях техники, где может применяться сварка. Для удовлетворения различных требований было разработано бесчисленное количество типов сварочных аппаратов, различающихся конструкцией, объемом рабочего пространства, манипуляторами заготовок и мощностью луча. Электронно-лучевые генераторы (электронные пушки), предназначенные для сварочных работ, могут генерировать лучи мощностью от нескольких ватт до примерно ста киловатт. Можно реализовать «микросварку» мелких компонентов, а также глубокие сварные швы до 300 мм (или даже больше, если необходимо). Вакуумные рабочие камеры различной конструкции могут иметь объем всего несколько литров, но построены и вакуумные камеры объемом в несколько сотен кубических метров.
В частности, оборудование включает в себя:
В электронной пушке свободные электроны получаются путем термоэмиссии с раскаленной металлической ленты (или проволоки). Затем они ускоряются и формируются в узкий сходящийся пучок электрическим полем, создаваемым тремя электродами: лентой-эмиттером электронов, катодом, подключенным к отрицательному полюсу источника питания высокого (ускоряющего) напряжения (30–200 кВ), и положительному полюсу. электрод высокого напряжения, анод. Существует третий электрод, заряженный отрицательно по отношению к катоду, называемый Венельтом или управляющим электродом. Его отрицательный потенциал контролирует долю эмиттируемых электронов, попадающих в ускоряющее поле, т. е. ток электронного пучка.
Пройдя анодное отверстие, электроны движутся с постоянной скоростью по слегка расширяющемуся конусу. Для технологических приложений расходящийся луч необходимо сфокусировать, что реализуется магнитным полем катушки, магнитной фокусирующей линзы.
Для правильного функционирования электронной пушки необходимо, чтобы луч был идеально отрегулирован относительно оптических осей ускоряющей электрической линзы и магнитно-фокусирующей линзы. Это можно сделать, приложив перед фокусирующей линзой магнитное поле определенного радиального направления и силы, перпендикулярное оптической оси. Обычно это реализуется с помощью простой системы коррекции, состоящей из двух пар катушек. Регулируя токи в этих катушках, можно создать любое необходимое корректирующее поле.
После прохождения фокусирующей линзы луч может быть подан для сварки либо непосредственно, либо после отклонения системой отклонения. Он состоит из двух пар катушек, по одной для каждого направления X и Y. Их можно использовать для «статического» или «динамического» отклонения. Статическое отклонение полезно для точного позиционирования балки при помощи сварки. Динамическое отклонение реализуется путем подачи на отклоняющие катушки токов, которыми можно управлять с помощью компьютера. Это открывает новые возможности для электронно-лучевых применений, таких как поверхностная закалка или отжиг, точное позиционирование луча и т. д.
Систему быстрого отклонения также можно применять (при наличии соответствующей электроники) для визуализации и гравировки. В этом случае оборудование работает как сканирующий электронный микроскоп с разрешением около 0,1 мм (ограничено диаметром луча). В аналогичном режиме тонкий луч, управляемый компьютером, может «писать» или «рисовать» изображение на поверхности металла, расплавляя тонкий поверхностный слой.
С появлением в конце 50-х годов первых электронно-лучевых сварочных аппаратов применение ЭЛС быстро распространилось в промышленность и научные исследования всех высокоразвитых стран. К настоящему времени спроектировано и реализовано бесчисленное множество различных типов электронно-лучевой техники. В большинстве из них сварка происходит в рабочей вакуумной камере в условиях высокого или низкого вакуума.
Вакуумная рабочая камера может иметь любой объем – от нескольких литров до сотен кубических метров. Они могут быть оснащены электронными пушками, обеспечивающими электронный пучок любой необходимой мощности до 100 кВт, а при необходимости и более. В микроэлектронно-лучевых устройствах можно точно сваривать детали размером в десятые доли миллиметра. В сварочных аппаратах с электронными лучами достаточно высокой мощности можно выполнять сварные швы глубиной до 300 мм.
Существуют также сварочные аппараты, в которых электронный луч выводится из вакуума в атмосферу. С помощью такого оборудования можно сваривать очень крупные объекты без огромных рабочих камер.
Электронно-лучевая сварка никогда не может быть «ручной», даже если она не осуществляется в вакууме, поскольку всегда присутствует сильное рентгеновское излучение . Относительное движение балки и заготовки чаще всего достигается за счет вращения или линейного перемещения заготовки. В некоторых случаях сварка осуществляется путем перемещения луча с помощью системы отклонения, управляемой компьютером. Манипуляторы для заготовок в большинстве случаев проектируются индивидуально с учетом конкретных требований сварочного оборудования.
Электронно-лучевое оборудование должно быть обеспечено соответствующим источником питания для генератора пучка. Ускоряющее напряжение можно выбирать в пределах от 30 до 200 кВ. Обычно оно составляет около 60 или 150 кВ в зависимости от различных условий. С повышением напряжения технические проблемы и стоимость оборудования быстро возрастают, поэтому по возможности следует выбирать более низкое напряжение, примерно 60 кВ. Максимальная мощность источника высокого напряжения зависит от максимальной требуемой глубины сварного шва.
Высоковольтное оборудование должно также подавать низкое напряжение выше 5 В для нагрева катода и отрицательное напряжение примерно до 1000 В для управляющего электрода.
Электронная пушка также нуждается в низковольтном питании системы коррекции, фокусирующей линзы и отклоняющей системы. Последнее может оказаться очень сложным, если речь идет о создании изображений с компьютерным управлением, гравировке или аналогичных лучевых приложениях.
Для управления манипулятором заготовки также может потребоваться сложная электроника.
