Установки для сварки в промежуточном вакууме -приблизительно13,3...1Па (10-1...10-2 мм рт. ст.) - отличаются от предыдущих упрощенной откачной системой сварочной камеры и меньшим временем ее откачки до рабочего давления. Качество сварных соединений конструкционных сталей, алюминия, меди при этом вполне удовлетворительное.
Установки с выводом пучка в атмосферу не имеют сварочной камеры. Электронный пучок через лучепровод сварочной пушки с мощной ступенчатой откачной системой выводится в атмосферу или защитную газовую среду, где и производится сварка. Установки этого класса отлича-ются рассеянием электронного пучка в газовой среде и, как результат - малым рабочим расстоянием. Для установок с выводом пучка в атмосферу применяются только высоковольтные (175... 200 кВ) энергетические комплексы.
По габаритам сварочной камеры подразделяют установки
ЭЛС для:
- микросварки и размерной обработки;
- сварки малогабаритных изделий;
- сварки изделий средних размеров (универсальные и специализированные);
-сварки крупногабаритных изделий.
Установки для ЭЛС любого типа состоят из двух основных комплексов: энергетического и электромеханического. Отдельно следует выделить узлы, получившие название сварочных блоков. В их состав кроме сварочной пушки входят устройства для ее ориентации относительно свариваемого стыка, механизм подачи присадочного материала, устройства наблюдения и освещения и, при необходимости, вакуумные насосы для дифференциальной откачки из области эмиссионной системы сварочной пушки.
К энергетическому комплексу относится аппаратура для формирования пучка электронов с заданными параметрами, управления его мощностью и положением относительно свариваемого стыка.
Источники питания.
Большинство выпускаемых высоковольтных источников питания подразделяют по мощности на следующие группы:
- до 7,5 кВт для ускоряющих напряжений 20-30 кВ;
- до 60 кВт при ускоряющем напряжении 60 кВ;
- до 120 кВт при ускоряющем напряжении 120 кВ;
- до 30 кВт при ускоряющем напряжении 175 кВ.
К числу главных требований к источникам питания относятся высокая стабильность и способность подавлять развитие пробоев в пушке. Чтобы обеспечить стабильность параметров проплавления, необходимо в первую очередь добиться стабильности плотности мощности пучка на изделии при общей постоянной мощности пучка. Колебания ускоряющего напряжения приводят к изменению диаметра пучка, а следовательно, и плотности энергии в плоскости изделия, ввиду чего колеблется глубина проплавления. Аналогично изменяется плотность энергии в пучке на изделии вследствие колебания тока магнитной линзы при постоянном ускоряющем напряжении. Изменение ускоряющего напряжения в пределах нескольких процентов приводит к заметному изменению глубины проплавления. Изменение тока пучка сравнительно слабо влияет на глубину проплавления, и поэтому ограничение нестабильности тока в пределах 6... 10 % в большинстве случаев удовлетворяет технологическим требованиям. Питание сварочных электронных пушек ускоряющим напряжением осуществляется от трехфазных силовых вьпрямителей. Коэффициент пульсаций в этой системе без сглаживающих фильтров составляет 6-7 % при частоте пульсаций 300 Гц. Для уменьшения пульсаций ускоряющего напряжения на выходе выпрямителя устанавливаются фильтры из конденсаторов и дросселей. Величина допустимых пульсаций, как правило, не должна превышать 4 % : в противном случае существенно снижается глубина проплавления, наблюдаются уширение шва и разбрызгивание металла.
Управление мощностъю пучка электронов.
Известны следующие способы регулирования мощности пучка электронов: изменением тока эмиссии катода, подачей напряжения на управляющий электрод пушки и изменением ускоряющего напряжения.
При управлении током пучка путем регулирования тока накала происходит существенное изменеие сходимости электронного пучка и, следовательно, изменяется проплавляющая способность пучка.
Изменение ускоряющего напряжения приводит к изменению фокусного расстояния магнитной линзы и угла отклонения пучка, поэтому данный способ также не применяется в современных энергоблоках для ЭЛС.
Основным способом регулирования мощности пучка, стабилизации заданного ее значения, импульсной модуляции, плавного уменьшения при прекращении сварки является подача управляющего напряжения на прикатодный электрод сварочной пушки. Перечисленные функции обычно выполняются с помощью блоков, условно называемых модуляторами.
Управление положением пучка электронов.
Для расширения технологических возможностей электронных пушек широко используется отклонение электронного пучка от оси симметрии пушки с помощью электромагнитной отклоняющей системы. В частности, таким образом осуществляется точное совмещение пучка со стыком, поиск стыка, сканирование пучка в процессе сварки, изменение диаметра пучка, предшествующая и послесварочная термообработки и т. д.
Система отклонения электронного пучка включает собственно отклоняющую электромагнитную систему с двумя парами взаимно перпендикулярных катушек и систему управления отклонением, в состав которой входят программные устройства, задающие закон отклонения пучка во времени. Программные устройства условно можно разделить на устройство для медленного перемещения пучка по сварочной траектории и устройства для быстрых отклонений пучка, отвечающие за необходимую плотность энергии пучка и воздействующие на гидродинамические процессы в сварочной ванне.
Важной проблемой для ЭЛС является поиск стыка в процессе сварки. Малая ширина сварного шва и большое отношение глубины к ширине шва требуют точного совмещения пучка электронов с плоскостью свариваемого стыка. Требуемая точность зависит от толщины свариваемых изделий, но обычно должна быть не ниже ±0,1 мм. Возможность точного визуалъного позиционирования, непосредственно через иллюминаторное окно, через оптическую систему либо с помощью телевизионных систем наблюдения, ограничены явлением металлизации иллюминаторов и выходных оптических устройств, а также из-за ысокой яркости свечения сварочной ванны на фоне плохо освещенной прилегающей поверхности изделия.
Положение стыка непосредственно перед зоной сварки в процессе ее выполнения удается корректировать перемещением пушки с помощью механических щупов. Однако применение механического щупа требует значительной разделки кромок или специального технологического выступа (буртика) для облегчения зацепления со щупом, а также не позволяет компенсировать отклонение пучка остаточными магнитными полями.
Чтобы иметь возможность контролировать и этот фактор, для определения истинного положения пучка используют явление вторично-электронной эмиссии от металлической поверхности, облучаемой острофокусным пучком электронов. При пересечении стыка пучком электронов изменяются интенсивность потока отраженных электронов и ее распределение в пространстве. Как только первичный пучок начнет перекрывать линию стыка, то есть хотя бы частично станет проникать сквозь зазор между кромками, отраженный ток уменьшится. Эти сигналы регистрируются датчиком, происходит их сопоставление с заранее заданным уровнем и, как результат, корректируется движение пушки. На основе использования вторично-эмиссионного сигнала от стыка построен ряд широко при-меняемых устройств позиционирования сварочного пучка: растровых телевизионных (в них съемочная камера заменена сварочной пушкой с датчиком вторичных электронов), приборов «Рефлектрон» или «Прицел» (представляют собой упрощенный вариант растровых телевизионных систем), систем с предварительным обучением.
Системы с предварительным обучением строятся на принципе запоминания первичной траектории взаимного перемещения пучка и изделия, контролируемого оператором визуально или, например, с помощью прибора "Прицел". Наиболее эффективно применение таких систем при необходимости многократных проходов пучком электронов по траектории стыка.
Электромеханический комплекс установки предназначен для герметизации и вакуумирования рабочего объема, выполнения всех сварочных, установочных и транспортных перемещений свариваемого изделия и электронной пушки. Электромеханический комплекс сварочной установки состоит из ряда функциональных систем, основные из них перечислены ниже:
-Сварочные вакуумные камеры. Такие камеры относятся к наиболее важным и трудоемким узлам установки для ЭЛС. От их формы, конструкции, жесткости и габаритов зависят возможные размеры и качество свариваемых за одну садку изделий, удобство их загрузки и выгрузки, возможность пристыковки дополнительных объемов в нужном направлении и др.
По степени специализации различают два типа камер: универсалъпые и специализированные.
Универсальные камеры предназначены для сварки изделий любой формы и габаритов в пределах рабочего пространства камеры. Такие камеры используются в единичном и мелкосерийном производстве и выпускаются в соответствии с принятыми параметрическими рядами. Это дает возможность выбрать камеры наиболее подходящих размеров применйтельно к конкретным изделиям.
Специализированные камеры тесно увязаны с конструкцией и габаритами конкретного изделия (или группы изделий). В ряде случаев специализированные камеры выполняются по форме свариваемого изделия.
К камерам сварочных установок предъявляются разнообразные, часто противоречивые требования:
1) по объему камеры. Объем должен быть, с одной стороны, достаточным для размещения и рабочих перемещений изделий; с другой стороны, этот объем должен быть минимально возможным с целью сокращения времени откачки;
2) по протяженности разъемов. Камера должна обеспечивать удобный доступ в рабочую зону для загрузки, выгрузки и обслуживания; вместе с тем камера должна иметь минимальное количество разъемов с вакуумными уплотнителями и открывающихся крышек, так как они являются вероятными местами натекания атмосферного воздуха и чаще всего пропускают рентгеновское излучение;
3) по металлоемкости. Камеры должны иметь минимальную металлоемкость и быть технологичными, в то же время необходимо обеспечить механическую прочность и жесткость всех их элементов, а также биологическую защиту оператора от рентгеновского излучения.
Известны камеры прямоугольной и цилиндрической формы.
В современных конструкциях установок преимущественно применяются прямоуголъные камеры. Это объясняется, прежде всего, их универсальностью, В таких камерах наиболее эффективно используются подвижные сварочные пушки, сменные манипуляторы изделия. Кроме того, объем таких камер сравнительно легко увеличить пристыковкой дополнительных секций.
Цилиндрические камеры применяются реже, так как они менее универсальны и хуже приспособлены к работе с перемещающимися внутри камеры сварочными пушками, что дает низкий коэффициент использования объема сварочной камеры.
Изготавливаются сварочные камеры чаще из конструкционных сталей, их коррозионная стойкость, как правило, достаточна в связи с тем, что внутренние поверхности камеры в процессе работы покрываются конденсатом свариваемых металлов. Применение коррозионностойких сталей оправдано в том случае, когда по условиям производства необходимо периодически промывать камеру агрессивными растворителями.
•Откачные системы.
Такие системы служат для создания и поддержания в процессе работы высокого вакуума, в ускоряющем промежутке сварочной пушки и сварочной камере. Откачные системы крупногабаритных камер включают, как правило, насосы предварительного разрежения, форвакуумные, бустерные насосы и высоковакуумные агрегаты (паромасляные, геттерные и турбомоле-кулярные). Насосы предварительного разрежения (например, типа РВН) создают начальное разрежение в камере. Далее, форвакуумные (типа НВЗ, АВЗ и др.), в заключение высоковакуумные агрегаты (типа АВП, АВЭД и др.) В ряде случаев для получения более высокого вакуума в районе элек-тронно-лучевой пушки применяют дополнительные вакуумные системы - менее производительные, но обеспечивающие высокий «безмасляный» вакуум (с использованием турбомолекулярных насосов). При этом полость катодного узла не загрязняется парами масел.
•Сварочные манипуляторы.
Сварочные манипуляторы предназначаются для сварочных, установочных и транспортных перемещений свариваемого изделия и электронной пушки. Они делятся на две группы: манипуляторы изделия и манипуляторы пушки. Первые являются обязательным элементом практически любой установки, а вторые используются в тех случаях, когда сварочная пушка перемещается внутри вакуумной камеры.
По конструктивному исполнению сварочные манипуляторы подразделяются на универсальные с большим количеством степеней свободы и специализированные для сварки конкретных изделий. Применение сложных универсальных манипуляторов целесообразно при единичном и мелкосерийном производстве с частой сменой типа свариваемых изделий. Выполняются они чаще всего в виде тележек, вращателей, двухкоординатных столов и т.п. Манипуляторы сварочной пушки могут быть выполнены, например, в виде шарнирнорычажных устройств, в виде направляющей траверсы, по которой перемещается каретка с шарнирно-закрепленной на консоли сварочной пушкой и пр.
•Системы наблюдения.
Особенностью систем наблюдения при ЭЛС является необходимость защиты их от запыления парами свариваемых материалов и от теплового воздействия сварочной ванны. В качестве защитных устройств могут применяться поворотные прозрачные экраны и прозрачные перемещаемые защитные пленки.
Смотровое окно кроме прочного иллюминаторного стекла содержит рентгеновское стекло для защиты персонала от рентгеновского излучения из сварочной ванны.
Оптические устройства, увеличивающие объект наблюдения, как правило, в 5...50 раз, могут быть независимыми и встроенными в конструкцию смотрового окна или сварочной пушки.
Телевизионные системы дают возможность передавать изображение на большое расстояние и устанавливать сварочный стык в непосредственной близости от сварочной пушки.
Вспомогателъные устройства и механизмы
К вспомогательным устройствам и механизмам обычно относяся
устройства и механизмы типа подвижных платформ для выкатывания сварочных манипуляторов из камеры, устройств для предварительного нагрева свариваемых изделий, их сборки в сварочной камере и пр.
Наиболее рациональными областями применения ЭЛС в промышленности являются:
•Изделия из тугоплавких и химически активных металлов.
•Конструкции, требующие минимальных деформаций и зон термического влияния. Замена аргоно-дуговой сварки на ЭЛС позволяет в ряде случаев полностью исключить правку.
•С помощью электронного луча сваривают такие узлы, как блоки зубчатых колес, не подвергая их последующей механической обработке. Каждый элемент зубчатого блока до сварки подвергается отдельно термической или химико-термической обработке. Полученные свойства после термической обработки у входящих в блок деталей сохраняются и после сварки.
•ЭЛС используется при соединении ротора и частей вала газовой турбины двигателя, фланцев с сопловыми аппаратами, деталей шасси самолета, элементов жесткости с обшивкой сотовых панелей.
•Конструкции с труднодоступными местами, а также использование сварки нескольких стенок за один проход. Последнее оказывается возможным благодаря высокой концентрации источника нагрева.
•Соединение разнородных материалов. Меньшая величина сварочных напряжений при ЭЛС благоприятно сказывается на уменьшении склонности к образованию трещин при сварке разнородных металлов. По этой причине оказывается легче соединить между собой такие металлы, как молибден и вольфрам, молибден и ниобий, вольфрам и титан, некоторые виды керамик и металл.
•Соединение деталей малых толщин. Возможность тонкого регулирования мощности и диаметра луча, небольшое давление его на сварочную ванну позволяют соединять, например, прецизионные изделия электронной техники.
•Соединение деталей в космосе. Вакуум космического пространства может быть использован для ЭЛС отдельных деталей, узлов при сборке космических платформ и различных ремонтных работах. Силами ИЭС им. Е.О. Патона создана и прошла успешные испытания на борту орбитальной станции "Мир" аппаратура и набор специализированных инструментов для выполнения ручной электронно-лучевой сварки в космосе. Некоторые характеристики комплекса "Универсал":
- напряжение питания - 23...34 В;
- потребляемая мощность - до 1,5 кВт;
- ускоряющее напряжение - 8... 10 кВ;
- ток электронного пучка - до 110 мА;
- наиболынее время непрерывной работы - 5 мин.;
- технологические операции - сварка, резка, пайка, сварка с присадкой, нанесение покрытий из тигля и присадочной проволокой;
- масса инструмента ( в руках оператора) - 5 кг.
