авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
-- [ Страница 1 ] --

Федеральное агентство по науке и инновациям

Правительство Санкт-Петербурга

Комитет экономического развития,

промышленной политики и торговли

ФГУП

«Центральный научно-исследовательский

институт материалов» (ЦНИИМ)

Санкт-Петербургский государственный

Политехнический университет (СПбГПУ)

Общественная организация

«Санкт-Петербургское

Общество научно-технических знаний» (СПбОНТЗ)

ФГУП «ЦНИИ КМ “Прометей”»

ЗАО «ОРМА»

ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННО ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ 2008 Материалы Первой Санкт-Петербургской международной научно-технической конференции 19–22 мая 2008 года Санкт-Петербург 2008 УДК 621.791.72.01-55:620.179.152 Редакционный совет: В. В. Башенко А. В. Баранов П. Г. Петров В. А. Казаков В. Б. Вихман А. Н. Козлов А. Н. Орберг В. Н. Смирнов Н. И. Шаронов Ю. М. Белов Т. В. Баскина Л. Б. Тихонова Технологии и оборудование электронно-лучевой сварки — 2008.

Материалы Первой Санкт-Петербургской международного научно технической конференции. – СПб.: ООО «Агентство “ВиТ-Принт”», 2008. – 210 с.

В сборнике представлены материалы конференции, проходившей в Санкт-Петербурге с 19 по 22 мая 2008 года в виде статей специалистов и ученых России, Германии, Болгарии, Украины и Беларуси. Рассмотрены физические процессы, про исходящие при взаимодействии электронного пучка с материалом, вопросы применения технологии электронно-лучевой сварки различных материалов в машиностроении, авиастроении и космической технике, судостроении. Представлены современные установки для электронно-лучевой сварки, а также устройства автоматизации и программного управления ими. Приведены примеры успешной модернизации старого оборудования.

© Коллектив авторов, ISBN 978-5-903722-04-4 © ООО «Агентство “ВиТ-Принт”», ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ПРОМЫШЛЕННОСТИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МАТЕРИАЛОВ 96 ЛЕТ НА БЛАГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ РОССИИ Обращение Генерального директора ФГУП «ЦНИИМ»

к участникам конференции «Технологии и оборудование ЭЛС-2008»

В течение 96 лет Центральный научно-исследовательский институт материалов является передовым предприятием в области разработки специальных материалов и технологий.

Обладая уникальным научным потенциалом, мы готовы пред ложить современной российской и зарубежной промышлен ности перспективные разработки, многие из которых не имеют аналогов в мире. Проводя разработки для различных отраслей промышленности, мы создаем новые виды металлических, ке рамических и полимерных конструкционных материалов, раз рабатываем новые технологии их обработки и методы неразру шающего контроля.



Особое внимание в институте уделяется технологиям, оборудованию и материалам для дуговой, электронно-лучевой сварки сталей, титановых и алюминиевых сплавов различных систем легирования и категорий прочности разнородных соединений, а также материалам для наплавки.

Все наши материалы и технологии успешно используются на многих россий ских предприятиях. Мы готовы поставлять материалы, технологии и оборудова ние для совершенствования производства и повышения качества изделий. Наши специалисты окажут полную консультационную поддержку при внедрении раз работок ФГУП «ЦНИИМ».

Все работы ФГУП «ЦНИИМ» проводятся высококвалифицированными со трудниками, в том числе 8 докторами и 44 кандидатами технических наук.

В институте внедрен комплект документов «Система менеджмента качества»

в соответствии с ГОСТ Р ИСО 9001-2001. Система менеджмента качества аттесто вана органом по сертификации Системы менеджмента качества.

Творческий труд коллектива сотрудников всегда высоко оценивался руковод ством страны. За время существования института, более четырехсот сотрудни ков стали обладателями высоких государственных наград.

Целью конференции «Технологии и оборудование ЭЛС-2008» является озна комление представителей промышленных предприятий, НИИ и КБ с состоя нием, тенденциями развития и применения в промышленно-развитых странах электронно-лучевой сварки и смежных процессов, с деятельностью основных производителей установок ЭЛС и комплектующих к ним.

Желаю всем участникам конференции «Технологии и оборудование ЭЛС-2008» плодотворного сотрудничества и творческих успехов.

Генеральный директор ФГУП «ЦНИИМ»

ПЕТРОВ П. Г.

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА Казаков В. А., д. т. н. профессор Приводится классификация факторов оценки уровня мирового и отечественного рынков сварочной техники и сварочных услуг.

Мировой сварочный рынок, возрастающий пропорционально росту мирового потребления стали, в начале XXI века составляет не менее 40 млрд. долл. США, из которых около 70% — сварочные материалы и около 30% — сварочное оборудование.

Лидирующее положение на мировом рынке сварочного обо рудования стабильно занимает оборудование для дуговой сварки (45–47%), и его доля будет возрастать за счет оборудования для сварки порошковой и сплошной проволоками при сокращении доли оборудования для сварки покрытыми электродами.

Европейский рынок сварочной техники составляет 30% от объ ема продаж мирового рынка. Несколько выше, чем на мировом рынке, доля оборудования для контактной сварки. Аналогичная мировому рынку тенденция снижения доли оборудования для га зовой сварки и резки наблюдается и на европейском рынке.

В последнее десятилетие в сварочном производстве сформиро вались самостоятельные подотрасли «Промышленные роботы» и «Автоматизированные комплексы», которые сегодня во многом определяют уровень автоматизации сварочных процессов как один из основных факторов, характеризующих развитие свароч ного производства в той или иной стране. В настоящее время в ми ровой индустрии насчитывается около 1 200 000 ед. промышлен ных роботов, из которых 25% — сварочные роботы.





Отечественный сварочный рынок характеризуется прежде всего высокой степенью владения абсолютно всеми известными в мировой практике технологиями получения неразъемных соединений, ежегод ным выпуском 30 000 ед. сварочного оборудования и 290 000 т свароч ных материалов. Отечественное сварочное оборудование выпускает предприятий, сварочные материалы — 179 предприятий. Традиционно отечественное сварочное производство располагает высококвалифици рованным контингентом специалистов, подготовку кадров осуществля ют 129 кафедр высших учебных заведений и около 60 колледжей.

В докладе представлен аналитический материал по анализу экономи ческих аспектов развития сварочного производства в США и России.

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ Башенко В. В., д. т. н.

Политехнический университет, г. Санкт-Петербург, Вихман В. Б., к. т. н.

ФГУП ЦНИИМ, г. Санкт-Петербург, Козлов А. Н., к. т. н., Гайдукова И. С., к. т. н.

ФГУП «НПО «Орион», г. Москва Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) относится к методам свар ки высококонцентрированными источниками энергии и облада ет широкими технологическими возможностями, позволяя соеди нять за один проход металлы и сплавы толщиной от 0,1 мм до 400 мм.

ЭЛС в вакуумных камерах выполняется преимущественно при давле нии остаточных газов порядка 10-2 Па. Благодаря этому ЭЛС оказалась эффективной для соединения деталей из любых металлических мате риалов особенно сплавов на основе химически активных металлов, та ких как алюминий, титан и тугоплавкие элементы. При этом обеспечи ваются максимальная пластичность и вязкость сварных соединений.

Наиболее перспективным является соединение деталей из термиче ски упрочненных материалов, когда затруднена или не возможна по следующая термообработка. Максимальная пластичность и вязкость сварных соединений, минимальные сварочные деформации позволя ют также успешно использовать ЭЛС при изготовлении изделий после завершающей механической обработки.

Согласно маркетинговому исследованию (в результате опро са 28 970 респондентов), размещенному на сайте http://pollit.com, среди всех способов сварки плавлением объем применения ЭЛС в мире составляет 5 %.

Электронно-лучевые сварочные установки состоят из двух основных комплексов — энергетического и электромеханическо го. Энергетический комплекс предназначен для формирования пучка электронов с заданными параметрами, которые определя ются толщиной, теплофизическими характеристиками сварива емых материалов и требованиями к коэффициенту формы про плавления. Электромеханический комплекс предназначен для герметизации и вакуумирования рабочего объема, обеспечения взаимного перемещения электронного луча и свариваемого изде лия и управления всеми этими процессами.

Технологии и оборудование ЭЛС- Этот эффективный способ основан на использовании кинети ческой энергии электронов, движущихся с большой скоростью в вакууме. Пучок электронов, эмитированный раскаленным ка тодом, ускоряется в вакууме напряжением (при Uуск) до 100 кВ и более. При изменении Uуск от 30 до 200 кВ скорость электронов изменяется от 0,33 до 0,67 скорости света. Кинетическая энергия электронов при торможении внутри металла (анода) вблизи его поверхности превращается в тепловую, расходуемую на плавле ние свариваемых кромок и образование в жидком металле углу бления (канала) на всю толщину свариваемого металла. Этот про цесс характеризуется высоким КПД, достигающим 90%.

Источник нагрева в виде пучка электронов сосредоточен на малом пятне диаметром в десятые и даже сотые доли миллиме тра. При мощности пучка в десятки киловатт плотность энергии в нем превышает плотность энергии электрической сварочной дуги на два–пять порядков (от 105 до 109 Вт/см2). Такая концентрация энергии, достигаемая при специальной фокусировке пучка в сва рочных электронных пушках, делает возможным сварку с недо стижимым для электродуговых методов отношением глубины к ширине проплавления (до 50 : 1). Погонная энергия при ЭЛС не превышают 20% от аналогичного показателя при дуговой сварке.

Узкий шов, параллельность его границ и малая протяженность ЗТВ обусловливают незначительные линейные и угловые дефор мации свариваемых изделий. Практически отсутствие коробле ния является выдающимся критерием ЭЛС. Это позволяет при менять более простые сборочно-сварочные приспособления, не требует больших усилий зажатия соединяемых деталей а также последующей механической обработки. Погонная энергия, попе речная усадка и угловые деформации при ЭЛС лежат существенно ниже показателей для лазерной сварки. Глубокое проплавление металла при низких значениях погонной энергии ЭЛС приводит к повышенной скорости кристаллизации малой по объему свароч ной ванны, благодаря чему измельчается структура сварного шва.

Размеры, конфигурация и качество формирования швов при ЭЛС определяются устойчивостью, формой и размерами парового ка нала сварочной ванны, которые в свою очередь зависят от мощ ности, эффективного радиуса, угла сходимости луча, положения фокального пятна луча, пространственного положения стыка, те плофизических свойств металла и скорости сварки.

Электронный луч (ЭЛ) является практически безинерцион ным источником тепловой энергии. Возможность тонкой регули Первая Санкт-Петербургская международная научно-техническая конференция ровки мощности, фокусировки и положения луча на поверхности изделия позволяет широко использовать системы управления лу чом и программирования режимов сварки. Сварку можно вести отдельными импульсами с различной скважностью, а также ска нируя луч вдоль и (или) поперек стыка, что позволяет сваривать с наименьшими производственными затратами крупные серии однотипных деталей. Спектр ЭЛС распространяется от деталей, изготавливаемых из фольги, до деталей толщиной более 100 мм, соединяемых за один проход, от деталей микромеханики до сег ментов корпусов самолетов и подводных лодок, от отдельных ча стей космических аппаратов до крупных серий в электро- и авто мобилестроении.

В связи с тем, что электроны тормозятся непосредственно в об рабатываемом материале, такие факторы как образование плаз мы, коэффициенты отражения и поглощающая способность ма териала практически не играют никакой роли при регулировании сварочных параметров. Больше всего значение имеет его высокая теплопроводность. Исключительно поэтому обрабатываются ме таллические материалы [1].

Электронно-лучевым способом можно сварить соединения тех же типов, что и дуговой сваркой: стыковые, нахлесточные, по отбор тованным кромкам. Однако ЭЛС позволяют выполнять соединения принципиально новых видов, например, соединения элементов кон струкций, расположенных на разной высоте, прорезными швами.

С помощью ЭЛ можно производить сварку в труднодоступных ме стах и в узких разделках — щелях, можно также выполнять соеди нение обечаек внедренным лучом через ребро жесткости.

В ряде случаев, например, при сварке элементов из весьма тонкого металла или металлов, имеющих низкую температуру плавления и легко испаряющихся (магний, алюминий), необхо димо использовать импульсный режим. Такая сварка импульсно модулированным пучком производится с помощью специальных автоматических прерывателей при частоте до 300 имп/с и продол жительностью импульса 0,01–0,00005 с.

В целом при конструировании и выборе способа сварки изде лий следует учитывать следующие преимущества ЭЛС, по срав нению, с другими способами сварки плавлением:

широкий диапазон толщин свариваемых деталей — от до лей миллиметра до 100 мм и более;

возможность получения узких швов с глубоким проплавле нием;

Технологии и оборудование ЭЛС- возможность регулирования отношения глубины проплав ления к ширине шва;

уменьшение роста зерна в шве и ЗТВ сварки;

небольшие линейные размеры ЗТВ;

большие скорости нагрева и охлаждения металла в вакуу ме, что позволяет получать максимальную степень чистоты и высокие физико-механические свойства соединения;

резкое снижение величины деформаций сварных конструк ций;

возможность сварки соединений различных типов, в том числе принципиально новых, не выполнимых известными способами сварки плавлением;

высокая производительность и экономичность;

универсальность аппаратуры, позволяющая сваривать де тали разных толщин;

наличие предпосылок для комплексной автоматизации про цесса.

Внедрение электронно-лучевой сварки в высокотехнологич ные производства затрудняется ее экономическими и техниче скими особенностями, такими как:

высокие капиталовложения;

необходимость весьма точной подгонки свариваемых эле ментов;

ограниченный размер конструкций, поскольку сварку при ходится выполнять в камерах;

необходимость принятия специальных мер для обеспече ния направления ЭЛ по стыку;

генерирование рентгеновского излучения, особенно при Uуск 60кВ [2. – С. 140–144].

Несмотря на выше изложенное применение ЭЛС постоянно расширяется. В начале 80-х годов прошлого века мировой парк эксплуатируемых установок составлял около 4000 шт., и ежегодно их изготовляется 150–200 шт., создаются крупногабаритные ва куумные камеры объемом до 500 м3 [3] (в авиационной промыш ленности по имеющимся сведениям — до 1500 м3). B 2000 г. коли чество электронно-лучевых установок в мире достигло 7000 [1], а в настоящее время составляет не менее 8000.

ЭЛ наряду со сваркой может быть использован для локальной термообработки сварных соединений, наплавки, напыления, пер форации, изготовления пазов (в металлах и сверхтвердых матери алах), контурной резки тонкостенных элементов, гравирования Первая Санкт-Петербургская международная научно-техническая конференция Типы установок Объем вакуумных камер обычно составляет от 0,1…3,0 м3 до 10 и 20 м3. В большинстве случаев деталь перемещается внутри ва куумной камеры (при объеме до 10 м3), прочно связанной с пуш кой, расположенной вертикально или горизонтально. Имеются также установки с мобильными пушками, располагающимися над или внутри (при объеме 20 м3 и более) вакуумной камеры.

В последнем случае пушки перемещаться по трем взаимно пер пендикулярным направлениям.

Камерные машины были единственным типом установок в начальные годы развития ЭЛС. Оснащенные одним координат ным столом и вращателем благодаря несложности конструкции они используются еще и в настоящее время. Все операции (от за грузки до выгрузки деталей) на этих установках выполняются последовательно, так что общее время цикла является очень про должительным (от многих минут до часа). Преимущество камер ных установок состоит в их гибкости. В них могут свариваться, сменяясь, любые детали. Многопозиционные устройства, такие как палеты (транспортные контейнеры) и многошпиндельные вращатели, при сварке мелких деталей существенно уменьшают подготовительно-заключительное время на каждую деталь.

Хорошей производительностью отличаются двухкамерные машины, у которых пушка сдвигается параллельно от одной к другой рядом расположенной камере или луч отклоняется к каме ре, которая в данный момент готова к сварке, в то время как в дру гой камере меняется деталь. Максимальная производительность этих машин достигается в том случае, если время сварки больше, чем при смене деталей и откачке камеры. При этом вспомогатель ное время у версии со сгибающимся лучом равно нулю, т. к. не требуется перемещения пушки.

Дальнейшее развитие машин основываются на принципе шлюзования. Эти машины состоят из трех участков: одна пози ция для загрузки и выгрузки деталей, шлюзовая камера для от качки и напуска воздуха и сварочная камера. В установках с дву мя шлюзовыми камерами носители деталей проводятся через щлюзовую камеру из загрузочной части один за другим, транс портировка подлежащих сварке и уже сваренных деталей (через вторую шлюзовую камеру на позицию выгрузки) осуществится трансфермашиной одновременно в одном направлении. Транс фермашина производит по одной сварочной остановке перед и после переключения шлюзовых камер. В сравнении со свароч Технологии и оборудование ЭЛС- ной шлюзовые камеры существенно меньше и могут откачивать ся быстрее. Подготовительное время для перемещения детали обычно составляет около 10 с. Время такта у шлюзовых машин не зависит от климатических условий. Сварочная камера остается перманентно эвакуированной. Это уменьшает загрязнение и за траты на очистку деталей и машин. При малой серийности произ водства программирование позволяет обрабатывать различные детали вперемежку.

Наивысшей производительностью, но наименьшей гибкостью обладает машина проходного типа. При сварке биметаллической ленты для пил она уплотняется несколькими шлюзами, через кото рые лента проводится внутрь на сварочную позицию или наружу.

Тактовая машина очень хорошо пригодна для автоматизации сварки семейства деталей с одинаковой геометрией швов — ти пична для круговых швов. Под одной маленькой камерой (от 0, до 0,2 м3), находится поворотная или вращающаяся платформа, которая оборудована позициями в количестве от 2 до 4. В позиции сварки вращатель образует дно сварочной камеры. Во время свар ки на других позициях детали устанавливаются или снимаются.

Благодаря этому время такта уменьшается до 30–60 с.

Машина для сварки ЭЛ в атмосфере, называемая также без вакуумной установкой, состоит из пушки с хоботообразной сту пенью системы, работающей вне вакуума, благодаря которой луч выводится в атмосферу, и агрегата перемещения детали, напри мер робота. Из-за сильного расхождения луча в окружающем воздухе «мягкий» луч большой ширины применим только на рас стоянии от 10 до 20 мм от выхода из сопла и позволяет достичь высокую скорость сварки, например до 60 м/мин. для алюминия толщиной 1 мм или 20 м/мин. при толщине стали 1 мм. Дистанция между соплом и деталью должна выдерживаться с большой точ ностью. В этих установках ускоряющее напряжение составляет от 150 до 200 кВ. Дальность действия луча поддерживается благо даря введению гелия с очень малым сечением захвата, который одновременно применяется как защитный газ. Из-за жесткого рентгеновского излучения, возникающего при попадании элек тронов на деталь, установка должна находиться в помещении, не пропускающем излучения [1].

Во избежание рассеивания электронов вблизи катода, а также для хорошей фокусировки луча, для защиты накаливаемого като да от окисления и во избежание пробоя требуется вакуум глубже 10 -4 мбар (высокий вакуум). В сварочной камере напротив вакуум Первая Санкт-Петербургская международная научно-техническая конференция может быть понижен в соответствии с потребностями сваривае мого материала. Пушка отделена от сварочной камеры благодаря клапану, и каждая область откачивается отдельно.

Сталь, алюминий или медь могут быть сварены с хорошим качеством при 10 -2 мбар (низкий вакуум). Химически активные вещества, такие как титан, цирконий или ниобий должны свари ваться в вакууме глубже, чем 5 10-4 мбар (высокий вакуум). Параме тры сварки должны устанавливаться, документироваться и воспро изводиться только при определенном остаточном давлении.

Все типы установок оборудуются как высоковакуумными так и низковакуумными насосными станциями. Для низкого вакуу ма применяются форвакуумные роторные или плунжерные насо сы, смотря по обстоятельствам, в сочетании с роторно-щелевым насосом (Рутса). Для получения высокого вакуума пригодны диффузионные насосы, иногда дополнительно к ним применяют турбомолекулярные насосы. Для получения безмасляного вакуу ма могут применяться крионасосы, которые после определенной нагрузки требуют длительной регенерации. Турбомолекулярные насосы по производительности уступают диффузионным, поэто му требуется несколько включенных агрегатов, что удорожает насосную станцию. Там, где требуется только поддержание дав ления (пушка, рабочая камера шлюзовой установки) требуется небольшая производительность откачки. Там где требуется бы стро достичь вакуума (особенно для больших камер), необходимы высокопроизводительные насосы. Насосные установки требуют установленной мощности, например 30 кВт, только в первые се кунды процесса, а в дальнейшем — только одной трети мощно сти. Аргон при сварке в защитных газах стоит приблизительно в 10 раз дороже, чем расход электроэнергии для производства ва куума при ЭЛС [1].

Важнейшей частью ЭЛУ является комплекс электропитания всех подсистем, в котором используются стабилизированные ис точники питания. Источники высокого напряжения первого поко ления в настоящее время проходят существенную модернизацию с целью повышения их надежности, улучшения управляемости и защищенности от пробоев. Кроме того ряд организаций (ФГУП «НПО ”Орион”», ИЯФ СО РАН, МВТУ и др.) разрабатывают новые малогабаритные высоковольтные транзисторные источники пи тания с использованием высокочастотных трансформаторов.

Современным требованиям отвечают двухкоординатные сто лы с программным управлением и сварочные манипуляторы, Технологии и оборудование ЭЛС- устанавливаемые внутри камер (разработчик и изготовитель ОАО «НИТИ ”Прогресс“»).

Пик развития ЭЛС в РФ и республиках бывшего СССР пришелся на 80-е годы, когда мощные отраслевые институты НИАТ (авиаци онной промышленности), НИКИМТ (среднего машиностроении), «Орион», ЦНИИМ, НИТИ «Прогресс» (оборонной промышлен ности), НИИ ЭИО (электронной промышленности), ВЭИ, ВНИИ ЭСО (электротехнической промышленности), ЦНИИ КМ «Про метей» (судостроительной промышленности), ИЭС им. Е. О. Па тона АН Украины, ряд академических институтов, ВУЗы (МЭИ, МВТУ, ЛЭТИ, ЛПИ и др.), заводы — производители вакуумной техники в г. Ржев, Казань, Саратов (Россия), Сумы (Украина), Сморгонь (Белоруссия) активно разрабатывали и производили универсальное и специализированное оборудование, исследовали физические процессы при ЭЛС и особенности сварки различных материалов (в том числе разнородных), создавали технологии ЭЛС.

Мощность серийных энергоблоков с масляными трансформа торами и пролетными пентодами (первое поколение) составляла 1, 3, 5, 7, 5, 15 и 60 кВт при рабочем напряжении 30, 50, 60 и 75 кВ.

Среди многочисленных специализированных установок можно отметить трехпозиционные роторные установки тактового типа для сварки блоков шестерен, разработанные ВНИИЭСО. Всего было изготовлено 17 таких установок, среди них 3 по ТЗ ЦНИИМ для предприятий оборонной промышленности.

Высокой производительностью отличалась также установка для ЭЛС биметаллических ножовочных полотен, в которой ис пользовалась шлюзовая система оригинальной конструкции (разработчик ЦНИИМ). Скорость сварки двух непрерывных лент (из малоуглеродистой и инструментальной сталей) толщиной 1 мм составляла до 1000 м /час.

Для микросварки особо тонкостенных конструкций (толщиной от 50 мкм) из меди, ковара и нержавеющей стали в НПО «Орион»

была создана установка ЭЛУМС-25/0,5, оснащенная электронным программатором технологических параметров и системой авто матического наведения электронного луча на стык. Эта установка используется для герметизации микросхем и полупроводниковых приборов. Сварка производится по отбортованным кромкам, тем пература нагрева изделия не превышает 200 °С. На установках для микросварки можно также приваривать тонкие проволоки из зо лота, серебра, меди и др. металлов диаметром 50 мкм к пленочным структурам, получая до 5 выводов с 1 мм поверхности пленки.

Первая Санкт-Петербургская международная научно-техническая конференция Серии различных универсальных установок под маркой ЭЛУ (разработчик НИАТ) выпустил завод Электромеханика (г. Ржев).

Основными разработчиками и поставщиками энергоагрегатов в РФ являются: ФГУП «НПО «Орион» (ЭЛА-60/15Т, ЭЛА-50/5Т), ФГУП НИКИМТ (СА-449 мощностью 7,5 кВт при напряжении 75 кВ). На Украине установки и энергоагрегаты к ним производят ИЭС им. Патона и завод в г. Сумы, в Белоруссии — завод в г. Смор гонь.

Несмотря на значительные усилия, предпринимавшиеся в СССР по созданию оборудования для ЭЛС, мы серьезно отстава ли от передовых зарубежных фирм по его качественным показа телям. Например, фирма «Steigerwald Straltechnik» (ФРГ) в выпустила установки с 15-ти киловатным источником, обеспечи вающим плавную регулировку ускоряющего напряжения в диа пазоне 90–150 кВ. Выпускавшиеся за рубежом установки были оснащены микропроцессорами, имели программное управление параметрами процесса, обеспечивающее четкую работу всех си стем и самодиагностирование. Они отличались высокой точно стью приводов перемещения свариваемых деталей, надежностью и высокой производительностью вакуумных систем, высоким ка чеством изготовления всех элементов конструкции, электронной оптики и электрической системы.

В 90-е годы спрос на оборудование для ЭЛС резко сократил ся. Из-за отсутствия заказов и средств оборудование на многих предприятиях было законсервировано или использовалось не полностью, существенно сократились кадры специалистов, а в некоторых случаях были полностью утрачены возможности про изводить ЭЛС.

В настоящее время в связи с оживлением в промышленности вновь возник спрос на ЭЛС. Модернизируются старые и создают ся новые установки для ЭЛС. В РФ больших успехов в деле воз рождения производства и модернизации ЭЛ установок за послед ние годы добилось ОАО «НИТИ «Прогресс».

Управление Программное управление электронно-лучевым оборудовани ем требует применения промышленных ЭВМ с широкими логиче скими и вычислительными возможностями (CNC), т. к. ЭЛС пред ставляет собой многофакторный процесс, характеризующийся большим числом взаимосвязанных параметров. ЭЛУ включает в себя ряд подсистем (электронно-оптическую, вакуумную, сле Технологии и оборудование ЭЛС- жения за стыком, визуализации и документирования параме тров, самодиагностирования, электропитания, внутрикамерную оснастку, с помощью которой осуществляется линейное переме щение или вращение стыка относительно оси луча, перемещения пушки относительно стыка при ее расположении внутри каме ры, подачи присадочной проволоки), в целом образующих весьма сложный технический комплекс, включаемый в единую систему управления.

Но прежде всего особенностью ЭЛС является быстрая управ ляемость током, отклонением и положением фокуса почти бези нерционного ЭЛ. ЭЛ может перемещаться по любой траектории.

Эти траектории могут складываться с осцилляциями луча в со ответствии со свободно программируемыми функциями, направ ление которых (осцилляции) должно следовать по пути луча.

Колебание луча применяется для предварительного или сопут ствующего подогрева или для лучшего удаления газов из металла расплавленной сварочной ванны. Еще более гибким будет управ ление лучом с учетом тепловой картины, снимаемой инфракрас ными датчиками и преобразуемой в электрические сигналы для очень быстро отклоняющей системы. При этом любые контуры могут свариваться с постоянной и высокой скоростью. Одновре менное безинерционное управление отклонением луча корректи рует ошибки его перемещения в режиме on-line.

В общую систему интегрируются функции управления ва куумом с обеспечением безопасности цепи для насосов, а также управления высоким напряжением и защитой луча и для предот вращения коллизий между деталью и машиной. Далее управле ние охватывает задачи защиты качества благодаря наблюдению за установкой и записи для документирования параметров про цесса, определяющих качество. Всеобъемлющие возможности визуализации, которые могут использоваться для дистанционной защиты установки, помогают операторам.

Многолучевые и многофокусные способы сварки также требу ют особенно быстродействующего CNC, т. к. они могут осущест вляться обычно с частотой отклонения 100 кГц и растровой часто той до 10 МГц.

Автоматическое управление сварочными ЭЛУ имеет свою специфику. Для автоматического наведения пучка на стык в них используются, например, вторичные электроны. Для этого разра батываются специальные датчики вторично-эмиссионного тока по вышенной чувствительности с достаточной помехоустойчивостью.

Первая Санкт-Петербургская международная научно-техническая конференция Возможно использование и других физических явлений, имею щих место при взаимодействии электронного пучка с веществом.

Наиболее прогрессивным является слежение за стыком в режиме on-line [1].

Многолучевая и многофокусная сварка Дальнейшие приоритетные перспективы развитие ЭЛС свя заны с процессами многолучевой и многофокусной сварки, суть которой изложена в работе [1]. Если луч скачкообразно перемеща ется между двумя позициями, то на отрезке между двумя пово ротными точками он не оставляет позади себя след от плавления, в то время как в зависимости от времени остановки и мощности луча в точках возврата достигается определенная глубина про плавления. Если деталь под лучом перемещается с постоянной скоростью поперек направления отклонения, то одновременно возникают два шва, сваренные в пульсирующем режиме при со отношении импульсов 1 : 1. Если программируется большее коли чество позиций остановок, то одновременно возникает большее количество сварных швов (Рис. 1. Слева). Мощность луча должна быть согласована со скоростью перемещения детали.

Рис. 1. Многолучевая сварка: 5 дорожек одновременно (слева), непараллельные швы (в середине), бесповодочная сварка деталей симметричных относительно оси вращения (справа).

Частота отклонений должна выбираться с таким расчетом, чтобы луч возвращался в сварочную позицию, прежде чем паро вой канал, требуемый для эффекта глубокого проплавления, за крылся, т. е. затвердел. Многолучевая сварка пригодна для сред них толщин и умеренной скорости подачи. Следует иметь в виду, что сварные швы благодаря быстрым пульсациям будут особен Технологии и оборудование ЭЛС- но узкими. Благодаря управлению амплитудой отклонения луча могут одновременно выполняться также непараллельные швы (Рис. 1. Середина). Многолучевой процесс прежде всего должен в несколько раз повысить производительность ЭЛС.

Особенно интересна многолучевая техника для компенсации усадочных напряжений при сварке круговых швов. Если круговой шов сваривается одним лучом, то с начала шва образуется усадка, приводящая к постепенному увеличению зазора в стыке. Но если сваривают, например, одновременно тремя лучами, смещенными на 120°, то напряжения возникают симметрично, что не приводит к смещению (Рис. 1. Справа). При этом дорогая подгонка деталей для прессовой посадки может быть заменена на более простую обработку, например, вырубкой штампом.

Многофокусная сварка с изменяемым фокусным расстоянием (Рис. 2) при непрерывно выполняемой осцилляции приводит к улуч шенной форме шва и улучшенному удалению газов из расплава. При быстром прыжке луча можно одновременно выполнить глубокий шов с фокусом в детали и его разглаживание с фокусом выше по верхности деталей. Мощность луча должна синхронно соответство вать положению его фокуса. Также с помощью многофокусной тех ники можно получать хорошо сформированный корневой валик.

Рис. 2. Схема многофокусной сварки.

Изменение положения фокуса достигается скачкообразно или непрерывно.

Комбинированные способы В комбинации многолучевой и многофокусной сварки один дефокусированный луч высокой мощности, сканируя, создает подогревающее поле. Затем луч с уменьшенной мощностью, на пример, сфокусированный на поверхности детали, направляется Первая Санкт-Петербургская международная научно-техническая конференция в сварочную позицию и выполняет сварной шов. Наконец третий луч, отличающийся положением фокуса и мощностью, сглажива ет шов в течение одной операции (Рис. 3). Один из особенных ва риантов этой техники используется при сварке никелевых спла вов, склонных к горячим трещинам. Чтобы подавить образование горячих трещин, необходимо сопутствующее поле подогрева с обеих сторон (позади) шва построить так, чтобы уменьшить ско рость охлаждения и выстроить напряжения сжатия в медленно остывающей зоне плавления (Рис. 4). Этот способ применим для суперсплавов новейших газовых турбин, которые при малой мас се должны быть устойчивы к действию высокой температуры.

Рис. 3. Многолучевая техника: предварительный подогрев, сварка и разглаживание шва в одной технологической операции.

Рис. 4. Многолучевая сварка: напряжения сжатия уменьшают склонность суперсплавов к горячим трещинам.

Технологии и оборудование ЭЛС- Многолучевоая техника может успешно применяться при соедине нии разнородных материалов, например, бронзового венца червячного колеса со ступицей из чугуна или стали, чтобы уменьшить стоимость колеса, а также при сварке других композиций, например меди с воль фрамом или стали с алюминием через медную прокладку.

Если оба материала расплавляются одновременно, то в зависи мости от соотношения компонентов в расплаве образуется интер металлическая фаза, которая является исключительно нежела тельной из-за ее хрупкости. Благодаря несимметричному подводу энергии двумя или несколькими лучами мощность должна подби раться по возможности в композиции так, чтобы избежать обра зования интерметаллидов.

При ЭЛС стали с алюминием через медную прокладку первый луч расплавляет в правильной пропорции всю промежуточную прокладку и такую часть алюминия, чтобы в смеси получалась алюминиевая бронза. Далее на пригодном расстоянии от стыка второй луч сваривает эту бронзу со сталью.

Экономические аспекты применения ЭЛС Наряду с удовлетворительным техническим решением стоящей сварочной задачи решающую роль играет экономичность. Она опре деляется из комплексного рассмотрения многих отдельных затрат на развитие, конструирование, способы испытания, потребность в обучении персонала, материал, загрузку машины, потребность в площадях, предварительные и заключительные операции и другие затраты на приобретение, транспорт и общие затраты. В Табл. 1 при ведены показатели ЭЛС для крупносерийного производства.

Таблица Калькуляция затрат (по данным [1] на 2000 г.) Шлюзовые Машины тактового Машины с вы машины типа 3КВт, 60 КВ, водом луча в 10 КВт, 150 КВ, глубина проплав- атмосферу, Виды затрат глубина проплав ления 6 мм, 30 КВт, 150КВ, ления 10 мм, управление: SPS, управление: СNC, без робота, средний вакуум атмосфера глубокий вакуум Инвестиционные затраты 1000 1700 в 1000 ДМ (1 ДМ = 0,5 евро) Эксплуатационные расходы 1-смен- 3-смен- 1-смен- 3-смен- 1-смен- 3-смен в 1000 ДМ ная ная ная ная ная ная Амортизация 6/3 года 167 333 283 567 250 Расход электроэнергии 7/15/35 КВт 3 6 6 12 12 Площадь по 200 ДМ/год за 100 м2 20 20 20 20 20 Сумма производств.

расходов/год 251 405 413 679 407 Первая Санкт-Петербургская международная научно-техническая конференция Шлюзовые Машины тактового Машины с вы машины типа 3КВт, 60 КВ, водом луча в 10 КВт, 150 КВ, глубина проплав- глубина проплав- атмосферу, Виды затрат ления 6 мм, 30 КВт, 150КВ, ления 10 мм, управление: SPS, без робота, управление: СNC, средний вакуум атмосфера глубокий вакуум Затраты за труд в 1000 ДМ 150 — 150 — 150 — 1,5 чеовеко-года — 600 — 600 — 6,0 человеко-лет 200 301 281 384 278 Накладные расходы в 1000 ДМ 50/30% Сумма производств.

601 1306 844 1663 835 расходов/год в 1000 ДМ Производств. расходы в ДМ/час 1-сменная:

1600 час/год 0,8 = 1280 час/год 470 — 659 — 652 — 3-сменная:

6000 час/год 0,9 = 5400 час/год — 242 — 308 — Цена за штуку в ДМ Зубчатое колесо переключения передач 40/15/15 сек 5,22 2,69 2,75 1,28 2,72 1, Электрический контакт 8/6/– сек. 1,04 0,54 1,10 0,51 — — Носитель арматуры –/60/40 сек. — — 10,98 5,13 7,25 3, ЭЛС в сравнении с другими способами сварки плавлением де лает возможным очень высокие скорость процесса: до 60 м/мин (1 м/c) при плотности мощности до 107 Вт/см2.

При ЭЛС плиты толщиной 200 мм за один проход со скоро стью 1,25 мм/с длительность сварки шва длиной 1 м составляет 13,3 мин/м. Для двухдуговой автоматической сварки 1 м такой плиты под флюсом потребовалось бы 10 час./м и для ручной ду говой сварки — 130 час./м. Согласно нормам США эти величи ны имеют значение для строительной стали и котельной стали.

Один присадочный материал, требуемый для сварки шва глу биной 50 мм, стоил бы столько, сколько полный шов (200 мм), выполненный ЭЛ.

Тонкий материал, например, лента для пил сваривается ЭЛ в глу боком вакууме со скоростью 20 м/мин, а при ЭЛС в атмосфере — со скоростью более 20 м/мин. При сварке алюминиевых листов вне вакуума достигается скорость 60 м/мин. В вакууме со скоро стью 60 м/мин можно сваривать с высокой точностью по любой кривой высококачественную сталь толщиной 0,3 мм.

Расширение применения ЭЛС в различных отраслях промыш ленности РФ связано с:

совершенствованием и более широким использованием систем программного управления при модернизации ЭЛУ, разработкой программного обеспечения, Технологии и оборудование ЭЛС- разработкой процессов многолучевой и многофокусной сварки, разработкой и повышением надежности датчиков слеже ния за стыком, разработкой и серийным производством стабилизирован ных источников высокого напряжения нового поколения, применением светооптических устройств для визуального наблюдения за процессом сварки, размещаемых внутри ко лонн электронно-оптических систем, автоматическим управлением и стабилизацией глубины проплавления, повышением напряжения питания до 150 кВ в ЭЛУ, предназна ченных для сварки конструкций большой толщины, и обеспе чением его плавной регулировки в интервале 90–150 кВ, улучшением качества и доступностью деталей из изоляци онных материалов, применяемых в высоковольтных блоках, а также высоковольтных кабелей, компьютерным моделированием и оптимизацией конструк ции электронно-оптических систем (ЭОС), разработкой мероприятий по минимизации и коррекции аберраций электронов за счет совершенствования ЭОС, применением новых прецизионных приводов для переме щения деталей и роботизированных систем, обеспечиваю щих возможность ЭЛС соединений любой пространствен ной конфигурации, применением присадочной проволоки, разработкой новых технологий ЭЛС, пропагандой достижений ЭЛС в конструкторских органи зациях и среди производителей различных видов техники, созданием единых норм и правил по всем аспектам ЭЛС, гармонизированным с международными нормами и прави лами по EN ISO, DIN или DVS.

Дальнейшему развитию ЭЛС в РФ способствует наличие конкурентной среды и доступность информации о новых до стижениях разработчиков ЭЛУ, что подтверждается докладами, представленными на настоящей конференции. В связи с особой важностью развития ЭЛС и потребностью крупных капиталовло жений для внедрения этого наукоемкого и высокотехнологичного процесса требуется серьезная государственная поддержка разра ботчиков оборудования и технологий, например, в рамках ФЦП «Национальная технологическая база».

Первая Санкт-Петербургская международная научно-техническая конференция Литература 1. D. von Dobeneck., T. Lower, V. Adam. Elektronenstralschweissen. Das Verfahren und seine industriele Anwendung fuhr hochste Produktivitat.

Мoderne Industrie. — Germany, 2001.

2. С. М. Гуревич и др. Металлургия и технология сварки титана и его спла вов. К., Наук. Думка, 1979. — С. 168–173.

3. Ю. Ф. Юрченко. III Международный коллоквиум по электронно-лучевой сварке, резке и наплавке. Сварочное производство. № 7, 1984.

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА И СМЕЖНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ СНГ Кайдалов А. А., д. т. н., профессор, Научно-технический комплекс «Институт электросварки им. Е. О. Патона»

(Украина, Киев, тел./факс +380-44-287 2655, e-mail: ictm2001@ukr.net);

Гейкин В. А., Научно-исследовательский институт технологии и организации производства двигателей (Россия, Москва, тел./факс +7-495-369 8174, e-mail: geikin@salut.ru);

Поболь И. Л., Физико-технический институт (Республика Беларусь, Минск, тел. +375-17-287 0739, e-mail: e-phys@tut.by);

Драгунов В. К., Московский энергетический институт — Технический университет (Россия, Москва, тел. +7-495-362 7447, e-mail: DragunovVK@mpei.ru);

Бутенко Ю. В., Научно-производственный комплекс газотурбостроения «Зоря» — «Машпроект» (Украина, Николаев, тел. +380-512-49 4108, e-mail: ogs@zorya.com.ua) За последние 15 лет в промышленности СНГ не происходило существенного обновления парка оборудования для электронно лучевой сварки. Стали возникать проблемы с его эксплуатацией.

Поэтому нашей целью является анализ состояния дел и перспек тив развития процессов соединения и обработки высококонцен трированным электронным пучком конструкционных материа лов в промышленности СНГ.

Электронно-лучевая сварка является известным и развитым технологическим процессом и используется в 30 стран мира в основных отраслях промышленности: автомобильной;

авиацион ной;

космической;

энергомашиностроении;

судостроении;

тяже лом машиностроении для транспорта, металлургии, химической промышленности, добычи полезных ископаемых, сельского хо зяйства;

легком машиностроении;

точной механике;

инструмен тальной промышленности;

приборостроении;

медицинской про мышленности;

электротехнике;

электронике. До 30% установок действует в Европе и около 50% — в США. Наибольшее количе ство установок работает в автомобилестроении. На некоторых крупных машиностроительных предприятиях 40–90% объема сварочного производства выполняется с помощью электронно лучевой сварки.

Несмотря на высокую стоимость оборудования для электронно лучевой сварки, трудоемкость и длительность подготовительных операций к сварке, опыт эксплуатации сварочных установок раз личного типа показал, что срок их окупаемости обычно не пре Первая Санкт-Петербургская международная научно-техническая конференция вышает 2 лет. При этом установки для массового сварочного про изводства могут окупаться еще быстрее. ISF-Welding Institute (RWTH-Aachen University, ФРГ) выполнил сравнительный анализ сварки толстостенных труб большого диаметра и длиной до 12 м (для газо- и нефтепроводов) несколькими методами сварки и по казал, что электронно-лучевая сварка является наиболее эконо мичным вариантом продольной сварки труб большого диаметра с толщиной стенки 11–40 мм.

Существенное расширение промышленного исполь зования электронно-лучевой сварки связано с возможно стью эффективного производства с ее помощью изделий из конструкционных метал лов и сплавов больших толщин (до 300 мм): сосудов высокого давления, корпусов ядерных и химических реакторов, контейнеров для ядерных отхо дов, корпусов подводных аппаратов, роторов паровых и га зовых турбин, несущих конструкций сверхзвуковых са молетов. То, что электронно-лучевая сварка может быть финишной операцией при сварке метал лов толщиной до 80 мм, также определяет перспективы ее применения.

Роторные конструкции современных авиационных га зотурбинных двигателей из высоколегированных тита новых сплавов изготавливаются благодаря применению электронно-лучевой сварки. В двигателях нового поколения объем применения этого процесса еще более возрастет за счет сварки последних ступеней компрессора высокого дав ления из никелевых сплавов.

Технология электронно-лучевой сварки дает возможность высококачественно соединять практически все детали и узлы газотурбинных двигателей для газоперекачивающих станций и судов. В свою очередь конструкция новых газотурбинных двигателей (например, ДН-80, ДГ-90, ГТД-110 и их модифика ции) разработана благодаря возможности соединения деталей с помощью сварки электронным пучком. В НПКГ «Зоря» — «Машпроект» (Николаев, Украина) около 90% сварки выполня ется электронным пучком и альтернативы этому процессу нет.

Определяющим при этом являются минимальные деформации и остаточные напряжения, высокие механические и прочност ные (практически на уровне свойств основного металла) харак теристики сварных соединений. Пример, показывающий пре имущества электронно-лучевой сварки конкретных деталей газовых турбин, приведен в Табл. 1.

Технологии и оборудование ЭЛС- Таблица Сравнение применения технологий аргонодуговой и электронно-лучевой сварки силового корпуса Н80028040 (Рис. 1) Вид сварки:

Параметры электронно-лучевая сравнения аргонодуговая сварка сварка 1. Сварка деталей 1, 2, 3, 4 — подузел А 1. Сварка всех стыков 2. Термообработка за одну откачку камеры 3. Проточка фаски на детали 4 2. Термообработка 4. Сварка подузла А с деталями 5 и с внешней стороны Технология сварки 5. Термообработка 6. Механическая зачистка корня шва 7. Сварка подузла А с деталями 5 и с внутренней стороны 8. Термообработка Общее время сварки 11 ч 1,9 ч Усадка по высоте 7 мм 2,5 мм Деформации 3 мм — Затраты материалов:

– сварочной проволоки, 12 кг — – защитного газа 735 л — Общая масса поковок 1390 кг 1310 кг а) б) Рис. 1. Эскиз силового корпуса Н80028040 из сплава ЭП517 с толщиной стенки 6 и 49 мм (пунктиром показаны заготовки деталей под сварку):

а — вариант аргонодуговой сварки, б — вариант электронно-лучевой сварки.

Первая Санкт-Петербургская международная научно-техническая конференция Как можно видеть из этого примера, электронно-лучевая свар ка действительно намного более производительная, чем традици онная аргонодуговая сварка, и более экономичная (нет расходных материалов, заготовки имеют меньшую массу, а изделия — мини мальные деформации).

В Республике Беларусь парк промышленного электронно лучевого оборудования пока небольшой. Имеется одна установ ка в ИП «Бакко Бисов» для электронно-лучевой сварки заготовок биметаллических пил и ножовочных полотен (95% которых экс портируется), две установки — на Минском тракторном заводе.

В Физико-техническом институте НАН Беларуси создан центр электронно-лучевых технологий. Однако потенциальные потре бители в Беларуси мало осведомлены о достоинствах и возмож ностях таких технологий, и также мало знают о таком широко применяющемся процессе, как электронно-лучевая сварка. Вме сте с тем, они охотно идут на промышленное опробование тех нологий электронно-лучевой обработки единичных образцов, опытных партий деталей, а затем и на серийное изготовление изделий в центре электронно-лучевых технологий. И уже часть пользователей готова приобрести современное оборудование для электронно-лучевых технологических процессов.

В Украине электронно-лучевую сварку как промышленный технологический процесс применяют 10 предприятий. В Россий ской Федерации около 60 предприятий используют электронно лучевую сварку при производстве изделий машиностроения.

Ведется и активная подготовка инженерных кадров. Так, в настоя щее время в лабораториях кафедры технологии металлов МЭИ-ТУ (Москва, Россия) имеются четыре установки для электронно лучевой сварки мощностью 5, 15, 45 и 60 кВт с объемом вакуум ных камер 0,4…4,2 м3, где проводятся исследования по разработке прецизионных технологий получения неразъемных соединений из сталей разных структурных классов, сплавов на основе меди, титана, алюминия и др., а также разнородных материалов. Эти работы проводятся по заказам ведущих предприятий различных отраслей промышленности России. Кафедра на протяжении мно гих лет выпускает инженеров по специальности «Машины и тех нология высокоэффективных процессов обработки материалов», основу которой составляет электронно-лучевая обработка. Таким образом, на сегодняшний день есть спрос и на высокие техноло гии, и на подготовку кадров. Поэтому, не говоря даже о достоин ствах электронно-лучевой сварки в сравнении с традиционными Технологии и оборудование ЭЛС- методами сварки, можно заключить, что этот технологический процесс имеет неплохие перспективы развития в России.

Таким образом, в машиностроении имеется немало изделий, при изготовлении которых электронно-лучевая сварка является или наилучшим, или единственным технологическим процессом соединения деталей. Появляются и новые задачи в промышленно сти, которые необходимо решать с использованием электронно лучевой сварки и смежных процессов. Так, например, новой перспективной задачей по использованию процесса электронно лучевой сварки в производстве авиационных газотурбинных дви гателей является изготовление и ремонт моноколес компрессора высокого и низкого давления из титановых сплавов. В последнее время в Беларуси успешно выполняются по заказам предприятий работы по инженерии поверхности, наплавке, пайке инструмен та, оснащенного сверхтвердыми материалами.

Одним из направлений повышения качества и снижения ме таллоемкости изделий является использование новых материалов с заданным комплексом свойств и эффективных технологий их обработки. Однако затраты на дорогостоящие материалы могут в значительной мере сдерживать выпуск новой продукции. Од ним из способов удешевления является переход к комбинирован ным конструкциям. Кроме экономии дорогостоящих материалов соединение разнородных металлов и сплавов рационально в тех случаях, когда это необходимо по конструктивным требованиям (например, в термоэлектрических элементах, роторах электриче ских машин), а также для снижения массы изделий, что требует ся при изготовлении конструкций аэрокосмической техники и в судостроении. Использование новых технологических разработок в области электронно-лучевой сварки материалов дает возможность решать новые задачи по созданию принципиально новых комбини рованных конструкций, таких как роторы и валы из ферро- и пара магнитных сталей и сплавов, в том числе никелевых, биметалличе ские токосъемные кольца, подшипники скольжения и т. п.

Имеется немало и других новых задач в промышленности.

Например, сварка колес, входных и обратных направляющих аппаратов в новых конструкциях центробежных компрессоров, большое количество деталей и узлов новых изделий в авиастрое нии, ракетно-космической промышленности, энергомашиностро ении и т. д. Все эти задачи наиболее качественно и экономично могут быть решены именно с помощью электронно-лучевой свар ки. В НПКГ «Зоря» — «Машпроект» (Николаев, Украина) недавно Первая Санкт-Петербургская международная научно-техническая конференция разработана технология электронно-лучевой сварки диска ротора газотурбинного двигателя. Проведенные разгонные испытания сварного диска подтвердили отсутствие существенного влияния остаточных напряжений на его прочность. Таким образом, после электронно-лучевой сварки нет необходимости осуществлять до полнительные операции по снятию остаточных напряжений.

Поскольку оборудование для электронно-лучевой сварки до рогое, то задача выпуска запасных частей и продления срока эксплуатации имеющегося в промышленности сварочного обо рудования актуальна. Нужно отметить, что обеспечение в СНГ быстроизнашивающимися запасными частями (детали катодного узла и другие детали и узлы сварочных электронных пушек) уста новок советского и постсоветского производства достаточно хоро шо налажено. Выпуск и поставки их осуществляют организации разработчики, предприятия-изготовители энергоблоков и установок для электронно-лучевой сварки и предприятия мало го бизнеса. Трудности же есть с поставкой пролетных пентодов ПП1 и ПП2 для высоковольтных источников питания типа ЭЛА производства ОАО «СЭЛМИ» (Сумы, Украина) и высоковольтных кабелей типа 4КВЭЛ110 и 4КВЭЛ165 и некоторых других изделий.

Это связано, во-первых, с монополизмом их производителей, во вторых, с отсутствием стабильного спроса на них, а в-третьих, с появлением новых технических решений, при этом разработчи ки и изготовители уже не уделяют должного внимания устаре вающей технике. Поскольку наступает пора нового поколения высоковольтных источников питания, то вряд ли улучшится си туация с производством пролетных пентодов ПП1 и ПП2 и другой элементной базы, т. к. в новой технике они уже не используются.

А вот высоковольтные кабели производства западных компаний с малой погонной емкостью (150–190 пФ/м) полностью могут снять проблему замены старых или вышедших из строя кабелей.

Поскольку не на всех предприятиях имеется полная загрузка оборудования для электронно-лучевой сварки, то возникает задача увеличения эффективности его использования. Эффективность дорогостоящего электронно-лучевого оборудования, если оно не имеет постоянной загрузки сварочными работами, можно суще ственно повысить путем применения аксиально-симметричных электронных пучков для иных (кроме сварки) технологических процессов. К таким процессам относятся модифицирование по верхностных слоев материалов (оплавление, закалка, повышение адгезии и свойств напыленных покрытий, очистка), локальная Технологии и оборудование ЭЛС- термообработка или зональный отжиг, наплавка, резка, терми ческое сверление, пайка, гравировка. Эти технологии не требуют дорогостоящей модернизации сварочного оборудования и обе спечивают максимальную эффективность его использования в производственных условиях.

За последние 15 лет появились разработки новых технологи ческих процессов, технологических приемов, технических реше ний, приборов, вспомогательного оборудования и других компо нентов сварочных установок.

В Московском энергетическом институте — Техническом уни верситете (Москва, Российская Федерация) для создания новых и совершенствования существующих технологических процессов изготовления конструкций из разнородных материалов предло жены новые технические решения:

методика выбора материалов для изготовления комбиниро ванных конструкций, разработанная на основе анализа их свариваемости, режимов термической обработки, а также механических, теплофизических, электромагнитных и дру гих специальных свойств;

методы определения степеней проплавления кромок разно родных материалов и режимов сварки, гарантирующие тре буемый химический состав, структуру и свойства сварных соединений;

способы электронно-лучевой сварки и наплавки раз нородных материалов, а также способы одновременной электронно-лучевой и дуговой сварки, повышающие ста бильность формирования и качество соединений;

схемы рационального построения технологического про цесса.

Кроме того, в МЭИ-ТУ проводятся работы по исследованию взаимодействия электронного пучка с плазмой дугового разря да с целью создания принципиально нового источника теплоты.

В результате этих исследований разработан и запатентован спо соб двусторонней одновременной сварки электронным пучком и дуговым разрядом в вакууме, позволяющий значительно снизить количество корневых дефектов при электронно-лучевой сварке толстостенных деталей, а также улучшить формирование швов при сварке разнородных металлов. За последнее время разрабо тана новая техника и технология, позволяющая проводить свар ку и обработку в труднодоступных местах изделий. Предложен комплекс прецизионных технологий электронно-лучевой сварки Первая Санкт-Петербургская международная научно-техническая конференция тонкостенных изделий из тугоплавких металлов и сплавов, в том числе монокристаллических. Большой практический интерес пред ставляет атлас структур сварных соединений для оценки качества сварки при монтаже и ремонте энергетического оборудования.

В Физико-техническом институте (Минск, Республика Бела русь) разработаны методы формирования заданных структурно фазовых состояний и свойств поверхностных и переходных сло ев, обеспечивающие:

придание деталям из сталей и сплавов титана, в том числе с предварительно нанесенными покрытиями таких сочета ний свойств, которые невозможно достичь иными методами объемного и поверхностного упрочнения;

методы получения новых материалов с использованием са мораспространяющегося высокотемпературного синтеза, инициируемого электронно-лучевым нагревом;

получение высокопрочных паяных соединений однородных («металл — металл») и разнородных («сверхтвердый мате риал — металл») материалов.

Разработаны также технологии электронно-лучевого оплавле ния поверхности заготовок для:

рафинирования материала, изготовления и восстановления инструмента из сталей горячего деформирования;

очистки поверхностного слоя и регенерирования мишеней катодов (из хрома, титана, циркония, сплавов титана с хро мом, алюминием, цирконием), применяемых в дуговых и магнетронных системах распыления;

повышения износостойкости режущего инструмента с мно гокомпонентными покрытиями;

увеличения процента выхода годных изделий электроники.

В Институте электросварки им. Е. О. Патона (Киев, Украина) созданы развитые системы управления и контроля, технологии резки электронным пучком сталей и титановых сплавов. Устрой ство размагничивания крупногабаритных изделий путем пропу скания через него импульсного электрического тока разработано и производится в ООО «ДС» (Николаев, Украина).

НИИД совместно с ОАО «Электромеханика» (г. Ржев Тверской обл., Российская Федерация) разрабатывает новую установку для пайки электронным пучком теплообменных аппаратов авиацион ных газотурбинных двигателей.

Частичная модернизация установок для электронно-лучевой сварки позволяет повысить качество сварных соединений, произво Технологии и оборудование ЭЛС- дительность установок и расширить возможности установок и но менклатуру свариваемых изделий. Имеющаяся в центре электронно лучевых технологий ФТИ (Минск, Республика Беларусь) установка для электронно-лучевой сварки с энергоблоком ЭЛА-15, например, дополнена компьютерной системой управления разработки НТК «Институт электросварки им. Е. О. Патона» и НПООО «Техномаш прибор» (Львов, Украина). Это дало возможность программировать и точно управлять процессом сварки, а также осуществлять процес сы пайки и упрочнения поверхности электронным пучком.

Дополнение части сварочных установок выпуска 70-х годов прошлого столетия в НПКГ «Зоря» — «Машпроект» системами программного управления позволило обеспечить полную вос производимость процесса сварки, документирование и более бы струю разработку технологий сварки новых изделий. Кроме того, производится замена старых механизмов перемещения сваривае мых изделий и электронных пушек на новые, более точные с про граммным управлением. Это позволяет также повысить качество сварных швов и снизить долю брака. Но для более серьезной мо дернизации сварочных установок этому предприятию необходи ма поддержка ведущих научных организаций.


Приведем еще один пример. До недавнего времени НПО «Сатурн»

(г. Рыбинск Ярославской обл., Российская Федерация) располагало установками для электронно-лучевой сварки отечественного произ водства первого поколения ЭЛУ-5, ЭЛУ-9Б, ЭЛУ-9КУ, ЭЛУ-10А и ЭЛУ- и второго поколения ЭЛУ-20. Такие установки позволяли сваривать лишь ограниченную номенклатуру деталей (максимальный диаметр свариваемой кольцевыми швами детали — до 800 мм, торцевыми швами — до 900 мм, толщина детали — до 25 мм и масса — до 900 кг).

Своими силами на этом предприятии была произведена модерниза ция установок ЭЛУ-10 и ЭЛУ-25. На ЭЛУ-10 был установлен энергоблок ЭЛА-60Б производства ОАО «СЭЛМИ» (Сумы, Украина), позволяю щий производить качественную сварку деталей толщиной до 60 мм из сталей мартенситного класса (ЭП609, ЭИ961, ЭП866). Установлен ный на ЭЛУ-10А новый манипулятор оснащен механизмом с план шайбой, ось вращения которой может перемещаться по высоте на 700 мм, что позволило изменять высоту центра свариваемой де тали для обеспечения требуемого фокусного расстояния. Прове денная модернизация существенно расширила диапазон возмож ностей сварки кольцевыми швами деталей, имеющих массу до 3–4 т и диаметр до 1700 мм, а торцевыми швами — деталей диаметром до 900 мм на манипуляторе и до 1500 мм на задней опоре. Однако модер Первая Санкт-Петербургская международная научно-техническая конференция низация этих установок не смогла решить все проблемы, связанные со сваркой деталей больших размеров и массы. Пришлось заказывать но вую установку ЭЛУР-1АТ, которая позволяет сваривать изделия диаме тром до 3,2 м, высотой до 1,8 м, толщиной 110 мм и массой (с оснасткой) до 10 т. Она оснащена двумя энергоблоками ЭЛА-60Б, компьютерной системой управления СУПЭЛ, двумя системами РАСТР для наблюде ния на экранах мониторов за процессом формирования сварного шва и контроля точности автоматического совмещения электронного пучка со стыком свариваемых деталей. Но и эта установка может быть модер низирована в случае необходимости, поскольку оснащена не самым со временным оборудованием.

Модернизация существующего парка установок для электронно-лучевой сварки и обработки различных деталей и узлов на предприятиях стран СНГ является неизбежным, необ ходимым и эффективным процессом, т. к. закупка зарубежного оборудования не всегда возможна из-за его высокой стоимости.

Возможно оснастить действующие сварочные установки компью терными системами управления, наблюдения за зоной сварки и сле жения за стыком. Такие системы управления позволят осуществлять и процессы модифицирования поверхности, локальной термообработ ки, наплавки, пайки, гравировки. Если одновременно модернизировать системы перемещения изделия или электронной пушки, электронно оптическую систему, то можно осуществлять также процессы резки, термического сверления. Модернизация вакуумной системы путем замены вакуумных насосов советского производства на более высоко производительные и экологически чистые (особенно «сухие» насосы) производства западноевропейских компаний (Pfeiffer Vacuum GmbH, ФРГ;

Oerlikon Leybold Vacuum GmbH, ФРГ;

Boc Edwards, Великобрита ния) позволит резко повысить производительность технологических процессов на старых установках.

Но в современных условиях вполне реально провести и полное техническое перевооружение. Это обусловлено двумя основными причинами: во-первых, преодолен критический порог в развитии машиностроения в СНГ и, во-вторых, по каждой функциональ ной системе установок для электронно-лучевой сварки созданы новые поколения оборудования.

В Словацкой Республике фирмой a. s. (Братис лава) совместно с Институтом электросварки им. Е. О. Патона создан малогабаритный высоковольтный инверторный источ ник питания для работы со сварочными электронными пушками триодного типа с катодами косвенного подогрева (типа ЭЛА, ПЛ, Технологии и оборудование ЭЛС- УЛ-119 и др.) разработки Института электросварки им. Е. О. Пато на. Новый источник питания имеет быстродействующую систе му защиты от высоковольтных пробоев, компьютерную систему управления и контроля. Имеются модели источника с регули руемым ускоряющим напряжением 30–60 кВ мощностью 5 кВт, 15 кВт (Рис. 2) и 30 кВт. Возможен выпуск модификаций таких ис точников для работы с электронными пушками, имеющими като ды других типов (например, прямонакальные).

Рис. 2. Внешний вид высоковольтного инверторного (рабочая частота 10 кГц) блока источника питания мощностью 15 кВт.

Различными фирмами и организациями созданы безмасляные как форвакуумные, так и высоковакуумные насосы, системы по вышения скорости вакуумирования путем вымораживания влаги в воздухе внутри вакуумной камеры, высокоточные модули механи ческого перемещения в вакууме, компьютерные системы наблюде ния, слежения за стыком, диагностики функциональных систем и электронного пучка, управления геометрией, положением и мощ ностью электронного пучка, современные устройства размагни чивания крупногабаритных изделий. Развиты и продолжают со вершенствоваться новые катодные узлы для электронных пушек.

Разрабатываются новые приборы дополнительного ультразвукового воздействия на процессы сварки, импульсного сильнотокового воз действия на сварные соединения, а также приборы для локальной термической обработки, улучшающие качество металла в зонах фа зового превращения. Все эти достижения могут быть использованы при создании новых установок для конкретных заказчиков.

Из проведенного анализа видно, что электронно-лучевые тех нологии, несмотря на многолетний спад машиностроения в стра нах СНГ, продолжали и продолжают успешно развиваться благо даря усилиям ведущих организаций и фирм.

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА В ПРОИЗВОДСТВЕ КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В. А. Казаков, д. т. н., профессор Преимущества ЭЛС баковых и корпусных конструкций за ключаются в обеспечении прочности сварного соединения не ниже 0,9 прочности основного материала, минимальных разме ров ЗТВ, минимальных сварочных деформаций и герметичности соединений. При изготовлении крупногабаритных конструкций снижается их масса и повышается геометрическая точность.

В производстве баковых и корпусных конструкций ракетно космической техники широко применяют универсальные уста новки с камерами общего вакуумирования, объем которых может достигать 120 м. Они отличаются многообразием конструктивно го исполнения в зависимости от размеров, формы и массы свари ваемых узлов.

Сварку узлов значительных габаритов, например кольцевых секций топливных баков из термически упрочняемого алюми ниевого сплава, диаметр которых достигает 8 м, осуществляют на установках с камерой локального вакуумирования.

Проблемы обеспечения высокой точности геометрии сварных конструкций и повышения производительности сварочных опе раций решают путем создания автоматизированных установок для сборки, механической обработки и сварки с использованием камер локального вакуумирования зоны сварки. Успешно эксплу атируют установки для ЭЛС круговых, кольцевых и продольных швов оболочек.

Отличительной особенностью установок является то, что в них применены скользящие вакуумные уплотнения на основе ферромагнитных жидкостей. На неподвижную часть камеры крепится подвижная часть, совершающая круговые и прямо линейные движения. Герметизация по сопрягаемым поверхно стям частей камеры обеспечивается мениском ферромагнитной жидкости, находящейся в канавке по периметру сопряжения и удерживаемой магнитным полем постоянных магнитов. В при меняемых ферромагнитных жидкостях дисперсионной средой служит кремнийорганическое масло, а магнетитом с частицами размером 7–15 нм — оксиды металлов, обладающие магнитны ми свойствами.

Технологии и оборудование ЭЛС- При ЭЛС узлов из алюминиево-магниевых и магниево-лити евых сплавов, в которых велико содержание цинка, лития и дру гих легкоиспаряющихся в вакууме элементов, процесс сварки за труднен из-за дестабилизирующего воздействия направленного из сварочной ванны парового потока на эмиссию и стойкость тер мокатода электронной пушки. Создано устройство, позволяющее на 90% предотвратить проникновение паров в область электрон ного прожектора-пушки. Его действие основано на отклонении части парового потока, стремящегося в область электронного прожектора, на его периферию с помощью защитного устрой ства, располагающегося между пушкой и свариваемым узлом.

ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВАЯ СВАРКА — ФИНИШНАЯ ОПЕРАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ В. В. Башенко, д. т. н., профессор, Засл. деятель науки РФ ЭЛС развивается в России с начала 60-х годов. Процесс ока зался довольно сложным, как в отношении оборудования, так и в металлургическом отношении. Также потребовалось разрабаты вать системы стабилизации режимов и слежения за процессом, поскольку их точность и быстродействие должны на порядок или более превышать аналогичные, применяемые в иных методах сварки плавлением. Это связано с двумя обстоятельствами: зна чительно уменьшается зона тепловыделения (меньше диаметр пятна нагрева) и, кроме того, много меньше объем сварочной ван ны. Однако, электронный луч оказался привлекателен тем, что технология обеспечивает высококачественную защиту металла шва, поскольку процесс проводится в высоком вакууме.

Рис. 1. Схема источника сварочного тепла с равномерным распределением удельной мощности по сечению.

Электронный луч позволяет получить в пятне нагрева плот ность вводимой в металл мощности много выше, чем при дуговой сварке. Это открывает путь к миниатюризации сварных швов и объясняет аномально глубокое проплавление металла. Действи тельно, для случая, когда источник сварочного тепла аппроксими руется распределением удельной мощности Pn по пятну нагрева радиуса rn (Рис. 1), температура в центре пятна нагрева Tц опреде ляется выражением [1, 2]:

, (1) где — теплопроводность нагреваемого металла.

Технологии и оборудование ЭЛС- Поскольку удельная мощность в дуге ограничена (не более 105 Вт/см2), то ширина шва не может быть малой. Так, на нержа веющей стали ширину шва менее 2,0 мм получить трудно. В то же время электронный луч позволяет получать швы шириной много меньше миллиметра. Это связано с тем, что удельная мощность, вводимая в металл при ЭЛС, может достигать 109–1010 Вт/см2. Для сварки столь высокая плотность энергии не нужна, так как при этом металл интенсивно испаряется и расплав отсутствует: вме сто шва получается рез. На практике используются плотности энергии порядка 107–108 Вт/см2.

Другим следствием применения источника сварочного тепла с высокой плотностью энергии является использование еще одного средства, соз-дающего механическое воздействие на расплав.

Рис. 2. При сварке луч попадает на переднюю стенку канала и плавит ее.

При такой удельной мощности, учитывая, что в сварочных установках радиус луча на поверхности металла rn составляет 0,1 0,2 мм, температура в центре пятна весьма высока. Это при водит к перегреву расплава в зоне действия луча и, как следствие, интенсивному испарению металла. Сила отдачи испаряющихся атомов (и, может быть, молекул растворенных в металле газов) от тесняет расплав от луча, образуя известный парогазовый канал.

В процессе сварки канал удерживается давлением паров внутри него. Глубина же канала, и, соответственно, глубина получаемого сварного шва, определяется рассеянием электронов в нем и в па ровом облаке у входа в канал.

При неподвижном свариваемом образце канал симметричен, ось его совпадает с осью луча. При движении образца со скоро стью сварки луч смещается на переднюю стенку канала, рас Первая Санкт-Петербургская международная научно-техническая конференция плавляя металл (Рис. 2). Расплавляемый на передней стенке ме талл, огибая канал, переходит в заднюю часть сварочной ванны, где кристаллизуется. Поскольку расплав в канал не попадает, то скорость переноса металла в несколько раз выше, чем скорость сварки. Она примерно определяется соотношением площадей по перечного сечения сварного шва и парогазового канала. Вырыва ющийся из канала поток пара и газов увлекает за собой расплав, преимущественно из хвоста ванны, и выносит на поверхность.

Опыт показывает, что, проходя парогазовый канал, электроны энергии почти не теряют, но пучок рассеивается. Таким образом, плотность энергии на дне канала снижается, что и ограничивает его глубину. Так в [3] показано, что электроны, прошедшие сквоз ной канал, теряют всего около 2% своей энергии.

Преобразование энергии электронного луча в тепло при попа дании луча на плоскую, перпендикулярную оси луча поверхность или в канал происходит с высокой эффективностью. Эффектив ный КПД превышает, как правило, 90%.

Однако в канале луч попадает на переднюю стенку канала, полу чается скользящее падение. Специальные измерения показали (Рис. 3), что эффективный КПД мало меняется от угла падения, снижаясь до 60% при угле между нормалью к поверхности и осью луча 85° [4]. Поэтому электроны луча, проходя сквозь канал, не однократно отражаются от его стенок. Но тем не менее луч ведет себя как единое целое. Это видно, например, по шлифам, где луч проходил намагниченные участки металла. Так же для исключения воздействия жидкой фазы на электронный луч были проведены экс перименты по изготовлению отверстий, где в качестве модельного материала был выбран оптический плавленый кварц (SiO2).

Рис. 3. Схема конструкции водоохлаж даемого калориметра для измерения угловой зависимости КПД электронно лучевого нагрева 1 — электронный луч (а, б, в — разные его положения на калориметре);

2 — медный калориметр, измеряющий мощность, передаваемую металлу;

3 — полость для измерения полной мощ ности луча;

4 — калориметр, измеряю щий мощность потока отраженных электронов при больших ;

5 — вода;

6 — дифференциальные термопары.

Технологии и оборудование ЭЛС- Использование кварца в качестве модельного материала бази руется на весьма благоприятном сочетании его теплофизических свойств: высокой упругости паров при высокой температуре, низ кой теплопроводности и высокой термостойкости. К тому же кварц прозрачен, что позволяет наблюдать процессы, происходящие внутри образца. При воздействии сфокусированного пучка элек тронов высокой удельной мощности кварц нагревается до столь высоких температур, что начинается интенсивное испарение ма териала. Низкая теплопроводность способствует тому, что тепло в материал распространяется очень медленно, и поэтому толщина слоя жидкой фазы по периферии зоны воздействия электронного луча, как правило, пренебрежимо мала. Отверстие образуется в результате испарения кварца в зоне воздействия луча.

Наглядным примером того, что электроны луча, проходя канал не сильно изменяют свою энергию, является изготовление непрямых отверстий в кварце (Рис. 4). Отверстия, образуемые в образце, поме щенном в равномерное поперечное магнитное поле, имеют практи чески неизменный радиус кривизны на всем участке, находящемся в этом поле. Следовательно, электроны, проходящие по оси его, не значительно меняют свою скорость на протяжении канала.

Рис. 4. Примеры каналов, образуемых в оптическом кварце электронным лучом (кварц помещен в область поперечного магнитного поля).

В то же время по мере углубления отверстие на входе практиче ски не расширяется, что означает, что рассеивающиеся из пучка электроны не оказывают заметного нагрева боковой поверхности канала. Это потому, что при скользящем падении на поверхность металла электроны передают ему малую долю энергии.

Таким образом, электроннолучевая сварка не только обеспе чивает высококачественную защиту металла шва, но и позволяет существенно повысить плотность вводимого в металл тепла. Это в свою очередь открывает путь к повышению точности сварочных Первая Санкт-Петербургская международная научно-техническая конференция операций и миниатюризации сварных швов. Кроме того, исполь зование механического воздействия силы отдачи паров металла на расплав позволяет получать глубокие и узкие швы.

Все это позволяет перевести ЭЛС из заготовительных опера ций в финишные при изготовлении сварных конструкций.

Литература 1. Петров Г. Л., Тумарев А. С. Теория сварочных процессов. – М.: «Высшая школа», 1977. – 391 с.

2. Рыкалин Н. Н. Тепловые основы сварки. — М.;

Л.: Изд-во АН СССР, 1947.

– 272 с.

3. Назаренко О. К. и др. Электроннолучевая сварка. — Киев: «Наукова дум ка», 1987. – 255 с.

4. Башенко В. В., Миткевич Е. А., Лопота В. А. Эффективность нагрева ме талла при наклонном падении электронного луча // ЖТФ, 1976. Т. 46.

№ 9. – С. 2006–2007.

Технологии и оборудование ЭЛС- СТАТИСТИКО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ СТАЛЕЙ Колева Е., Младенов Г., д. т. н. профессор, Институт электроники, Болгарская Академия наук 72, Цариградское шоссе, 1784 София, Болгария, e-mail: kolevae@ie.bas.bg Введение В течение последних 55 лет наблюдалось бурное развитие электронно-лучевой сварки (ЭЛС), и теперь это неотъемлемая часть производственных технологий соединения. Благодаря ее вкладу наблюдается ускоренное, в сравнении с традиционными технологиями сварки плавлением, внедрение новых мощных ин струментов нагрева — электронных пучков и лазеров. Современ ные исследования и разработки в области ЭЛС прежде всего свя заны с повышением автоматизации и качества процесса.

Необходимость промышленного применения способствовала тому, что ЭЛС зачастую воспринимается как искусство. Сложный процесс выполнения сварных швов был освоен задолго до того, как было разработано научное понимание глубокого проникнове ния мощного электронного пучка в металлы [1–3]. Опубликован ные до настоящего времени [3, 4] физические и температурные модели ЭЛС, созданные на ранее разработанных принципах, не могут гарантировать адекватного прогнозирования геометриче ских параметров получаемыхых сварных швов и, соответственно, не подходят для применения в оборудовании автоматики и управ ления ЭЛС. В [5–8] обсуждается применение статистического подхода к анализу данных и созданию модели ЭЛС нержавеющей стали, а данная статья является продолжением исследований про цесса ЭЛС с применением предложенного подхода.

Экспериментальные исследования Условия проведения эксперимента по ЭЛС нержавеющей стали типа 1Х18НТ и стали 45 (Ст45) представлены на Рис. 1. Об разцы, подлежащие сварке, помещаются на манипулятор в ва куумной камере под углом 30° к горизонтальной плоскости. ЭЛС стали Ст45 выполняется с помощью сварочного агрегата «Leybold Heraeus» ESW300/15-60, при ускоряющем напряжении Ua = 50 кВ (с ленточным катодом прямого нагрева), а соответствующие про Первая Санкт-Петербургская международная научно-техническая конференция плавление пластин из нержавеющей стали — с помощью свароч ного агрегата WS-10 кВт/100 кВ (со стержень-катодом косвенного нагрева) при Ua=70кВ. Перемещение образца приводит к обра зованию различных расстояний между магнитной линзой элек тронной пушки и поверхностью образца (ZS). Расстояние между фокусом пучка и магнитной линзой электронной пушки (ZO) под держивалось постоянным и равным 300 мм для Ст45 и составляло 176, 226 или 276 мм в случае ЭЛС нержавеющей стали. Оценива лась взаимосвязь между геометрическими параметрами получен ных швов и шириной зоны термического влияния для стали Ст45, а также теплового КПД ( T) и параметрами процесса: мощностью электронного пучка (P), скоростью сварки (v) и параметром фо кусирования (dZ = ZS – ZO), представляющим расстояние между поверхностью образца и фокусом пучка.

Диапазон величин этих параметров процесса во время прове денных экспериментов представлен в Табл. 1. Отрицательные ве личины параметров фокусирования соответствуют положению фокуса ниже поверхности образца.

Рис. 1. Условия эксперимента:

a — главная поверхность магнитной линзы электронной пушки;

b — фокус пучка;

c — поверхность образца;

d — манипулятор и вакуумная камера ЭЛС.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.