Оборудование для электронно-лучевой сварки

Наибольшее распространение получили универсальные электронно-лучевые установки с относительно небольшими вакуумными камерами с объемом не более 1 м³. Так в бывшем СССР в самолетостроении применялось до 30 типов универсальных установок, на которых сваривались узлы и детали из
20 материалов, за год сваривалось до 20 тыс. швов.

Электронно-лучевые установки применяются для сварки химически активных металлов (молибден, лантан, вольфрам, титановые, алюминиевые сплавы); для резки, пробивки отверстий, для электронно-лучевой пайки, для сварки разнородных металлов, термообработки в вакууме, электронно-лучевого переплава при получении высококачественных металлов и сплавов, для сварки вакуумплотных сварных швов).

Основные области применения электронно-лучевой сварки: изготовление атомных реакторов, космической и ракетной техники, самолетостроении и авиадвигателестроении.

Кроме универсальных электронно-лучевых установок в мире применяются примерно 10000 установок, имеющие крупногабаритные вакуумные камеры с мощными электронно-лучевыми пушками. Чтобы оценить возможности электроннолучевой сварки по свариваемой толщине можно пользоваться таким соотношением. Для сварки деталей толщиной 1 мм требуется мощность примерно 1 кВт. Таким образом, в настоящее время имеется возможность сваривать детали с толщиной стенки до 300 мм за 1 проход.

В мире создано несколько уникальных установок для электроннолучевой сварки с большими вакуумными камерами.

Так во Франции разработана установка с вакуумной камерой объемом 100 м³, оснащенной пушкой W=200 кВт. Установка предназначена для сварки узлов атомных и тепловых электростанций массой 55 т из сталей, титановых сплавов, алюминиевых сплавов. В Японии создана установка с объемом камеры 265 м³. Внутри камеры - поворотный стол диаметром 3.5 м, высота его перемещения - 5.5 м, грузоподъемность - 30 т.

В США имеется установка с вакуумной камерой объемом 500 м³, с пушками W=60 кВт, U=175 кВ, расстояние перефокусировки электронного луча от 50 мм до 18000 мм. Вакуумная камера изготовлена из нержавеющей стали, толщина стенки камеры - 25 мм, масса камеры - 10 т. Установка оснащена комплексом следящих систем и ЭВМ, обеспечивающим точное наведение электронного луча на свариваемый стык при сварке крупногабаритных изделий, отклонение луча от стыка составляет 0.025 мм. Стоимость установки - $2.5 млн.

В США создана электронно-лучевая пушка с ускоряющим напряжением 500 кВ. При W=100 кВт пушка может сваривать в один проход изделия из нержавеющей стали с толщиной стенки d=200 мм со скоростью 100 мм/мин, при мощности пушки 50 кВт - d=130 мм, скорость сварки - 400 мм/мин.

В бывшем Советском Союзе разработаны уникальные установки для электронно-лучевой сварки узлов летательных аппаратов.

Установка ЭЛУ-24´8 имеет вакуумную камеру объемом 800 м³, размеры свариваемого изделия с оснасткой 9´3.5´3.5 м, масса изделия 20 т. В вакуумной камере установлен перемещающийся стол в продольном направлении на 10.5 м, в поперечном направлении на 4.5 м, вертикальное перемещение стола 3.3 м.

Установка оснащена электронно-лучевыми пушками с U=60 кВ, W=60 кВт и с U=120 кВ, W=100 кВт. Установка позволяет сваривать изделия из титановых сплавов толщиной 130 мм со скоростью сварки 10-90 м/час. Габаритные размеры установки – 36.5´23.5´1.9 м, масса установки – 1100 тонн, время подготовки вакуума – 60 мин.

Установка ЭЛУ-24´16 имеет вакуумную камеру объемом 1350 м³. Максимальные габариты изделия с оснасткой – 17´3.5´3.5 м. Суммарная масса изделия с оснасткой – 40 тонн.

Перемещение стола: продольное – 18.5 м, поперечное – 8 м, вертикальное – 1.5 м. Установка оснащена электронно-лучевыми пушками с U=120 кВ, W=100 кВт и с U=60 кВ, W=60 кВт. Пушки могут перемещаться в камере в поперечном направлении на 4.5 м, по высоте – на 3.5 м. Габаритные размеры установки – 77´24.8´13.3 м, масса установки – 2000 тонн, время подготовки вакуума – 90 мин.

При сварке крупных партий изделий важно уменьшить время подготовки вакуумной камеры к работе. Для этого применяют многосекционные вакуумные камеры, где на входе и выходе рабочей вакуумной камеры, в которой выполняется электронно-лучевая сварка, установлены шлюзные вакуумные камеры.

При сварке мелких деталей можно применять загрузку и выгрузку деталей в рабочую камеру без существенного нарушения вакуума, используя пеналы с гладкими полированными стенками. В рабочей камере детали из пеналов перегружаются автоматом на конвейер или поворотный стол и подаются на позицию сварки. В последнее время для этих операций используются робототехнические комплексы.

В последние годы ведутся работы по выводу электронно-лучевого луча из электронно-лучевой пушки в открытую атмосферу. Для этого на выходе пушки устанавливается многосекционная вакуумная камера. Каждая секция, имеющая маленький объем, подключается к мощному вакуумному насосу. Вакуумные насосы обеспечивают откачку воздуха, поступающего через выходное отверстие для электронного луча. Таким образом, в электронно-лучевой пушке и в полостях вакуумных камер создается необходимый вакуум, обеспечивающий длину пробега электронов от катода пушки до выходного отверстия на торце вакуумной камеры. Электронный луч в этом случае используется как обычный источник нагрева, которым можно вести сварку на воздухе, в защитных газах или в камерах с неглубоким вакуумом (0.1 МПа), обеспечивающим качественную защиту, например, при сварке титановых сплавов.

Такие установки созданы в США, используются они в автомобилестроении, позволяют сваривать детали толщиной до 10 мм. Ведутся работы по созданию установок для сварки деталей толщиной 20…60 мм (W=20…60 кВт).

Космонавтика поставила широкий круг задач перед сварочной наукой по созданию технологии сварки, термической резки и пайки в условиях космоса специальных легких и жаропрочных сталей для ремонта космических аппаратов, орбитальных станций, монтажа различных металлоконструкций. Исследования показали, что в условиях невесомости и космического вакуума из всех способов сварки плавлением наиболее пригодны электронно-лучевая и лазерная сварка, так как только в узком кинжальном шве можем удержаться расплавленный металл за счет сил поверхностного натяжения. Впервые в мире сварку в условиях космоса провели на космическом корабле «Союз –6» космонавты В. Кубасов и Г. Шонин в октябре 1969 года на установке «Вулкан», которую разработали в Киевском институте электросварки. Сварка электронным лучом показала хорошие результаты. В 1984 году космонавты испытывали в открытом космосе малогабаритный универсальный электронно–лучевой пистолет для сварки, пайки и напыления. Киевские ученые продолжают исследования и разработки в области электронно-лучевой сварки в условиях космоса, в том числе по совместной украинско-американской программе.