Электронный луч представляет собой сжатый поток электронов, перемещающийся с большой скоростью от катода к аноду в сильном электрическом поле. При соударении электронного потока с твердым телом более 99 % кинетической энергии электронов переходит в тепловую, расходуемую на нагрев этого тела. Температура в месте соударения может достигать 5000—6000 °С. Электронный луч образуется за счет эмиссии электронов с нагретого в вакууме 133 (10-4 – 10-5) Па катода 1 и с помощью электростатических и элек тромагнитных линз 4 фокусируется на поверхности свариваемых материалов (рис. 7.27). В установках для электронно-лучевой сварки электроны эмиттируются на катоде 1 электронной пушки; формируются в пучок электродом 2, расположенным непосредственно за катодом; ускоряются под действием разности потенциалов между катодом и анодом 3, составляющей 20—150 кВ и выше, затем фокусируются в виде луча и направляются специальной отклоняющей магнитной системой 5 на обрабатываемое изделие 6. На формирующий электрод 2 подается отрицательный или нулевой по отношению к катоду потенциал. Фокусировкой достигается высокая удельная мощность (до 5 ·105 кВт/м2 и выше). Ток электронного луча невелик (от нескольких миллиампер до единиц ампер).
Рис. 7.27. Схема установки для ЭЛС Рис. 7.28. Кинжальное проплавление при ЭЛС
При перемещении заготовки под неподвижным лучом образуется: сварной шов. Иногда при сварке перемещают сам луч вдоль неподвижных кромок с помощью отклоняющих систем. Отклоняющие системы используют также и для колебаний электронного луча поперек и вдоль шва, что позволяет сваривать с присадочным металлом и регулировать тепловое воздействие на металл. В современных установках для сварки, сверления, резки или фрезерования электронный луч фокусируется на площади диаметром менее 0,001 см, что позволяет получить большую удельную мощность. При использовании обычных сварочных источников теплоты (дуги, газового пламени) металл нагревают и плавят за счет распространения теплоты от поверхности в глубину, при этом форма зоны расплавления в сечении приближается к полукругу F2. При сварке электронным лучом теплота выделяется непосредственно в самом металле F1,причем наиболее интенсивно на некоторой глубине под его поверхностью. Отношение глубины проплавления к ширине может достигать 20: 1; такое проплавление называется кинжальным (рис. 7.28). Высокая концентрация теплоты в пятне нагрева позволяет сверлить такие материалы, как сапфир, рубин, алмаз, стекло. Незначительная ширина зоны теплового воздействия дает возможность резко уменьшить деформацию заготовок. Кроме того, за счет вакуума в камере обеспечиваются зеркальная поверхность соединения и дегазация расплавленного металла. Электронно-лучевой сваркой изготовляют детали из тугоплавких химически активных металлов и их сплавов (вольфрамовых, танталовых, ниобиевых, циркониевых, молибденовых и т. п.), а также из алюминиевых и титановых сплавов и высоколегированных сталей. Металлы и сплавы можно сваривать в однородных н разнородных сочетаниях, со значительной разностью толщин, температур плавления и других теплофизических свойств. Минимальная толщина свариваемых заготовок составляет 0,02 мм, максимальная — до 100 мм. Электронно-лучевой сваркой можно соединять малогабаритные изделия, применяемые в электронике и приборостроении, и крупногабаритные изделия длиной и диаметром несколько метров.
Плазменная сварка
Плазменная струя, применяемая для сварки, представляет собой направленный поток частично или полностью ионизированного газа, имеющего температуру 10 000—20 000 °С. Плазму получают в плазменных горелках, пропуская газ через столб сжатой дуги. Дуга горит в узком канале сопла горелки, через который продувают газ. При этом столб дуги сжимается, что приводит к повышению в нем плотности энергии и температуры. Газ, проходящий через столб дуги, нагревается, ионизируется и выходит из сопла в виде высокотемпературной плазменной струи. В качестве плазмообразующих газов применяют азот, аргон, водород, гелий, воздух и их смеси. Газ выбирают в зависимости от процесса обработки и вида обрабатываемого материала.
Применяют два основных плазменных источника нагрева: плазменную струю, выделенную из столба косвенной дуги, и плазменную в которой дуга прямого действия совмещена с плазменной струёй. Соответственно применяют две схемы плазменных горелок. В горелках для получения плазменной струи дуга 1 горит между вольфрамовым электродом 2 и соплом 4, к. которому подключен положительный полюс источника тока (рис. 7.29, а). Электрод изолирован от корпуса горелки керамической прокладкой 3. Сопло интенсивно охлаждается водой. Из сопла выходит ярко светящаяся плазменная струя 5. Горелка питается постоянным током прямой полярности от источников с падающей характеристикой. Дугу зажигают с помощью осциллятора.
Плазменная струя представляет собой независимый источник теплоты, позволяющий в широких пределах изменять степень нагрева и глубину проплавления поверхности заготовок. Тепловая мощность Плазменной струи ограничена и ее применяют для сварки и резки тонких металлических листов и неэлектропроводпых материалов, а также напыления тугоплавких материалов на поверхность заготовок. Горелки, предназначенные для сварки, снабжены вторым концентрическим соплом 6, через который подается защитный газ.
Устройство горелок для получения плазменной дуги (рис. 7.29, б) принципиально не отличается от устройства горелок первого типа. Только дуга горит между электродом и заготовкой 7. Для облегчения зажигания дуги вначале возбуждается маломощная вспомогательная дуга между электродом и соплом. Для этого к соплу подключен токоподвод от положительного полюса источника тока. Как только возникшая плазменная струя коснется заготовки, зажигается основная дуга, а вспомогательная выключается. Плазменная дуга, обладающая большей тепловой мощностью по сравнению с плазменной струёй, имеет более широкое применение при обработке материалов. Ее используют для сварки высоколегированной стали, сплавов титана, никеля, молибдена, вольфрама и других материалов. Плазменную дугу применяют для резки материалов, особенно тех, резка которых другими способами затруднена, например меди, алюминия и др. С помощью плазменной дуги наплавляют тугоплавкие материалы на поверхность заготовок.
Рис. 7.29. Схемы процесса получения плазменных источников нагрева: а — плазменной струи, выделенной из дуги; б— плазменной дуги, совмещенной с плазменной струей
По сравнению с аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом плазменная дуга имеет ряд преимуществ. Во-первых, она является более концентрированным источником теплоты и вследствие этого обладает большей проплавляющей способностью. Плазменной дугой можно сваривать металл толщиной до 10 мм без разделки кромок и применения присадочного металла. При этом снижается тепловое влияние дуги на свариваемый металл и уменьшаются сварочные деформации. Во-вторых, плазменная дуга обладает более высокой стабильностью горения, что обеспечивает повышенное качество сварных швов. Это позволяет выполнять так называемую микроплазменную сварку металла толщиной 0,025—0,8 мм на токах 0,5— 10 А. В-третьих, увеличивая ток и расход газа, можно получить так называемую проникающую плазменную дугу. В этом случае резко возрастет тепловая мощность дуги, скорость истечения и давление плазмы. Такая дуга дает сквозное проплавление и выдувает расплавленный металл (процесс резки). Недостаток плазменной сварки — недолговечность горелок вследствие частого выхода из строя сопел и электродов.