5.9. Методика расчета некоторых параметров режимов ЭЛ С
Определим связь мощности электронного луча q при скорости сварки I»CD с глубиной Я и шириной В сварного шва [И].
Скорость сварки, необходимая для проникновения луча на
глубину Я при одновременном перемещении со скоростью Уев, определяется из условия
Уев < 4q/(ndHSK„„). |
(5.14) |
Для титанового сплава по экспериментальным данным работы [12]: </= =54 кВт, //= 10 см, исв = 0,5 см/с, d = 2 ,7 мм, S„Hn = 5- Ю4 Дж/см3.
Получаем усв^ 4*5,4‘ 104/ (3,14-0,27* 1 0 104) ^0, 5 см/с. На рис. 5.8 представлена экспериментальная зависимость термического к. п. д. т^т про плавления от параметра q / ( H v cв) для сталей. Наличие экстремума на кривой существенно облегчает расчеты, так как максимум г|т соответствует значению 4—5 кДж/см2 для сталей и, как показывает обработка результатов данных работы [12], для титановых сплавов.
Связь параметров луча с геометрическими характеристиками
шва дается выражением |
|
|
в н/е = (4r\nj\jqdlnvCBHSn„y/2, |
|
(5.15) |
где В н / е — ширина шва на уровне Я/е. |
|
|
Пример. Для титанового сплава |
при q = 54 кВт, //= 10 |
см, исв=0,5 см/с |
имеем: q l ( H v Cb) = 1,08• 104 кДж/см2, |
*nn«l, Т]т«=*0,45, d = 2,7 |
мм, S n Л=6,07Х |
X 103 Дж/см3. |
|
|
Вн/е = (4-1-0,45• 0,27• 1,08• 10^/3,14-6,07• 103)1/2 = 0,52 см = = 5 ,2 мм.
Результат хорошо согласуется с экспериментальными данными.
б.Ю. Оборудование для ЭЛС
5.W.I. Классификация и состав электронно-лучевых установок
"•V.
По степени специализации электронно-лучевые установки де лится на универсальные и специализированные, а по давлению
в рабочей камере — на высоковакуумные (давление в камере
<10-1 Па), промежуточного вакуума (давление в камере 10— 10“' Па), для ЭЛС в атмосфере или в защитном газе (103—
Ю5 Па). По принципу создания вакуума в зоне сварки элект ронно-лучевые установки делятся на камерные (изделие внутри рабочей камеры) и с локальным вакуумированием (герметиза ция изделия осуществляется только в зоне сварки).
Рис. |
6.9. Структура |
камерной |
элек |
|||
тронно-лучевой |
установки: |
|
||||
ЭЛП — электронно-лучевая |
пушка; |
|||||
РК — рабочая |
камера; ВС ЭЛП — ва |
|||||
куумная система |
ЭЛП; |
ИУН — источ |
||||
ник |
ускоряющего |
напряжения; ВС |
||||
РК — вакуумная |
система |
РК; |
СУ — |
|||
система управления |
установкой |
|
||||
В состав любой электронно-лучевой установки (рис. 5.9) входит: электронно-лучевая пушка (ЭЛП); источник питания ЭЛП; вакуумная система; система управления [13—16].
5.10.2. Электронно-лучевые пушки (ЭЛП)
ЭЛП служат для генерации и формирования электронного луча. Основные узлы ЭЛП: генератор электронов и система проведения луча (рис. 5.10). Гене ратор электронов состоит из катода, управляющего электрода, или электрода Венельта, анодаСистема проведения луча включает юстирующие, фокуси рующие и отклоняющие катушки.
Катоды выполняются накальными (термокатоды прямого или косвенного накала) или плазменными. Материал термокатодов — вольфрам, тантал, сплавы этих металлов с рением, гексаборид лантана (LaBe).
В случае термокатодов прямого нагрева нагрев осуществляется за счет пропускания через катод тока накала, а в термокатодах косвенного нагрева — за счет бомбардировки катода электронами от вспомогательного катода.
Материал высоковольтного изолятора — керамика, стекло, специальные пластмассы. Типичные материалы для анода и управляющего электрода — не ржавеющая сталь, медь.
Ускоряющее напряжение приложено между анодом и катодом. Управле ние током луча осуществляется, как правило, путем изменения потенциала управляющего электрода по отношению к катоду.
kVzT
A |
t\ |
|
[зл |
ixi ( |
I [x]ФК |
|
В |
настоящее |
время |
выпускаются ЭЛГ1 |
||
|
на мощность от |
1 до 300 кВт с ускоряю |
||||
m |
щим |
напряжением 25—150 |
кВ. |
Основными |
||
изготовителями |
являются: |
ФРГ, |
Франция, |
|||
|
Великобритания, |
СССР |
(ИЭС им. Натона, |
|||
|
ПО «Электрон», НПО «Исток», НИИАТ, |
|||||
|
ВНИИЭСО), США, Япония. |
|
|
|||
5.10.3. Источники питания ЭЛП
|
|
|
|
|
Источники питания ЭЛП состоят из источ |
||||||||
153 |
153ок |
ника |
ускоряющего |
напряжения, а также источ |
|||||||||
ников питания УЭ, К, ЮК, ФК, ОК. |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
Источники |
ускоряющего |
напряжения вы |
||||||
|
|
|
|
|
полняются с регулирующим |
элементом |
на пер |
||||||
|
|
|
|
|
вичной или вторичной стороне высоковольт |
||||||||
|
|
|
|
|
ного трансформатора, с преобразованием или |
||||||||
|
|
|
|
|
без преобразования частоты питающего на |
||||||||
Г |
|
|
|
> |
пряжения |
(рис. |
5.11). |
|
|
|
|
||
|
|
|
Регулировку на первичной стороне осу |
||||||||||
|
|
|
|
|
ществляют |
тиристорными |
или |
транзистор |
|||||
рно. 6.10. Типичная |
структура |
ными |
регуляторами, |
на |
вторичной |
стороне — |
|||||||
ЭЛП: |
|
|
|
|
специальной высоковольтной лампой. Для за |
||||||||
К — катод; |
УЭ — управляющий |
щиты |
от пробоев в |
ЭЛП |
источники ускоряю |
||||||||
электрод; |
|
ЮК — юстирующие |
щего напряжения обычно снабжаются уст |
||||||||||
катушки; |
А ■—анод; |
ЭЛ — элек |
|||||||||||
тронный |
луч; |
ФК — фокуси |
ройствами |
автоматического |
повторного |
вклю |
|||||||
рующие |
катушки; |
ОК — откло |
чения. Это позволяет без заметного ухудше |
||||||||||
няющие |
катушки; |
И — свари |
ния |
качества |
сварки проводить ЭЛС |
даже |
|||||||
ваемое изделие |
|
|
в условиях частых |
пробоев. Конструктивно |
|||||||||
|
|
|
|
|
источники |
ускоряющего |
напряжения |
разме |
|||||
щают в баке с трансформаторным маслом, которое одновременно выполняет функции охлаждающей среды. Известны также источники ускоряющего на пряжения на напряжение до 60 кВ, в которых в качестве изолирующей среды используется воздух или компаунды.
Для гальванического разделения в источнике питания управляющего элек трода используют высокочастотные трансформаторы или пару светодиод/фототранзистор, соединенную световодом. Для обеспечения постоянства характе
К ЭЛП
а
<Г
Рис. 5.11. Функциональные схемы источников ускоряюще го напряжения:
К ЭЛП а — с |
тиристорным |
регулято |
||
ром |
(ГР); б — с |
регулирую |
||
щим элементом (РЭ) на вто |
||||
ричной |
стороне |
трансформа |
||
тора; |
|
Вт — высоковольтный |
||
трансформатор; |
ВВ |
— высоко |
||
вольтный |
выпрямитель; Ф — |
|||
фильтр; |
ВД — высоковольтный |
|||
делитель |
|
|
|
|
ристик системы проведения электронного луча питание катушек КЖ, ФК, ОК (см. рис. 5.10) осуществляется от ре гуляторов тока.
В СССР в настоящее время се рийно выпускаются источники ускоряю щего? напряжения в комплекте сэлект- ронпо-лучевой пушкой на ускоряющее напряжение 60 кВ и мощность 5, 15 и 60 кВт (ЭЛА5, ЭЛА15, ЭЛА60 и др.).
5.10-4. Вакуумная система электронно-лучевой установки
Вакуумная система ЭЛУ служит для |
Рис. 5.12. Типичная вакуумная ка |
||||||||||||||||
создания необходимого |
давления в ЭЛП |
||||||||||||||||
н рабочей камере: как правило |
10~2 — |
мера |
|
электронно-лучевой |
установки |
||||||||||||
для |
сварки |
в |
|
промежуточном |
ва |
||||||||||||
Ю-4 Па в ЭЛП и 10—10-3 Па в ра |
кууме: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
бочей камере. ЭЛП отсекается от рабо |
N1 — механический |
насос |
ЭЛП; |
N2 — |
|||||||||||||
чей |
камеры |
с |
помощью |
специального |
высоковакуумный |
насос |
ЭЛП; |
N3 — |
|||||||||
вакуумного клапана, который открыва |
двухроторный |
|
механический |
насос; |
|||||||||||||
N4 — золотниковый |
|
или |
|
пластин |
|||||||||||||
ется на время проведения сварки (рис. |
чато-роторный |
насос; |
VI — клапан от |
||||||||||||||
5.12). |
|
|
|
|
|
|
качки |
высоковакуумного насоса; |
V2 — |
||||||||
|
В качестве |
механических |
насосов |
клапан |
откачки |
ЭЛП |
высоковакуум |
||||||||||
|
ным |
насосом; |
V3 — клапан |
откачки |
|||||||||||||
с предельным давлением 0,1—10 Па |
ЭЛП |
|
механическим |
насосом; |
V4 — |
||||||||||||
используются |
шиберные |
или |
золотнико |
клапан |
напуска |
в |
ЭЛП; |
V5 — клапан |
|||||||||
вые |
насосы |
и |
агрегаты |
на |
их |
основе, |
отсечки |
ЭЛП; |
V6 — клапан |
напуска |
|||||||
в рабочую камеру |
(РК); |
V7 — клапан |
|||||||||||||||
в состав которых включаются также |
откачки |
рабочей |
камеры; |
V8 — напуск |
|||||||||||||
двухроторные насосы |
(насосы |
Рутса). |
в насосы откачки |
рабочей камеры |
|||||||||||||
В качестве |
высоковакуумных |
насосов |
|
|
|
насосы. |
|
|
|
|
|||||||
используются |
паромасляные |
или турбомолекулярные |
|
|
|
|
|||||||||||
5.10.5. Система управления электронно-лучевой установкой
Система управления (СУ) должна выполнять следующие основные функции:
—программное управление работой всех систем установки;
—диагностику работы всех систем установки;
— контроль и управление положением электронного луча по отношению
кстыку;
—контроль и управление пространственными, энер1 етическими и времен ными характеристиками электронного луча;
—связь с СУ более высокого уровня при работе в составе гибкой про изводственной системы.
Элементная база СУ — мини- и микроЭВМ, микропроцессоры. Все про
граммное управление осуществляется либо одной достаточно мощной ЭВМ, либо центральной микроЭВМ и местными микроЭВМ, на которых реализуется локальное управление одним или несколькими устройствами. В отечественных установках используются микроЭВМ семейства «Электроника», СМ-1800 и др. Для повышения помехоустойчивости и надежности работы микроЭВМ я объект управления гальванически разделены.
5.10.6. Примеры, оборудования ЭЛС
Установка EBW36000/60-150 является типичным представите лем камерных машин. Она предназначена для сварки крупнога
баритных деталей. Размеры рабочей камеры — 4,9ХЗ,35Х
Х2.15 |
м. |
Для откачки |
камеры до рабочего давления 5Х |
X 10~2 |
Па |
используется |
трехступенчатая откачная система |
с двумя криогенными насосами производительностью 10 м3/с. Время откачки рабочей камеры------15 мин.
Установка оснащена ЭЛП мощностью 60 кВт при ускоряю щем напряжении 150 кВ, системами слежения за стыком во время сварки и телевизионного наблюдения за процессом сварки. Управление установкой полностью автоматизировано.
Установка УВЛ-6003, разработанная ВНИИЭСО, является типичной для тактовых высокопроизводительных специализиро ванных установок. Она предназначена для сварки кольцевых швов на деталях с вертикальной осью вращения. Максималь ные габариты деталей: диаметр 0,3, высота 0,3 м. Расположе ние ЗЛП — вертикальное или горизонтальное. Вакуумная си стема рабочей камеры оснащена двухступенчатой системой от
качки производительностью |
600 |
л/с, |
а вакуумная |
система |
ЭЛП — турбомолекулярным |
насосом |
производительностью |
||
150 л/с. Время откачки рабочей |
камеры — 30—45 с. |
|
||
Установка содержит трехпозиционный поворотный стол с по зициями загрузки-выгрузки, подогрева детали перед сваркой, сварки. На установке можно проводить сварку среднеуглероди
стых сталей (установка снабжена позицией отжига деталей). Подогрев и отжиг осуществляются среднечастотными индукци онными генераторами. СУ выполнена на базе микроЭВМ
«Электроника МС 2716» и осуществляет управление всеми уст ройствами установки, а также контроль и диагностику неис правностей. Установка комплектуется энергоблоком ЭЛА-15 <15 кВт, 60 кВ).
Г л а в а 6 Л А З Е Р Н А Я С В А РК А
в.1. О бщ ие сведения
€.1.1. Источники энергии
Среди известных источников энергии, используемых для сварки, лазерное из* лучение обеспечивает наиболее высокую концентрацию энергии. На рис. 6.1 представлены значения плотности мощности £, т. е. отношение мощности источника к его площади, и диаметры источников нагрева для основных сва рочных источников энергии. Из этих данных следует, что лазерное излучение на несколько порядков превосходит по концентрации остальные источники теплоты, используемые для сварки. Такие высокие значения концентрации энергии определяются уникальными характеристиками лазерного излучении, в первую очередь его монохроматичностью и когерентностью.
Лазерная сварка, в отличие от электронно-лучевой, также обеспечиваю щей высокую концентрацию энергии, не требует вакуумных камер. Ее ведут либо на воздухе, либо в аргоне, гелии, либо в С02 и др. Лазерной сваркой можно соединять элементы любых размеров.