Основные физико-механические характеристики сварки.

Плотность энергии в источнике нагрева определяет его эффективный коэффициент использования теплоты, форму провара, размеры зоны термического влияния и другие параметры. Электронный луч — наиболее эффек­тивный источник нагрева металла при сварке, поскольку плотность энергии в луче не более чем на два порядка превосходит плотность энергии электрической сварочной дуги.

Электронный луч также может быть сосредоточен на очень малой площади, что дает возможность использовать его для сварки изделий микроэлектроники.

Мощность электронного луча может достигать очень больших величин, это делает, его перспективным для сварки больших толщин (200—500 мм).

Можно получить электронный луч с интенсивностью 5·10⁸ Вт/см². Плотность энергии в таком луче достигает 500 000 кВт/см², т. е. на одном квадратном сантиметре с помощью электронного луча может быть сосредоточена энергия мощной современной турбины.

Применительно к сварочным целям интенсивность энергии в электронном луче должна иметь свой оптимум, так как при очень высокой сосредоточенности источника теплоты процесс сопровождается не только плавлением, но и интенсивным испарением металла, вследствие чего происходит процесс резания металла. На этом принципе построены электронные пушки, предназначенные для сверления и фрезерования.

Высокая интенсивность таких источников теплоты позволяет сваривать любые металлы. Плотность энергии в электронных пучках, используемых для сварки, определяется, рядом факторов: свойствами металла (температура плавления, теплопроводность и др.), его толщиной, формой сварного соединения и т. д. При сварке тугоплавких и теплопроводных металлов и металлов больших толщин целесообразно применять электронный луч с более высокой плотностью энергии. При сварке легкоплав­ких и легкоиспаряющихся металлов и металлов малых толщин целесообразно использовать лучи с относительно малой плотностью энергии, а в ряде случаев с импульсным нагревом.

При использовании электронного луча, обладающего большой плотностью энергии, обнаруживается ярко выраженное направленное тепловое воздействие. Зона расплавления в металле вытягивается преимущественно в направлении дейст­вия электронного луча. При дальнейшем повышении мощности зона проплавле­ния принимает форму конуса с отношением глубины шва h к ширине проплавле­ния Б, достигающим 10—15.

Форма зоны проплавления при сварке электронным лучом металла большой толщины выгодно отличается от формы проплавления при сварке дугой за счет резкого увеличения глубины. Возможность получения швов с большой глубиной проплавления — одно из основных преимуществ электроннолучевой сварки, использую­щей источник теплоты с высокой плотностью энергии.

Характерной особенностью сварки электронным лучом является возможность получения сварных соединений при минимальных затратах энергии на расплавле­ние металла.

При электронно-лучевой сварке требуется в 10—15 раз меньше энергии, чем при дуговой.

Основные преимущества электронно-лучевой сварки

- Высокая концентрация энергии в луче обеспечивает получение швов не только с минимальной зоной расплавленного металла, но и соединений, металл которых в околошовной зоне не претерпевает значительных изменений вследствие ввода минимального количества тепла и значительных скоростей охлаждения.

- Отсутствие значительной по протяженности зоны термического влияния исклю­чает недостатки, возникающие при эксплуатации конструкций, вызванные изме­нением физико-механических свойств металла в околошовной зоне.

- Глубокое проплавление металла при малой погонной энергии, имеющее место при сварке электронным лучом, обусловливает значительно большую скорость отвода тепла от зоны сварки, что обеспечивает увеличение скорости кристалли­зации малой по объему сварочной ванны с получением мелкокристаллического строения металла шва, по своим свойствам мало отличающегося от основного металла.

- Ввод значительно меньшего количества тепла, имеющего место при электронно­-лучевой сварке, дает возможность во много раз уменьшить деформации изделий по сравнению с дуговым способом сварки.

- Электронный луч является легко управляемым источником тепла при сварке, что позволяет в широких пределах и очень точно регулировать температуру нагрева изделия, легко перемещать зону нагрева по изделию и переносить энергию на зна­чительные расстояния. Ранее было показано, что электронный луч является более интенсивным источником тепла по сравнению с известными источниками при сварке. Другой важной особенностью электронного луча является то, что плотность энергии в нем можно плавно изменять путем изменения напряженности магнитного поля фокусирующей линзы. Это дает возможность без особых затруд­нений нагревать изделия в более широком диапазоне температур, чем дугой или газовым пламенем.

- Электронный луч является легко управляемым источником нагрева не только возможностью изменения его интенсивности, но и возможностью его перемеще­ния по поверхности изделия.

- Кроме передвижения электронного луча при помощи отклоняющих систем, появляется возможность изменять форму пятна нагрева за счет изменения очер­тания катода. При этом можно получить форму нагрева в виде круга, кольца и т. п., что дает возможность производить одновременный подогрев изделий, имеющих сложную форму сечений.