Аннотация

Аннотация

Рассмотрены предпосылки, подтолкнувшие ученых на изобретение электронно-лучевой сварки. Перечислены персоналии, чьи изобретения и научные теории стали общепринятыми в теории электронно-лучевой сварки.

Полный текст

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) явилась одним из перспективных и быстро развивающихся способов соединения различных металлов, в первую очередь тугоплавких, химически активных и разнородных качественных сталей, высокопрочных сплавов на основе алюминия и титана. Также этот способ сварки обладает широкими технологическими возможностями, позволяя соединять за один проход металлы и сплавы толщиной от 0,1 до 400 мм. При этом обеспечивается максимальная пластичность и вязкость сварных соединений. Наиболее перспективным является соединение деталей из термически упрочненных материалов, когда затруднена или невозможна последующая термообработка. Максимальная пластичность и вязкость сварных соединений, минимальные сварочные деформации позволяют также успешно использовать ЭЛС при изготовлении изделий после завершающей механической обработки [1]. ЭЛС основана на использовании тепла, которое выделяется при торможении остросфокусированного потока электронов, ускоренных до высоких энергий. Явление термического воздействия электронных пучков на твердые материалы было известно давно. В частности, оно было отмечено в докладе В. Гроува (рис. 1), прочитанного в Лондонском Королевском обществе в апреле 1852 г. Рис. 1. Вильям Роберт Гроув Однако только благодаря развитию вакуумной техники и электронной оптики этот источник нагрева получил широкое применение сначала в сварочной, а затем в металлургической технике. Толчком, послужившим поиску новых способов соединения материалов, явились трудности сварки молибдена, тантала, ниобия, вольфрама, циркония, которые обнаружились в середине 60-х гг. прошлого века. Эти металлы составляют группу трудносвариваемых, так как обладают высокими температурой плавления и химической активностью. Это предполагает использование высококонцентрированных источников тепла и серьезной защиты зоны сварки [2]. В процессе ЭЛС в вакууме порядка 10–4 мм рт. ст. обеспечивается практически полное отсутствие примеси вредных газов. Высокая концентрация энергии в электронном луче до 109 Вт/см2 при минимальной площади пятна нагрева до 10–7 см2 способствует уменьшению термических деформаций при сварке, незначительным структурным превращениям в зоне нагрева и обеспечивает формирование сварного шва с ярко выраженной кинжальной формой проплавления. Разработка техники и технологии ЭЛС связана с работами французских и американских инженеров Д.А. Стора, Д. Бриолы, В.Л. Вимена, которые были опубликованы в 1957–1958 гг. У истоков появления ЭЛС стоял также К.Г. Штайгервальд (ФРГ). В эти же годы в СССР в Московском энергетическом институте под руководством Н.А. Ольшанского и в Институте электросварки им. Е.О. Патона под руководством Б.А. Мовчана, независимо от работ иностранных ученых, также были проведены исследования по применению электронного луча для сварки [2]. В начале 60 гг. XX в. Н.А. Ольшанский (рис. 2) и О.К. Назаренко одни из первых предложили теорию кинжального проплавления: электронный луч образует конус проплавления деталей, на передней стенке которого происходит равномерное распределение энергии. Перемещение луча относительно детали приводит к непрерывному плавлению металла и переносу его в сторону, противоположную лучу (рис. 3). По этой теории образование глубокого проплавления представляется как стационарный процесс. Рис. 2. Николай Александрович Ольшанский В 1964 г. на основе экспериментальных данных, полученных при помощи скоростной киносъемки, американский ученый М. Шварц установил, что процесс взаимодействия луча и металла происходит за счет испарения и носит прерывистый характер. Им было также установлено, что распределение температур по глубине канала неравномерно: в корневой части канала Т ~ 5000 К, а у выходной части канала она минимальна и составляет 2500–3000 К. И.В. Зуев в 1968–1967 гг. показал, что процесс внедрения электронного луча в металл с образованием канала происходит за счет периодического выброса вещества вследствие взрывообразного испарения (вскипания) металла. Было установлено, что при плотностях мощности q = 109…1010 Вт скорость ввода тепла намного превышает скорость его отвода за счет теплопроводности, что приводит к взрывному вскипанию микрообъема вещества. Эта «взрывная гипотеза» позволила перейти к первым полуколичественным оценкам параметров процесса и получила подтверждение в ряде других работ. Рис. 3. Канал проплавления: 1 – электронный луч; 2 – основной металл; 3 – расплавленный металл; 4 – сварной шов Теория формирования канала проплавления за счет периодических взрывов, предложенная И.В. Зуевым и Н.Н. Рыкалиным (рис. 4), оказалась очень плодотворной [3]. Рис. 4. Николай Николаевич Рыкалин Рис. 5. Валерий Михайлович Язовских В 1969 г. американские ученые Гид и Тонг провели экспериментальные исследования процесса образования канала с помощью киносъемки в рентгеновских лучах. Было установлено, что в жидком металле вокруг электронного луча существует полость. Эта полость все время находится в движении: глубина ее периоди-чески колеблется от нулевой до максимальной с частотой 10–60 Гц. На основе этих исследований была предложена модель образования канала проплавления, основанная на гидродинамическом анализе процесса внедрения в жидкость тела, имеющего форму снаряда. Красноярские ученые В.Д. Лаптенок, В.Я. Браверман внесли большой вклад в исследование возможности управления ЭЛС по рентгеновскому излучению из зоны сварки. В 1997 г. В.М. Язовских (рис. 5) и В.В. Уточкиным была установлена термодинамическая зависимость температуры испарения с давлением пара в канале проплавления при электронно-лучевой сварке, позволяющая с точностью прогнозировать глубину проплавления при ЭЛС. С начала 90-х гг. учеными В.Я. Беленьким, В.М. Язовских, Д.Н. Трушниковым ведется активное изучение механизма вторично-эмиссионных процессов при ЭЛС с глубоким проплавлением, с модуляцией электронного луча, со сквозным проплавлением, а также исследуется возможности контроля процесса формирования сварного шва при ЭЛС [4–6]. В.Я. Беленький занимается вопросом формирования передней стенки каналов проплавления в металле при ЭЛС [7–9]. На счету этих ученых разработка целого ряда способов контроля процессов формирования сварных швов при ЭЛС и управления ими. В.В. Мелюковым (рис. 6) разработан метод численного определения оптимальных режимов ЭЛС. Он нашел, как получать новые по форме конфигурации зон нагрева металла при сварке, и определил оптимальные комбинации источников, действующих одновременно, если этого требуют условия сварки. В.В. Мелюков разработал алгоритм непрерывного управления мощностью теплового источника при ЭЛС и предложил новшевство – термоциклическую обработку, осуществляемую с помощью сварочного электронного луча путем многочисленных циклов нагрева-охлаждения по особой программе [10]. Стоит также отметить ученых из Санкт-Петербурга В.В. Башенко, Г.А. Туричина, которые внесли неоценимый вклад в исследования в области ЭЛС. Г.А. Туричин работает в области теоретических исследований, моделирования и разработки технологий лучевой обработки материалов, является одним из ведущих специалистов в этой области не только в России, но и за рубежом. Под его руководством и при его непосредственном участии проводятся исследования в области разработки новых и перспективных лазерных и гибридных технологий, в том числе технологического комплекса и базовой технологии для лазерно-дуговой сварки труб большого диаметра, разработаны программные комплексы для инженерного компьютерного анализа процессов лазерной, электронно-лучевой и гибридной сварки различных материалов [11–13]. Рис. 6. Валерий Васильевич Мелюков Таким образом, ЭЛС является современным, прогрессивным способом соединения различных видов материалов и находит все новые и новые области применения в производстве.