Автор: Назаренко О.К.  

Теги: общее машиностроение   технология машиностроения   строительство   сварка   электросварка   электронно-лучевая сварка   металические конструкции  

Год: 1985

Похожие

Механизированная сварка порошковой проволокой

Основы электронно-лучевой обработки материалов

Технология электрической сварки плавлением

Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением

Текст
                    0.K.HA3APEHK0
Е.И.ИСТОМИН
В.Е.ЛОКШИН
Электронно-
лучевая
СВАРКА
weldworld.ru

УДК 621. 791, 85

В книге изложены современные данные о физической
сущности и процессах, которые имеют место при элек-
тронно-лучевой сварке различных материалов, рассмот-
рены области освоенного и возможного ее применения,
а также принципы конструирования и эксплуатации от-
дельных элементов и аппаратуры в целом.
Особое внимание уделено вопросам совершенствова-
ния электронно-лучевой сварочной аппаратуры, автома-
тического управления и программирования процесса
сварки.
Книга предназначена для широкого круга инженеров
и техников, интересующихся основами электронно-луче-
вой сварки в вакууме.
Рецензент докт. техн, наук Н. А. Ольшанский
Редактор издательства инж. Т9 Е. Черешне в а
3—12—6
ХАРЬКОВСКАЯ ТИПООФСЕТНАЯ ФАБРИКА
346

ПРЕДИСЛОВИЕ
Широко известные работы К. Штейгервальда и Н. Л. Оль-
шанского послужили началом систематических исследований
в области электронно-лучевой сварки металлов. В них были
изложены особенности нагрева материалов электронной бом-
бардировкой и преимущества, которые могли быть получены
при использовании данного процесса для сварки.
В настоящее время в отечественной и иностранной литера-
туре появилось большое количество материалов по электрон-
но-лучевой сварке, однако последние очень разрознены и раз-
норечивы. Авторы данной книги попытались обобщить литера-
турные материалы по электронно-лучевой сварке металлов и
полученные авторами результаты исследовательской работы
в данной области.
Введение и п. I написаны Е. И. Истом ины м; пп. II, III
и IV — О. К. Назаренко и В. Е. Локшиным. Иссле-
дования по технологии электронно-лучевой сварки выполне-»
ны Е. И. И сто м и н ы м и А. Ф. Иваненко.



ВВЕДЕНИЕ
Нагрев материалов электронной бомбардировкой в настоя-
щее время применяется для переплава тугоплавких и некоторых
цветных металлов в вакууме с целью их очистки, для сварки,
размерной обработки, пайки, наплавки, напыления и термиче-
ской обработки.
Электронно-лучевая сварка основана на использовании энер-
гии, высвобождаемой при торможении потока ускоренных элек-
тронов в свариваемых материалах. Процесс превращения кине-
тической энергии в тепловую при этом характеризуется высоким
коэффициентом полезного действия.
Первоначально применение электронного луча для целей
сварки ограничивалось соединением тугоплавких и химически
активных металлов, в частности вольфрама, тантала, молибдена,
ниобия, титана и циркония. Последние имеют высокую темпе-
ратуру плавления и чувствительны в расплавленном и нагретом
состоянии к атмосферным газам, насыщение которыми может
привести к охрупчиванию этих металлов и снижению их корро-
зионной стойкости.
Электронный луч как источник сварочного нагрева по своей
удельной энергетической мощности и прецизионности превосхо-
дит все источники, известные ранее. Электронно-лучевая сварка,
производимая в вакууме порядка 5 • 10-5 мм рт. ст., позволяет
сохранить исходную чистоту свариваемого металла.
Возможности концентрации большой мощности в электрон-
ном луче и управления ею в широких пределах в сочетании с вы-
соким вакуумом в рабочем объеме обеспечили электронно-луче-
вой сварке определенные преимущества перед иными методами
сварки плавлением.
Большие возможности в локальности сварочного нагрева спо-
собствовали применению электронно-лучевой сварки для соеди-
нения микродеталей в радиоэлектронике и приборостроении.
В данной области предпочтение отдается высоковольтной элек-
тронно-лучевой аппаратуре (ускоряющее напряжение 100—
150 кв). Поскольку удельная энергия в пятне нагрева, достигае-
мая на такой аппаратуре, достаточна для обеспечения преиму-
щественного испарения материалов, последняя используется
и для размерной обработки, т. е. является универсальной.
5

Электронный луч успешно применяется в машиностроении
для сварки готовых изделий из высокопрочных сталей, высоко-
прочных сплавов на основе титана и алюминия. Минимальная
деформация свариваемого изделия и высокие физико-механиче-
ские характеристики сварного соединения непосредственно после
сварки позволяют исключить последующую механическую и тер-
мическую обработку.
Применение электронно-лучевой сварки для соединения не-
которых трудносвариваемых жаропрочных сталей и сплавов аус-
тенитного класса основано на определенном уменьшении склон-
ности их к образованию горячих трещин в сварных швах. При
этом поток электронов внедряется в свариваемое изделие на всю
глубину проплавления, что обеспечивает получение минималь-
ной металлоемкости сварочной ванны и соответственно мини-
мальных деформаций изделия. При сварке на высоких скоростях
достигаются максимальная скорость кристаллизации металла
сварного шва и минимальное термическое воздействие свароч-
ного нагрева на основной металл в околошовной зоне. Создан-
ная в настоящее время аппаратура позволяет выполнять однопро-
ходную сварку металла толщиной до 40—50 мм без разделки кромок.
Электронный луч также применяется для сварки некоторых
типов керамики, специальных стекол, керамики с металлами и в
качестве источника нагрева для сварки в труднодоступных мес-
тах, ремонтной сварки и т. п.
Непрерывно совершенствуется технология электронно-луче-
вой сварки разнородных металлов. В большинстве случаев этот
процесс осуществляется без расплавления одного из сваривае-
мых металлов, обладающего более высокой температурой плав-
ления. Примером выполнения соединения подобного рода явля-
ется сварка пористого вольфрама с ниобием или танталом при
изготовлении высокотемпературных фильтров, осуществляемая
без расплавления вольфрама. Автономность электронного луча
по отношению к свариваемому изделию и возможность управле-
ния всеми параметрами сварки, включая перемещение луча по
заданному пути с помощью отклоняющих систем, способствова-
ли достижению определенных успехов в области автоматическо-
го управления и программирования процесса сварки и созданию
соответствующей аппаратуры.
Области освоенного применения электронно-лучевой сварки
не ограничиваются вышеуказанными, а непрерывно расширя-
ются по мере накопления исследовательского материала и раз-
вития техники. Например, ожидается применение данного мето-
да сварки при монтажных и ремонтных работах в космосе.
В решении целого ряда вопросов электронно-лучевой сварки
достигнуты определенные успехи, хотя многочисленные трудно-
сти все еще препятствуют самому широкому внедрению ее в про-
мышленность.

L ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ
Особенности сварочного нагрева металлов
электронной бомбардировкой
Одной из характерных особенностей нагрева электронной
бомбардировкой является внутреннее высвобождение энергии
электронов в материале при их торможении.
Исследованиями многих авторов установлено, что электроны,
обладающие определенной энергией, могут проникать в глубь
вещества при его бомбардировке.
Толщина поверхностного слоя вещества, в котором происхо-
дит полная потеря энергии электрона в результате многочис-
ленных соударений с ядрами атомов и электронами решетки,
определяет его пробег.
Пробеги электронов сравнительно небольших энергий (10—
В2 кэв) в металлах были изучены Б. Шенландом. По Шенланду
пробег электронов выражается зависимостью
_12
6 = 2,1-10	(1)
где 6 — пробег электронов в см\
р — плотность вещества в г/см*.
Эта формула справедлива при малых ускоряющих напряже-
ниях (до 0,5 мэв). При больших энергиях пробег зависит от энер-
гии линейно.
Расчеты по формуле (1) для наиболее широко применяемых
металлов и ускоряющих напряжений, используемых в настоящее
время для целей сварки, показывают, что электроны могут про-
никать в бомбардируемый материал на глубину нескольких де-
сятков микрометров.
Глубина проникновения электронов в металл невелика, но
учет ее является весьма существенным моментом в понимании
основных закономерностей электронно-лучевой сварки, в особен-
ности при больших значениях удельной мощности в пучке.
Таким образом, в отличие от обычных, широко применяемых
источников тепла, производящих нагрев путем теплопередачи
через поверхность металла, высвобождение энергии при элек->
тропно-лучевой сварке происходит в самом веществе, причем
7

наиболее интенсивное тепловыделение наблюдается на некоторой
глубине.
Изменение величины потери энергии электрона, рассчитанное
на единицу длины пути вдоль его пробега, может быть представ-
лено в виде кривой, изображенной на рис. 1.
Рис. 1. Изменение величины
потери энергии Ept рассчи-
танное на единицу длины пу-
ти, для первичного электро-
на вдоль его пробега
При небольших значениях удель-
ной мощности в электронном луче на
жидкий металл сварочной ванны не
воздействуют сколько-нибудь значи-
тельные внешние силы, в связи с чем
сварной шов формируется без прожо-
гов даже при сварке металла толщи-
ной 0,1—0,2 мм.
Давление потока электронов на
сварочную ванну невелико. Импульс,
передаваемый единице площади пуч-
ком заряженных частиц с плотностью
тока /, зарядом е, массой т и скоро-
стью v, равен
Pi = 7 mv.
Для электрона это выражение
имеет вид
Pi = /0»35'К(4от дин! см2 = / • 0,035 VUycK him2.
(2)
Из выражения (2) следует, что давление электронов на сва-
риваемый материал пропорционально плотности тока в пучке
и корню квадратному из ускоряющего напряжения.
Расчетная величина давления, производимого электронным
пучком с плотностью тока 10 а!см2 и ускоряющим напряжением
50 кв. составляет всего около 0,8 Г/см2 (^80 н/м2).
Жидкий металл сварочной ванны испытывает также реактив-
ное воздействие при поверхностном испарении его в вакууме,
реактивное воздействие теплового и рентгеновского излучения,
и давление отдачи вторичных и тепловых электронов. Величина
большинства из вышеуказанных давлений зависит в основном от
теплофизических характеристик свариваемого металла и темпе-
ратуры его поверхности в месте бомбардировки потоком элек-
тронов.
Одной из основных особенностей сварочного нагрева элек-
тронной бомбардировкой является возможность достижения в
пучке высоких значений удельной мощности, причем электрон-
ный луч по этой характеристике превосходит большинство из-
вестных источников сварочного нагрева (табл. 1).
€

Таблица 1
Сравнительные характеристики некоторых источников нагрева
Источник теплоты	Наименьшая площадь пятна нагрева в еж2	Наивысшая плот- ность энергии в пятне нагрева в вт/см2
Ацетилено-кислородное пламя .	. .		£ 10 •	5-10*
Электрическая дуга		10	1-10*
Электронный луч 		10	5-Ю8
Световой луч оптического квантового генератора 		< ю-’	>5-10я
По мере увеличения удельной мощности в электронном луче
проплавление и силы, воздействующие на металл сварочной ван-
ны, претерпевают существенные изменения.
Приведенные па рис. 2 макрошлифы сварных соединений мо-
либдена толщиной 1,0 мм иллюстрируют изменение проплавле-
ния при электронно-лучевой сварке в зависимости от величины
удельной мощности пучка. Сварка при небольших значениях
удельной мощности в пятне нагрева (рис. 3, а) выполняется при
общей подводимой мощности, достаточной для создания в метал-
ле температурного поля, обеспечивающего полное проплавление-
Рис. 2. Макрошлифы сварных соединений молибдена толщиной 1,0 мм (X 8)?
а и б — сварка с внедрением потока электронов в свариваемый металл при высоких
ввачениях подводимой удельной мощности; е и г —сварка без внедрения потока влек-
тронов в свариваемый металл

при заданной скорости сварки. Процесс, осуществляемый по дан-
ной схеме, подобен тому, который имеет место при обычной элек-
тродуговой сварке и характеризуется лишь значительно большим
газовыделением из сварочной ванны вследствие наличия вакуу-
ма в рабочем объеме сварки.
Проплавление, которое может быть достигнуто при исключи-
тельно поверхностном подводе энергии, весьма ограничено и элек-
Рис. 3. Схема электронно-лучевой сварки тонколистовых металлов:
а — сварка без внедрения потока электронов в свариваемый металл; б — сварка с обра-
зованием кратера в сварочной ванне; 1 — направление перемещения свариваемого изде-
лия; 2 — капельный унос металла при дегазации; 3 и 5 — распределение плотности тока
в сфокусированном (4) и расфокусированном (3) пучках электронов; 5 — поток электронов;
6 — направление испарения металла при его перегреве в вакууме; 7 — направление пере-
носа металла из зоны плавления в зону кристаллизации; S — направление вылета элек-
тронов через нижнее отверстие в кратере
тронно-лучевую сварку по вышеприведенной схеме обычно при-
меняют при толщине свариваемого металла не более 2—3 мм.
Распределение плотности электронов в сечении пучка нерав-
номерно и отличается для различных условий фокусировки элек-
тронного луча на изделии и различных электронно-оптических
систем.
Некоторое увеличение плотности электронов по оси пучка
способствует местному перегреву металла в сварочной ванне
и повышению давления отдачи при поверхностном испарении
металла в вакууме. Последнее приводит к образованию неболь-
шого кратера в сварочной ванне, а следовательно, и к переносу
металла из зоны плавления в зону кристаллизации, что выража-
ется в наличии изотерм кристаллизации па поверхности сварного
шва. При повышении скорости сварки увеличивается скорость
переноса металла и поэтому, в некоторых случаях, чрезмерное
огрубление поверхности сварного шва является препятствием
к дальнейшему повышению скорости сварки.
10

Увеличение удельной мощности в пятне нагрева (рис, 3,6)
приводит к значительному повышению температуры поверхности
жидкого металла в месте воздействия пучка и развитию большо-
го давления отдачи в результате увеличения скорости испарения
металла в вакууме.
Это давление р2 становится преобладающим, несмотря на не-
которое повышение удельного давления собственно электрон-
ного потока pit
pdpi ~ VjvJZE,	(3)
где t’i — скорость электронов в пучке;
Vu — конечная скорость истечения паров металла;
Е — удельная энергия испарения и разгона паров.
Уже для vu> 105 см!сек и Е — 103 кал/град = 4 • 103 дж/град
соотношение ръ!р\ « Ю4 -— 105.
При определенном значении удельной мощности и достаточ-
ной общей мощности электронного луча в сварочной ванне обра-
зуется кратер, который может распространяться, как показано
на рис. 3, б, на всю толщину свариваемого металла.
Процесс сварки может осуществляться только при перемеще-
нии луча либо изделия. Элементарный сдвиг источника нагрева
или изделия в процессе сварки приводит к нарушению установив-
шегося в данный момент равновесия всех сил, воздействующих
на сварочную ванну, ввиду все возрастающего перегрева метал-
ла на поверхности кратера в зоне плавления. Увеличение скоро-
сти испарения металла приводит к повышению давления отдачи
и, следовательно, к переносу очередной порции жидкого ме-
талла из зоны плавления в зону кристаллизации и восстановле-
нию равновесия после перемещения фронта плавления на вели-
чину элементарного сдвига.
Таким образом, перемещение источника нагрева или изделия
в процессе сварки приводит к периодическому переносу метал-
ла из зоны плавления в зону кристаллизации при непрерывном
воздействии потока электронов на свариваемый металл. Нерав-
номерное распределение плотности электронов по сечению пучка
способствует этому явлению. Перепое металла осуществляется
с сохранением конфигурации кратера в сварочной ванне, при-
чем последний пульсирует относительно некоторого среднего
положения.
Скоростная киносъемка подтверждает наличие пульсации
кратера в сварочной ванне при электронно-лучевой сварке.
Авторы работы [9] связывают периодичность кристаллизации
металла шва при электронио-лучевой сварке с неравномерным
распределением металла на передней стенке кратера и скачко-
образным перемещением электронного луча.
Процесс сварки при образовании кратера осуществляется
с одновременной теплопередачей по всей глубине пронланлеиня

свариваемого металла и характеризуется возможностью дости-
жения исключительно малой металлоемкости сварочной ванны,
а следовательно, и минимальных деформаций в свариваемом из-
делии (см. рис. 2,а). Применение высоких скоростей сварки
обеспечивает минимальное термическое воздействие на основной
металл в околошовной зоне и максимальные скорости кристал-
лизации металла сварного шва, что способствует получению
высоких физико-механических свойств сварного соединения.
Низкочастотные перемещения электронного луча относитель-
но свариваемых кромок с помощью системы электромагнитного
отклонения позволяют в определенных пределах управлять на-
правлением роста кристаллитов шва по отношению к сварному
стыку и термическим воздействием на основной металл в около-
шовной зоне.
Если электронно-лучевая сварка металла толщиной до 2—
3 мм может быть выполнена как при исключительно поверхност-
ном воздействии потока электронов, так и при его внедрении
в свариваемое изделие при образовании кратера, то сварка
металлов больших толщин возможна только при внедрении по-
тока электронов в свариваемый металл на всю глубину проплав-
ления и отличается целым рядом специфических особенностей.
Существующие электронно-лучевые сварочные пушки с соот-
ветствующими системами электропитания и управления обеспе-
чивают получение пучков электронов с удельной мощностью не
менее l,5-10G erjcM2 при общем тепловложении в свариваемое
изделие около 15 кет. Подобная мощность может быть подведена
к свариваемому изделию в течение небольшого промежутка вре-
мени или мгновенно. В зависимости от теплофизических характе-
ристик свариваемого металла в начальный момент может иметь-
место либо преимущественное испарение с воздействием потока
электронов на твердую фазу (рис. 4, а), либо мгновенное образо-
вание жидкой фазы и непрерывное ее вытеснение в месте воз-
действия потока электронов в результате интенсивного испаре-
ния металла и развития большого давления отдачи (рис. 4, б).
Это приводит к образованию кратера в сварочной ванне и вне-
дрению потока электронов в свариваемый металл. Соответст-
вующее количество жидкой фазы вытесняется на поверхность
свариваемого изделия (рис. 4, б).
Поверхностное натяжение и гидростатическое давление жид-
кого металла сварочной ванны препятствуют внедрению потока
электронов в свариваемый металл и определяют вместе с вели-
чиной подводимой погонной мощности и теплофизическими ха-
рактеристиками свариваемого металла конечную глубину про-
плавления.
Жидкие вещества обладают хорошо известным характерным
свойством сокращать свою поверхность, благодаря чему рас-
плавленные металлы стремятся приобрести сферическую форму
12

и уменьшить удельную свободную энергию поверхности, т. е. по*
верхностное натяжение.
Большие трудности, возникающие при работе с жидкими ме-
таллами и сплавами, препятствуют получению достаточно точ-
ных экспериментальных данных о поверхностных и капиллярных
явлениях и разработке теории данного вопроса.
Отметим только, что поверхностное натяжение зависит от
теплофизических характеристик свариваемых металлов (табл. 2)
и уменьшается при повышении температуры. Поверхностное на-
тяжение у некоторых сплавов может быть меньше, чем у их осно-
вы, если в них в качестве легирующих добавок содержатся по-
верхностно-активные элементы.
Рис. 4. Особенности сварки металлов внедренным лучом:
а ~~ величина переноса жидкого металла в верхней части сварочной ванны на стали
ЭИ-82/, О макрошлиф продольного сечения проплавления на алюминиевом спла-
ве АЦМ; в — то же с удалением жидкого металла сварочной ванны мнкроизрывом
в вакууме; г — то же на стали IXI8H9T
13

Таблица 2
Поверхностное натяжение жидких металлов на границе раздела
с собственным паром [15]
Металл	Плотность в г/см9		Теплота перехода в кдж/(гратом)		Поверхностное натяжение в 108 дж/м*
	?гпв	.jtC	плавле- ния q	испаре- ния X	<3 ж
Алюминий		2,7	2,4	9,8	225	505
Медь		8,9	8,3	11,1	467	1066
Железо	  .	7,8	6,9	11,5	380	1409
Гидростатическое давление на соответствующем уровне в сва-
рочной ванне является функцией плотности жидкого металла
и высоты его столба над рассматриваемым уровнем.
Сделав допущение о параллельности воздействующего на
металл потока электронов, рассмотрим некоторые особенности
нагрева электронной бомбардировкой при электронно-лучевой
сварке металлов больших толщин (рис. 5).
Рис. 5. Схема сил, воздействующих
на жидкий металл сварочной ванны
при электронно-лучевой сварке ме-
таллов больших толщин:
1—поток электронов; 2 — направление пе-
ремещения луча; 3 — жидкий металл сва-
рочной ванны; 4 — фронт кристаллизации;
5 — соответствующий уровень в кратере;
6 — фронт плавления; 7 — поверхность кра-
тера
При установившемся процессе сварки на каждом элементар-
ном уровне кратера имеет место динамическое равновесие дав-
ления отдачи при поверхностном испарении металла в вакууме
р2 (как преобладающее воздействие на металл сварочной ванны)
и суммарного гидростатического р3 и капиллярного давлений.
Поскольку величина гидростатического давления с увеличением
глубины проплавления непрерывно возрастает, вышеуказанное
равновесие может сохраняться лишь при увеличении давления
отдачи при испарении металла, т. е. при повышении температуры
его поверхности.
Таким образом, по мере внедрения потока электронов в сва-
риваемый металл происходит его постепенная, от периферии
к центру, экранировка жидким металлом сварочной ванны, при-
14

чем температура последнего на поверхности кратера с возрас-
танием глубины проплавления непрерывно увеличивается.
Конфигурация сварного шва в поперечном сечении на меди
(см. рис. 25) является хорошей иллюстрацией рассмотренной
выше экранировки потока электронов. Угол между касательной
к поверхности кратера на различных уровнях воздействия пото-
ка электронов и вертикалью не одинаков и зависит при данной
величине подводимой погонной мощности от распределения
плотности электронов в пучке. С увеличением удельной мощно-
сти в электронном пучке этот
угол уменьшается.
Следовательно, только при
большой степени упрощения
для параллельного потока
электронов этот угол может
быть принят постоянным, а по-
верхность кратера приравнена
к конической.
Постепенная экранировка
Расстояние от поверхности
кратера
Рис. 6. Гипотетический график
распределения температур от по-
верхности кратера в глубь жидкой
фазы:
/ — при установившемся процессе свар-
ки; 2 — аномальное повышение темпе-
ратуры в приповерхностном слое
потока электронов жидким ме-
таллом сварочной ванны при-
водит к непрерывному умень-
шению по глубине проплавле-
ния диаметра кратера, а следо-
вательно, и его поверхности.
Поэтому, несмотря на увеличе-
ние удельной мощности, высвобождаемой в приповерхностном
слое жидкого металла, общее тепловложение на соответствую-
щих элементарных уровнях кратера уменьшается. Последнее
приводит к постепенному уменьшению величины проплавления
(ширины шва) и зоны термического влияния (см. рис. 32, б).
Таким образом, чем выше удельная мощность в пучке, тем
большее по глубине проплавление может быть достигнуто при за-
данном тепловложении. Коэффициент формы шва при электрон-
но-лучевой сварке металлов больших толщин в этом смысле мо-
жет служить показателем качества аппаратуры.
Внутреннее высвобождение энергии электронов при их тор-
можении в свариваемом металле приводит к характерному рас-
пределению температуры в сварочной ванне. На рис. 6 приведен
гипотетический график распределения температуры металла от
поверхности кратера в глубь жидкой фазы. В кратере могу г
быть выделены три основные зоны: поверхностная, приповерх-
ностная и остальная часть металла.
В поверхностном слое происходит интенсивное испарение ме-
талла, определяющее давление отдачи. При установившемся
процессе сварки, благодаря теплопроводности, максимальная
температура достигается только на поверхности металла и пре-
15

вышает температуру плавления. Величина этого превышения уве-
личивается по мере внедрения потока электронов в свариваемый
металл и может достигать очевидно больших значений при элек-
тронно-лучевой сварке металлов больших толщин. При переме-
щении источника сварочного нагрева или изделия температура
поверхности металла на соответствующем уровне в зоне плавле-
ния колеблется, что приводит к периодическому переносу метал-
ла из зоны плавления в зону кристаллизации и четко выражен-
ной периодичности кристаллизации металла сварного шва.
В приповерхностном слое высвобождается основная доля
энергии электронов при их бомбардировке свариваемого метал-
ла и имеют место большие градиенты температур.
Если исключить поверхностный и приповерхностный слои
металла, то остальная часть его составляет третью зону в рас-
пределении температур на соответствующем уровне. Градиент
распределения температур в этой зоне по сравнению с вышерас-
смотренными невелик.
Высокая температура металла на поверхности кратера и огра-
ниченные размеры последнего в поперечных сечениях обеспечи-
'Вают существование неконденсированных паров свариваемого
ь металла в кратере, а следовательно, и соответствующего давле-
Hi 1я, в особенности при контролируемом проплавлении.
По мере внедрения потока электронов с высокой удельной
моьдностью в свариваемый металл в качестве основного воздей-
стви я на жидкий металл сварочной ванны следует считать давле-
ние его паров в кратере, а не давление отдачи при испарении.
В процессе сварки металлов больших толщин устанавливает-
ся динамическое равновесие давления паров в кратере, которое
мож<эт достигать очень больших значений с увеличением глуби-
ны проплавления, с разрежением в сварочной камере (-5Х
X мм рт. ст.). Устойчивое существование во времени этого
равновесия обеспечивается непрерывным подводом мощности
для сыарки, перемещением свариваемого изделия и непрерыв-
ным истечением паров металла из кратера с последующим их
осаждением на металлических конструкциях аппаратуры.
По мере увеличения тепловложения, а следовательно, и глу-
бины проплавления существенно повышается давление паров в
кратере и скорость их истечения из последнего. При определен-
ной плотности потока паров, попадающих в высоковольтную
область пушки, возникает опасность появления пробоев. Извест-
ные трудности, с которыми сталкиваются при электронно-луче-
вой сварке с большим тепловложением некоторых высокопроч-
ных алюминиевых сплавов, содержащих цинк и магний, высоко-
легированных сталей с большим содержанием марганца, объяс-
няются вышеуказанными процессами.
Следовательно, плотность свариваемого металла в расплав-
ленном состоянии, определяющая величину гидростатического
16

давления на различных уровнях сварочной ванны, и упругость
его паров при соответствующих температурах, а при сварке спла-
вов — и их значения для основных легирующих компонентов» яв-
ляются важными теплофизическими характеристиками при элек-
тронно-лучевой сварке металлов больших толщин, которые в зна-
чительной степени определяют возможности внедрения потока
электронов в свариваемый металл при заданном тепловложении.
Температура
Рис. 7. Зависимости упругости паров различных металлов
от температуры:
© — температура плавления металла
Графические зависимости упругости паров от температуры
(рис. 7) для наиболее широко применяемых металлов и основ-
ных легирующих компонентов сплавов построены авторами по
материалам работы [20]. Данные зависимости могут быть исполь-
зованы для приближенной оценки температуры поверхности
металла на соответствующих уровнях кратера, если исходить из
допущения, что гидростатическое давление жидкого металла
определяет давление его паров на соответствующем уровне, так
как непосредственное измерение температуры ввиду специфич-
ности проплавления затруднено.
Наличие в составе свариваемого сплава легко испаряющихся
легирующих элементов способствует достижению равновесного
2 5-2941

давления паров на соответствующем уровне кратера при мень-
шей температуре поверхности металла, а следовательно, и мень-
шем тепловложении, нежели это имеет место при сварке метал-
ла, являющегося основой сплава.
Наблюдаемое на практике при сварке внедренным лучом зна-
чительное отличие глубины проплавления чистого алюминия
и высокопрочных сплавов на
А1 — Zn — Mg с одинаковым
Рис. 8. Зависимости глубины про-
плавления алюминия и сплава
АМгб от тепловложения при раз-
личных скоростях сварки:
--------.----алюминий АВ-00;
--------- сплав АхЧгб
его основе системы А1 — Mg или
тепловложепием (рис. 8) объяс-
няется вышеуказанным эффек-
том. Уменьшение этого отли-
чия при увеличении скорости
сварки или уменьшении тепло-
вложения связано с относи-
тельным увеличением (при
уменьшении глубины кратера)
влияния давления отдачи при
испарении магния и небольшим
атомным весом последнего.
Рассмотренные выше осо-
бенности сварочного нагрева
электронной бомбардировкой
при больших значениях удель-
ной мощности в пучке дают
теоретическое представление
о конфигурации сварочной ван-
ны при электронно-лучевой
сварке металлов больших тол-
щин, а разработка специальных методик исследования делает
ее доступной для непосредственного изучения.
Наличие кратера в сварочной ванне при электронно-лучевой
сварке с высокими значениями подводимой удельной мощности
может быть показано экспериментально. В опытах со скоростной
экранировкой луча при сварке высокотеплопроводных металлов
удается в зависимости от скорости сварки частично, либо даже
полностью зафиксировать кратер (рис. 9). Экранировка выпол-
няется с помощью специальной мишени из тугоплавкого метал-
ла, которая пересекает поток электронов со скоростью, значи-
тельно превышающей скорость сварки, и может быть введена
как со стороны зоны плавления, так и со стороны зоны кристал-
лизации.
Наружные контуры сварочной ванны могут быть зафиксиро-
ваны при мгновенном удалении расплавленного металла в про-
извольный момент процесса сварки с использованием методики
«микровзрыва в вакууме», предложенной А. Ф. Иваненко
и Е. И. Истоминым. Для этого на определенной глубине свари-
ваемого металла, либо с определенным шагом по глубине и усту-
пом в направлении сварки создаются небольшие герметичные
18

Рис. 9. Макрошлифы проплавлений на высокопрочном алюминиевом сплаве
со скоростной экранировкой луча:
а — поперечное сечение проплавления; б —сечение проплавления плоскостью, перпен-
дикулярной электронному потоку
объемы легко испаряющейся жидкости (см. рис. 4, в). В момент
контакта расплавленного металла с одним из объемов легко испа-
ряющейся жидкости происходит микровзрыв и мгновенное уда-
ление металла сварочной ванны.
Б случае необходимости удаления расплавленного металла
при полном проплавлении соответствующий объем легко испа-
ряющейся жидкости создается в специальной подкладке из сва-
риваемого металла.
Характерной особенностью электронно-лучевой сварки при
больших значениях подводимой удельной мощности являются
высокие скорости переноса жидкого металла из зоны плавления
в зону кристаллизации, значительно превышающие скорость
сварки. Это вызвано резким повышением температуры металла
па поверхности кратера в зоне плавления при элементарном
сдвиге свариваемого изделия или луча и импульсным повыше-
нием давления отдачи при испарении. Последнее сообщает
жидкому металлу импульс переноса.
В верхней части сварочной ванны жидкий металл в процессе
беспрепятственного переноса в зону кристаллизации контакти-
рует с фронтом кристаллизации и выносится над поверхностью
2*	JU

свариваемого изделия (по стрелке 7, рис. 10), что приводит к фор-
мированию характерного усиления. Величина переноса, а сле-
довательно, и протяженность сварочной ванны в верхней ее
части определяются в основном величинами теплопроводности
и плотности расплавленного металла, последняя из которых опре-
деляет его инерцию.
Для меди и бронз, алюминия и сплавов на его основе про-
тяженность сварочной ванны в верхней ее части невелика (см.
рис. 4, в), в то время как для некоторых марок стали она дости-
Рис. 10. Схема процесса элек-
тронно-лучевой сварки металла
большой толщины:
1 — поток электронов; 2 — направ-
ление переноса металла из зоны
плавления в зону кристаллизации;
8 — направление испарения метал-
ла; 4 — колебания поверхности кра-
тера в зоне кристаллизации; 5 —
образование газовых пузырьков в
жидком металле; 6 — фронт кри-
сталлизации; 7 — направление вы-
носа металла в верхней части сва-
рочной ванны; 8 — направление пе-
ремещения изделия; 9 — поперечная
усадка металла сварного шва
гает значительной величины (см. рис. 4, а). Увеличение скорости
сварки приводит к возрастанию величины переноса и протяжен-
ности сварочной ванны в ее верхней части.
Некоторое представление о конфигурации сварочной ванны
в ее верхней части в зоне кристаллизации может быть получено
при рассмотрении приведенных на рис. 11, а, г, д и е фотографий
поверхности образца с удалением расплавленного металла сва-
рочной ванны, соответствующих макрошлифов, а также схемы
процесса на рис. 10.
Наличие конвективных потоков перегретого металла может
привести к появлению концентраторов напряжения во фронте
кристаллизации (см. рис. 11,6), где при недостаточной плас-
тичности свариваемого металла может возникнуть межкристал-
литное разрушение, которое и наблюдается при сварке некото-
рых высоколегированных сталей и сплавов аустенитного класса.
Для высокотеплопроводных металлов характерна конфигурация
фронта кристаллизации, подобная приведенной на рис. 11,6.
20

В остальной части сварочной ванны перенос металла и вели-
чина проплавления невелики и уменьшаются с глубиной (см.
рис. 10 и 11,6 и в). Это вызвано уменьшением тепловложения
на соответствующих уровнях кратера по мере внедрения потока
электронов в свариваемый металл. Конфигурация сварочной
ванны в сечении ее плоскостью, перпендикулярной пучку, при-
ближается к эллиптической с расположением кратера в одном
из его центров (см. рис. 9, 6).
Таким образом, увеличение удельной мощности в электрон-
ном луче способствует не только достижению большего по глуби-
не проплавления при заданном тепловложснии, но и уменьшает
опасность межкристаллитного разрушения в швах при сварке
некоторых трудносвариваемых высоколегированных сталей и
сплавов аустенитного класса на малых скоростях.
Четко выраженная периодичность переноса металла из зоны
плавления в зону кристаллизации, характерная для электронно-
лучевой сварки внедренным пучком, приводит к пульсации кра-
тера в сварочной ванне, а следовательно, и к изменению тепло-
вложения в основании последнего, т. е. в корне шва.
Колебание глубины проплавления при электронно-лучевой
сварке металлов больших толщин, таким образом, присуще
самому процессу, однако оно может быть сведено к миниму-
му при соблюдении определенных условий (см. рис. 16, а).
Эти условия включают в себя обязательное постоянство во вре-
мени подводимой для сварки погонной мощности, конфигура-
ции потока электронов по отношению к свариваемому изделию,
распределения плотности электронов в соответствующих сече-
ниях пучка и соответствующего разрежения в рабочем объеме
сварки.
В настоящее время для сварки особо ответственных изделий
применяют электронно-лучевые сварочные системы со стабили-
зированными параметрами процесса, обеспечивающими не толь-
ко стабильное проплавление, но и воспроизведение его от свар-
ки к сварке.
При электронно-лучевой сварке металлов больших толщин
величина разрежения в рабочем объеме сварки существенно вли-
яет на достигаемую при заданном тепловложении глубину про-
плавления, а изменение его во времени приводит к колебанию
последней. Поэтому производительность вакуумного оборудова-
ния электронно-лучевой аппаратуры должна быть достаточна
для поддержания в процессе сварки неизменного разре-
жения.
Колебание глубины проплавления, вызываемое периодиче-
ским переносом металла при сварке внедренным лучом, может
быть сведено к минимуму путем уменьшения удельной мощно-
сти в основании кратера: расположением воображаемого фоку*
са пучка несколько выше достигаемой глубины проплавления;
21

Рис. 11. Макрошлифы проплавления на сплаве ЭИ437В (X dll ГЗЮР)
а — поверхность обраяца; б — сечение проплавления п.к гко тып пгрпенднку
на расстоянии 15 мм; г = поперечное сечение сформир<жинш»1о:я шил; J — но
на рас

г удалением металла сварочной ванны микровзрывом в вакууме (х8)
лярной оси пучка, на расстоянии 10 мм от поверхности образца; в — то же
перечное сечение проплавления на расстоянии 10 мм от оси пучка; е — то же
стоянии 6 мм

изданием электронно-оптических сварочных систем, в которых
>севая часть потока электронов исключена L
При достижении полного проплавления при электронно-луче-
юй сварке металлов больших толщин жидкий металл свароч-
юй ванны вытекает под изделие и только применение высоких
скоростей сварки позволяет избежать ослабления сечения шва
'см. рис. 32, а и б).
Высокие значения удельной мощности в пучке и специфиче-
ское проплавление исключают возможность дополнительного ле-
гирования металла шва при электронно-лучевой сварке металлов
больших толщин путем подачи присадочной проволоки. Легиро-
вание возможно путем нанесения соответствующих элементов на
свариваемые кромки.
Элементы аппаратуры и параметры процесса
Типовая электронно-лучевая сварочная установка, схема ко-
торой приведена на рис. 12, включает основные элементы:
электронно-лучевую сварочную пушку с системами электро-
питания и управления, формирующую поток электронов, уско-
ренных в зависимости от типа установки до энергии 20—30 кэв
(низковольтные пушки), 30—100 кэв (пушки с промежуточным
/скоряющим напряжением), 100—200 кэв (высоковольтные
1ушки);
вакуумную камеру со смотровыми окнами, люками загрузки
I выгрузки изделий и механизмами перемещения либо вращения
изделий;
вакуумную систему, поддерживающую при сварке в рабочем
объеме камеры разрежение 10“4—1(к5 мм рт, ст., с приборами
его контроля.
Поток электронов, эмитируемых катодом, предварительно
формируется электростатическим полем в области катод— анод,
причем скорость электронов является функцией разности потен-
циалов между анодом и катодом. Величина тока луча регулиру-
ется путем подачи отрицательного напряжения на управляющий
(прикатодный) электрод или путем изменения температуры като-
да. В пространстве после анода движение электронов происхо-
дит со скоростью, соответствующей приложенной рлзносги по-
тенциалов, и автономно по отношению к свариваемому мате-
риалу.
Управление величиной удельной энергии, высвобожднемой
в месте бомбардировки материала потоком электронов, осущест-
вляется с помощью системы электромагнитной фокусировки луча.
Система электромагнитного отклонения луча позволяет пери-
одически или непрерывно совмещать пятно нагрева со сварным
стыком при отклонении последнего от геометрической оси пуш-
ки или выполнении сварки по сложному контуру.
1 Предложено Ю. П. Пановым.
24

В зависимости от назначения электронно-лучевая пушка
с соответствующими системами электропитания и управления
должна обеспечить локальность нагрева либо большую мощность
электронного луча при достаточно высоких значениях удельной
мощности в пятне нагрева, либо изменение подводимой к изде-

лию мощности по опреде-
ленной программе и т. д.
Естественно, что проек*
тирование электронно-лу-
чевых сварочных систем
ведется с учетом этих ис-
ходных требований.
Рис. 12. Схема установки для электронно-лучевой сварки:
1 — стационарная электронно-лучевая сварочная пушка; 2 — катод и прикатодный элек-
трод; 3 — анод; 4 — смотровое окно; б — вакуумная камера; 6 — механизм перемещения
свариваемою изделия; 7 — затвор высоковакуумного агрегата; 8 — высоковакуумный?
насос; 9 — вакуумный вентиль; 10 — форвакуумный насос; 11 — вакуумпровод; 12 — систе-
ма электромагнитного отклонения луча; 13— система фокусировки луча; 14— высоко*
вольтный выпрямитель и модулятор
Электронно-лучевые сварочные пушки могут быть стационар-
ными или перемещаемыми внутри вакуумной камеры. Размеры
вакуумных камер электронно-лучевых сварочных установок опре-
деляются габаритами свариваемых изделий. Установки для свар-
ки изделий малых и средних габаритов обычно снабжаются уни-
версальными многопозиционными механизмами для перемеще-
ния либо вращения изделий.
В настоящее время имеются вакуумные сварочные камеры
объемом в десятки кубических метров. По мере увеличения габа-
ритов сварочных камер значительно возрастает время, необходи-
мое для создания в камере соответствующего разрежения.
Удорожается также стоимость установки. Поэтому ведутся
25

Рис. 13. Конфигурация потока
электронов по отношению к
свариваемому изделию:
а — не дефокусировка; б — оптималь-
ная фокусировка — воображаемый
фокус пучка находится несколько
выше конечной глубины проплавле-
ния; в — перефокусировка
интенсивные исследования с целью создания малогабаритных
стационарных и передвижных вакуумных камер, обеспечиваю-
щих необходимое разрежение только в месте сварки и вывода
электронного луча достаточной мощности в атмосферу с местным
поддувом защитных газов.
Параметрами процесса электропно-лучсвой сварки являются;
ускоряющее напряжение Uycn в кв; ток пучка In в лга; ток маг-
нитной фокусирующей линзы /л
в лш, определяющий диаметр пятна
воздействия потока электронов на
изделии или конфигурацию потока
электронов по отношению к изделию
(рис. 13) при определенных распре-
делениях плотности электронов в
поперечных сечениях пучка; ско-
рость сварки vce в jw/ч.
Ускоряющее напряжение и ток
пучка определяют величину подво-
димой энергии для сварки, а вели-
чина удельной мощности играет су-
щественную роль в характере про-
плавления при электронно-лучевой
сварке металлов.
Изменением скорости сварки
удается в определенных пределах
регулировать скорость кристалли-
зации металла сварного шва и тер-
мическое воздействие на основной
металл в околошовной зоне.
Дефекты сварных соединений
При сварке металлов толщиной до 1—2 мм процесс может
сопровождаться неравномерным формированием шва (рис. 14,6).
Этот дефект швов легко может быть устранен некоторой расфо-
кусировкой луча.
Наиболее часто встречающимся дефектом формирования
сварного шва при электронно-лучевой сварке металлов неболь-
ших толщин является провисание жидкого металла сварочной
ванны и фиксирование его при кристаллизации (рис. 15, е). Этот
вид дефектов встречается только при сварке внедренным
пучком.
С одной стороны, провисание вызывается развитием боль-
шого давления отдачи на жидкий металл при испарении его
в вакууме, а с другой, — истечением перегретого жидкого
металла в зоне кристаллизации под действием собственного
веса.

Предотвратить этот вид дефектов весьма трудно. Тем не ме-
нее, изменение пространственного расположения изделия по от-
ношению к горизонтальной плоскости и использование реакции
жидкого металла от фронта кристаллизации при сварке на высо-
ких скоростях уменьшает опасность провисания последнего.
Если избежать провисания жидкого металла сварочной ванны
не удается, то следует применять сварку с подкладкой из сва-
риваемого металла.
При электронно-лучевой сварке на высоких скоростях жид-
кий металл сварочной ванны
с фронтом кристаллизации
и выносится над поверхно-
стью свариваемого изделия
преимущественно в осевой
части шва. После кристалли-
зации его без существенной
осадки могут появиться под-
резы, размеры которых зави-
сят от теплофизических ха-
рактеристик свариваемого
металла (см. рис. 10, 11 и
15, а). Снижение скорости
сварки уменьшает опасность
возникновения подрезов. По-
следние могут быть устра-
нены оплавлением верхней
части сварного шва при не-
больших значениях подводи-
мой мощности.
При электронно-лучевой сварке с контролируемым проплав-
лением достижение высокой стабильности глубины проплавления
является одним из основных требований, в особенности при на-
личии в изделии двуслойных материалов.
При сварке с высокими значениями подводимой удельной
мощности и расположением воображаемого фокуса пучка на
уровне достигаемой глубины проплавления или несколько ниже,
последовательная экранировка потока электронов жидким ме-
таллом сварочной ванны приводит к уменьшению по глубине
проплавления размеров кратера, а следовательно, и проплавле-
ния (см. рис. 15,6 и 25).
Высокие значения удельной мощности потока электронов
в основании кратера увеличивают способность луча внедряться
в свариваемый металл.
Периодический перенос металла из зоны плавления в зону
кристаллизации изменяет величину подводимой в основание сва-
рочной ванны мощности, а следовательно, и проплавление
(рис. 16, б) .
в процессе переноса контактирует
Рис. 14. Сварные соединения молибдена
толщиной ЦО мм:
а — удовлетворительное формирование шва;
б — сварной шов с неравномерным формиро-
ванием поверхности
27

Рассмотренные выше сварные соединения имеют большое ко-
личество дефектов в основании шва, в частности несплошности
и микротрещины. Последние служат концентраторами напряже-
Рис. 15. Ослабление сечения шва при сварке тугоплавких металлов тол-
щиной 5—6 мм на высоких скоростях (X 8):
at б, г, д — ыакрошлифы поперечных сечений проплавлений на ниобиевом сплаве
ВН-2; в и е — то же на сплаве BM-I
ний и в конечном счете могут вызвать разрушение изделия при
эксплуатации.
При электронно-лучевой сварке с контролируемым проплав-
лением рекомендуется применять замковые соединения (см.
рис. 34, з).
В некоторых случаях наблюдается определенная закономер-
ность в колебаниях глубины проплавления (рис. 17), что свя-
зано, очевидно, с соответствующими колебаниями жидкого ме-
талла сварочной ванны в зоне кристаллизации.
Газовая пористость является одним из характерных дефектов
28

металла сварных швов при электронно-лучевой сварке, однако
формы проявления ее могут быть различны в зависимости о г
чистоты свариваемого металла, его толщины и величины подво-
димой удельной мощности. Наличие вакуума в рабочем объеме,
Рис. 16. Влияние величины подводимой удельной мощности в основа-
нии сварочной ванны на стабильность глубины проплавления:
с— макрошлифы поперечного и продольного сечений проплавления на высокопроч-
ном алюминиевом сплаве; б — то же, на стали IX 18Н9Т
т. е. отсутствие давления, и высвобождение энергии электронов
в приповерхностном слое свариваемого металла создают для
этого необходимые предпосылки. Основными причинами газовой
пористости при электронно-лучевой сварке следует считать недо-
статочную чистоту по газам исходного металла, налично для
некоторых газов так называемого скачка растворимости при
кристаллизации, а также взаимодействие растворенных в метал-
ле элементов при высоких температурах.

Так, например, сварные швы на большинстве тугоплавких ме-
таллов, полученных методами порошковой металлургии, и в мень-
шей степени — на металлах после вакуумно-дуговой плавки
поражены микро- и макропорами, в особенности по линии сплав-
ления (рис. 18, а и б). Избежать этого не удается даже при мно-
гопроходной сварке.
Общим методом борь-
бы с газовой пористостью
в сварных швах при элек-
тронно-лучевой сварке
является использование
высокочистых исходных
металлов и в первую оче-
редь металлов, подверг-
нутых электрошлаковому
и электронно-лучевому пе-
реплаву (рис. 18, в).
Для некоторых спла-
вов перспективна сварка
с термохимическим акти-
вированием процссссов
дегазации сварочной ван-
Рис. 17. Макрошлиф продольного сечения
проплавления со значительным колебанием
его по глубине (высокопрочный алюминие-
вый сплав)
ны путем предварительно-
го нанесения на сваривае-
мые кромки тонкого слоя
химически чистых, высо-
кодиспергированных реагентов 1 (рис. 19).
Сварка металлов толщиной 5—6 о внедренным лучом
с определенными значениями подводимой удельной мощности
может сопровождаться интенсивным капельным уносом жидкого
металла сварочной ванны при выделении из нее пузырьков газо-
вой фазы (см. рис. 15,6, в и д). Этот процесс наблюдается при
сварке на высоких скоростях тугоплавких металлов и сплавов
на их основе, и некоторых цветных, например меди и бронз,
и приводит к ослаблению сечения сварного шва.
Газовая фаза образуется в результате аномального повыше-
ния температуры металла в приповерхностном слое (см. рис. 6)
при колебаниях поверхности кратера и высоких значениях
подводимой удельной мощности на соответствующих его
уровнях.
Колебания поверхности кратера, т. е. пульсация, вызваны
периодическим переносом жидкого металла из зоны плавления
в зону кристаллизации при сварке и реакцией последнего от
фронта кристаллизации.
1 Предложено О. А. Маслюковым.
30

go.
►О
CQ
CJCQ
О »Е
К
О
Е
о
оо
о
S3
о
2
<Х)
“g*
« о

О 45
CL CJ
О
S
S3
{О
«
п
в
О
е
S
си
О)
Ю
S
S
<и
CG
ез
г
*
О
0J
4»
сдо
а>
ф
<и
о>
«V
п
о»
Е ч

’Рис. 20. Газовые раковины в поперечном и продольном сечениях проплавле-
ния на стали ЭИ827
При контролируемом проплавлении выделение газовой фазы
идет вверх, с появлением соответствующего ослабления сечения
шва, а при полном — вниз.
В настоящее время не представляется возможным с доста-
точной степенью достоверности определить природу этой газовой
фазы, однако авторы допускают возможность внутреннего испа-
рения жидкого металла в приповерхностном слое, в особенности
при сварке меди и бронз.
По мере увеличения подводимой удельной мощности сле-
дует переходить к малым скоростям сварки. С увеличением тол-
щины свариваемого металла выделение газовой фазы затруд-
няется и она может фиксироваться при кристаллизации в виде
газовых раковин (рис. 20).
В момент образования газовой фазы ее давление превышает
гидростатическое давление жидкого металла на соответствующем
уровне. Это приводит к ее расширению и заполнению соответ-
ствующего пространства в зоне кристаллизации при вытеснении
жидкого металла (рис. 20, а). После контакта газовой фазы с за-
твердевшим металлом в зоне кристаллизации возможность ее
удаления исключается. Процесс образования газовой фазы не
нарушает конфигурации кратера в сварочной ванне, а следова-
тельно, и глубины проплавления (рис. 20,6).
Причина этого явления заключается в том, что расширение
газовой фазы против сил гидростатического давления возможно
только путем вытеснения жидкого металла. Изменение конфи-
гурации кратера в сторону уменьшения его размеров исключа-
ется, так как это приведет к непрерывному повышению температуры
металла на поверхности кратера и увеличению давления его паров.
При электронно-лучевой сварке внедренным пучком некото-
рых тугоплавких металлов и сплавов на их основе, некоторых
трудносвариваемых высоколегированных сталей и сплавов аусте-
32

Рис. 21. Межкристаллитное разрушение в сварных швах и околошовной
зоне при электронно-лучевой сварке с высокими значениями подводимой
удельной мощности:
а — основание сварного шва, сплав типа нимоник ЭИ437Б (Х20Н77ТЗЮР), X 70;
б — околошовная зона, сплав ЭИ437Б, X 120; в — основание сварного шва, соеди-
нение разнородных сталей ОХ20Н5Г12АБ и 20ХЗМВФ. X 1JO; г —сварной шов
и околошовная зона, стали 25Х17Н4Г15АФ2 (X 300)
3 5- 2941

Рис. 22. Транскристаллитное разрушение в
сварном шве на ниобиевом сплаве ВН-2 тол-
щиной 6 = 5,0 мм
питного класса могут возникнуть межкристаллитные разрушения
в сварных швах и околошовной зоне (рис. 21). Основным сред-
ством борьбы с вышеуказанными дефектами при электронно-
лучевой сварке является повышение качества исходного металла
по вредным примесям и газам и улучшение его структуры.
Однако широкие возможности в управлении величиной подводи-
мой удельной мощности при электронно-лучевой сварке создают
необходимые предпо-
сылки для достижения
удовлетворительного ка-
чества сварных соеди-
нений и на существую-
щих материалах.
При неудовлетвори-
тельной конфигурации
сварного шва, а имен-
но — наличии резкого
перепада сечения шва
в его верхней части и
основании, и недоста-
точной пластичности
свариваемого металла
могут появиться разру-
шения, подобные при-
веденному на рис. 22.
Таким образом,
при электронно-лучевой
сварке не существует
единого правила, сле-
дуя которому можно
избежать всех дефек-
тов в сварных соединениях, и только тщательное изучение про-
цесса в каждом конкретном случае позволит определить его
оптимальные параметры.
Особенности сварки некоторых разнородных металлов
Электронно-лучевая сварка разнородных металлов в основ-
ном применяется при изготовлении электровакуумных приборов,
высокотемпературных реакторов, термоэлектронных преобразо-
вателей энергии. К сварным соединениям вышеуказанных изде-
лий предъявляются требования высокой надежности с точки зре-
ния статической и динамической прочности, электропроводности,
термостойкости, вакуумной плотности и сохранения исходной
чистоты свариваемых металлов.
Основными факторами, определяющими качество сварных со-
единений разнородных металлов при сварке плавлением, явля-

Расстояние от границы ослабления
Рис. 23. Микротвердость сварного сое-
динения молибдена с никелем
ются взаимная растворимость свариваемых mci <лл<яц их коэф-
фициенты термического расширения, теплопроводное гп и темне
ратуры плавления.
Известные трудности, с которыми сталкиваются, юпример»
при сварке плавлением молибдена с никелем, коваром и желе-
зом армко объясняются опасностью образования интерметалли-
ческих соединений в сварном шве. Аргоно-дуговая свирка во
многих случаях не обеспечивает получения сварных соединений
без трещин и других дефектов ввиду неконтролируемого пливле*
ния обоих свариваемых
металлов и образования
интерметаллических со-
единений.
При электронно-луче-
вой сварке молибдена с
коваром, никелем и желе-
зом армко образование
интерметаллических со-
единений может быть све-
дено к минимуму путем
сварки без оплавления
молибдена. При смачива-
нии молибдена расплав-
ленным коваром, никелем
или железом армко может
быть получено сварное
соединение, выдерживаю-
щее многократный высо-
котемпературный нагрев
и
охлаждение без потери герметич-
ности.
Толщина прослойки интерметаллических соединений по пло-
скости спая при этом не превышает нескольких десятков микро-
метров и не оказывает существенного влияния на прочность
и плотность сварного соединения. График микротвердости свар-
ного соединения молибдена с никелем (рис. 23), который типичен
для сварных соединений рассматриваемых металлов, подтвер-
ждает наличие тонкой прослойки интерметаллических соедине-
ний по плоскости спая.
Соединения внахлестку наиболее удобны для выполнения
сварки (см. рис. 34, д). Сварка встык возможна с предваритель-
ной отбортовкой оплавляемого металла, превышающей поверх-
ность молибдена.
Прочность сварных соединений при электронно-лучевой свар-
ке значительно выше прочности при аргоно-дуговой сварке.
Молибден с медью взаимно нерастворимы и имеют различ-
ные коэффициенты термического расширения, однако при инк*
тронно-лучевой сварке может быть получено вакуум пл о гное
3*	35

Рис. 24. Микроструктуры сварных соединений разнородных мета л *
лов (X 120):
а — молибдена с медью- б — молибдена с вольфрамом

сварное соединение этих двух металлов при расплавлении лишь
меди и при смачивании молибдена. Прочность такого сварного
соединения невелика 170 Мн! я? ~ 17 кГ[мм\ т. е. равна проч-
ности меди в литом состоянии.
Микроструктура сварного соединения молибдена с медью
приведена на рис. 24, а.
Электронно-лучевая сварка с расплавлением лишь одного,
менее тугоплавкого металла, находит широкое применение и,
естественно, не ограничивается вышеуказанными парами метал-
лов. Электронно-лучевая сварка применяется для соединения
молибдена с вольфрамом при изготовлении эффективных термо-
катодов электронных ламп, в том числе вольфрамо-бариевых
катодов, ионных двигателей, высокотемпературных фильтров из
пористого вольфрама.
Так, например, известные преимущества вольфрамо-барие-
вых катодов — большая плотность тока, высокая эффективность,
устойчивость к ионной бомбардировке — в значительной степени
обесценивались частыми прорывами углекислого бария. Это при-
водило к запылению рабочих поверхностен прибора, нарушению
геометрии эмитирующей поверхности и ухудшению фокусиров-
ки электронов, а нередко и к выходу катода из строя.
Причиной указанного недостатка являлась плохая гермети-
зация углекислого бария в корпусе катода при спрессовывании
стаканчика из пористого вольфрама в танталовую или молибде-
новую обойму с закаткой ее краев. Опыт рабсил с вольфрамо-
бариевыми катодами показал, что при многократном нагревании
и охлаждении их, вследствие различия коэффициентов линей-
ного расширения пористого вольфрама и материала внешней
обоймы в месте закатки могут появляться зазоры. В результате
герметизация нарушается, катод выхолит из строя. Особенно
трудно обеспечить надежную герметизацию вольфрамо-бариевых
катодов сложной формы, например кольцевого типа.
Электронно-лучевая сварка вольфрамо-бариевых катодов
сводится к оплавлению материала обоймы и смачиванию
вольфрама при его высокотемпературном нагреве тем же пуч-
ком. На рис. 24,6 приведена микроструктура сварного соедине-
ния молибдена с вольфрамом.
Сварка меди
Применение электронного луча для сварки меди МБ при
изготовлении электровакуумных приборов обеспечивает высокие
физико-механические свойства сварного соединения с сохране-
нием исходной чистоты металла в сварном шве и околошовной
зоне. В приборах сохраняется высокий вакуум при эксплуата-
ции, и, следовательно, срок службы их повышается.
37

Сохранение исходной чистоты металла при сварке имеет пер-
востепенное значение при использовании особо чистой меди, под-
вергнутой электронно-лучевому переплаву в вакууме. Содержа
ние кислорода и водорода в вес. % в меди различной чистоты
приведено ниже:
о2	н,
Медь МБ......................................0,001	0,0002
Медь после электронно-лучевого переплава <0,0001	<0,0001
Рис. 25. ЛАакрошлиф сварного со-
единения меди толщиной 10 мм
Если в непосредственной близости от сварного шва располо-
жены спаи со стеклом и керамикой или необходимо герметизи-
ровать прибор в сборе при минимальном термическом воздей-
ствии на изделие, применение
электронно-лучевой сварки часто
является единственно возможным.
Электронно-лучевая сварка
меди связана с определенными
трудностями, главным образом
ввиду интенсивного испарения
меди в вакууме при перегреве
выше температуры плавления, а
также ввиду высокой теплопро-
водности (351,7 вт/м °C или 0,840
кал!сек • см °C при 324° С).
При превышении определенно-
го значения удельной мощности
в пятне нагрева, получить удовле-
творительное качество сварного
соединения меди обычно не уда-
ется. Высокая концентрация мощ-
ности при сварке меди толщиной
до 1—2 мм приводит к ослаблению сечения шва ввиду потери
металла при испарении, а при сварке металлов больших тол-
щин — к интенсивному его разбрызгиванию и неудовлетворитель-
ному формированию шва.	ч
Поэтому сварку меди толщиной до 1—2 мм выполняют не-
острофокусированным пучком, или перефокусированным, т. е.
с расположением фокуса пучка несколько выше уровня поверх-
ности изделия.
На рис. 25 показан макрошлиф сварного соединения меди
толщиной 10 мм с характерным клинообразным проплавлением.
Подобные сварные швы отличаются большой нестабильностью
по глубине проплавления и могут иметь многочисленные дефекты
в корне шва, в частности пустоты и микротрещины. При работе
под нагрузкой эти дефекты могут привести к разрушению из-
делия.
38

При сварке меди большой толщины необходимо использован»
электронно-оптические системы, обеспечивающие возможно бо-
лее равномерную плотность тока по сечению пучка, либо снеге*
мы, в которых центральная часть пучка исключена, а максималь*
ная плотность тока смещена за пределы некоторой центральной
области. В последнем случае может быть получено более равно*
мерное по глубине проплавление.
Рис. 26. Микроструктура сварного шва и околошовной зо-
ны меди Ml (X 120);
Электронно-лучевая сварка обеспечивает получение мелко-
зернистой структуры металла сварного шва на меди ввиду огра-
ниченных размеров сварочной ванны и высоких скоростей кри-
сталлизации металла. На рис. 26 приведена микроструктура
сварного шва меди Ml—типичная структура литого металла.
В сварном шве отчетливо видны изотермы кристаллизации, ха-
рактеризующие периодичность кристаллизации металла свароч-
ной ванны.
Мелкозернистое строение металла сварного шва определяет
высокие механические свойства сварного соединения. В табл. 3
приведены результаты механических испытаний на разрыв об-
разцов Ми— 1, вырезанных поперек сварного шва на меди Ml.
Как следует из табл. 3, при электронно-лучевой сварке меди
прочность сварных соединений находится на уровне прочности
мягкой меди.
39

Таблица 3
Результаты механических испытаний сварных соединений меди
Ml на разрыв
Исходное состояние	Предел проч- ности Е Мн/М2	Предел теку- чести в MhJm*	Относительное удлинение « в 7*	Относительное сужение Ф в 7©
Основной металл ....	216	127 •г	36,3	41,2
Сварное соединение .	216	75	36,6	45,9
Высокая теплопроводность меди приводит к необходимости
значительного тепловложения при сварке металла больших тол-
щин на высоких скоростях. Так, например, для получения кон-
тролируемого проплавления на глубину 15 мм при оптимальной
конфигурации сварного шва и скорости сварки 50 м/ч необхо-
дима мощность порядка 14 кет при ускоряющем напряжении
28 кв.
Сварка высокопрочных алюминиевых сплавов
Электронно-лучевая сварка высокопрочных термоупрочняе-
мых сплавов позволяет получать высокие прочностные характе-
ристики сварных соединений непосредственно после сварки,
исключая последующую термическую обработку.
При изготовлении изделий кольцевой формы из прессован-
ных профилей сложного сечения обычно применяют многослой-
ную ручную аргоно-дуговую сварку с предварительной разделкой
кромок. При переходе к большим сечениям и использовании для
изготовления профилей высокопрочного, термически упроч-
няемого сплава АЦМ, многослойная аргоно-дуговая сварка не
обеспечивает высоких прочностных характеристик сварного со-
единения вследствие разупрочнения металла в околошовной зоне
от термического цикла сварки.
Многослойная аргоно-дуговая сварка сопровождается коагу-
ляцией упрочняющей фазы MgZn2 в околошовной зоне ввиду
длительного пребывания основного металла в опасном интервале
температур, что приводит к его разупрочнению. Выравнивание
механических свойств сварных соединений до оптимальных зна-
чений повторной перезакалкой с последующим старением обычно
не применимо для изделий сложного профиля и больших габа-
ритов ввиду опасности их коробления при значительных терми-
ческих напряжениях.
Высокопрочный сплав АЦМ системы А1 — Zn — Mg способен
самозакаливаться в процессе сварки. Кроме того, при электрон-
но-лучевой сварке внедренным лучом возможно минимальное
термическое воздействие на основной металл в околошовной
зоне; следовательно, сварные соединения могут иметь более вьь
40

сокие прочностные характеристики при электронно-лучевой свар-
ке, чем при многослойной аргоно-дуговой.
Для электронно-лучевой сварки алюминия и сплавов на его
основе необходимо тщательно удалять поверхностную пленку
окислов, которая может достигать толщины до 30 А. Перед свар-
кой стык и прилегающие к нему поверхности подвергают хими-
ческому травлению и последующей зачистке до блеска.
Для сварки алюминия и сплавов на его основе требуется
значительное тепловложение, особенно при сварке металлов
больших толщин. Это объясняется большим теплосодержанием
алюминия и его сплавов при достаточно высокой теплопровод-
ности. Величина теплосодержания для некоторых наиболее рас-
пространенных элементов в дж/г приведена ниже: А1—1033;.
Fe — 1000; Си — 648.
Теплопроводность алюминия достаточно высока и составляет
66% теплопроводности меди. Упругость паров алюминия при
температуре плавления невелика (^10~8 мм рт. ст,), для сварки
его внедренным лучом требуется большая удельная мощность.
При сварке сплава АЦМ необходима значительно меньшая
удельная мощность, в особенности при скоростях сварки 20—-
40 м/ч, поскольку преимущественное испарение цинка и магния
с поверхности кратера способствует значительному повышению
давления в последнем при меньшем, по сравнению со сваркой
чистого алюминия, тепловложепии.
Наличие в сплаве АЦМ легко испаряющихся легирующих эле-
ментов цинка и магния вызывает определенные затруднения при
электронно-лучевой сварке металла большой толщины ввиду
опасности возникновения пробоев в сварочной пушке при попа-
дании мощного потока их паров в высоковольтную область.
Поэтому при сварке алюминиевых сплавов больших толщин, учи-
тывая прямолинейный характер движения паров металла вплоть
до их осаждения на металлических конструкциях пушки, элек-
тронно-оптическую систему изгибают (см. рис. 42).
Таблица 4
Химический состав алюминиевого сплава АЦМ
Исследуемый металл	Толщ ина в мм	Содержание элементов в вес. ’/0				
		Zn	Mg	Мп	Fe	Si
Основной металл 		60	, 4,3	2,1	0,7	о,з	0,18
Сварной шов	-	.	60	2,8	2,7	0,7	0,28	0,17
Химический состав алюминиецинкомагниевого сплава АЦМ
в исходном состоянии и в сварном шве после электронно-лучевой
сварки приведен в табл. 4 (данные спектрального анализ;»).
Сплав АЦМ обладает оптимальными прочностными свойства-
ми после закалки от /=450°С±10° (охлаждение на воздухе)
41

< последующим искусственным старением при 100° С в течение
100 ч. В закаленном и искусственно состаренном состоянии
•сплав АЦМ имеет следующие прочностные характеристики: =
=430 Мн/м2\ os=350 Мн)м2\ 6 = 10%.
Для исследования влияния термического воздействия сварки
на свойства металла в околошовной зоне, в последней, парал-
лельно сварному шву с определенным интервалом вырезали пло-
Рис. 27. Результаты механических ис-
пытаний на разрыв образцов, выре-
занных из околошовной зоны свар-
ных соединений алюминиевого спла-
ва АЦМ:
1 — электронно-лучевая сварка; 5 — авто-
матическая аргоно-дуговая сварка; 3 —
ручная аргоио-дуговая сварка
ские образцы для испытаний
на разрыв. Результаты испыта-
ний в сравнении с данными ра-
боты [14] по автоматической и
ручной аргоно-дуговой сварке
приведены на рис. 27. Проч-
ностные характеристики на гра-
фике представлены в процент-
ном отношении к исходному со-
стоянию и в зависимости от
расстояния от оси сварного
шва. Как следует из графи-
ка, отличительная особенность
электронно-лучевой сварки вы-
сокопрочного алюминиевого
сплава АЦМ в том, что можно
избежать разупрочнения ме-
талла в околошовной зоне
при высоких скоростях сварки,
обеспечивающих минимальное термическое воздействие на основ-
ной металл.
Как показали металлографические исследования, для метал-
ла сварного шва после искусственного старения характерна ти-
пичная структура литого металла с выделениями второй фазы
по границам первичных, т. е. дендритных форм затвердевания
(рис. 28). В околошовной зоне на расстоянии не более 10—15 мм
от сварного шва имеет место коагуляция упрочняющей фазы,
не приводящая к разупрочнению основного металла.
Профили сложного сечения из высокопрочного алюминиевого
сплава АЦМ обладают более высокими прочностными харак-
теристиками по сравнению с литым металлом в закаленном
и искусственно состаренном состоянии, ввиду деформационного
упрочнения. При электронно-лучевой сварке профилей сложного
сечения из высокопрочного алюминиевого сплава АЦЛ1 с после-
дующим старением удается получить прочность сварного соеди-
нения, приближающуюся к прочности металла в литом состоянии
после закалки и искусственного старения при условии примене-
ния достаточно высоких скоростей сварки, позволяющих избе-
жать разупрочнения металла в околошовной зоне (табл. 5)?

Рис. 28. Микроструктура сварного шва алюминиевого сплава Л! [М после
искусственного старения (X 270)
Применяемая для электронно-лучевой сварки аппаратура
позволяет сваривать алюминиевые сплавы толщиной до 100 мм
при двусторонней сварке на скоростях не менее 30—40 м/ч.
Таблица 5
•Механические свойства плоских сварных образцов, вырезанных из профилей
после искусственного старения
Эскиз сечения Профиля		Метод сварки	Основной металл ав в Мн/м-	Сварное соединение Qe в Мн/м*	Отно- ситель- ная проч- ность	Место разрушения	Источ- ник
		АДС элс	515—545	259—296	0,51 0,87	По зоне термическо- го влияния По сварно- му шву	(161 Данные авторов
			531 467—496	274 410—430			
							
			483	421			
На рис. 29 графически представлена зависимость глубины про-
плавления от величины сварочного тока при однопроходной
электронно-лучевой сварке сплава АЦМ без разделки кромок.
По мере увеличения толщины металла требуемое для свирки
тепловложепие непрерывно возрастает.
13

голш, ина свариваемого
металла
Рис. 29. Зависимость глубины
проплавления от тепловложе-
ния при электронно-лучевой
сварке высокопрочного алюми-
ниевого сплава АЦМ
Детали кольцевой формы из прессованных профилей могут
достигать значительных размеров и наиболее рационально элек-
тронно-лучевую сварку их осуществлять с использованием мест-
ных накидных камер и пушек, перемещаемых в вакууме. Гори-
зонтальное расположение свариваемого изделия наиболее удоб-
но для компоновки и обслуживания оборудования.
При сварке профилей сложного
сечения (эскиз табл. 5) используют
вкладыши из свариваемого металла
толщиной не более 15—20 мм для
выравнивания сечения профиля в
месте сварки. Фиксация вкладышей
осуществляется прихваткой перед
сваркой и специальными приспо-
соблениями. Сварка электронным
лучом осуществляется путем переме-
щения сварочной электронно-луче-
вой пушки снизу вверх. Чтобы жид-
кий металл сварочной ванны не
выливался, пушка должна иметь на-
клон в сторону перемещения. Угол
наклона пушки зависит от конфигу-
рации фронта кристаллизации сва-
рочной ванны и от приспособлений
для формирования верхней части
шва.
В зависимости от толщины свариваемого металла может быть
применена одна пушка, либо, при недостаточной мощности,—
две пушки для осуществления двусторонней сварки.
Электронно-лучевая сварка является более прогрессивным
методом соединения чистовых профилей сложного сечения из
высокопрочных термически упрочняемых алюминиевых сплавов»
чем многослойная аргоно-дуговая.
Сварка тугоплавких металлов
В связи с развитием новой техники, в частности, атомной»
реактивной и ракетной, резко возрос интерес к тугоплавким ме-
таллам, особенно к молибдену, ниобию, танталу и вольфраму»
ввиду их возможного использования в качестве конструкцион-
ных материалов и как основы высокотемпературных сплавов
(табл. 6).
При сварке этих металлов возникают определенные трудности
вследствие высокой температуры их плавления и высокой актив-
ности в расплавленном и нагретом состоянии по отношению
к кислороду, азоту и водороду. По мере увеличения толщины
свариваемого металла тепловложение при сварке плавлением
44

Таблица 6
Некоторые физические свойства вольфрама» тантала» молибдена и ниобия
	Температура в *С		тепло-	*нт тер- рас- ХЮ” 6 G	Удельное элек- тросопротивле- ние, 10“6 в ом-см	Поперечное се- чение захвата тепловых ней- тронов в барк/атом	<ч □2	ед
Металл	плавле- ния	кипения	Удельная емкость в dotcfe^G	КОЭффИЦИ! мического ширеиия, в мм/мм-9			Плотность	Модуль у г гости ХЮ R Мн/М*
W	3410	5927	0,272	3,6	5,5	19,2	19,2	35,2
Та	3004	5627	0,128	6,6	13,5	21,3	16,6	19,0
Мо	2610	5560	0.308	5,4	5,2	2,4	9,91	32,3
Nb	2468	4927	ОД 12	7,3	13,1	1,1	8,57	10.5
значительно возрастает. Повышенное содержание газов в метал-
ле увеличивает прочность и твердость, но существенно снижает
пластичность сварного соединения.
В отличие от ниобия и тантала, молибден и вольфрам имеют
оптимальную пластичность при нормальной температуре лишь
в деформированном состоянии. В литом либо рекристаллизован-
ном состоянии температура перехода молибдена и вольфрама из
пластичного в хрупкое состояние заметно выше комнатной. Пла-
стичность молибдена в деформированном состоянии при нор-
мальной температуре может сильно понизиться после сварки
плавлением.
Наибольшее влияние на переход тугоплавких металлов из
пластичного в хрупкое состояние оказывают элементы, образую-
щие твердые растворы внедрения. Растворимость элементов
внедрения (кислорода, азота, водорода и углерода) в ниобии
и тантале намного больше, чем в молибдене и вольфраме. Туго-
плавкие металлы могут быть пластичны при низкой температуре,
если содержание примесей внедрения не превышает предела их
растворимости в твердом состоянии.
В состоянии наивысшей чистоты ниобий и тантал пластичны
при низкой температуре, а молибден и вольфрам обычно — хруп-
кие и представляют собой пересыщенный твердый раствор с не-
которым количеством окислов, нитридов и карбидов в виде избы-
точной фазы.
Молибден после электронно-лучевого переплава в вакууме
содержит 0,001% кислорода, в то время как 0,0001% кислорода
уже повышает критическую температуру хрупкости при изгибе
с —70° С (для чистого молибдена) до +180° С [24]. Таким обра-
зом, для молибдена и вольфрама в литом состоянии xapaiuepiM
45

Рис. 30. Сетка вторичных (полигонизационных) границ н* поверхности
сварного шва молибдена непосредственно после электронно-лучевой свар-
ки в вакууме (X 120)
большая склонность к хрупкому межкристаллитному разруше-
нию при нормальной температуре.
В литых металлах и однофазных сплавах непосредственно
после затвердевания в результате упорядочения несовершенств
кристаллической решетки (процесса полигонизации) образуется
сетка вторичных границ, ориентированных в общем случае про-
извольно к первичным формам затвердевания и проявляющихся
на макрошлифах в виде границ макрозерен. Межкристаллитное
разрушение молибдена и вольфрама происходит по вторичным
границам в виде характерного камневидного излома.
На рис. 30 изображена поверхность сварного шва молибдена
непосредственно после электронно-лучевой сварки в вакууме
с четко выраженной сеткой вторичных границ. На поверхности
сварных швов по вторичным границам могут возникать локаль-
ные разрушения, в частности микротрещины, которые играют
роль поверхностных надрезов. Положительное влияние электро-
полировки па пластичность сварных швов можно объяснить уда-
лением поверхностного слоя металла и надрезов. При этом угол
загиба сварного соединения существующих молибденовых спла-
вов при нормальной температуре увеличивается от 6—8° до
30—60°.


Уменьшение содержания вредных примесей в исходном ме-
талле является одной из основных задач металлургии тугоплав-
ких металлов. Не менее важно уменьшить загрязнение тугоплав-
ких металлов примесями внедрения в процессе сварки. В этом
отношении электронно-лучевая сварка в вакууме имеет опреде-
ленные преимущества перед иными методами сварки плавле-
нием, в частности аргоно-дуговой и сваркой в контролируемой
атмосфере.
В состоянии наивысшей чистоты атмосфера аргона или гелия
все еще содержит вредные примеси в количестве примерно
100 частиц на миллион. При электронно-лучевой сварке с давле-
нием в рабочем объеме 10“4 мм рт. ст. количество вредных при-
месей не превышает 0,1 частицы на миллион, т. е. в тысячу раз
меньше, чем при дуговой сварке в контролируемой атмосфере.
В сварочной камере электронно-лучевой установки, при доста-
точно мощной системе откачки, можно получить низкое остаточ-
ное давление, даже если натекание в систему будет значительно
превышать допустимое значение для сварки тугоплавких ме-
таллов.
Перед сваркой изделия из тугоплавких металлов в местах
сварки и околошовных участках необходимо тщательно зачи-
щать и подвергать травлению в специальных реактивах для уда-
ления поверхностных пленок окислов. Составы реактивов для
вышеуказанных целей приведены ниже.
Ниобий Азотная кислота (d = 1,4).......................... 1
Плавиковая кислота........................ ,	1
Вода (дистил.) ........................... .	I
Молибден	Серная кислота (конц.)..................... .	95
Азотная кислота......................... ,	.	4,5
Плавиковая кислота и 18,8 г/л Сг2О3	....	0,5
Тантал	Фтористый аммоний (20%).....................Л	1
Плавиковая кислота (конц.)....................... 1
Азотная кислота (конц.)......................Несколько
капель
Ввиду того, что расслоения на свариваемых кромках могут
служить источником дополнительных загрязнений сварного шва,
кромки необходимо тщательно осматривать и обнаруженные рас-
слоения удалять шлифованием. Поскольку примеси внедрения
скапливаются по границам зерен, то в крупнозернистом металле
с меньшей протяженностью межзеренных границ наблюдается
более высокая концентрация примесей на границах, чем при
мелкозернистом строении металла. Некоторое повышение пла-
стичности сварных соединений из молибдена может быть достиг-
нуто при электронно-лучевой сварке путем получения мелкозер-
нистой не ориентированной структуры сварного шва [19]. Послед-
няя может быть получена при сварке острофокусироваиным
пучком па высоких скоростях и с продольным колебанием пучка.
4Г

Сварные соединения при этом характеризуются минимальными
зонами плавления и рекристаллизации, предельно малыми раз-
мерами зерна в шве и обладают достаточной прочностью.
Склонность сварных швов молибдена к хрупкому межкри-
сталлитному разрушению при нормальных температурах может
быть существенно уменьшена при легировании исходного метал-
ла определенными элементами в количествах, достаточных для
создания пересыщенного твердого раствора при высоких темпе-
ратурах и выделения мелкодисперсной второй фазы непосред-
ственно после кристаллизации металла сварного шва [7].
Таблица 7
Режимы сварки и результаты механических испытаний
Толщина свариваемого металла в ММ	Режим сварки			Угол загиба сварного соедине- ния а в град
	Ускоряющее напряжение U уск, в	Ток пучка 1п в лш	Скорость сварки В Mf4	
1,0	16,5	100	10	8—24 14
1,0	18.5	120	20	8-22 15
1,0	21	130	40	18—25 22
В табл. 7 приведены режимы сварки и результаты механи-
ческих испытаний на изгиб при нормальной температуре по
ГОСТу 6996—54 сварных соединений низколегированного, двух-
фазного молибденового сплава системы Мо—Ti— С*. Нали-
чие мелкодисперсной второй фазы изменяет структуру границ
зерен и существенно уменьшает склонность молибдена к меж-
кристаллитному разрушению. Максимальная пластичность выше-
указанного сплава наблюдается в определенном интервале кон-
центраций легирующих элементов, т. е. при определенном коли-
честве второй фазы и соответствующей структуре границ зерен.
Микроструктуры сварного шва и околошовной зоны однофазного
сплава молибдена и двухфазного сплава системы Мо — Ti — С
приведены на рис. 31.
Несомненный интерес представляет возможность снижения
температуры перехода молибдена из пластичного состояния
в хрупкое при легировании его рением в количестве до 50 вес. %
(35 ат. %) [3]. Одной из причин, обусловливающих высокую пла-
стичность сплавов молибдена с рением, является изменение рас-
положения кислорода — вместо окиси МоОг, которая в виде
хорошо известной эвтектики располагается по границам зерен,
образуется сложный молибдено-рениевый окисел ReMoO3, обла-
* Сплав разработан в ИЭС им. Е. О. Патона.
48

дающий высоким поверхностным натяжением и располагающий-
ся не по границам зерна, а в виде глобул внутри самих зерен.
Другой причиной увеличения пластичности сплавов молиб-
ден-рений является изменение механизма их холодной деформа-
ции. В сплавах с содержанием рения более 25% при холод-
ной деформации или при температурах ниже температуоы
Рис 31- Микроструктуры сварного шва и околошовной зоны молибденовых
сплавов (X 200):
а и б — однофазный сплав: в и г — низколегированный, двухфазный сплав системы
49
4 5-2941

рекристаллизации происходят процессы интенсивного двойнико-
вания. Таким образом, деформация этих сплавов может происхо-
дить не только за счет скольжения, как это свойственно метал-
лам с объемно-центрированной кубической решеткой, но и за
счет двойникования. Рений повышает пластичность молибдена
при низких температурах и прочность — при высоких.
Легирование молибденового сварного шва рением существен-
но повышает пластичность сварного соединения при нормальной
температуре. Наибольшая пластичность наблюдается при содер-
жании в металле шва около 50 вес. % рения. При этом разру-
шение происходит по окОлошовной зоне основного металла. За
счет повышения деформационной способности металла шва угол
загиба сварного соединения повышается в 2—2,5 раза по сравне-
нию со сварным соединением, не легированным рением. Однако
при этом появляются определенные затруднения, связанные
с плохим усвоением рения жидким металлом сварочной ванны,,
ввиду его высокой температуры плавления (3180° С).
Поэтому, очевидно, целесообразно идти по пути создания со-
ответствующих сплавов для возможного использования их в опас-
ных сечениях различных свариваемых конструкций. Пластич-
ность сварного шва молибдена может быть также повышена за
счет термической обработки после сварки, холодной обработки
сварных швов (при температурах ниже рекристаллизации), по-
вышения скорости сварки и деформации (сжатия) шва при повы-
шенных температурах.
Несмотря на различные технологические приемы, все еще
трудно получить пластичный сварной молибденовый шов при
сварке плавлением. Сварные соединения молибдена имеют боль-
шую склонность к образованию трещин. Поэтому приспособле-
ния для сварки не должны препятствовать усадке сварного
соединения при кристаллизации металла и его охлаждении.
В некоторых случаях при конструировании деталей из молибде-
на следует разгрузить сварной шов, т. е. исключить изгибающие
нагрузки на сварное соединение при нормальной температуре.
При электронно-лучевой сварке вольфрама требуется значи-
тельное тепловложение и очень часто прибегают к его подогреву
перед сваркой. Сварные соединения вольфрама имеют низкие
значения прочности и абсолютно хрупки при нормальной темпе-
ратуре. Электронно-лучевая сварка вольфрама может быть при-
менена лишь для ненагруженных изделий небольших габаритов.
До последнего времени дуговая сварка в среде инертного газа
являлась наиболее распространенным методом соединения дета-
лей из ниобия и тантала при сварке плавлением и обеспечивала
удовлетворительное качество сварных соединений.
Однако при необходимости сварки металлов больших тол-
щин, а также в условиях ненадежной струйной защиты жидкого
металла сварочной ванны, должна применяться электронно-
50

лучевая сварка в вакууме. При достаточной герметичности сва-
рочной камеры электронно-лучевая сварка позволяет сохранить
исходную чистоту свариваемого металла, что особенно важно
для металлов, подвергнутых электронно-лучевому переплаву
в вакууме.
В табл. 8 приведены данные химического анализа ниобия
вакуумной дуговой плавки и электронно-лучевого переплава.
Обычно столь чистые металлы после электронно-лучевого пере-
плава применяют в деталях ответственного назначения, рабо-
тающих в особо агрессивных средах. Электронно-лучевая сварка
обеспечивает высокую коррозионную стойкость сварных соеди-
нений.
Таблица 8
Содержание примесей в ниобии различной чистоты в вес. %
Способ получения ниобия	Та	Т1	Fe	Si	G	О,	N.	Н»
Вакуумно-дуговой	0,3	0,1	0,04	0,05	0,01	0,021— 0,019	0,02	0,0009
Электронно-лучевой .	0,1	<0,01	0,016	0,01	0,025	0,001	0,014	0,0009
Исходная чистота металла оказывает существенное влияние
на пластичность сварных соединений при сварке плавлением.
В табл. 9 приведены результаты механических испытаний образ-
цов сварных соединений ниобия различной чистоты на перегиб
поперек сварного шва. При сварке ниобия электронно-лучевого
переплава достигается высокая пластичность сварного соедине-
ния при всех рассматриваемых способах сварки плавлением.
Электронно-лучевая сварка обеспечивает ограниченные размеры
зоны расплавления и термического влияния. Особенно большое
различие в величине зоны термического влияния для электронно-
лучевой и аргоно-дуговой сварок наблюдается при сварке тан-
тала ввиду его малой теплопроводности.
Таблица 9
Результаты механических испытаний
Переплав
Способ сварки
вакуумно-
дуговой
электронно-
лучевой
Электронным лучом........................
В контролируемой атмосфере (аргон) * . . .
Аргоно-дуговая (аргон)*..................
14—16
5—6
8—10
* Содержание примесей: 0,003% О2; 0,09% N2
4*
Ы

Сварные соединения тантала и ниобия при температурах
выше И 00° С практически равнопрочны основному металлу.
Ниобий и тантал обладают неограниченной взаимной раствори-
мостью и хорошо свариваются между собой. Сварные соедине-
ния ниобия с танталом, выполненные электронным лучом в ва-
кууме, пластичны при нормальной температуре.
Электронный луч при небольших значениях удельной мощ-
ности в пятне нагрева может быть использован для очистки
поверхности тугоплавких металлов и их нагрева перед сваркой»
а также для термической обработки после сварки.
Таким образом, основными особенностями электронно-луче-
вой сварки тугоплавких металлов в вакууме являются возмож-
ность получения мелкозернистой структуры металла сварного
шва с минимальными размерами зоны термического влияния
(см. рис. 2, й) и сохранение исходной чистоты свариваемого ме-
талла при достаточной герметичности сварочной камеры.
Сварка сталей
Электронно-лучевая сварка сталей находит все более широ-
кое применение в машиностроении. При электронно-лучевой
сварке низкоуглеродистых легированных сталей достигаются ми-
нимальные деформации свариваемого изделия и высокие физико-
механические свойства сварного соединения (см. табл. 10),
а в трудносвариваемых высоколегированных сталях и сплавах
аустенитного класса уменьшается склонность швов к образова-
нию горячих трещин [5].
При сварке плавлением высоколегированных сталей и спла-
вов аустенитного класса могут возникать межкристаллитные
разрушения металла в сварном шве и околошовной зоне. В на-
стоящее время причины и механизм образования горячих тре-
щин в аустенитных швах в основном изучены и разработаны
надежные методы их предотвращения, основанные главным
образом на управлении процессами первичной кристаллизации
сварочной ванны.
Специфическое проплавление при электронно-лучевой сварке
внедренным пучком исключает возможность дополнительного ле-
гирования металла сварного шва путем подачи присадочной про-
волоки, т. е. управления процессами первичной кристаллизации
сварочной ванны путем изменения химического состава метал-
ла шва.
Управляя величиной подводимой удельной мощности при
электронно-лучевой сварке, можно добиться условий, при кото-
рых опасность возникновения горячих трещин в сварных швах
будет минимальна. Вынос жидкого металла сварочной ванны
над поверхностью изделия в процессе сварки и его кристаллиза-
ция без существенной осадки приводят к появлению больших
52

усадочных напряжений в шве при электронно-лучевой сварке
внедренным пучком.
Металл сварного шва может сопротивляться усадке без раз-
рушения только при удовлетворительной конфигурации фронта
кристаллизации, т. е. без концентраторов напряжения в по-
следнем.
При электронно-лучевой сварке высоколегированных сталей
и сплавов аустенитного класса удовлетворительная конфигура-
ция фронта кристаллизации может быть получена при высоких
Рис. 32. Макроструктуры сварных соединений (X 3):
а —стали 25Х17Н4Г15АФ2; б — стали 20ХЗМВФ
значениях подводимой удельной мощности и малых скоростях
сварки.
Последовательная экранировка потока электронов жидким
металлом сварочной ванны создает проплавление, которое в опре-
деленной мере характеризует возможности электронно-лучевой
сварки при увеличении удельной мощности в пучке (см.
рис. 11, б и в).
При сварке стали 25Х17Н4Г15АФ2 аустенитного класса авто-
ры обнаружили наличие порога концентрации подводимой мощ-
ности, после которого межкристаллитные разрушения в сварных
швах отсутствовали. На рис, 32, а приведен макрошлиф свар-
ного соединения стали 25Х17Н4Г15АФ2, выполненного при вели-
чине подводимой удельной мощности, превышающей порог кон-
центрации. По мере увеличения подводимой удельной мощности
уменьшаются размеры кратера и, следовательно, возрасгле?
необходимая точность совмещения оси потока электронов с плос-
костью сварного стыка.
БЗ

Рис. 33. Микроструктуры сварных швов (X 300):
а — стали 25Х17Н4Г15АФ2; б—стали 21)ХЗМВФ
Для уменьшения склонности сварных швов высоколегирован-
ных сталей и сплавов аустенитного класса к межкристаллитному
разрушению необходимо увеличивать подводимую удельную
мощность и уменьшать скорость сварки. Разрушения в около-
шовной зоне возникают на расстоянии не более одного-двух зе-
рен от линии сплавления. Электронно-лучевой сваркой нельзя
уменьшить опасность возникновения околошовных трещин как
и в иных методах сварки плавлением.
Основное средство против околошовных разрушений при
сварке высоколегированных сталей и сплавов аустенитного клас-
са — это повышение чистоты исходного металла по вредным при-
месям и газам, а также улучшение его структуры. В этом смысле
большие перспективы у электрошлакового и электронно-лучевого
переплава [11].
При электронно-лучевой сварке сталей для уменьшения угло-
вых деформаций желательно полное проплавление свариваемого
металла.
Для уменьшения опасности ослабления сечения шва при за-
текании жидкого металла сварочной ванны под изделие при
полном проплавлении рекомендуется сварка с подкладкой из
свариваемого металла.
На рис. 33 приведены микроструктуры металла шва низко-
углеродистой легированной стали 20ХЗМВФ и аустенитной стали
25Х17Н4Г15АФ2, а в табл. 10 — результаты механических испы-
таний сварных соединений вышеуказанных сталей.
54

сз
ic

X
о
X
e(
e
о
x
3
X
Q.
£fi
3S
X
X
H
3
c
Cj
X
Ж
<u
X
S
3
к
x
*
a>
55

Основные типы сварных соединении
Для электронно-лучевой сварки в вакууме применяются типы
соединений, характерные вообще для сварки плавлением и прин-
ципиально новые, присущие только данному методу. Общее тре-
бование ко всем типам соединений — это исключительно точная
сборка деталей перед сваркой. Допустимые зазоры в сварных
стыках составляют 0,1 толщины свариваемого металла, но не бо-
лее 0,2 мм.
Необходимая точность совмещения оси потока электронов
со сварным стыком определяется конфигурацией и размерами
кратера в сварочной ванне при сварке внедренным пучком и диа-
метром фокального пятна пучка па изделии при небольших зна-
чениях удельной мощности. Обычно отклонение оси потока элек-
тронов от сварного стыка в процессе сварки не должно превы-
шать 0,2—0,3 мм.
При электронно-лучевой сварке металлов необходимо тща-
тельно очищать свариваемые кромки от различных загрязнений,
в особенности от органических веществ, при контакте жидкого
металла сварочной ванны с которыми происходят микровзрывы
в вакууме. При этом часть металла сварочной ванны удаляется
и появляются дефекты в сварном шве.
Для данного процесса сварка встык наиболее удобна (см.
рис. 32, а), так как при этом удается реализовать одно из пре-
имуществ электронно-лучевой сварки, а именно — возможность
получения весьма ограниченных по ширине сварных швов с ми-
нимальной деформацией изделия. При толщине свариваемого
металла до 2—3 мм (рис. 34, а) сварка встык может быть выпол-
нена как при чисто поверхностном воздействии пучка, так и внед-
ренным в металл потоком электронов, т. е. с образованием крате-
ра в сварочной ванне.
Электронно-лучевая сварка с отбортовкой кромок на телах
вращения (рис. 34, б) применяется преимущественно в радио-
электронике и приборостроении, причем широко используется
сварка в импульсном режиме:
Импульсная электронно-лучевая сварка благодаря малому
тепловложению применяется при наличии в непосредственной
близости от места сварки спаев металла со стеклом или керами-
кой. Она также способствует получению определенной ориента-
ции кристаллитов металла сварного шва, обеспечивающей ва-
куумную плотность сварных соединений в течение длительного
времени эксплуатации электровакуумных приборов.
Сварка металлов, значительно отличающихся по толщине
(например, приварка мембраны к корпусу и т.п.), выполняется
с предварительной разделкой кромки металла большей толщины
для выравнивания теплового поля в соединяемых деталях и до-
стижения симметричного проплавления (рис. 34, e)t
56

Вварка тонколистовых диафрагм в трубчатые конструкции
(рис. 34, г) выполняется с предварительной отбортовкой кромок.
Во избежание коробления, толщина диафрагмы должна быть
не менее 0,3—0,5 мм.
Соединение внахлестку (рис. 34, д) широко применяется при
сварке разнородных металлов, отличающихся по температуре
плавления. Процесс сварки осуществляется без расплавления
е)	*)	3)	и)
Рис. 34. Основные типы соединений при электронно-лучевой сварке в вакуу.мез
а — сварка встык тонколистовых металлов на подкладке, либо без нее; б — сварка с от-
бортовкой кромок; виг — сварка металлов, отличающихся по толщине; д — сварка вна-
хлестку; в — сварка в узких разделках и труднодоступных местах; ж — однопроходна»
сварка проникающим пучком; з — сварка встык металлов больших толщин; и — сварка-,
через ребро жесткости
более тугоплавкого металла. Мощность, необходимая для рас-
плавления менее тугоплавкого металла, может быть подведена
непосредственно потоком электронов, либо через более тугоплав-
кий металл, как показано на рис. 34, д.
Сварка в узких разделках и труднодоступных местах
(рис. 34, е) является одним из преимуществ электронно-лучевой
сварки перед известными способами сварки плавлением и воз-
можна благодаря малым размерам пучка в сечении, его длинно-
фокусное™ и автономности по отношению к свариваемому мате-
риалу. Однопроходная сварка расположенных на различной
высоте стыков проникающим пучком (рис. 34, ж) может быть
выполнена преимущественно на высоковольтном оборудовании.
Сварка встык высокопрочных сталей, высокопрочных сплавов
на основе титана и алюминия, тугоплавких и некоторых цветных
металлов больших толщин находит все более широкое лрнмепс*
ние (рис. 34, з). При этом могут быть получены сварные швы
шириной не более 2—3 мм. В некоторых конструкциях (рис. 2 I» и)
сварка выполняется внедренным пучком через ребро жесткости.
57

II. СВАРОЧНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПУШКИ
Основные типы
В первых пушках для электронно-лучевой сварки пучок элект-
ронов формировался только с помощью прикатодного электро-
да, без применения дополнительных фокусирующих систем (рис.
35, а). Анодом пушки являлось само изделие. Так как фокусное
расстояние электростатического прожектора мало меняется при
пропорциональном изменении потенциалов на его электродах,
то такая пушка может питаться малостабильным выпрямленным
напряжением.
Наряду с простотой такой пушки следует отметить значи-
тельные ее недостатки.
1. Однокаскадная электростатическая система фокусировки,
особенно в сочетании с низким ускоряющим напряжением, не
может обеспечить формирование интенсивного электронного
пучка с высокой плотностью энергии. Поэтому с ее помощью
невозможно соединение тугоплавких металлов толщиной более
1—2 мм.
2. В пушке для облегчения формирования острофокусного
пучка максимально уменьшается поверхность эмитера, что при-
водит к перенапряженному режиму его работы при значитель-
ных токах. Вследствие этого вольфрамовая спираль, обычно
используемая в качестве эмитера, выходит из строя уже через
несколько часов работы.
Технологические и электронно-оптические характеристики
пушки с однокаскадной электростатической фокусировкой повы-
шаются при введении в конструкцию ускоряющего электрода,
находящегося под потенциалом изделия (рис. 35, б). Эта система
широко распространена в острофокусиых трубках для рентгено-
структурного анализа и в последнее время предложена для элек-
троннолучевой сварки.
Применение ускоряющего электрода с относительно малым
отверстием для прохождения пучка электронов позволяет
увеличить расстояние между катодом пушки и свариваемым
изделием. Благодаря этому, облегчается наблюдение за процес-
сом сварки, уменьшается опасность электрических пробоев
и разрядов. С другой стороны, для питания пушки можно
использовать даже невыпрямленное ускоряющее напряжение, так
как электростатическое поле прожектора не проникает в область
5»

Рис. 35. Электронно-оптические системы сварочных пушек:
а — однокаскадная система без ускоряющего электрода; б — однокас-
кадная система с ускоряющим электродом (анодом); в — система с ком-
бинированной — электростатической и электромагнитной фокусировкой;
1 — катод; 2 — лрикатодный электрод; 3 — траектории крайних электро-
нов пучка; 4 — свариваемое изделие; 5—ускоряющий электрод (анод);
б — кроссовер; 7 — фокусирующая магнитная линза; 8— система откло-
нения пучка; 9 — фокальное пятно; % — половинный угол расхождения
пучка после кроссовера; — половинный угол сходимости пучка на
изделии

свярочной ванны и ток с поверхности ванны на катод во время
обратной полуволны переменного ускоряющего напряжения не
течет.
В пушках с однокаскадной электростатической фокуси-
ровкой обычно используются ускоряющие напряжения не выше
20 кв.
В пушках с комбинированной электростатической и электро-
магнитной фокусировкой пучка прожектор, состоящий из катода,
прикатодного электрода и ускоряющего электрода-анода, форми-
рует сходящийся пучок электронов.
Минимальное сечение пучка проек-
тируется (обычно с уменьшением)
на свариваемое изделие с помощью
электр ома гнитной	фокусирующей
системы (рис. 35, в).
На рис. 36 показана схема стаци-
онарной сварочной электронной пу-
шки. Стационарная пушка размеща-
ется на фланце вакуумной камеры,
свариваемое изделие перемещается
относительно неподвижного пучка
электронов.
Рис 36. Схема стационарной
сварочной электронной пушки:
1 — высоковольтный изолятор; 2 —«
система юстировки; 3 — сильфон-
ный переход; 4 — корпус пушки;
5 — катодный узел; 6 — подогрева-
тель катода; 7 — катод; 8 — анод;
9 — канал для водяного охлажде-
ния анода; 10— обмотка фокусиру-
ющей магнитной линзы; 11 — кор-
пус фокусирующей магнитной лин-
зы; 12 — электронный пучок; 13 -*
катушки системы отклонения элек-
тронного пучка; 14 — канал для во-
дяного охлаждения системы откло-
нения и фокусировки электронного
пучка; 15 — свариваемое изделие;
16 — система для угловой юстиров-
ки пушки и изменения расстояния
анод — катод; 17 — вывод к вакуум-
ному насосу
Основные узлы пушки — прожектор, система магнитной фо-
кусировки и система электромагнитного отклонения пучка элек-
тронов.
Катодный узел пушки, включающий собственно катод и при-
катодный электрод, может наклоняться или поступательно
перемещаться относительно оси отверстия в аноде, благодаря
чему осуществляется совмещение электрических осей элементов
пушки (юстировка пушки). Этот процесс обычно производится во
время подготовки пушки к работе, при небольшой мощности
электронного луча.
60

Катодный узел крепится на высоковольтном проходном изо-
ляторе. Через бронированный высоковольтный кабель подается
питание к прожектору пушки. Изменение тока пучка осуществ-
ляется подачей отрицательного управляющего напряжения на
прикатодный электрод прожектора или, реже, изменением тока
накала катода. В случае импульсномодулированного режима
электронно-лучевой сварки на прикатодный электрод пушки по-
даются отрицательные прямоугольные импульсы модулирующего
напряжения. В некоторых пушках под вакуумом можно изменять
расстояние между элементами прожектора, благодаря чему уда-
ется изменять параметры формируемых пучков (угол сходимо-
сти, максимальный ток и т. д.).
Разрежение катодного пространства пушки производится
через каналы в анодном блоке или с помощью специальной
вакуумной системы (в случае малого канала в фокусирующих
системах).
Фокусировка пучка обычно осуществляется одной или двумя
магнитными линзами. В пушках с одной линзой для уменьшения
диаметра пучка на изделии необходимо уменьшать увеличение
линзы М =* -, определяемое отношением расстояния линза — из-
делие (Ь) к расстоянию кроссовер — линза (и). С этой целью
линза располагается далеко от анода и близко к изделию. При
этом увеличивается угол сходимости пучка на выходе из линзы.
В пушках с двухлинзовой фокусировкой первая линза распо-
лагается близко к аноду, благодаря чему уменьшается сечение
пучка во второй линзе, ее сферическая аберрация, а следователь-
но, меньше сечение пучка и угол сходимости пучка на изделии.
Корректировка положения пучка относительно кромок сва-
риваемого металла осуществляется с помощью магнитных откло-
няющих систем.
При сварке металлов толщиной до 3—5 мм для корректиров-
ки пучка приемлемы стандартные телевизионные отклоняющие
системы, дающие угловое отклонение пучка. При сварке метал-
лов большей толщины угловое отклонение пучка нежелательно,
так как возможен перекос шва по отношению к вертикальной
плоскости стыка. Поэтому в последнем случае необходимо при-
менять две пары отклоняющих систем, располагаемых на раз-
личной высоте. Такая система обеспечивает перемещение луча
параллельно сварному стыку.
Магнитная фокусирующая и отклоняющая системы в мощных
сварочных пушках размещаются в водоохлаждаемом стакане,
закрепляемом, в нижней части корпуса пушки. Канал для подачи
воды соединяется последовательно с системой охлаждения кор-
пуса пушки. Расход воды для охлаждения обычно не превышает
2—3 л!мин.
Наряду со стационарными пушками получили применение

Характеристики промышленных сварочных эле
Клас- сы пуни к	Ускоряющее напряжение иск в кв	Ток пучка I п в ма	Диаметр пучка на изделии при мак- симальной мощности; <>ф. п в мм	Удельная мощность в пятне на изделии в кет/мм*	Фокусировка	Катод	J
	20	100	1,5—2,0	1*	Одпокаскадная, электростати- ческая	Мета лл и ческий прямонакаль- ный	1
S а ►—3	20 25	150 30	0,6—0,8 0.5—3,0	10* 1*	Комбинирован- ная То же	Ла нтанборидный Металлический прямонакаль- ный	
							
к CD	25	60	0,8—1,5	3*	»	То же	1 
3							
ж							
t- JC	25	100	“ 	—	—		
С сз о со	25	200	0,6—0,8	10*	Комбинирован- ная	Лантанборидный	i •
S							
X	25 25 30	500 500 150, 250 500, 1000	1,0—1,2 1,2—1,3 0,5—1,2	>10 >5 5	То же > >	> > Металлический прямонакаль- ный 			
межу- фЯЮ- еиием	40	50	0,25—0,3	30		Ла нта нбо ридный	
С о о. *						Металлический прямонакаль- ный	
г: Н £ о s S те	50	500		 "			
М*							
С Н §	60	35	0,6—0,7	5	7	»	То же		
CD 3 X	80	0,3; 0,6	0,03	32; 64	»	»	
Л м * ® ё э	100	15	0,1**	150			
о >,							
ё с о	150	1,0	0,01***	2000	»	»	
3 CQ	150	20	0,1**	300	в	»	
режиме размерной об
режиме сварки. *** В
* По оценке авторов. ** 3
62

Таблица 11
ктронных пушек и их источников питания
	Модуляция пучка	Отклонение пучка	Состояние выпуска	Изготовитель
	Отсутствует	Отсутствует	Выпуск прекращен	Франция, Сиаки
	Имеется	Электромаг- нитное	Выпускается в на- стоящее время	СССР, тип Л. 306.02
	Отсутствует	Отсутствует	То же	Япония тип JEBW-2B JEBW-3A
	»	Механиче- ское	Выпуск прекращен	СССР, тип ЭП-25
	—*	—“		Япония, тип JEBW-2C
	Имеется	Отсутствует	Выпускается в на- стоящее время	СССР, тип. А. 306. 05
	Возможна	Механиче- ское	Выпуск прекращен	СССР, ИЭС им. Е. О. Па- топа, тип У-3
	»	Электромаг- нитное	Выпускается в на- стоящее время	СССР, ИЭС им. Е. О. 11а- топа, СЗЭМ и ЭА, тип У-146 (СП-30)
	Отсутствует	Механиче- ское	Выпускается в на- стоящее время	Франция—США, Сиаки Япония (лицензия Фран- ции)
	Возможна	То же	Выпуск прекращен	СССР, ИЭС им. Е. О. Па- тона, тип У-3
	Отс утству ет	Электромаг- нитное	Выпускается в на- стоящее время	Япония, тип JEBW-5B
		То же	То же	СССР, тип ЭП-60
	Имеется		»	Япония, JEBD-2B, JEBD-2C
	»			СССР
		»	»	Япония, тип JEBD-3B
		»		ФРГ, США
работки.


подвижные пушки, перемещаемые внутри вакуумной камеры
относительно неподвижного свариваемого изделия (рис. 37).
Применение перемещаемых в вакууме сварочных пушек позво-
ляет в ряде случаев уменьшить габариты вакуумной камеры
и упростить механизмы внутри камеры, выполнять швы в любом
пространственном положении, сваривать неповоротные стыки
и т. д.
Рис. 37. Сварочная пушка, переме-
щаемая в вакуумной камере (фир-
ма Сиаки)
Перемещение пушки вдоль
свариваемого изделия, ее подъем,
Рис. 38. Схема экранировки про-
жектора пушки и высоковольтных
токоподводов для предотвраще-
ния пробоев на стенки камеры:
1 — прожектор; 2 — экран токоподро-
дов; 3 — экран прожектора
опускание, наклон и т. д. осуществляются с помощью системы
сервомеханизмов. Высоковольтное питание к пушке подводится
через гибкие шины, которые необходимо экранировать зазем-
ляемым экраном с целью предотвращения пробоев на стенки
камеры (рис. 38). Основные характеристики сварочных электрон-
ных пушек приведены в табл. 11.
Основные узлы
Катоды сварочных пушек. К катоду сварочной пушки предъяв-
ляются чрезвычайно жесткие требования, определяемые небла-
гоприятными условиями его работы.
Процесс электронно-лучевой сварки сопровождается значи-
тельным испарением металла из сварочной ванны. Металлы
с низкой температурой плавления (медь, алюминий и др.), попа-
дая на поверхность катода, образуют при определенных условиях
легкоплавкие летучие эвтектики, что нарушает начальную по-
верхность катода. Оптимальные условия фокусировки электрон-
ного луча изменяются. Если рабочая температура катода ниже
температуры плавления свариваемого металла, то эмиссия като*
да будет спадать.
64

Недостаточно высокий вакуум в процессе сварки — обычно
порядка 10-4 мм рт. ст., а также частая разгерметизация свароч-
ной камеры приводят к интенсивному разрушению поверхности
катода. В таких условиях работы не могут быть использованы
оксидные катоды, наиболее широко применяемые в электроваку-
умном приборостроении.
Для сварочных пушек непригодны и другие эффективные тер-
мокатоды: оксидно-ториевые (на основе двуокиси тория ThO2),
синтезированные (спеченная смесь никелевого порошка и угле-
кислых бария и стронция) и особый тип эффективных катодов,
полученных путем усовершенствования оксидно-бариевых ка-
тодов, так называемые £-катоды.
В большинстве сварочных пушек применяются металлические
катоды, эмиссионная способность которых определяется форму-
лой Дэшмана
j9M = АТ2е~
где jSM — плотность тока эмиссии при рабочей температуре
катода и таком потенциале анода по отношению к ка-
тоду, когда ток эмиссии не увеличивается при повы-
шении этого потенциала, в а!см2\
А — константа, зависящая от металла, в а • см~2град~2;
k — постоянная Больцмана, равная 1,38*10”23 дж* град~1\
Т — абсолютная температура эмитирующей поверхности
катода;
о — эффективная работа выхода электрона из метал-
ла в эв.
Для получения больших плотностей тока выбираются метал-
лы с небольшой работой выхода, допускающие нагрев до высо-
ких температур при сравнительно малой скорости испарения
металла. Наиболее широко распространенные металлы, отвеча-
ющие этим требованиям, — вольфрам и тантал.
В некоторых типах сварочных пушек применяются металло-
подобные лантанборидные катоды (LaB6), обладающие лучшими
эмиссионными характеристиками по сравнению с металлическими
катодами (табл. 12). Но лантанборидные катоды металлизиру-
ются парами металлов с температурой плавления, равной рабо-
чей температуре катода или выше ее, т. е. титаном, молибденом,
вольфрамом и др.
Особый интерес для сварочных электронных пушек представ-
ляют отличные от термоэмиссионных — холодные и газоразряд-
ные катоды.
Перспективна эмиссионная система с полым разрядным ка-
тодом. Внутри полого цилиндра с перфорированными стенками
расположен перфорированный диск, играющий роль управля-
ющей сетки [18]. Поверхность полого катода самоочищм* тсн
5 Ь-2941	65

Таблица 12
Основные термоэммссионные характеристики катодов, применяемых
в сварочных электронных пушках1
Тип катода	Состав эми- тирующего вещества	Температура нагрева в	Электронная эмиссия в а/см*	Удельная мощность накала г/ в ет/сл2	Эффектив- ность не н ма(вт	Эмиссионные постоянные		Срок служ- бы в «
						«р н S6	А в а/(смяХ Хград*)	
Вольфрамо- вый	W	2400 2500 2600 2700	0,12 0,30 0,70 1,60	57,7 69.8 83,8 99,6	2,01 4,26 8,55 16,38	4,52	60		W 10 000
Тори рован- ный воль- фрамовый	W-Th	1700 1800 1900 2000 2100	0,287 0,772 1,59 2,89 3,43	10,6 14,19 18,64 24,04 30,5	27,0 54,4 85,4 120,0 112,4	2,63	3	1 000  '*•
Танталовый	Та	2300 2400 2500	0,25 0,65 1,40	42,23 51,27 62,38	5,91 12,68 22,42	4,12	37	10 000
Лантанбо- ридный	LaBg	1700 1800 1900 2000	1.0 3,0 8,5 25,2	30(1680° К) 40(1850° К)	33 (1680° К) 50 (1850° К)	2,6	29	7-10^ 7000 800 100
Ниобиевый	Nb	2200 2400	0,194 1,33	31,6 44,3	6,14 « 30,0	4,01	29	—
1 Ц а р е в Б. М. Расчет и конструирование электронных ламп. М. — Л.,
ГЭИ, 1961.
в процессе работы за счет бомбардировки газовыми ионами,
благодаря чему на работе катода не сказывается попадание
паров свариваемых металлов.
Конструктивно катоды сварочных электронных пушек выпол-
няются прямонакальными и с косвенным подогревом.
Прямонакальные катоды более просты в изготовлении, по
имеют ряд существенных недостатков. В первую очередь, в пря-
монакальном катоде трудно обеспечить правильную геомет-
рическую форму эмитирующей поверхности. Кроме того, ток,
разогревающий прямонакальный катод, создает значительное
магнитное поле, отклоняющее эмитированные электроны от оси
прожектора. В связи с этим при разогреве катода постоянным
током наблюдается сдвиг оси пучка относительно геометрической
оси прожектора, а при разогреве катода переменным током вслед-
ствие изменения величины и направления магнитного поля круг-
66

лое сечение пучка вырождается в линию. Преимущество катодов
с косвенным подогревом перед прямонакальными в том, что они
имеют более равномерную по поверхности плотность эмиссии
и являются эквипотенциальными.
Несмотря на большое количество конструкций катодов сва-
рочных пушек, этот узел пушек не удовлетворяет требованиям
производства как по стабильности параметров, так и по своей
долговечности. Поэтому работы по созданию пушек с надежными
а) б)	в) г} д)
Рис. 39. Типы катодов сварочных пушек:
а — прямонакальный металлический ленточный катод; б — V-образныЙ прямонпк 1льный
металлический катод; в — лантанборидный катод	с косвенным подо! рсмом; * —
прямоиакальный металлический катод в виде плоской спирали; д ~ катод с косвенным
подогревом электронной бомбардировкой
катодными узлами ведутся в настоящее время во многих иссле-
довательских организациях. В процессе сварки важно обеспечи-
вать работу котода в режиме ограничения тока эмиссии прост-
ранственным зарядом. В этом случае нестабильность питающей
сети, отбор тока, ионная бомбардировка и попадание на поверх-
ность отдельных макрочастиц свариваемого металла меньше
влияют на ток эмиссии.
Температура катода должна быть такой, чтобы ток эмиссии
был несколько больше, чем отбираемый ток пучка. Для этого
при заданном ускоряющем напряжении выбирается такой ток
накала катода, дальнейшее повышение которого уже не приво-
дит к заметному повышению тока пучка.
Различные типы катодов сварочных электронных пушек схе-
матически показаны на рис. 39.
Прожекторы сварочных пушек. Прожектор (эмиссионная си-
стема) сварочной пушки предназначен для ускорения электро-
нов, эмитированных катодом, и формирования их в узкий пучок.
Диаметр пучка на выходе из прожектора — кроссовер отобра-
жается фокусирующими системами на свариваемом изделии.
Чем меньше диаметр кроссовера и угол сходимости пучка, тем
легче получить па изделии минимальное фокальное пятно.
Различают основные параметры прожекторов: компрес-
сия — отношение плотности тока эмиссии с катода к плотности
07

тока в минимальном сечении пучка; полная проводи-
мость — отношение тока пучка к ускоряющему напряжению
в степени 3/г; яркость источника электронов — плот-
ность тока в единице телесного угла. Первые два параметра при-
менимы к мощным прожекторам. Электронная яркость и в боль-
шей степени величина тока в единице телесного угла характе-
ризуют слаботочные прожекторы (токи пучка до 10—20 ма).
Наиболее широкое применение в сварочных электронных
пушках получили прожекторы триодного типа (рис. 40). Первые
два типа прожекторов, показанные па рис. 40, а и б, относятся
к короткофокусным — минимальное сечение пучка располагается
6)	6) г)	д)	е)
Рис. 40. Прожекторы электронных пушек:
а — g — прожекторы малой мощности; д — прожектор сферического типа; в —
прожектор с каскадным ускорением пучка; 1 — катод: 2 — прикатодный элек-
трод; 3 — кроссовер; rf — анод; 5 — электронный луч
либо в плоскости анода, либо вблизи от нее. Прожекторы, пока-
занные на рис. 40, в и г, в зависимости от глубины погружения
катода внутрь фокусирующего электрода, могут формировать
либо слабо сходящийся — длиннофокусный, либо параллельный
пучок электронов. Прожекторы этих типов маломощные (ток
пучка не более 10—20 ма) и применяются в пушках для преци-
зионной сварки и размерной обработки материалов.
В некоторых типах мощных сварочных пушек применяются
прожекторы сферического типа (рис. 40, д).
Для сферического прожектора обычно выбирается отношение
радиусов катодной и анодной сфер R^/Ro = 2,5. Это соотношение
является оптимальным, так как, с одной стороны, позволяет по-
лучить достаточно малые размеры кроссовера, а с другой —
малую апертуру пучка.
Основные параметры прожектора сферического типа опреде-
ляются из соотношения для полной проводимости сферического
прожектора
/п (а)	sin2
иуск	а2
где а2— 1,531 для RKfR = 2,5;
0 — угол сходимости пучка в прожекторе.
(5)
68

Прожектор сферического типа сложен в изготовлении, так как
необходимо точно выдерживать форму прикатодного и анодного
электродов. Поэтому в ряде пушек применяются трехэлектрод-
ные прожекторы, у которых электроды имеют форму простых
цилиндрических или плоских поверхностей. Подбор формы и рас-
стояний между электродами осуществляется с помощью модели-
рования в электролитической ванне.
Путем подачи отрицательного относительно катода потенциа-
ла на прикатодный электрод осуществляется плавное изменение
тока пучка. Характер изменения тока пучка в зависимости от
напряжения между катодом и прикатодным электродом назы-
вается модуляционной характеристикой электронной пушки.
Полностью запирающее пучок напряжение повышается, если
при всех прочих равных условиях: а) увеличивать ускоряющее
напряжение, б) уменьшать расстояние между катодом и прика-
тодным электродом, в) увеличивать диаметр отверстия прика-
тодного электрода, г) уменьшать толщину прикатодного электро-
да, д) уменьшать расстояние между прикатодным электродом
и анодом. Угол сходимости пучка приближенно пропорционален
управляющему напряжению в широком диапазоне управляющего
напряжения. При заданном токе пучка угол его сходимости уве-
личивается с возрастанием расстояния катод — прикатодный
электрод, уменьшением диаметра отверстия в прикатодном элек-
троде и с уменьшением расстояния анод — прикатодный электрод.
Размеры кроссовера при этом уменьшаются [13].
В табл. 13 приведены схемы и параметры трехэлектродных
прожекторов с лантанборидиыми катодами, используемых в уста-
новках типа А.306.02 и А.306.05.
Опыт эксплуатации сварочных пушек показывает практич-
ность применения прожекторов, допускающих перестройку под
вакуумом электронно-оптической системы пушки с целью обеспе-
чения необходимой мощности пучка в широком диапазоне уско-
ряющих напряжений при оптимальном угле сходимости пучка.
Такая перестройка производится обычно с помощью сильфон-
ного сочленения катодного узла пушки с анодом. В сварочных
пушках типа У-3 и У-146 применяется трехэлектродный прожек-
тор с плоскими электродами. Параметры прожектора: диаметр
катода 3—4 мм, диаметр отверстия в фокусирующем электро-
де 7 мм, толщина фокусирующего электрода 1 мм, расстояние
катод — фокусирующий электрод 1,5 мм, расстояние катод —
анод изменяется в пределах 2—5 мм, диаметр отверстия в ано-
де 2—2,5 мм. Прожектор при изменении расстояния катод —
анод в пределах 8—25 мм позволяет получить пучок с током
500 ма в диапазоне ускоряющих напряжений 15—30 кв.
Большим сроком службы катода отличается прожектор,
предложенный Э. Басом. Положительные ионы, образующиеся
в результате ионизации остаточных газов, ускоряются в обла-
69

Таблица 13
Параметры трехэлектродных прожекторов с лантанборидными катодами
сти катод — анод и распыляют катодный материал. В резуль-
тате нарушения исходной поверхности катода происходит ухуд-
шение фокусировки пучка и уменьшение отбираемого тока. За-
щита катода от ионов путем искривления пучка за плоскостью
анода недостаточно эффективна, так как значительное число
ионов образуется в области катод — анод.
70

В прожекторе Э. Баса (рис. 41) искривление траектории
электронов осуществляется непосредственно в области катод —
анод. Электростатическое поле в прожекторе сепарирует поло-
жительные ионы, которые следуют вдоль траекторий, показан-
ных на рисунке пунктирными линиями, и не попадают на по-
верхность катода. Искривление траекторий электронов проис-
ходит за счет того, что плоскости катода и анода непараллель-
ны, причем плоскость анода составляет определенный угол
с горизонтальной плоскостью. Геометрия электродов рассчиты-
вается таким образом, что траектория электрона за плоскостью
анода совпадает с осью фокусиру-
ющей системы.
Прожектор Э. Баса отличается
также применением катода, вы-
полненного в виде штыря и разо-
греваемого электронной бомбар-
дировкой. Торец штыря наплав-
ляется танталом, который и явля-
ется эмитером. Режим работы
катода (U „ = 3,2 в, Uбомб = 400 в,
U бомб =• 38 вт, Wo6tu = 47 вт.
Тк = 3000° К) стабилизируется с
помощью магнитного усилителя.
При ускоряющем напряжении
25 кв отбираемая с катода плот-
ность эмиссии составляет 20 а/см2.
В таком режиме работы срок
службы катода составляет 8 ч и
определяется скоростью испаре-
ния материала катода. При рабо-
чей температуре катода порядка
2500° К срок службы катода со-
Рис. 41. Электронный прожектор
Э. Баса с металлическим штыре-
вым катодом:
1 — катодный электрод; 2 — вольфра-
мовая пить; 3 — траверсы; 4 — экран;
5 — танталовый эмитер; 6 — прикатод-
ный электрод; 7 — траектории положи-
тельных ионов; 8 — анод; 9 — траекто-
рия электронов пучка
ставляет несколько сотен часов.
Штыревой катод может использо-
ваться для разогрева массивного
металлического эмитера в виде
шайбы. В этом случае возможно
формирование пучков электронов
с током 1 а и выше.
Кратко остановимся на вопро-
сах пробоя вакуумных промежутков — катод — фокусирующий
электрод и фокусирующий электрод — анод. Известно, что меж-
электродные пробои в прожекторе недопустимы, так как они
ведут к самопроизвольному увеличению тока пучка, резкому от-
ключению ускоряющего напряжения и, как следствие, прожогам
металла и выплескам из сварочной ванны.
Пробой в высоком вакууме во многом определяется состояни-
71

ем поверхностей электродов — недостаточно чистой обработкой»
загрязненностью, окисными пленками, парами мъела и т. д. Про-
бой облегчается в случае наличия направленного газовыделения
из сварочной ванны или из самого анода (при попадании на него
пучка электронов). Повышение температуры электродов для
таких широко применяемых материалов, как нержавеющая сталь»
Рис. 42. Сварочная электронная пушка
с системой отклонения пучка после
ускоряющего электрода:
/ — свариваемое изделие: 2—экран; 5 —
оптическая система наблюдения; 4 — си-
стема юстировки; 5 — электронный про-
жектор; 6 — система отклонения электрон-
ного пучка; 7 — к вакуумному насосу; 8 —
вакуумный затвор пушки; S— фокусиру-
ющая линза; 10—отклоняющая катушка;
11— к вакуумному насосу; 12—механизм
перемещения свариваемого изделия
медь, никель и др., также спо-
собствует возникновению про-
боев.
Как показали исследования»
электрическая прочность раз-
рядного промежутка увеличи-
вается с повышением механи-
ческой прочности материала
анода и линейно растет с уве-
личением модуля упругости.
Оказывается, что напряжение
пробоя при одинаковых услови-
ях увеличивается для следую-
щего ряда материалов: С, А1»
Си, Fe, Ni, Мо, W.
Предполагается, что рентге-
новское излучение в разрядном
промежутке сопутствует про-
бою, но не является его причи-
ной. Авторы работы [12] счита-
ют, что разность потенциалов»
вызывающая пробой, пропор-
циональна величине разрядно-
го промежутка в степени ’/г-
Зачастую для обеспечения
стабильного высокого вакуума
в области прожектора свароч-
ной пушки прибегают к диффе-
ренциальной откачке из обла-
сти катод — анод с помощью
специальной вакуумной си-
стемы.
При сварке легкоиспаряю-
щихся металлов и сплавов
(бериллия, латуни, сплавов
алюминия и др.) облегчаются
условия пробоя разрядных про-
межутков. Наиболее эффектив-
ный метод борьбы с этим явлением применен отделением Га миль-
тон Стандарт фирмы Юпайтед Аэркрафт (США). Метод заклю-
чается в значительном искривлении электронно-оптической систе-
72

мы пушки (рис. 42). Прожектор пушки наклонен относительно
вертикальной оси на угол порядка 20—30°, а пучок электронов
совмещается с осью фокусирующей системы с помощью откло-
няющих катушек. Пары металлов не попадают в область про-
жектора, а оседают на наружной плоскости анодного блока, что
в сочетании с дифференциальной откачкой из области прожек-
тора обеспечивает надежную работу пушки.
Одним из способов повышения эксплуатационной электриче-
ской прочности сварочной пушки является прогрев ее корпуса,
повторяемый после каждого ремонта пушки и периодически
в процессе ее работы. Прогрев служит для удаления с поверх-
ностей корпуса пушки летучих продуктов крекинга масла и
влаги, в значительной степени способствующих развитию про-
боев. Прогрев пушки можно производить за счет теплового из-
лучения с катода при отключенной системе водяного охлажде-
ния, путем пропускания по охлаждающим каналам пушки горя-
чей воды или воздуха и т. д. Чем выше температура подогрева
пушки, тем быстрее полнее очищаются внутренние поверхности
пушки. В случае, если в пушке используются уплотнения из высо-
ковакуумнбй резины, температура нагрева, естественно, ие долж-
на превышать 70—80° С.
Фокусирующие системы. Принцип фокусировки пучков элек-
тронов с помощью магнитных линз широко применяется в раз-
личных электронно-лучевых приборах.
Для получения уменьшенного изображения могут использо-
ваться только «тонкие» магнитные линзы, т. е. длина которых
существенно меньше диаметра. Напряженность магнитного поля
на оси линзы будет отличной от нуля на сравнительно малом
отрезке. По аналогии со световой оптикой
где f — фокусное расстояние линзы;
а — расстояние кроссовер — линза;
Ь — расстояние линза — изделие.
Для катушек без железного панциря соотношение между фо-
кусным расстоянием линзы и числом ампер-витков катушки IW
определяется следующим выражением:
(/Г)2 = D ; 97/? < D < 1107?,	(6)
где R — средний радиус обмотки;
D — параметр катушки.
Увеличение магнитной линзы аналогично увеличению тонкой
стеклянной линзы:
м =
а
(7)
73

Обычно фокусирующая катушка сварочной пушки помеща-
ется в панцирь из армко-железа с толщиной стенок 5—10 мм.
Экран уменьшает поля рассеяния катушки, концентрирует эф-
фективное магнитное поле в относительно узкой области, благо-
даря чему уменьшается необходимое для фокусировки число
ампер-витков. Дальнейшая концентрация поля достигается ис-
пользованием полюсных наконечников.
Отклоняющие системы. Магнитные отклоняющие системы ис-
пользуются для направления луча на стык свариваемых кромок,
развертки его при сварке кольцевых швов в горизонтальной
плоскости, а в некоторых сварочных пушках и для юстировки
электронно-оптической системы.
Обычно в пушках используется четырехполюсная, реже —
шестиполюсная отклоняющая система, т. е. попарно соединенные
плоские катушки, расположенные по образующим условного
цилиндра с диаметром d.
Число ампер-витков пары катушек, необходимое для откло-
нения пучка электронов с энергией С/^на угол 0, определяется
известным соотношением
IW = 2,65	sin 0.	(8)
Например, для катушки с внутренним диаметром d = 60 мм
и шириной I = 60 мм при энергии электронов 50 кэв максималь-
ное отклонение пучка на О = 15° достигается при Г№ = 160 ам-
пер-витков.
Витки обмотки в катушке распределяются так, чтобы система
создавала однородное магнитное поле, способное отклонить
пучок без искажения его формы. Функция плотности ампер-вит-
ков катушки на единицу угла а (угол ос отсчитывается в плос-
кости поперечного сечения катушки от оси намотки) имеет вид
/ cos а« (9)
т. е. плотность намотки максимальна по краям катушек и убы-
вает к середине по косинусоидальному закону.
Обычно каждая из катушек разбивается на несколько секций,
причем число витков в секциях возрастает к краям катушки
приблизительно по косинусоидальному закону, а в центре катуш-
ки остается незаполненное витками пространство.
Отклонение луча с минимальным искажением происходит
в том случае, когда несоприкасаюшиеся края катушек отгиба-
ются наружу (для исключения краевых эффектов), а длина
катушки несколько превышает ее диаметр.
Так как поля рассеяния отклоняются катушки, проникая
в область аксиально-симметричного фокусирующего ноля, могут
74

вызывать значительные аберрации пучка, необходимо отклоня-
ющую систему несколько удалять и экранировать от фокуси-
рующей системы пушки.
Расчет электронно-оптической системы сварочной пушки
Максимальная удельная мощность в плоскости свариваемого
изделия и минимальный угол сходимости пучка —основные тре-
бования, которые необходимо выполнять при расчете электрон-
но-оптической системы сварочной электронной пушки.
В общем случае максимальная величина удельной мощности
в электронном пучке может ограничиваться следующими фак-
торами:
1)	разбросом начальных скоростей эмитированных катодом
электронов;
2)	влиянием пространственного заряда электронов в пучке;
3)	аберрацией электронно-оптической системы.
Рассмотрим, как влияют эти факторы на параметры пучков
в сварочных электронных пушках.
Тепловые скорости электронов. При предположении, что на-
чальные скорости термоэлектронов распределены по закону
Максвелла, наиболее вероятная кинетическая энергия эмитиро-
ванных электронов будет равна
ЬТ Т	/тлч
е~ е “11 600	ДО)
где Т — абсолютная температура эмитирующей поверхности ка-
тода в °К;
е — заряд электрона 6 • 10~19 кулон.
Из известного уравнения Ленгмюра для плотности тока
в кроссовере
(П)
При 1, sin2 сю —«о и принимая за радиус кроссовера
расстояние от оси пучка до линии окружности, где плот-
ность тока спадает в е = 2,718 раз по отношению к плотности
тока на оси пучка, получим
^кр — Ккат
(12)
Из уравнения (11) следует, что плотность тока на оси в крос-
совере пучка принципиально ограничена эффектом тепловых ско-
и зависит от соотношения
Влияние пространственного заряда. Концентрация электрон-
ного потока в общем случае приводит к увеличению кулонов-
ских сил расталкивания электронов в пучке. Эти силы должны

сказываться в пространстве, свободном от поля, на участке фо-
кусирующая линза — изделие и, в большей степени — вблизи
изделия, где плотность тока наибольшая.
Однако расчеты минимального сечения с учетом пространст-
венного заряда в пучке, например, по Г. Вендту
Гф,п = R ехр — 3,3 • 10“5«2
уск
'п
(13)
или по приближенному уравнению Холлвея для оптимально
управляемого пространственным зарядом цилиндрического пуч-
ка электронов (0,05 R < г ф.п< 2,0 R)
(14)
\ /	\ уск/
(где R — радиус пучка на выходе из магнитной линзы) дают
заведомо завышенные результаты.
Например, при параметрах пучка UycK = 20 000 в, =
= 200 ма, R = 5 мм и Ь = 240 мм выражение (14) дает величину
—1,11, откуда Г/чл 5,5 мм, в то время как по эксперимен-
тальным данным величина Гф.п = 0,6ч- 0,8 мм.
Отсюда можно сделать вывод о невозможности правильной
оценки поведения электронного пучка сварочной пушки без уче-
та нейтрализации пространственного заряда пучка ионами. Мож-
но предположить, что в процессе электронно-лучевой сварки при
вакууме 10~4—10"6 мм рт. ст. и сильном направленном газовыде-
лснии из сварочной ванны имеет место значительная ионизация
газов пучком электронов.
Положительные газовые ионы накапливаются по оси пучка
и нейтрализуют отрицательный пространственный заряд, созда-
ваемый первичными электронами. Уход ионов из области анод —
изделие на катод затруднен ввиду малого осевого градиента
потенциала в пучке. Уходом ионов на стенки также можно пре-
небречь.
Число ионов п+, образованных пучком электронов с током 1п
на длине 1 см в газе при давлении р мм. рт. ст. за время t, будет
n+ = ^tpe,	(15)
где е — относительная ионизация, т. е. число пар ионов, образо-
ванных первичным электроном на 1 см пути при давле-
нии 1 мм рт. ст. (рис. 43).
Отрицательный пространственный заряд создается электро-
нами, плотность которых
»-=А,	(16)
где ve — скорость электронов, ve— 6 • Ю7 yuutx см/сек.
7Ь

Пренебрегая рекомбинацией заряженных частиц и считая,
что уход ионов из пучка на катод и стенки мал, можно принять,
что пространственный заряд будет нейтрализоваться, если п+ =
= л“. Минимальное время, за которое произойдет нейтрализа-
ция, равно
(17)
Рис. 43. Относительная иони-
зация (число пар ионов, обра-
зованных первичным электро-
ном на 1 см пути при давлении
1 мм рт, ст.) в зависимости от
энергии первичного электрона
,	1	0,0169 г
*mln = Г- =-----сек.
pt V иуск
Для реальных условий, имеющих место при электронно-луче-
вой сварке с помощью низковольтных пушек (вакуум порядка
5 - 1СН лж рт. ст., ускоряющее на-
пряжение 3  104 в), относительная
ионизация равна 0,5 и /щщ ~
— 5 • 10-6 сек (рис. 43). Но так
как длительность импульса тока
при сварке в импульсном режиме
обычно не менее 5- 10~3 сек, то
можно предположить, что в про-
цессе электронно-лучевой свар-
ки происходит полная компенса-
ция пространственного заряда в
пучке. Пространственный заряд
в сварочной пушке не ограни-
чивает минимальных размеров
пучка.
Пространственный заряд в
прикатодной области, как пока-
зывают экспериментальные дан-
ные, не компенсирован ионами из-за их быстрого ухода на катод.
Влияние пространственного заряда на формирование пучка в при-
катодной области может выражаться в изменении поля прика-
тодной линзы — увеличивается кривизна эквипотенциальных по-
верхностей в области между катодом и прикатодным электродом
и несколько уменьшается кривизна эквипотенциальных поверх-
ностей между прикатодным электродом и анодом. Эти факторы
должны учитываться при расчете и моделировании прожектора
пушки.
Влияние аберраций. При нарушении симметрии вращения
электронно-оптической системы невозможно стигматическое (то-
чечное) изображение кроссовера в плоскости свариваемого пред-
мета, в связи с чем ошибку юстировки называют осевым
астигматизмом.
С целью уменьшения ошибки юстировки необходимо доби-
ваться геометрической правильности (симметрии вращения)
электродов, обмоток линз и магнитопроводов. Особенно важное
значение имеет обеспечение коаксиальности электродов и линз,
для чего большинство конструкций сварочных электронных
77

пушек имеет специальные системы юстировки прожектора отно-
сительно остальной электронно-оптической системы.
Недопустимо расположение вблизи оси электронно-оптиче-
ской системы пушки (в пределах до 100 мм) несимметричных
масс магнитных материалов. Наоборот, специальное нарушение
аксиальной симметрии поля в фокусирующих системах является
способом борьбы с астигматизмом в случае его наличия.
Устройства для борьбы с осевым астигматизмом называются
стигматорами. В простейшем случае это железные винты, ввин-
чивающиеся в кольцо из немагнитного материала. Эксперимен-
тально подбирают такое положение винтов, при котором кроссо-
вер пучка в большей степени отображается в плоскости изделия
в точку. В сложных стигматорах (секторных) используются сек-
торные электроды с независимым питанием или набор попарно
навстречу друг другу включенных торцовых безжелезных элек-
тромагнитов.
В сварочных электронных пушках из аберраций третьего по-
рядка наиболее неблагоприятна сферическая аберрация. Прелом-
ляющее действие аксиально-симметричного электрического или
магнитного поля на крайние лучи центрального пучка сильнее,
чем на близкие к оси. В результате этого вместо точечного
изображения, получаемого в случае пучка параксиальных траек-
торий, в реальной сварочной пушке в плоскости пересечения
электронов возникает так называемый кружок рассеяния с ради-
усом Дг^, пропорциональным кубу угла сходимости пучка на
изделии (щ).
Поэтому реально достижимый диаметр пучка в плоскости
изделия увеличивается на величину кружка рассеяния сфери-
ческой аберрации, т. е. сферическая аберрация непосредственно
увеличивает размеры фокального пятна, а следовательно, умень-
шает удельную мощность в пучке.
Если кроссовер пучка проектируется на плоскость сваривае-
мого изделия магнитной линзой, свободной от сферической абер-
рации, то радиус пучка на изделии равен
/*1 — Affкр — С кат 1 /	»	0^)
|/ иуск а1
где М —увеличение линзы;
«1 — апертура пучка на изделии.
Если электроны не имеют тепловых скоростей, но линза обла-
дает сферической аберрацией, тогда радиус пучка на изделии
равен
r2 = (Af + 1 )4 Ссф^,	(19)
где Ссф—коэффициент сферической аберрации фокусирующей
ЛИНЗЫ.
78

В реальном случае радиус фокального пятна можно предста-
вить следующим образом [17]:
Гф. п =	+	.
(20)
Исходя из того, что радиус фокального пятна имеет мини-
^гф п
мальное значение, когда = 0, оптимальные условия фо-
кусировки пучка электронов определяются следующими усло-
виями:
1
м +1
— 0,87
кат \ е I
^сфиуск
ф. п)опт — 1,33 (Af -f- 1)
(21)
(22)
Удельная мощность, достигаемая в плоскости фокального
пятна:
= 0,43 щ-.-пг
w лг2	»	(Л1 4- 1)в
ф. п
п уск
(23)
Отсюда несложно получить, что в одной и той же электронно-
оптической системе одинаковая плотность мощности для двух
пучков с параметрами /пь Uyct( i и /п 2, UVCk2 достигается в том
случае, если

т. е., если уменьшить ускоряющее напряжение в 3 раза, то для
сохранения одинаковой удельной энергии необходимо увеличить
ток пучка в 2187 раз, что выходит за пределы технических воз-
можностей.
Однако из того же выражения (23) следует, что сохранение
одинаковой удельной энергии возможно, если удовлетворяется
соотношение
}кат 1 Чкат 2 — ^уск 2^иск 1
Например, плотность мощности, которая достигается в элект-
ронно-оптической системе с параметрами Uуск i =• 100 кв, jKami =
— 1 а)см2, может быть получена в пушке при t/^2 = 30 кв,
I кат 2 ~ 16—17 d/СМ2.
79

Если задаться величиной фокального пятна, то удельная мощ-
ность в нягне
№ф. п — 0,47 ——ф‘п	U2cJKam
(24)
В этом случае плотность мощности, которая достигается
в электронно-оптической системе с параметрами UycK — 100 кв,
]кагп =’ 1 а!см\ может быть получена при 0уСк = 30 кв, j кат —
= 10 а/см2.
Таким образом, существует два принципиально отличных
пути достижения высокой удельной мощности в пучке.
Первый путь — использование высоких ускоряющих напря-
жений (100—200 кв) в электронно-оптических системах с обыч-
ными металлическими катодами. Основной недостаток высоко-
вольтной аппаратуры — необходимость создания надежной за-
щиты операторов от жесткого рентгеновского излучения.
Другой путь — разработка низковольтных (Uyc*— 30 кв)
электронно-оптических систем с применением эффективных (на-
пример, лантанборидных) или металлических эмитеров с элект-
ронной бомбардировкой при высокой плотности тока эмиссии.
Из выражения (24) следует, что если величина фокального
пятна предопределена, удельная энергия в нем обратно пропор-
циональна рабочей температуре катода
^.п(Л) _Т2
Кф.пСГ*) Л
гф.п. ~ const
Таким образом, замена лантанборидного катода (рабочая
температура 1900° К) вольфрамовым (рабочая температура
2500° К) при прочих равных условиях приведет к снижению
уделыюй мощности в пятне нагрева на 25%. Меньше снижается
удельная энергия в пятне, если предопределен ток пучка. В со-
ответствии с выражением (23)
Л(Л)
/п = const
Коэффициент сферической аберрации магнитной линзы зави-
сит от параметров немагнитного зазора линзы — ширины S за-
зора и его диаметра D = 27?, а также от рабочего расстояния
магнитной линзы (за рабочее расстояние магнитной линзы при-
нимаем отрезок Ь между изделием и средней плоскостью линзы).
Удается связать параметр Ссф!$ исследуемой линзы при за-
данном увеличении М и длине рабочего отрезка b с аналогичным
параметром, отнесенным к фокусу фиктивной линзы, фокальная
плоскость которой совпадает с плоскостью изображения z = Ь
80

исследуемой линзы, т. е. М = 0 (геометрия немагнитного зазора
одинакова) [4]:
Ссф (б, М) _ Ссф
R ~~ R
М=0
г=Ь
(1 +Л4).
(25)
На рис. 44, а дана зависимость величины ССф!К от отношения
b/R для линзы с М = 0 при соотношении ширины и диаметра
немагнитного зазора S/D =
0,2; 0,6; 1,0; 2,0. Эта зависимость по-
лучена из работы [22]. Используя
данные рис. 44, а и выражение
Рис. 44.
Зависимости Ссф/К от bfR(a): I — S/D — 0,2; 2—S/D “0,6; 3— S/D = 1; 4— S/D—2,0:
зависимость сферической аберрации магнитной линзы с параметрами немагнитного зазора
S=D = 40 jhjm от рабочего расстояния магнитной линзы (б); ] — а — 150 мм; 2 — М “ О
(25) , несложно получить зависимость коэффициента сферической
аберрации магнитной линзы с параметрами S = D — 40 мм и
а = 150 мм от расстояния b между средней плоскостью линзы
и плоскостью свариваемого изделия (рис. 44,6).
Соотношение величин ширины и диаметра немагнитного за-
зора, равное 1, соответствует малому числу ампервитков обмот-
ки линзы, необходимых для достижения заданного фокусного
расстояния линзы, при малом коэффициенте сферической абер-
рации линзы.
Электроны в пучке сварочной пушки приобретают различные
скорости из-за разброса начальных скоростей, пульсации и не-
стабильности ускоряющего напряжения, что вызывает так назы-
ваемую хроматическую аберрацию.
Так как преломляющая способность фокусирующей магнит-
ной линзы зависит от скорости электронов [см. формулу (6)], то
электроны различных энергий фокусируются на различных рас-
стояниях от средней плоскости линзы. Ближе к ней пересекают
оптическую ось те электроны, которые обладают меньшей энер-
гией. Поэтому в плоскости, в которой фокусируются электроны
6 5-2941

с энергией, соответствующей номинальному напряжению, полу-
чается кружок рассеяния
/ДО, Д/Д
U цск
хр —

где Схр — постоянная хроматической аберрации положения;
А (У
-- — относительная нестабильность высоковольтного пита-
Ууск
ющего устройства;
Л/
— — относительная нестабильность источника тока, пита-
/ м
ющего магнитную линзу.
Рис. 45.
Зависимость CxpjR от b/R(о):	1 —S/O-0.2; 2 — S/D - 0.6; 3 — S/Z) - I; 4— S/D = 2;
зависимость коэффициента хроматической аберрации магнитной линзы с параметрами
немагнитного зазора S = D — 40 мм от рабочего расстояния линзы (б); 1 — а = 150 леи;
2 — М ~ о
Значения коэффициента хроматической аберрации приведены
на рис. 45, а для линзы с М = 0. Для большого диапазона значе-
ний рабочего расстояния b Скр— b независимо от соотношения
Рис. 46. Расчетные зависимости
оптимальных значений радиу-
са фокального пятна гф п (1 )
апертуры пучка до магнитной
линзы (3) и на изделии аг
(2) и удельной мощности в
пучке в плоскости фокального
пятна ф^п. (4) от рабочего
расстояния магнитной линзы.
Параметры пучка U цск =
— 30 кв\ 1п = 500 ма\
S = D — 40 мм; а = 150 мм;
Тк - 190(Р к
S/D линзы. Коэффициент хроматической аберрации линзы при
заданном увеличении М равен
Схр \m+o=U+M)*CXp |^=о.
Зависимость коэффициента хроматической аберрации маг-
нитной линзы 5 = D = 40 лш и а = 150 мм от рабочего расстоя-
ния b приведена на рис. 45, б.
«2

Выражение (26) позволяет найти стабильность питающих
устройств, при которой возможно достижение определенного зна-
чения кружка рассеяния хроматической аберрации.
Например, для случая I) уск = 30 кв, /л « 500 ма, а = b —
= 150 мм, S/D = 1, R = 20 мм, Сс«,— 4000 из выражений(18), (19)
и (21) получаем? ai.onm = 1,45* 10-2, г2 = Дгг</> = 0,2 мм, rL =
= Гф.п,тепл = 0,324 мм и г п = 0,38 мм (рис. 46). Кружок рассея-
ния хроматической аберрации не приводит к существенному уве-
личению фокального пятна для данного случая при ДггР<С0,1 мм
(Гф.пу/ 0,04 + 0,105 + 0,01 — 0,39 лш). Отсюда, учитывая выраже-
ние (26), при «1 = 1,45-10-2, CxrJ = 560 получаем
уск о м
U “ z ~Г
уск	м
1,45
О Л________
1(Г~2 • 560
^1,25 %-
Достижение высокой стабильности источника питания маг-
нитнои линзы не представляет оольшого труда — обычно —— =
* м
=0,01 % ~0,10%. Стабильность ускоряющего напряжения долж-
на составлять около 1 %.
Контроль размеров электронного луча и процесса сварки
При настройке аппаратуры перед сваркой оператор фокуси-
рует луч и подбирает режим сварки визуально, путем наблюде-
ния через смотровые окна или оптические системы. Поэтому во
многом результаты электронно-лучевой сварки зависят от уме-
ния оператора управлять процессом.
Разработке оптических систем для контроля размеров элект-
ронного луча и ведения процесса электронно-лучевой сварки уде-
ляется большое внимание, но, к сожалению, применяемые в мощ-
ных сварочных пушках оптические системы пока еще несовер-
шенны, так как не решена задача защиты элементов оптики от
интенсивной металлизации и, как следствие, от их затемнения.
Нет также удовлетворительной защиты от металлизации
смотровых окон установок. Обычно окна удаляются па значи-
тельное расстояние от сварочной ванны, что само по себе ухуд-
шает наблюдение за процессом сварки. Используются сменные
и поворотные защитные экраны из тонкого листового стекла или
оргстекла (в последнем случае напыленный металл хорошо
смывается ацетоном). При условии обеспечения достаточно
большого поля зрения мало защищает от металлизации окон
оптический обтюратор — затвор, периодически открывающий све-
товой канал.
В пушках для прецизионной сварки ввиду малой металлоемко-
сти сварочной ванны процесс металлизации оптики идет сравни-
тельно медленно. Поэтому защита оптики от металлизации смен-
ными или поворотными экранами из оптического стекла и кварца
6*	83

оказывается достаточно эффективной. Наибольшее распростра-
нение в этих пушках получили оптические системы с увеличением
до X 100, встраиваемые в пушку вдоль ее оси (рис. 42). Элект-
ронный пучок проходит в этом случае сквозь отверстия в эле-
ментах оптической системы.
Подобные оптические системы являются наиболее совершен-
ными, однако применение их в мощных сварочных пушках еще
не осуществлено.
В последнее время для визуального контроля процесса элект-
ронно-лучевой сварки при сравнительно больших режимах (мощ-
ность в пучке достигает нескольких киловатт) предложен ряд
сравнительно простых приборов. Оптический узел защищается от
металлизации с помощью тонкой трубки, ось которой наклонена
к плоскости изделия под углом 30—60°. Прибор вводится через
сильфонное или резиновое уплотнение в вакуумную камеру, что
улучшает условия обзора.
Визуальное измерение размеров фокального пятна луча, осо-
бенно на фоне сварочной ванны, затруднительно. Поэтому при
исследовании влияния параметров процесса электронно-лучевой
сварки па характеристики сварпых соединений, при отработке
электронно-оптических систем сварочных пушек и т. д. необходи-
мо непосредственно измерять размеры электронного луча.
Из большого количества методик исследования электронных
пучков применительно к сварочным пушкам пригодны методы
вращающегося зонда, калибровочного отверстия и камеры-обс-
куры, остальные — приемлемы только при исследовании мало-
мощных пучков.
Вращающийся зонд пригоден для измерения в широком ин-
тервале значений плотности тока и мощности электронных пуч-
ков с любой формой поперечного сечения. Недостаток этого ме-
тода в том, что невозможно точно исследовать пучок, размеры
поперечного сечения которого сравнимы с диаметром зонда.
Исследование состоит в том, что тонкий вращающийся зонд,
пересекая пучок электронов перпендикулярно его оси, забирает
на себя часть тока. Этот ток создает на сопротивлении, соеди-
няющем зонд с землей, соответствующее падение напряжения,
регистрируемое осциллографом. По количеству временных меток
осциллографа, укладывающихся в импульсе, можно судить о диа-
метре пучка dn
dn = 2*-r "yr  d-зу
где г — расстояние от оси вращения зонда до оси пучка;
т и Т — соответственно длительность импульса и период враще-
ния зонда, отсчитываемого на экране осциллографа по
количеству меток;
d9—диаметр зонда.
В приборе ИЭС им. Е. О. Патона АП УССР для исследования
84

пучков сварочных пушек зондом служит вольфрамовая проволоч-
ка диаметром 0,2—0,3 мм, закрепленная на вращающемся диске.
Диск насажен на вал электромотора с большим числом оборотов
(порядка 10 000 об!мин) через изолирующую втулку. Импульс
тока передается через шарикоподшипник, закрепленный на изо-
лированном от корпуса мотора фланце. Вся система вместе
с электромотором с помощью специальной передачи может пере-
Рис. 47, Измерение диаметра пучка электронов с помощью камеры-обскуры;
а — схема прибора; 1 — пучок электронов; 2 — свинцовая диафрагма; 3 — экран; б —
внешний вид прибора: 1 — корпус; 2 — место расположения диафрагмы; 3— место рас-
положения экрана; 4—механизмы перемещения прибора относительно пучка
мещаться внутри вакуумной камеры параллельно оси пучка
электронов.
Диаметр пучка отсчитывается на определенном уровне ампли-
туды импульса (например, 80%, 50% и т. д.). Форма зондовой
характеристики при сфокусированном в плоскости зонда пучке
электронов — пикообразная, с довольно узкими фронтами. При
несфокусированном или широком пучке форма импульса стано-
вится ближе к П-образной.
Измерение диаметра фокального пятна луча сварочной элект-
ронной пушки с помощью камеры-обскуры основывается на том,
что пятно является непосредственным источником рентгеновских
лучей. Прибор для измерений достаточно прост (рис. 47). В свин-
цовой ширме толщиной—1,5 мм сделан канал, имеющий форму
двух конусов, сходящихся своими вершинами и имеющих общую
ось. Конические углубления сообщаются между собой отверсти-
ем с диаметром ~ 0,2 мм. Канал в свинцовой ширме играет роль
фотообъектива, с помощью которого на экране, покрытом вилле-
85

митом, получается изображение фокального пятна исследуемого
электронного луча.
Диаметр фокального пятна &/>.п при величине изображения
на экране D (диаметр апертуры da) равен .
где /2и li— расстояния между ширмой и экраном и между шир-
мой и плоскостью фокального пятна соответственно.
Таким образом, путем подбора расстояний /2 и 1} удается до-
стичь необходимого оптического увеличения системы, которое,
однако, не может быть сделано беспредельно большим из-за
падения яркости изображения на экране. Обычно, центральная,
наиболее яркая часть изображения оказывается окруженной сла-
бее светящимся ореолом. Диаметр ореола и интенсивность его
свечения увеличиваются при повышении ускоряющего напряже-
ния до 40—50 кв, так как при этом тонкие кромки отверстия шир-
мы оказываются прозрачными для жесткого излучения, облада-
ющего большой проникающей способностью.
Если плоскость экрана камеры-обскуры параллельна плоско-
сти фокального пятна, удается получить изображение пятна без
искажения его формы.	•
Метод измерения диаметра фокального пятна с помощью ка-
меры-обскуры применим при сравнительно небольших плотно-
стях энергии в пятне и особенно при сварке тугоплавких материа-
лов. При этом электронный луч не внедряется в толщу металла
и фокальное пятно — источник рентгеновского излучения — не
перекрывается стенками кратера. Наоборот, при сварке с внед-
рением пучка в металл пользоваться камерой-обскурой можно
только во время вывода луча на мишени из тугоплавких метал-
лов, используемые для фокусировки электронного пучка в на-
чальный момент сварки.
Оценка диаметра пучка в плоскости фокального пятна с по-
мощью калибровочного отверстия осуществляется следующим
образом. Электронный луч фокусируется на массивную мишень
из меди или молибдена, в которой высверлен ряд глубоких от-
верстий различного диаметра от 0,5 до 1,5—2 мм. Одновременно
с фокусировкой пучка в канале калибровочного отверстия про-
изводится измерение вторичной электронной эмиссии с мишени
на коллектор. В том случае, когда пучок полностью проходит
в канал отверстия, коллекторный ток минимальный. Таким
образом удается оценить полный диаметр пучка (100% тока)
в плоскости фокального пятна и подсчитать усредненную плот-
ность энергии в нем.

III. СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ СВАРОЧНОЙ
электронной пушки
*
Требования к системе
Система электропитания сварочной пушки включает высоко-
вольтный источник ускоряющего напряжения с цепями питания
катода и источники тока фокусирующей и отклоняющей систем
пушки (см. рис. 12).
В большинстве установок обеспечивается возможность свар-
ки пучком электронов с постоянной или импульсномодулирован-
ной величиной тока. Обычно установки для прецизионной сварки
и размерной обработки имеют системы программного управления
режимами процесса и перемещением электронного луча.
Ввиду того что электронно-лучевая сварка внедренным лучом
характеризуется малым временем установления равновесно-
го состояния сварочной ванны, даже кратковременные измене-
ния параметров процесса (тока луча, ускоряющего напряжения,
тока магнитной линзы или скорости сварки) вызывают сущест-
венное изменение глубины, ширины и формы проплавления.
Оператор не успевает осуществлять корректировку параметров
процесса электронно-лучевой сварки в случае нестабильности
питающей сети, в которой допускаются колебания в пределах
(—IO-f-4-5) Vo-
Для того чтобы обеспечить стабильность параметров проплав-
ления при электронно-лучевой сварке, необходимо в первую оче-
ред добиться стабильности удельной мощности в пучке на изде-
лии при общей постоянной мощности пучка.
Выше отмечалось, что фокусное расстояние магнитной фоку-
сирующей линзы при постоянном токе подмагничивания зависит
от ускоряющего напряжения [см. формулу (6)]. Поэтому колеба-
ния ускоряющего напряжения приводят к изменению диаметра
пучка, а следовательно, и удельной мощности в пучке в плоско-
сти изделия, ввиду чего происходят колебания глубины проплав-
ления. Аналогично изменяется плотность мощности в пучке на
изделии вследствие колебания тока магнитной линзы при посто-
янном ускоряющем напряжении.
Во многих случаях для совмещения луча со стыком сваривае-
мых изделий используются магнитные отклоняющие системы.
Как следует из выражения (8), угол отклонения пучка при посто-
янном токе отклоняющей катушки зависит от ускоряющего
87

напряжения. Поэтому при изменении ускоряющего напряжения
относительно заданного значения в процессе сварки может про-
исходить смещение луча с кромок изделия.
На рис. 48, а и б приведены экспериментальные зависимости,
полученные для низковольтной сварочной пушки типа У-146 и по-
зволяющие обосновать требования к стабильности параметров
питания аппаратуры со сравнительно большим углом сходи-
мости электронного луча. Применительно к сварочным пушкам
с малым углом сходимости пуч-
ка требования к стабильности
источников питания менее же-
сткие.
Рис. 48. Относительное изменение глубины проплавления при изменении тока
пучка ускоряющего напряжения &UtJCKt и тока магнитной линзы для
сварочной пушки типа У-146 (а); изменение величины отклонения пучка маг-
нитной отклоняющей системой от первоначального положения при изменении
ускоряющего напряжения для различных углов отклонения (б);
1— 1М “45 мег, 2—36 ма- 3 — 26 ла; 4 — 17 ма; 5— 6.0 ма
Как следует из рис. 48, а, для постоянства глубины проплав-
ления источник питания магнитной линзы должен обладать ста-
бильностью не ниже долей процента. Поэтому, как правило,
магнитные линзы питаются от стабилизаторов тока, обеспечива-
ющих стабильность 0,1—0,01 %.
Изменение ускоряющего напряжения в пределах 4% при-
водит уже к заметному изменению глубины проплавления
0*8) и смещению луча относительно начального положения
(рис. 48, б). Поэтому уже в обычной универсальной аппаратуре
необходимо обеспечивать стабильность источника ускоряющего
напряжения в пределах 1—2%.
Изменение тока пучка в пределах нескольких процентов от
оптимального значения сравнительно слабо влияет на глубину
проплавления. Поэтому стабильность тока пучка порядка 3—5%
в большинстве случаев удовлетворяет технологическим требо-
ваниям.
88

Ускоряющее напряжение сварочной пушки нельзя считать
в полной мере постоянным, так как оно пульсирует с частотой,
определяемой принятой схемой выпрямления Качество выпрям-
ления характеризуется коэффициентом пульсаций.
п ~ uVCK
где Um— амплитудное значение переменной составляющей вы-
прямленного напряжения.
Для наиболее распространенной схемы выпрямителей уско-
ряющего напряжения — трехфаз-
ной двухтактной (мостовой) —
коэффициент пульсации без сгла-
живающих фильтров составляет
6—7% при частоте пульсаций
300 гц. В соответствии с формулой
(6) при пульсациях ускоряющего
напряжения и неизменных ампер-
витках катушки магнитной линзы
будут происходить пульсации диа-
метра пучка в плоскости изделия.
Для уменьшения пульсаций уско-
ряющего напряжения на выхо-
де выпрямителя устанавливают
фильтры, состоящие из конденса-
торов и дросселей, что значитель-
но усложняет схему источника и
делает ее менее надежной в рабо-
Рис. 49. Макрошлиф проплавле-
ний, выполненный при U fCK =
= 25 кв: 1п — 400 лиг; = 50 м!ч
и коэффициентах пульсации уско-
ряющего напряжения Лп=0,2 и 4%
те при возникновении электриче-
ских разрядов в пушке. Особо
усложняется задача сглаживания
ускоряющего напряжения для по-
лучения коэффициента пульсаций
менее 0,5—1,0 %-
Можно вводить переменную
составляющую в ток магнитной фокусирующей линзы таким об-
разом, чтобы фокусное расстояние линзы оставалось постоянным
при пульсациях и нестабильности ускоряющего напряжения. Нэ
из-за сложности схемного решения эта система пока еще не по-
лучила применения. Эксперименты показывают, что допустимый
коэффициент пульсаций зависит от параметров электронно-опти-
ческой системы сварочной пушки.
Для электронных пушек, имеющих относительно большой
угол сходимости луча (си — 10-1 рад), изменение коэффициента
пульсаций с 0,2 до 4% влечет за собой уменьшение глубины про-
плавления на 20% и больше при одновременном уширении шва.
89



Для электронных пушек с малым углом сходнмщ hi
луча (а-1 < 10~2 рад) изменение коэффициента tipibcn
ций с 0,2 до 4% мало сказывается на форме и глубине
сварного шва (рис. 49). При увеличении коэффициент
пульсаций ускоряющего напряжения до 7,5% глубина
проплавления снижается всего на 5—8%.
Приведенные данные позволяют сделать вывод, что
пульсации ускоряющего напряжения в пределах 2
4% при стабильности среднего значения ускоряюще!о
напряжения порядка 1 % и достаточно малом угле
сходимости электронного луча незначительно влияют
на геометрические характеристики проплавлений при
электронно-лучевой сварке.
Для предупреждения макропористости в сварных
соединениях в ряде случаев искусственно вводят пуль-
сация ускоряющего напряжения (до 8—10%). Газо-
вые лоры исчезают, возможно, в связи с облегчением
эвакуации пузырьков газа из пульсирующей, неста-
ционарной ванны расплавленного металла.
Основные узлы источника питания
В зависимости от мощности и ускоряющего напря-
жения в производственной аппаратуре применяются
в основном два типа высоковольтных выпрямителей.
В блоках питания низковольтных пушек с мощностью
пучка в десятки киловатт обычно используются много-
фазные схемы выпрямления. Питание выпрямителей
осуществляется от силовой сети промышленной часто-
ты через регуляторы напряжения. Выпрямители высо-
ковольтных пушек небольшой мощности обычно пита-
ются от высокочастотных ламповых или машинных
умножителей частоты, благодаря чему уменьшаются
габариты трансформаторов и облегчается стабилиза-
ция параметров процесса.
На рис. 50 приведена расширенная блок-схема ста-
билизированного источника питания низковольтной
сварочной пушки с ускоряющим напряжением 30 кв,
разработанного ИЭС им. Е, О. Патона АН УССР. На
примере этого источника рассмотрим основные узлы
блоков питания электронно-лучевой аппаратуры и тре-
бования к ним.
Блок питания включает следующие основные узлы:
1) высоковольтный трехфазиый силовой трансформа-
тор (в цепь первичной обмотки высоковольтного транс-
форматора включается блок стабилизации ускоряюще-
го напряжения, одновременно выполняющий функции
91

регулятора напряжения); 2) выпрямитель, собранный на кено-
тронах по трехфазной мостовой схеме; 3) сглаживающий LC-
фильтр; 4) блок питания накала катода; 5) модулятор тока
пучка; G) стабилизатор тока пучка; 7) блок плавного вывода
тока пучка; 8) блок питания фокусирующей и отклоняющей
системы. (ФОС) пушки; 9) цепи управления, контроля и изме-
рения выпрямленного напряжения, тока нагрузки, тока нака-
ла и т. д.
Для снятия напряжения с конденсаторов фильтра после
выключения высокого напряжения служит электромагнитный
Рис. 51. Внешняя характеристика ис-
точника питания со стабилизацией
и без стабилизации ускоряющего на-
пряжения
О—со стабилизацией; X—без стабилиза-
ции
замыкатель, катушка которого
выключается одновременно с
выключением пускателя пи-
тания высоковольтного транс-
форматора. При включенной
катушке замыкателя его нор-
мально замкнутые контак-
ты («высокое напряжение» —
«земля») разомкнуты, и высо-
кое напряжение подается на
нагрузку. При отключении вы-
сокого напряжения снимается
напряжение с катушки замы-
кателя и происходит разряд
конденсаторов на землю.
Стабилизация ускоряющего
напряжения. В источниках вы-
соковольтного питания устано-
вок для прецизионной сварки
и размерной обработки мате-
риалов в качестве стабилизи-
рующего элемента целесообразно использовать электронные лам-
пы, включаемые последовательно в заземляемую цепь выпрями-
теля. В источниках питания мощных сварочных пушек подбор
необходимой лампы не всегда возможен и поэтому в ряде случа-
ев в качестве управляющих элементов используются магнитные
усилители.
Для серийного источника питания типа СП-30 (ОБ-449) в ИЭС
им. Е. О. Патона АН УССР разработан стабилизатор ускоряю-
щего напряжения мощностью 15 кет с использованием магнитно-
го усилителя. Диапазон стабилизированного напряжения 12—
30 кв делится на пять поддиапазонов: 12—16 кв; 16—19 кв; 19—
22 кв; 22—25 кв; 25—30 кв. Регулировка напряжения в пределах
поддиапазонов плавная.
Стабильность ускоряющего напряжения при изменении тока
нагрузки от 0 до 500 ма и при изменении напряжения питания
от —10 до .+ 5% составляет 0,5—1%. Время восстановления на-
92

пряжения на выходе при скачкообразном изменении напряжения
сети на 10% в зависимости от тока нагрузки меняется в пределах
от 0,05 сек (при токе 200 ма) до 0,15 сек (при токе пучка 500 ма).
Такое время переходных процессов, как показали технологи-
ческие исследования, не отражается на параметрах сварных сое-
динений.
Блок-схема стабилизированного источника питания приведе-
на на рис. 50. При отклонении ускоряющего напряжения от за-
данной величины сигнал с делителя напряжения подается на
схему сравнения. Напряжение рассогласования после усиления
поступает на управляющие обмотки магнитного усилителя, из-
меняя его сопротивление таким образом, чтобы падение напря-
жения на его главных обмотках компенсировало возмущения по
сети или по нагрузке.
Нагрузочная характеристика источника ускоряющего напря-
жения 25 кв, 500 ма при стабилизации и без стабилизации на-
пряжения приведена на рис. 51.
Стабилизация тока пучка. Величина сварочного тока может
колебаться в процессе сварки ввиду изменения ускоряющего на-
пряжения при отсутствии системы его стабилизации, изменения
температуры или эмиссионных свойств катода, изменения токо-
прохождения в пушке. На рис. 52 приведена структурная схема
стабилизатора тока, обеспечивающего поддержание заданного
значения общего тока пучка, тока пучка на изделии или тока на
коллекторе, располагаемом под изделием.
Разностный сигнал схемы сравнения после преобразования
и усиления управляет потенциалом запирания сварочной пушки,
устраняя рассогласование. Статическая точность поддержания
заданного значения тока — порядка 0,5%. Диапазон регулиро-
вания тока разбивается на несколько поддиапазонов, внутри
которых осуществляется плановое изменение заданного значе-
ния тока.
При питании выпрямителя запирающего напряжения от сети
переменного тока с частотой 50 гц время переходных процессов
при мгновенном изменении тока от 0 до 0,7 /л, ном составляет 0,1 —
0,12 сек. При питании схемы напряжением повышенной частоты
время переходных процессов может быть уменьшено.
Ток пучка, непосредственно замыкающийся на изделии, изме-
ряется по падению напряжения на сопротивлении, включаемом
в цепь изделие — земля. При этом изделие должно быть изоли-
ровано от корпуса вакуумной камеры. На изделие подается не-
большой, положительный относительно земли потенциала (80—
100 в). Этот потенциал позволяет исключить влияние на точность
измерений вторичной электронной эмиссии с поверхности изде-
лия, вызываемой сварочным пучком электронов.
В случае, если оседание пучка на элементах электронно-опти-
ческой системы пушки мало и токопрохожденис пучка постоянно
9.1

в процессе сварки, оказывается достаточной точность режима,
когда стабилизируется общий ток нагрузки высоковольтного вы-
прями геля. При этом в качестве датчика используется сопротив-
ление, включаемое в заземляемую цепь выпрямителя.
При полном проплавлении металла электроны пучка прохо-
дят через нижнее отверстие в кратере. Таким образом, если
имеется возможность разместить под швом изолированный
Рис. 52. Блок-схема стабилизации тока пучка сварочной пушки:
/—силовой выпрямитель с источником тока накала катода: 2 — фокусирующая магнит-
ная линза; 3— анод пушки: 4— спираль подогревателя катода; 5— прикаточный элек-
трод; 6 — катод; 7 — выпрямитель источника запирания тока: 8 — разделительный транс-
форматор; 9 — управляемый регулятор напряжения; /0 — усилитель; // — источник опор-
ного напряжения: 12 — блок сравнения; 13 — источник напряжения 80—100 в; 14 — пере-
ключатель; 15 — изделие; 15 —электрод (коллектор).
Положения переключателя: 1—стабилизация тока изделия; 2—стабилизация тока кол-
лектора; 3 — стабилизация общего тока выпрямителя
от изделия электрод-коллектор, то попадающие на коллектор
электроны создадут ток в цепи коллектор — земля. Величина это-
го тока зависит от режима сварки и влияет на формирование
корня шва.
Оптимальная величина тока коллектора зависит от многих
факторов: качества подгонки кромок, точности совмещения луча
со стыком, толщины металла и т. д„ и поэтому в применении это-
го принципа для сварки с полным проплавлением металлов раз-
личной толщины имеются определенные трудности.
94

В заключение отметим, что в диодных сварочных пушках (на-
пример, типа ЭП-25 и ЭП-60) стабилизация тока пучка осущест-
вляется за счет регулировки тока накала металлического прямо-
накального катода. С этой целью последовательно в цепи накала
катода включается магнитный усилитель (с низковольтной сторо-
ны накального трансформатора). Цепи управления магнитным
усилителем аналогичны описанным в этом разделе.
Вывод пучка при окончании процесса сварки. Если при завер-
шении процесса электронно-лучевой сварки мгновенно отключить
ускоряющее напряжение или ток пучка, то в месте окончания
Рис. 53. Схема устройства для плавного снижения
тока пучка после прекращения сварки (вывод
кратера):
/ — катод; 2—прикатодный электрод; 3 — анод; / — ис-
точник запирания тока лучка; Н — система вывода кратера
шва остается кратер, не успевающий заполниться расплавлен-
ным металлом. Уже само появление кратера на изделии является
недопустимым; во многих случаях в кратере возникают усадоч-
ные трещины.
Чтобы избежать сохранения кратера, при окончании сварки
необходимо плавно снижать мощность пучка. Наиболее просто
это осуществить за счет уменьшения тока пучка. Управление
процессом вывода тока пучка должно осуществляться автомати-
чески, так как вручную трудно добиться постоянного закона из-
менения тока пучка.
Схема простого устройства для вывода тока пучка кон-
струкции ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР показана на рис. 53.
Трансформатор выпрямителя управляющего напряжения вклю-
чается в промышленную сеть через диодный мост с проходной
93

лампой. В зависимости от потенциала на сетке проходной лампы
управляющее напряжение прожектора меняется от нуля до мак-
симального значения.
В приведенной схеме во время сварки на управляющей сет-
ке имеется определенное отрицательное относительно катода на-
пряжение, определяющее сварочный ток пучка. Конденсатор С
при этом заряжен. В момент окончания сварки разрывается
цепь контакта А, и конденсатор С начинает разряжаться на со-
противление R. Лампа отпирается, ток пучка уменьшается до ну-
ля. Время запирания тока пучка определяется постоянной време-
ни /?С-цепи. Величина R изменяется с помощью переключателя,
чем обеспечивается изменение времени вывода кратера от 1 до
10 сек.
Описанная схема проста в изготовлении и наладке и доста-
точно надежна в работе. Характер вывода тока пучка в приве-
денной схеме соответствует экспоненциальному закону. В по-
следнее время разработан ряд систем, обеспечивающих более
плавное уменьшение тока пучка в начальный моменрг с последую-
щим увеличением скорости спада тока. Такие схемы более слож-
ны в наладке и эксплуатации.
Плавный вывод тока пучка легко осуществляется с помощью
блока модулятора.
Модуляция тока электронного луча. Модуляция пучка по
амплитуде тока первоначально использовалась только при раз-
мерной обработке материалов. В процессе импульсной размер-
ной обработки удается значительно уменьшить общее термичес-
кое воздействие луча на металл и резко сократить размеры зо-
ны термического влияния за счет преимущественного расхода
тепла на испарение материала по сравнению с потерями па теп-
лопроводность. При этом средняя за период мощность пучка ос-
тается постоянной, хотя выделение тепла происходит за время,
значительно меньшее времени паузы.
Оптимальные режимы обработки меняются в зависимости от
рода материала и его толщины: частота импульсов — от несколь-
ких герц до 3 кгц, время импульса — от нескольких микросекунд
до 50 мсек. Импульсный подвод мощности позволяет уменьшить
общий разогрев изделия и размеры зоны термического влияния
также и в процессе электронно-лучевой сварки.
Эти преимущества импульсной электронно-лучевой сварки
особенно наглядно демонстрируются при сварке тонкостенных
вакуумных приборов. В ряде случаев при сварке смодулиро-
ванным пучком не удается избежать перегрева прибора и свя-
занного с этим выхода из строя его основных элементов (эф-
фективных термокатодов, спаев стекло-ковар, металл-керами-
ка и т. д.).
Импульсная сварка металлов большой толщины позволяет
в некоторых случаях избежать образования в швах макропорис-
96

тост и, аналогично тому, как это достигается при введении пуль»
сации ускоряющего напряжения.
В отличие от проплавлений, выполненных немодулированным
пучком, шов при импульсной сварке — более равномерный по
ширине на всей глубине; отсутствует характерное усиление на
поверхности. Зона термического влияния при сварке модулиро-
ванным пучком также несколько меньше. При одинаковой сред-
ней мощности пучка проплавление модулированным по току
пучком глубже на 15—20% (данные получены для пушки типа
У-146 с использованием двухлипзовой фокусирующей системы).
Оптимальные параметры процесса импульсной электронно-
лучевой сварки; частота импульсов от 10 до 100—200 гц, редко
до 500 гц\ длительность импульса 1—50 мсек, С целью полу-
чения одинаковых средних уровней мощности при различных
режимах модуляции необходима широкая регулировка тока пуч-
ка в импульсе.
Таким образом, модулятор сварочной пушки должен обеспе-
чивать сварку прерывистым пучком с регулируемыми частотой
посылок, длительностью импульса и током в импульсе.
Существует два способа импульсной модуляции электронного
пучка сварочной пушки по амплитуде тока:
1) путем прерывания ускоряющего напряжения на низко-
вольтной стороне трансформатора высоковольтного выпрямите-
ля; этот способ не пригоден для выпрямителей с LC-фильтрами,
не обеспечивает малых значений длительности импульса тока
и потому не получил широкого применения.
2) путем подачи на управляющий электрод прожектора пря-
моугольных импульсов отрицательного напряжения относительно
катода сварочной пушки. Связь между выходной лампой элект-
ронной схемы блока модулятора и прожектором пушки может
быть либо гальванической, либо трансформаторной (последняя
получила распространение в пушках для размерной обработки
с малой длительностью импульсов тока пучка — порядка микро-
секунд) .
На рис. 50 представлена блок-схема модулятора конструкции
ИЭС им. Е. О. Патона. В отличие от большинства модуляторов
сварочных электронно-лучевых установок органы управления
этого модулятора, задающие режим сварки, находятся в блоке,
не связанном с высоким катодным потенциалом пушки. Поэтому
для изменения любого регулируемого параметра не нужно пре-
рывать процесс сварки и отключать высоковольтный выпрями-
тель. В то же время легко осуществимо автоматическое управ-
ление током пучка в импульсе и стабилизация общего тока вы-
прямителя.
Блок модулирующих импульсов включает:
1	— задатчик частоты модулирующих импульсов, выполнен-
ный по схеме самовозбуждающегося несимметричного мульти-
7 6 2941	97

вибратора с регулируемой частотой посылок в диапазоне 10—
200 гц\
2	— формирователь модулирующих импульсов по длительно-
сти в диапазоне 1—50 мсек\
3	— дифференцирующий трансформатор с коэффициентом
трансформации 1 : 1 и изоляцией между обмотками, рассчитан-
ной на ускоряющее напряжение пушки;
4	— импульсный усилитель;
5	— спусковую схему, управляемую импульсами, соответст-
вующими переднему и заднему фронтам прямоугольного импуль-
са от блока 2, т. е. выдающую модулирующий импульс. Импульс
подается на управляющую сетку лампы выходного каскада 6.
Блок регулировки тока пучка и вывода кратера включает:
7	— генератор и усилитель синусоидального напряжения с ре-
гулируемой амплитудой;
8	•— электронный ключ — триггер с двумя устойчивыми поло-
жениями, включающий или выключающий задатчик времени за-
пирания пушки;
9	— задатчик времени плавного запирания пушки с целью
вывода кратера — генератор пилообразного напряжения с регу-
лируемой длительностью;
10	— выходной каскад-коммутатор, формирующий синусои-
дальное напряжение; амплитуда выходного напряжения зависит
от уровня входного синусоидального напряжения (ток пучка)„
от сигнала задатчика времени плавного запирания пушки (вы-
вод кратера) и от заданного значения общего тока источника пи-
тания; • 
11	— разделительный.трансформатор с коэффициентом транс-
формации 1 : 1 и изоляцией между обмотками, рассчитанной на
ускоряющее напряжение пушки;
12	— усилитель синусоидального напряжения;
13	— выпрямитель синусоидального напряжения.
Напряжение смещения на сетке выходной лампы модулятора
UCM представляет сумму двух напряжений: постоянного напря-
жения 1/0, равного напряжению запирания лампы, и выпрямлен-
ного напряжения от генератора синусоидального напряжения'
Uynv- Ucm = Uq— Uf/np. Это дает возможность регулировать уро-
вень отпирания лампы выходного каскада, изменяя амплитуду
переменного напряжения в низковольтном блоке.
Выходной каскад модулятора может работать как в режиме
импульсной модуляции, так и в режиме «отперт — заперт», т. е.
может использоваться при сварке без импульсной модуляции лу-
ча в качестве блока управляющего напряжения. В зависимости
от заданного общего тока пучка (потенциометр /?, включенный
в заземляемую цепь высоковольтного выпрямителя) блок моду-
лятора обеспечивает его поддержание с заданной точностью..
I

IV. «УСТАНОВКИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ
В настоящее время в отечественной промышленности и про-
мышленности за рубежом эксплуатируется большое количество
установок для электронно-лучевой сварки.
Наиболее широкое распространение получили универсальные
установки для электронно-лучевой сварки изделий малых и сред-
них габаритов. Эти установки позволяют отрабатывать принци-
пиальную технологию сварки различных металлов в условиях
заводских лабораторий, осуществлять сварку изделий мелкосе-
рийного производства; путем применения сменных механизмов
достигается переналадка установок с целью выполнения коль-
цевых швов в горизонтальной или вертикальной плоскостях, для
сварки различного количества одновременно загружаемых изде-
лий и т. д.
Ниже будут рассмотрены основные особенности различных
типов аппаратуры для электронно-лучевой сварки.
Аппаратура для прецизионной электронно-лучевой
сварки
В производстве целого ряда изделий радиоэлектроники, осо-
бенно в поисковых работах по созданию микрорадиоэлектронных
схем и приборов, тесно переплетаются процессы электронно-
лучевой сварки и размерной обработки материалов. В связи
с этим с 1963 г. в США начат выпуск комбинированных элек-
тронно-лучевых установок для сварки и размерной обработки
материалов (отделение Гамильтон Стандарт фирмы Юнайтед
Аэркрафт).
Высоковольтная электронная пушка является дальнейшим
развитием специализированной пушки для размерной обработки
фирмы К. Цейсс. При общей мощности пучка до 3 кет (ускоря-
ющее напряжение 150 кв, максимальный ток 20 ма) в фокаль-
ном пятне луча достигается удельная мощность до 107 вт)мм2.
Минимальный диаметр пучка — 10—25 мкм.
В последние годы начала экспортировать электронно-лучевую
аппаратуру Японская электронно-оптическая лаборатория. Раз-
личные типы установок этой фирмы, предназначенные для сварки
и размерной обработки материалов при производстве микропле-
7*	99

Рис. 54. Установка чля прецизионной элек-
тронно-лучевой сварки и размерной обработ-
ки материалов (разработана А. Н. Каба-
новым).
ночных схем и полупроводниковых приборов, отличаются пара-
метрами электронных пушек и их источников питания.
Установка типа JEBD-2B обеспечивает формирование пучка
е диаметром менее 30 мкм при ускоряющем напряжении 80 кв
и токе пучка 0,3 ма. В установке типа JEBD-2C ток пучка повы-
шен до 0,6 ма. Установка типа JEBD-3B формирует электронный
пучок диаметром менее
10 мкм при ускоряющем
напряжении 150 кв и токе
пучка 1 ма.
С 1965 г. начинается
серийный выпуск устано-
вок для прецизионной
сварки и размерной обра-
ботки материалов Сум-
ским заводом электрон-
ных микроскопов и элек-
троавтоматики (рис. 54).
В аппаратуре для пре-
цизионной сварки и раз-
мерной обработки, кроме
высоковольтной острофо-
кусной пушки, имеются
совершенные стабилизи-
рованные питающие уст-
ройства, системы про-
граммного управления пе-
ремещением и параметра-
ми электронного луча,
оптические системы на-
блюдения с высоким раз-
решением и увеличением
до Х100.
Автоматизация рабо-
ты. Электронный луч мо-
жет отклоняться в не-
больших пределах с по-
мощью электромагнитной
отклоняющей системы с высокой степенью точности. Но при
значительном угле отклонения происходит некоторая расфокуси-
ровка луча и увеличение его размеров, поэтому при выполнении
прецизионных работ площадь сканирования ограничивается вели-
чиной 25—100 мм2.
Вместе с тем электронно-лучевую сварочную установку с
программным управлением можно использовать для избиратель-
ной точечной сварки на большой площади, поскольку можно
сочетать прецизионное движение луча с перемещением двух-
100

б)
Рис. 55. Принцип работы систем про-
граммирования перемещения элек-
тронного луча:
а — система с использованием маски и осциллографической трубки: 1 — фокусирующая
линза осциллографической трубки; 2 — отклоняющая система осциллографической труб-
ки; 3—осциллографическая трубка; 4— пучок спета от осциллографической трубки; 5 —
маска; 6 — линза; 7 — фотоэлемент; 8 — усилитель и источник запирания пучка свароч-
ной пушки; 9 — система питания отклоняющих систем, обеспечивающая синхронную раз-
вертку лучей осциллографической трубки и сварочной пушки; 10 — катод сварочной
пушки; 11— прикатодный электрод сварочной пушки; 12 — фокусирующая линза сва-
рочной пушки; 13— отклоняющая система сварочной пушки; 14 — сварочный электронный
луч; 15— место сварки на изделии; б — система с использованием кулачкового следя-
щего устройства: 1 — привод кулачка; 2 — кулачок; 3 — кулачковый следящий элемент;
4 — рейка потенциометра; 5 — зубчатое колесо потенциометра; 6 — потенциометр; 7 —
источник постоянного тока; 8— система отклонения электронного пучка; в — примеры
возможного перемещения электронного луча

координатного установочного столика, размещаемого внутри ва-
куумной камеры.
Если точное положение мест сварки неизвестно, то точки, в
которых должна произойти сварка, или точки, являющиеся на-
чалом отсчета, покрывают люминофором. Система управления
лучом и предметным столиком программируется так, что луч
сканирует всю поверхность образца; мощность луча устанавли-
вается недостаточной для того, чтобы осуществить сварку или
надрез. Когда луч попадает в точку, покрытую флюоресцирую-
щей краской, последняя начинает светиться. Это свечение улав-
ливается фотодиодом, с выхода которого подается сигнал —
команда на мгновенное увеличение мощности луча, в результате
чего именно в данном месте происходит сварка.
Программа сварки может быть составлена и в расчете на
расположение свариваемых точек в узлах регулярной сетки или
на образовании сварных соединений в произвольных местах сва-
риваемой поверхности.
Широкое применение получила система программирования
перемещением луча с использованием маски и осциллографичес-
кой трубки (рис. 55, а). Фотоэлемент, расположенный за маской,
освещается в случае, если пучок в осциллографической трубке
совмещается с осью отверстия в маске. Пучок электронов сва-
рочной пушки и пучок осциллографической трубки управляются
пропорциональными токами, а отверстия в маске соответствуют
местам сварки на изделии. В момент, когда освещается фото-
элемент, открывается прожектор сварочной пушки и осуществля-
ется сварка в необходимом месте.
Рис. 56. Примеры технологического применения электронно-луче-
вой аппаратуры — фрезерование щелей заданной ширины и кон-
фигурации с помощью высоковольтной пушки отделения Гамиль-
тон Стандарт фирмы Юнайтед Лэркрафт (США) и фирмы
К. Цейсс (ФРГ).
102

Достаточно просто решается задача перемещения луча по
сложному контуру (рис. 55, б). В процессе сварки луч управля-
ется отклоняющей катушкой, в которой ток изменяется по зако-
ну, задаваемому кулачковым следящим элементом.
Первоначально высоковольтная аппаратура применялась
преимущественно для размерной обработки труднообрабатывае-
мых материалов — сверления и фрезерования алмазов, керами-
ки, стекла и др. Оптимальные пределы операций — сверление
круглых отверстий диаметром 10—200 мкм, фрезерование щелей
размерами 10—100 мкм и 1—2 мм (рис. 56, а и б). В процессе
обработки материалов луч прерывается с частотой порядка
1200 гц, хотя возможно изменение частоты прерывания в преде-
лах 0,1—16 000 гц.
Ширина реза обычно составляет 10% глубины, а размеры
зоны термического влияния — 10% ширины реза. Процесс отли-
чается высокой производительностью. Например, высокоглино-
земистая керамика (96% А12О3) толщиной 0,25—0,63 мм фре-
зеруется со скоростью 635 мм/мин при шероховатости порядка
0,013 мм. Ширина реза вверху и внизу лежит в пределах допус-
ка + 0,025 мм.
Электронно-лучевая сварка в микрорадиоэлектронике. Высо-
кая надежность сварных соединений, возможность автоматиза-
ции и программирования процесса при его высокой производи-
тельности, локальность нагрева и минимальное тепловложение
при сварке— основные преимущества, определившие применение
процесса электронно-лучевой сварки в производстве микрорадио-
схем.
Благодаря использованию электронных схем управления лу-
чом сварочные работы можно достаточно легко автоматизиро-
вать, причем разрешающая способность, скорость и точность вы-
полнения операций значительно выше, чем при использовании
механического оборудования. При правильно подобранных рабо-
чих параметрах превращение кинетической энергии ускоренных
электронов в тепловую происходит в точно контролируемом объ-
еме материала.
Действие луча почти мгновенно, поэтому при электронно-лу-
чевой сварке не происходит нагрева всей схемы, как это имеет
место в случае пайки. Дело в том, что припои, используемые для
герметизации некоторых схем, плавятся при температуре, кото-
рая всегда лишь на несколько градусов ниже точки плавления
материалов, применяемых для напайки твердых схем на плату,
вследствие чего в случае герметизации пайкой сильно затрудня-
ется управление процессом.
В 1964 г. отделение Гамильтон Стандарт фирмы Юнайтет
Аэркрафт опубликовало результаты одного из направлений шес-
тилетией программы работ по развитию техники трехмерной
компоновки микросхем. В результате этих работ создана
103

опытно-промышленная линия по производству микромодулей на
твердых схемах с использованием установки для прецизионной
электронно-лучевой сварки.
Выпускаемые модули представляют собой 10-каска дные дво-
ичные делители, каждый из которых содержит 20 отдельных твер-
дых схем, соединенных между собой и герметически запаянных
в металлической оболочке объемом 1,64 смг. Производительность
линии — 100 микромодулей за восьмичасовую рабочую смену; в-
дальнейшем производительность должна быть увеличена вдвое.
Созданы прототипы разнообразных схем, включая линейные и
цифровые приборы, тонкопленочные пассивные компоненты, из-
готовленные с помощью электронно-лучевой техники, интеграль-
ные схемы, а также гибридные методы микроминиатюризации.
При использовании электронно-лучевой сварки герметизация
модулей осуществляется в вакууме. В индивидуальной гермети-
зации каждого элемента при этом нет необходимости. Это позво-
ляет сэкономить на стоимости компонентов, которые можно по-
лучать негерметизованными, и, кроме того, дает возможность
сократить длину выводов, что благоприятно отражается на ха-
рактеристиках схемы в области высоких частот.
Новый тип микромодулей содержит в 10 раз больше компо-
нентов, чем любой из прежних модулей. Помимо этого, микро-
схемный модуль обладает и рядом других преимуществ как с
точки зрения производства, так и при работе в схеме. Нет на-
добности ни во флюсах, ни в заливочных массах; возможность
загрязнений сведена к минимуму, а механические напряжения^
связанные с термической обработкой при герметизации отдель-
ных компонентов, исключены.
Неорганические материалы, используемые в конструкции мо-
дуля, дают возможность работать вплоть до температуры 200° Сг
а большая жесткость сварной конструкции позволяет в значи-
тельной мере пренебречь влиянием других внешних факторов.
Теплоотвод от модуля осуществляется через стабилизаторы по-
ложения плат и проводящую матрицу. Металлическая оболочка
модуля служит одновременно помехозащитным экраном.
Герметизация реле методом электронно-лучевой сварки. По
сообщениям зарубежной печати, в США в настоящее время ши-
роко применяют электронно-лучевую сварку для герметизации
реле различных типов.
Фирма Филторс, Ист—Нортпорт, штат Нью-Йорк, исполь-
зуя аппаратуру отделения Гамильтон Стандарт фирмы Юнайтед
Аэркрафт, разработала способ электронно-лучевой герметизации
специальных реле в металлическом корпусе размером 10 Х20мм.
Процесс герметизации одного реле длится 6 сек, осуществляется
250 операций в час.
Благодаря локальности нагрева не требуются специальные
теплоотводящие приспособления, что повышает производитель-
104

ность процесса электронно-лучевой сварки по сравнению с дру-
гими способами герметизации реле. В аппаратуре использует-
ся система автоматического перемещения луча с помощью ку-
лачкового следящего устройства.
Универсальная аппаратура для сварки мелких
и средних изделий
Электронно-лучевая сварка в вакууме — совершенный метод
соединения изделий в радиоэлектронике и приборостроении. Этот
вид сварки обеспечивает ваку-
умную плотность и высокую
чистоту швов. После сварки из-
делия не требуют дополнитель-
ной обработки.
На примере универсальной
установки У-3 рассмотрим ос-
новные узлы. Установка (рис.
57) состоит из вакуумной ка-
меры с механизмами фиксации,
поперечного и продольного пе-
ремещения изделий, электро-
привода вращения, вакуумной
системы, электронной свароч-
ной пушки, схемы питания
пушки и цепей ее управления.
В вакуумной камере уста-
новлено два двенадцатишпин-
делытых барабана с горизон-
тальной и вертикальной осями
вращения изделий и стол для
сварки прямолинейных швов
на изделиях длиной до 400 и
шириной до 300 мм. При свар-
ке цилиндрических изделий на
загружаться и обрабатываться
метром 60 мм.
На установке У-3 первоначально использовалась пушка У-3
с источником питания мощностью 2,5 кет (50 кв. 50 ма). В на-
стоящее время налажен серийный выпуск сварочных пушек с ис-
точником питания СП-30 (25 кв, 500 ма).
Для сварки мелких изделий применяются универсальные ус-
тановки с многопозиционными механизмами ЭЛУ-1, ЭЛУ-2 и
ЭЛУ-4.
Установка ЭЛУ-1 позволяет производить сварку до десяти
однотипных изделий цилиндрической формы, для чего на направ-
ляющие станины камеры устанавливается специальный механизм-
105*
Рис. 57. Универсальная установка для
электронно-лучевой сварки типа У-3»
(ИЭС им. Е. О. Патона)
установке могут одновременно
12 деталей длиной 250 и диа-

с соответствующей автоматикой, обеспечивающей выполнение
следующих операций: поворот барабана на 7ю часть оборота
с /очной фиксацией изделия в рабочем положении, сборку в ва-
кууме элементов свариваемых изделий и их вращение в процессе
сварки.
Установка ЭЛУ-2 предназначена для выполнения торцовых
швов на цилиндрических изделиях небольших габаритов. Без
нарушения вакуума в рабочей камере установки осуществляет-
ся сварка 30 изделий.
Установки ЭЛУ-1 и ЭЛУ-2 комплектуются низковольтной
сварочной пушкой типа ЭП-25 (ускоряющее напряжение 25 кв.
ток пучка 60 ма) с источником питания ИВ-25/4.
Установка ЭЛУ-4 универсальна и комплектуется сварочной
пушкой типа ЭП-60 (ускоряющее напряжение 60 кв, ток пучка
35 ма) с источником питания типа ИВ-60/4-1.
Вакуумная камера, выполненная в форме куба со съемными
фланцами, позволяет использовать различные механизмы, в том
числе многопозиционные, для сварки кольцевых и продольных
швов на телах вращения, плоских изделиях, трубах большой
длины и т. д.
Установки с кубической вакуумной камерой фирмы Сиаки
получили наиболее широкое распространение во Франции, США
и Англии. Они имеют простое надежное управление и широко
универсальны. Установка состоит из станины, вакуумной камеры,
шкафа управления и механизмов для крепления и перемещения
изделий.
Передняя стенка станины хорошо обработана и на ней кре-
пятся с одной стороны вакуумная камера, а с другой — высоко-
вакуумный насос производительностью 1500 л!сек или 5000 л!сек.
Другие стороны имеют съемные смотровые окна, которые могут
быть заменены фланцами с различными механизмами в зависи-
мости от типа и размеров изделий.
В станине расположена вакуумная система установки и ис-
точники питания. Вакуумная камера в форме куба со стороной
550 мм изготовлена из нержавеющей стали с дополнительной
свинцовой облицовкой. Со всех сторон камера имеет отверстия
диаметром 450 мм. В верхней части камеры находится плита, на
которой закреплены электронная пушка и механизмы ее пере-
мещения.
Электронная пушка установлена на специальном суппорте,
позволяющем осуществлять вертикальное и эксцентрическое вра-
щательное движение.
Пушку можно устанавливать на различном расстоянии от оси
вращения механизма, благодаря чему обеспечивается сварка из-
делий различных диаметров.
Номинальное ускоряющее напряжение пушки 30 кв, парамет-
ры блоков ускоряющего напряжения: 30 кв, 100—1000 ма.
106

Простота в изготовлении и универсальность определили ши-
рокое использование этих установок.
В нашей стране созданы и используются промышленностью
установки с кубическими вакуумными камерами А.306.02 и их
модификация А-306. 05 (разработаны А. Ф. Худышевым) и У-101.
Установки А.306.02 и А.306.05 (рис. 58) предназначены для
электронно-лучевой сварки изделий электронной техники и ком-
плектуются механизмами для выполнения кольцевых и продоль-
ных швов и двенадцатишпиндельным барабаном. Сварочная
пушка питается от высоковольтного выпрямителя 25 кв 200 ма
и модулятора для импульсной модуляции пучка по ам-
плитуде.
Установка У-101 (ИЭС им. Е. О. Патона) предназначена для
электронно-лучевой сварки изделий с трубчатым сечением. Сва-
риваемые трубки вводятся в вакуумную камеру через вакуум-
ные уплотнения во вращающихся шпинделях, располагающихся
па боковых стенках камеры (рис. 59). Торцы трубок, находящие-
ся в атмосфере, уплотняются спе-
циальными заглушками. Один
из шпинделей вместе с трубкой
имеет возможность совершать воз-
вратно-поступательное движение
в направлении оси трубки. Это
позволяет вакуумировать внут-
ренние полости трубки, а так-
же вваривать заглушки в трубки.
Таким образом, можно сваривать
трубки неограниченной длины в
камере небольших габаритов и
одновременно проверять герме-
тичность сварного соединения
(если разгерметизировать торцы
сваренных трубок и ввести в их
полость гелий, то в случае дефек-
та сварного шва гелиевый тече-
искатель, подключенный к ваку-
умной камере, обнаружит натека-
ние гелия).
Характеристики основных ти-
пов отечественных универсальных
установок сведены в табл. 14.
Основные типы зарубежных
установок приведены в табл. 15.
Основной недостаток описан-
ных универсальных установок в
сравнительно невысокой их про-
изводительности. Подавляющая
Рис. 58 Установка Л-306.05:
1 — привод перемещения изделия; 2 —
сварочная электронная пушка; 3 — ме-
ханизмы перемещения пушки; в— шиг
с контрольно-измерительными прибор.» •
ми; 5—вакуумметр; 6 — источник пи-
тания пушки с модулятором; 7 — пульт
управления

107

чзсть времени расходуется на загрузку изделии, вакуумирование
камеры и выгрузку сваренных изделий. Поэтому перспективны-
ми для сварки массовых мелких изделий представляются уста-
новки с непрерывным процессом загрузки, сварки и выгрузки
изделий благодаря использованию загрузочных вакуумных бун-
керов или шлюзовых камер.
Рис. 59. Схема устройства для сварки труб неограниченной длины (установка
типа У-101 ИЭС им. Е. О. Патона):
1 — свариваемая труба; 2 — заглушка: 3 — Гайка; — узел уплотнения; 5 — втулка;
6—Р — узел поступательного перемещения трубы; 10 — свариваемый стык; 11 — свароч-
ная пушка
Принцип подачи изделий в вакуумируемый объем через сис-
тему шлюзов используется в вакуумной технике уже длительное
время. Применение этого принципа в сварочных электронно-лу-
чевых установках позволяет выполнять за семичасовую рабочую-
смену сварку нескольких тысяч мелких изделий. Свариваемые
изделия обычно помещают в полый контейнер цилиндрической
формы с хорошо обработанной наружной поверхностью. Контей-
нер проталкивается сквозь систему вакуумных уплотнений, а
попадающий в объем воздух откачивается с помощью форваку-
умных и бустерных насосов.
Электронно-лучевая сварка крупных изделий
В настоящее время наметились два направления в электрон-
но-лучевой сварке крупных изделий: создание соответственно
больших вакуумных камер и создание специальных установок
с местным вакуумом в районе свариваемого стыка.
1G8

Таблица 14
Отечественные универсальные установки для электронно-лучевой сварки
мелких и средних изделий
Тип установки	Назначение	Габаритные размеры ваку- умной камеры в мм	Параметры пушки и ис- точника питания	Изготовитель
ЭЛУ-1	Многопозициоиная ус- тановка для сварки торцовых швов на тру- бах малого диаметра (10 труб диаметром 5—50 мм, длиной 2 ле)	0 500, 1 ~ 2500	иск =	кв 1п = 60 ма	Снята с произ- водства
ЭЛУ-2	Многопозиционная уста- новка для сварки тор- цовых швов на мел- ких изделиях	0 500, / ~ 400	VycK = 25 1п = 60 ма	То же
ЭЛУ-4	Универсальная установ- ка	0 700, 1 ~ 1200	^иск = 60 I п — 35 ма	Тбилисский за- вод «Электро- сварка»
У-ЗМ2	Многопозиционная ус- тановка для сварки продольных и кольце- вых швов па издели- ях длиной 250 мм и диаметром 70 мм	0 529, 1 ~ 1000	О = 25 кв, I = 500 ма	Киевский завод порционных автоматов им. Ф. Э. Дзер- жинского
А. 306. 02	Универсальная установ- ка для сварки изделий электронной техники	500х 500х Х500	иуск = 20 кв’ 1п = 150 ма	Электропро- мышленность СССР
А. 306. 05	То же	500Х500Х Х500	иуск = 25 /п ~ 200 ма	То же
У-74	Специализированная ус- тановка для сварки труб с трубными досками	0 800, 1 ~ 1000	Ь' = 40 кв, 1п = 75 ма	Опытный за- вод	ИЭС им. Е. О. Па- тона
У-101	Специализированная ус- тановка для сварки труб большой дли- ны встык и вварки пробок в трубы	500 X 500X Х500	иуск = 25 К6’ 1	500 ма	То же
109

Таблица 15
Зарубежные универсальные установки для электронно-лучевой сварки
мелких и средних изделий
Тип установки	Назначение	Габаритные размеры ваку- умной камеры в мм	Параметры пушки и источника питания	Изготовитель
443	Универсальная промышленная установка	550X550X Х550	иск ~ 40 1п — 50 ма	Фирма Сиаки
456	То же	1200Х 500Х X 750	Uуск = 30 кв- I п — 350 ма	То же
VX-20-30-48	»	—	иуск ==30 Кв’ 1 = 350 ма	
2410	>	0 760, 1 ~ 1070	Uvck = 30 / п = 200 ма	США
ЕВ-2	»	0 550, 1 ~ 600	VtiCK. = 20 1п = 150 ма	США
JEBW-2B	Универсальная установка лабо- раторного типа	0 550. 1 ~ 660	Uуск ~ i п — 30 ма	Япония
JEBW-2C	То же	0 800, /~1200	U}irh. = 25 кв,. 1п — 100 ма	То же
JEBW-3A	>	400X400х Х400	VUCK = 25 кв, 1п = 30 ма	»
JEBW-4A JEBW-5B	Специализоваиная установка для сварки пакетов из листов 300 х X 1000 x 200 мм Специализоваиная установка для сварки пакетов из листов 1500Х X 3000x300 мм	800Х 800Х Х800 6000х4450X X 1200	1/^^ЗОкв, I п = 500 ми 2 пушки уск = 1п = 500 -«£2 2 пушки	» »
110

Рис. 60. Установка для электронно-
лучевой сварки изделий крупных га-
баритов типа У-86 (ИЭС им. Е. О. Па-
тона)
Установки с вакуумными камерами больших габаритов. Эти
установки имеют ряд особенностей:
1)	с целью осуществления сварки нескольких кольцевых швов
по длине изделия (без увеличения размеров вакуумной камеры)
в установках обычно используется несколько сварочных пушекг
питаемых через высоковольт*
ный переключатель от общего
высоковольтного источника на-
пряжения;
2)	вакуумная система уста-
новок имеет высокую произво-
дительность;
3)	наблюдение за процес-
сом сварки осуществляется с
помощью длиннофокусной оп-
тической системы с достаточно
большим увеличением;
4)	значительные размеры
площади, занимаемой установ-
кой, обусловливают использо-
вание автоматической системы
управления всеми узлами уста-
новки с общим центральным
пультом управления.
Прототипом отечественных
установок для электронно-лу-
чевой сварки крупных изделий
явилась созданная в 1960 г. в
ИЭС им. Е. О. Патона установ-
ка типа Р-971.
Общий вид универсальной
опытно-промышленной уста-
новки типа У-86 для электронно-лучевой сварки крупных изде-
лий (ИЭС им. Е. О. Патона) показан на рис- 60. Максимальные
габариты свариваемых изделий: диаметр 1600 мм, длина 2800 мм.
Установка состоит из следующих основных узлов:
1)	вакуумной камеры (внутренний диаметр 2000 мм, длина
4000 мм, толщина стенки 20 мм);
2)	вакуумной системы, включающей форвакуумный насос ти-
па ВН-6Г, высоковакуумный агрегат типа ВА-20-1 и бустерный
насос типа БН-3. Время откачки вакуумной камеры установки
до давления 3 • 4 • 10“2 мм рт. ст. 20—25 мин, до рабочего давле-
ния 5 • 10"6 мм рт. ст. —дополнительно 10—15
3)	механизмов вращения и продольного перемещения изде-
лия. Скорость сварки 10—100 м/ч. Тележка с центрами для креп-
ления свариваемого изделия в специальном технологическом
приспособлении может выезжать из камеры на подъемный стол
ш

в целях удобства крепления и осмотра изделия перед сваркой.
Тележка перемещается вдоль камеры с помощью ходового винта.
Вал-шестерня служит для передачи вращения шпинделю привод-
ной бабки. Вращение может передаваться изделию в любом мес-
те камеры через скользящую и паразитную шестерни. Редукторы
привода вращения и продольного перемещения изделия снабже-
ны электродвигателями постоянного тока с электромагнитными
муфтами для удобного дистанционного управления приводами.
Рис. 61. Установка для электронно-лучевой сварки изделий
крупных габаритов У-86А (ИЭС им. Е. О. Патона).
Электродвигателем постоянного тока обеспечивается бесступен-
чатое регулирование числа оборотов на входном валу редуктора
при постоянном моменте. Редукторы снабжены тахогенератора-
ми, показания которых фиксируются приборами на пульте уп-
.равления установкой;
4)	трех сварочных электронных пушек типа У-146 с ускоряю-
щим напряжением до 25 кв; высоковольтного источника питания
типа ОБ-449 мощностью до 15 кет с высоковольтным дистанци-
онным переключателем для поочередного питания трех пушек;
5)	цепей низковольтного питания сварочных пушек, аппара-
туры управления установкой и вспомогательных механизмов.
Общий вид модернизированной установки У-86А показан на
рис. 61.
Из зарубежных установок для сварки изделий крупных габа-
ритов известны установки США и ФРГ.
Вакуумная камера установки фирмы Вестингауз Элек-
трик имеет длину 8,5 м, диаметр 1,2 ж. производительность ва-
куумной системы 10 400 л!сек. Установка типа ES 100L фирмы
К. Цейсс имеет вакуумную камеру диаметром 1 м и длиной 12 м.
П2

Обе установки снабжены высоковольтными пушками с ускоря-
ющим напряжением 150 кв при токе пучка до 20 ма.
Технология сварки. Отсутствие систем, автоматически под-
держивающих размеры пучка и его положение относительно кро-
мок свариваемого изделия, требует от оператора определенных
навыков в ведении процесса. Тем более, при электронно-лучевой
сварке крупных изделий со специальной глубокой и узкой раз-
делкой кромок или с необходимостью получения глубоких про-
плавлений требуется специальное надежное оборудование и тех-
нология сварки. Особенно жесткие требования к качеству соеди-
нений определены тем, что дефекты швов на крупных изделиях
в ряде случаев трудно исправимы.
Особенно надежной должна быть техника электронно-луче-
вой сварки тонколистовых изделий встык. Удовлетворительные
результаты удается получать при сварке с остающейся подклад-
кой. На подкладке в области стыка делают выточку глубиной
0,1—0,2 мм для выхода газов из перегретого расплавленного ме-
талла, что в значительной степени предотвращает разбрызгива-
ние металла и пористость шва. В то же время отставание самой
подкладки от стенок изделия недопустимо во избежание про-
жогов.
При сварке на дне глубокой и узкой разделки кромок пучок
фокусируется в верхней части разделки, т. е. сварка осуществ-
ляется несколько перефокусированным лучом. Благодаря этому
удается избежать разбрызгивания металла. Шов имеет гладкую
чешуйчатую поверхность, без подрезов и выплесков. Как прави-
ло, используется двух- и трехкратное повторение сварок по од-
ному и тому же шву с увеличивающейся степенью фокусировки
пучка. При выполнении кольцевых швов изделие вращается сни-
зу вверх, благодаря чему оператор может тут же оценивать их
качество.
При сварке крупных изделий предъявляются особые требо-
вания к качеству подготовки свариваемых кромок, величине за-
зора и биению плоскости стыка. Но даже при сборке и оконча-
тельной расточке изделия непосредственно в сварочном приспо-
соблении эти требования трудно удовлетворить. В процессе са-
мой сварки крупных изделий вследствие тепловых деформаций
неизбежны поводки изделия, а следовательно, дополнительное
смещение кромок стыков относительно их первоначального по-
ложения. Все это определяет необходимость непрерывного на-
блюдения оператора за положением пучка относительно кромок
на всем протяжении сварного шва. Управление пучком осуществ-
ляется с помощью электромагнитной отклоняющей системы. С ее
помощью возможно также увеличение ширины шва для облегче-
ния совмещения пучка со свариваемыми кромками. В этом слу-
чае луч колеблется с большой частотой (например, 50 гц) попе-
рек направления сварки.
8 5-2941	ЛЗ

При выполнении глубоких кольцевых швов на металле боль*
шой толщины хорошие результаты дает применение в месте сты-
ка специальной технологической прямоугольной разделки кро-
мок. Величина разделки различна в каждом конкретном случае;
например, при сварке стали толщиной 10 мм ширина и глубина
выточки равны 2 мм. Выточка облегчает направление луча по
стыку и его оптимальную фокусировку — при сварке пучок фо-
кусируют так, чтобы размеры зоны плавления составляли 75—
80% ширины разделки. При использовании прямоугольной вы-
точки шов не имеет заметного уширения в верхней части.
С целью очистки свариваемых кромок от различных включе-
ний (органических частиц, окисных пленок и т. д.) перед сваркой
стык облучают расфокусированным пучком (диаметр пучка на
изделии 2—3 мм) при величине тока, равной 25—30% величины
тока сварки. Такой прием помогает предотвращать выплески и
разбрызгивание металла шва.
Для предотвращения расхождения кромок на свариваемых
стыках обычно осуществляют точечную или прерывистую при-
хватку стыков. Если при сварке швов на остающейся подкладке
случаются прожоги металла, то в месте прожога укладывают
проволоку из материала, аналогичного свариваемому, и расплав-
ляют ее. Типы сварных соединений и режимы сварки некоторых
крупных изделий приведены в табл. 16.
Таблица 16
Типы сварных соединений и режимы сварки крупных изделий
Толщина в мм	Режим сварки			Техника снарки
	1 п в ма	U уск. ъ кв	vce в м/ч	
Медь 1,5+1,5	110—120	22—23	10—12	Двух- и трехпроходная сварка в глубокой и узкой разделке с последовательным по- вышением удельной мощности в пучке. Пучок несколько перефокусирован. Свар- ка ведется на остающейся подкладке с вы- точкой (глубиной ОД—0,2 мм) в области стыка
Сплав на не желез- ной основе 10+10	80—120	23—25	18—30	Однопроходная сварка с последующим «за- глаживанием» поверхности шва. Сварка ведется с использованием технологической разделки 2x2 мм
Опытная аппаратура с «шагающими» вакуумными камерами.
В результате работ над созданием «местного» вакуума в процес-
се электронно-лучевой сварки в США создана малогабаритная
электронно-лучевая сварочная установка, способная перемещать-
ся относительно свариваемого изделия.
114

Вакуумная камера установки состоит из двух сильфонов,,
расположенных один внутри другого (рис, 62). Сильфоны уплот-
няются относительно свариваемого места специальными уплот-
нениями. Свариваемый стык уплотняется плотно прижатой к
обратной стороне листа металлической лентой (остающаяся-
подкладка). Сварочная пушка соединяется с сильфонами через
узкий канал и откачивается отдельной вакуумной системой (диф-
ференциальная откачка).
В позиции 1 из обеих камер воздух откачан, внутренняя ка-
мера скользит уплотнением по поверхности изделия. В позиции
2 внутренняя камера продвинулась вправо, деформируя наруж-
Рис 62. Принцип работы «шагающей» камеры для электронно-лучевой сварки
ную камеру. В этом положении в объем наружной камеры впус-
кается аргон, и внутренняя камера уплотняется относительно из-
делия. В позиции 3 наружная камера переместилась вправо за
счет деформации внутренней камеры. Аргон из объема внешней
камеры откачивается и начинается движение внутренней камеры.
Величина разового перемещения камеры в опытной установ-
ке составляет 12 мм, в промышленной установке — 25 мм, Соот-
ветственно скорость сварки от 30 м/ч повысится до 60 м/ч.
В установке используется сварочная электронная пушка со
сравнительно низким ускоряющим напряжением 30 кя, благода-
ря чему не требуется специальной биологической защиты от
рентгеновского излучения. Это определяет, в свою очередь, ма-
лый вес вакуумной установки (30 кг). Промышленная установка
будет весить менее 20 кг.
Режим сварки поддерживается таким образом, чтобы не про-
исходило полного проплавления остающейся подкладки, так как
атмосферное давление может выплеснуть расплавленный металл-
внутрь вакуумного объема.
Сварка с помощью накидных вакуумных камер. Отделением
фирмы Норс Америкэн Авиэйшнс в Лос-Анжелосе разработана
аппаратура для электронно-лучевой сварки крупногабаритных
конструкций космических кораблей.
Сварочная электронная пушка отделения Гамильтон Стан-
дарт с ускоряющим напряжением 150 кв и током пучка до 20 ма
8*	115

расположена на крышке вакуумной камеры длиной 1,5 м. Крыш-
ка (длиной — 3 м) может скользить по камере на специальных
вакуумных уплотнениях. Камера уплотняется относительно по-
верхности свариваемого изделия с помощью специального уплот-
няющего компаунда. Вакуум в камере в процессе сварки порядка
10-4 мм рт, ст., скорость сварки до 60 м/ч.
Время, необходимое для монтажа камеры, заливки уплот-
няющего компаунда, откачки камеры и самого процесса сварки,
составляет около 45 мин. Последовательно перемещая вакуум-
ную камеру вдоль свариваемого стыка, в настоящее время удает-
ся осуществлять соединение узлов общей длиной до 25 м. Воз-
можно выполнение потолочных и вертикальных швов.
Фирма Сиаки, Чикаго, разработала специальную аппаратуру
для электронно-лучевой сварки неповоротных стыков на шпан-
гоутах.
По заказу НАСА в Кливленде создана установка (2100 X
X 900 X 1650 мм) для электронно-лучевой сварки шпангоутов
из тугоплавких металлов. Установка использует разборную ва-
куумную камеру, которая охватывает свариваемый стык. Свароч-
ная пушка вращается со скоростью до 120 об!мин вокруг сва-
риваемого стыка. Токоподводящие контакты скользят по разъ-
емному замкнутому кольцу. Ток пучка, ускоряющее напряжение
и ток магнитной линзы изменяются по заданной программе.
Может программироваться также движение пушки. Режимы
сварки записываются на шсстиканальном самопишущем прибо-
ре. Непосредственно в вакуумной камере осуществляется терми-
ческая обработка изделия и рентгеновская дефектоскопия свар-
ных соединений (с помощью специальной рентгеновской уста-
новки) .
Фирмой Сиаки создана аппаратура для сварки шпангоутов
диаметром 2,5—10 м из упрочняемых алюминиевых сплавов. Ос-
воена в серийном производстве сварка шпангоутов ракеты
«Сатурн» из сплавов А12219, А16061 и А15456.
Благодаря применению электронно-лучевой сварки, обеспечи-
вающей формирование узкого, глубокого шва при минимальных
размерах зоны термического влияния, сварное соединение на
алюминиевых сплавах не требует последующей термической
обработки.
Шпангоут ракеты «Сатурн» имеет Y-образный профиль с
максимальной толщиной 120 мм и состоит из трех сегментов. При
сварке используются две сварочные пушки, перемещаемые в вер-
тикальной плоскости. Первая пушка, располагаемая с внешней
стороны шпангоута, работает при ускоряющем напряжении
30 кв и токе 1 а, вторая — сваривает стык с внутренней стороны
и имеет мощность 15 кет (30 кв\ 0,5 а). Оси обеих пушек на-
клонены под углом 12° к горизонтальной плоскости для предот-
вращения выливания металла сварочной ванны.
116

С целью предотвращения пробоев сварка ведется с полным
проплавлением (облегчается выход газов в корне шва), высоко-
вольтные токопроводы к пушке тщательно экранированы (см.
рис. 38). Вакуум в процессе сварки — 5- 10"6 мм рт. ст. Требу-
ется тщательная подгонка кромок; непараллельность кромок
не более 0,04 мм. Изменение глубины проплавления программи-
руется и осуществляется путем изменения ускоряющего напря-
жения. Соответственно введена программа на изменение тока
магнитной линзы. Ниже приведены сравнительные данные про-
цесса электронно-лучевой и ручной аргоно-дуговой сварки шпан-
гоутов из сплава А12219.
ЭЛС АДС
Подготовка к сварке в ч........................ 8	80
Параметр шва h/d .............................. 19/1	1/5
Прочность сварного соединения в %.............. 75	50
Количество рентгеносъемок................ .	2	20
Скорость сварки в м/ч..........................  60	6
Вакуумные системы установок
Вакуумная система сварочной электронно-лучевой установки
должна обеспечивать в установке вакуум порядка 10-4 —-
1(W мм рт. ст. и поддерживать этот вакуум в процессе сварки.
Полная вакуумная система современной электронно-лучевой ус-
тановки включает в себя сварочную камеру, снабженную ваку-
умпроводом для удаления газа в откачивающую систему, насосы,
вакуумметры, вентили, ловушки и другие устройства и приспо-
собления для получения и измерения вакуума в камере.
Вакуумная система сварочных электронно-лучевых устано-
вок имеет разборные соединения и уплотнения.
В таких системах предельные давления порядка 5-Ю^5 —
1 ♦ 10-6 мм рт. ст. достигаются при помощи высокопроизводитель-
ных насосов даже при сильном газовыделении или небольших
течах.
Таблица 17
Параметры типовых вакуумных систем сварочных
электронно-лучевых установок
Объем камеры в л<*	Тип ВЫСОКО' вакуумного агрегата	Тип форва- куумного насоса	Время в мин достижения рабо- чего вакуума по- рядка мм pm. ап.
<0,25	ВЛ-05 Л	ВН-2	10—15
0,25—0,50	ВА-2-3	ВН-1	10—15
0,5—2,0	ВА-5-4	ВЫ-4	10—20
2,0—4,0	ВА-8-4	ВН-4	20—30
4,0—10	ВЛ-20-1	ВН-6	20—30
Для получения высокого вакуума в системе сварочных элек-
тронно-лучевых установок применяется система последовательно
117

соединенных насосов: высоковакуумный паромасляный — фор-
вакуумный или высоковакуумный — бустерный — форвакуумный.
Форвакуумный механический насос обеспечивает откачку ва-
куумной системы от атмосферного давления до давления 1СН —
10“2 мм рт. ст.; пароструйный бустерный насос откачивает систе-
му до давления 10~3—10~4 мм рт. ст.у а диффузионный насос — до
давления 10~4—10~5 мм рт. ст. Параметры наиболее распростра-
ненных вакуумных систем сварочных электронно-лучевых устано-
вок представлены в табл. 17.
Сварка в атмосфере инертных газов и воздухе
При сварке крупных изделий зачастую не предъявляются осо-
бые требования к чистоте окружающей шов атмосферы, так как
соединяют обычно химически малоактивные металлы: медь, брон-
зу, сталь. Сварка этих металлов в атмосфере инертных газов, а
в ряде случаев и на воздухе, дает хорошие результаты.
В большинстве случаев электронно-лучевая сварка в произ-
водстве крупных изделий необходима, если швы расположены в
труднодоступных местах (например, на дне глубоких и узких
разделок кромок) или если сварные швы должны быть получены
с минимальными поперечными размерами при минимальном теп-
ловложении.
Поэтому практическое решение задачи вывода пучка электро-
нов из вакуума в инертную атмосферу или в воздух при сохране-
нии высокой концентрации энергии в луче позволит отказаться
в ряде случаев от создания дорогостоящих, малопроизводитель-
ных крупногабаритных вакуумных установок.
К 1965 г. были созданы только первые образцы лабораторных
установок для электронно-лучевой сварки в атмосфере инертных
газов и воздухе. С целью защиты обслуживающего персонала от
рентгеновского излучения опыты проводятся в небольших вакуум-
ных камерах, обеспечивающих поглощение рентгеновских лучей.
Вакуумная система такой установки (на рис. 63 показана общая
схема типовой лабораторной установки) достаточно сложна
и требует от трех до шести вакуумных насосов.
В процессе создания аппаратуры для электронно-лучевой
сварки в газовой атмосфере приходится решать две основные
проблемы: 1) электронный пучок должен выходить на достаточно
большое расстояние в среду при атмосферном давлении без за-
метных потерь мощности; 2) система вывода пучка должна обес-
печивать минимальное рассеяние электронов.
Кроме этого, необходимо создать надежную защиту свароч-
ной ванны инертным газом, а также защитить обслуживающий
персонал от рентгеновского излучения, возникающего при тормо-
жении электронов на свариваемом изделии.
118

Степень рассеяния электронного пучка при прохождении через
газ зависит от атомного номера газа, толщины газового слоя, дав-
ления газа и ускоряющего напряжения. Среднее расстояние,
пройденное первичным электроном без соударений, определяется
как длина свободного пробега. При выводе пучка электронов в
газ при атмосферном давлении целесообразно использовать вы-
сокие ускоряющие напряжения (100—200 кв) и защищать шов
от окисления наиболее легким инертным газом — гелием.
На рис. 64 приведены экс-
периментально полученные за-
висимости глубины проплавле-
ния металлов при электронно-
лучевой сварке в атмосфере
инертных газов от параметров
W
Оуск
nr
л
1»
21
Рис 63. Схема установки для электронно-лучевой сварки в атмосфере воз-
духа или в среде инертных газов:
1 — сварочный стол; 2 — свариваемое изделие; 3 — прижимные пластины; # — выходная
камера; 5 — первая ступень откачки; 6— вторая ступень откачки; 7 — третья ступень от-
качки; 8 — фокусирующая магнитная линза; 9 — источник питания фокусирующей магнит-
ной линзы; 10— высоковольтный источник питания пушки; // — кабель; 12— высоко-
вольтный ввод; 13 — катод; И — прикатодный электрод; 15 — анод; 16 — высоковакуумный
агрегат: 17 — бустерный насос; 18, 19 и 20 — форвакуумные насосы; 21 — вакуумные вен-
тили
JC
Не
аппаратуры. Эти зависимости хорошо подтверждают исходные
предпосылки.
На рис. 64, а видно, насколько снижается глубина проплав-
ления при одинаковой мощности пучка при сварке в газовой сре-
де по сравнению со сваркой в вакууме.
Значительное влияние уровня ускоряющего напряжения на
глубину проплавления иллюстрируется зависимостью, приведен-
ной на рис. 64, б. Подтверждается и резкая зависимость глубины
проплавления от рабочего расстояния пушки — расстояния меж-
ду изделием и выходной апертурой.
119

И пи'стпо несколько принципов вывода электронного луча в
газовую среду. Возможен вывод луча через отверстие, закрытое
тонкой металлической фольгой или слюдой, пропускающей элек-
троны, но ие пропускающей газ. В СССР впервые такое устройст-
во было предложено в 1926 г. Б. П. Грабовским. На выходе пуш-
ки формировался параллельный пучок электронов диаметром
— 1 мм. Однако во избежание проплавления фольги нельзя вы-
водить пучки со значительной плотностью тока.
Рис. 64. Изменение глубины проплавления при электронно-луче-
вой сварке в вакууме и в воздухе от мощности пучка (а) и от ра-
бочего расстояния d при различных ускоряющих напряжениях (б);
/— Uуск — ISO кв; 2— U уск •= 100 кв; 3— UyCK -- 70 кв; в— Uуск ~ ^0 кв
Возможен вывод пучка через отверстие, периодически пере-
крываемое заслонкой для откачки воздуха, проникшего в объем
пушки. Для электронно-лучевой сварки применим только метод
выведения мощного пучка электронов через систему дифферен-
циально откачиваемых диафрагм. Подобное устройство было
создано в нашей стране еще в 1932 г.
Чтобы электронный пучок проходил сквозь отверстия без за-
метного оседания, диаметры отверстий подбираются соответст-
венно конфигурации пучка. С помощью методов, предложенных
Шапиро и Шумахером, по заданным размерам отверстий и об-
щему перепаду давлений определяется необходимое количество
ступеней откачки, величины промежуточных межступепчатых
давлений и откачиваемый объем газов. В качестве выходных
диафрагм рекомендуется использование воронок с углом рас-
твора — 50°. В этом случае используется аэродинамический эф-
фект, наблюдаемый в струе газа, втекающей в расширяющуюся
воронку: струя газа, попадая в узкую часть воронки, растекает-
ся по внутренней стенке и выходит из широкой части не сплош-
ной струей, а полым конусом. Благодаря этому большая часть
газового потока остается в объеме первой камеры, а попадающий
120

Б последующие камеры поток газа не имеет направленной скоро-
сти. При помощи плоских диафрагм также удается путем
подбора определенных расстояний между ними отсеять часть
потока с направленной скоростью.
При рациональном выборе элементов системы вывода пучка
удается уменьшить общую длину канала до 10—15 мм и тем са-
мым свести к минимуму рассеяние пучка электронов в области
между высоковакуумной камерой пушки и газом при атмосфер-
ном давлении.
На рис. 63 показана система газовой защиты, обычно при-
меняемая на установках с электронным пучком, выведеным в га-
зовую атмосферу. Выходное отверстие окружено кольцевой каме-
рой, в которую подается инертный газ под давлением, несколько
большим атмосферного. Отсюда инертный газ идет в двух на-
правлениях: в сторону дифференциально откачивающихся камер
и в сторону сварочной ванны. Таким образом, образуется газо-
вый -затвор, защищающий электронную пушку и сварочную ван-
ну от проникновения воздуха, а также от забрызгивания распла-
вленным металлом отверстий выходных диафрагм. Этот способ
газовой защиты повышает длительность работы катода свароч-
ной пушки.
В лучших образцах аппаратуры при ускоряющем напряжении
100 кв в случае сварки в среде аргона на расстоянии 4 мм от
выходного отверстия токопрохождение пучка составляет 15%, в
среде гелия повышается до 70%. При ускоряющем напряжении
150 кв удается достичь токопрохождения пучка порядка 90%.
В табл. 18 приведены режимы электронно-лучевой сварки не-
которых материалов в среде инертных газов и воздухе.
Таблица 18
Режимы электронно-лучевой сварки некоторых материалов в среде инертных
газов и воздухе
Металл	Толщина в мм	Ускоря- ющее на- пряжение, иуск R Кв	Ток пучка 1п б ма	Скорость сварки С'гв в м/4	Рабочее расстояние d в мм	Состав ат мосфсры
Нержавеющие,	0,3—0,6	150—175	2,5—4,0	120—220	6,4	Воздух;
высокопроч-	1.5	175	20	200	6,4	4Не + 1Аг
ные стали	6,4—7,1	175	30—40	60—90	6.4—12,7	Воздух
	10,2—10,9	170-175	35—40	15—40	4,8—6,4	Воздух; ЗНе + 1Аг Воздух; 4Не + 1Аг
Алюминиевые	0,2	150	3	217	6,4	Воздух
сплавы	9,5	175	40	83	9,6	Не
Медь	0.2	150	8	220	6,4	Воздух
Молибден	4,7	175	40	23	12,7	Не
121

На рис. 65 приведен макрошлиф проплавления высокопроч-
ной стали с местным поддувом гелия, выполненного на лабора-
торной установке ИЭС им. Е. О. Патона.
Проведенные механические испытания сварных соединений на
жаропрочной стали и стали типа AiSi4340 показывают, что свой-
ства швов, выполненных электронным лучом в газовой среде,
достаточно близки к свойствам основного металла.
Рис. 65. Макрошлиф поперечного сечения проплавле-
ния высокопрочной стали толщиной 6 = 3 мм
Хотя отношение глубины к ширине проплавления не так вели-
ко, как в случае электронно-лучевой сварки в вакууме, все же
можно считать, что процессу электронно-лучевой сварки в газо-
вой среде присущи основные закономерности сварки в вакууме.
Аппаратура для использования в космическом пространстве
По мнению зарубежных специалистов, электронно-лучевая
сварка является одним из наиболее перспективных способов сое-
динения металлоконструкций в условиях космического простран-
ства.
Основные причины такой оценки — высокий к. п. д. процесса,
наличие естественного вакуума (табл. 19), возможность питания
-аппаратуры солнечной энергией.
В США работы по созданию аппаратуры для электронно-
лучевой сварки в космосе проводит отделение Гамильтон
Стандарт фирмы Юнайтед Аэркрафт. Работами руководит отде-
ление аэрокосмических систем военновоздушной базы Райт-Пат-
терсон.
Основное назначение аппаратуры — герметизация конструк-
ций космических кораблей, уменьшение утечки воздуха (особен-
но на больших самоиадстраивающихся космических станциях),
устранение повреждений в обшивке от ударов метеоритов, вмя-
тин и других дефектов, возникающих при посадке корабля на
других планетах. Электронный луч предполагается использовать
122

Таблица 19
Основные параметры, характеризующие состояние остаточной атмосферы
в околоземном пространстве [1]
Высота в км	Давление в мм рт. ст.	Плотность в ат/см*	Состав газа
0	760	2,5-Ю19	78% Ng; 21% О2; 1%Аг
30	102	4-1017	N 2» ^2» Аг
200	иг6	101®	N2; О; О2; О+
800	10-9	107	+ О О
6500	ю-12	10*	Н; Н+
22000	<ю-13	101—10*	85% Н+; 15% Не+
для резки и сварки при выполнении работ в случае изменения
назначения космической станции, сборочных работ при прича-
ливании кораблей и т. д.
Рис. 66. Возможные варианты аппаратуры для электронно-лучевой сварки
в космосе:
1 — повышающий трансформатор; 2 — высоковольтный выпрямитель; 3 — высоковольтный
питающий кабель; 4 — электронная сварная пушка; б — инвертор; 6 — аккумуляторная
батарея
Аппаратура разрабатывается в трех вариантах (рис. 66).
Первые два варианта рассчитаны на питание от бортовой сети
корабля или станции — 115/208 в переменного напряжения (вес
системы — ПО кг) или 28 в постоянного напряжения (вес сис-
темы увеличивается до — 140 кг за счет веса инвертора). Пита-
ние от бортовой сети подается низковольтным кабелем длиной
— 60 м. Третий вариант системы — автономный, рассчитан на
питание от аккумуляторной батареи (общий вес системы
160 кг, габариты 30 X 60 X 90 см).
Основная часть сварочной установки — высоковольтная элек-
тронная пушка длиной 50 см и диаметром 25 см. Ускоряющее
напряжение пушки — 80 кв; его величина выбрана исходя из тре-
бований высокой концентрации энергии в пучке при сравнитель-
но небольшом весе защиты от рентгеновского излучения. Общий
вес пушки с защитой около 50 кг.
При токе пучка 12,5 ма аппаратура обеспечивает получение
сварных соединений на алюминии глубиной до 3,8 мм при
123

скорости сварки 23 м/ч, аналогичной или несколько большей глу-
бины — на стали и титане.
Пушка, предназначенная для использования в космическом
пространстве, во многом сходна с обычными высоковольтными
пушками фирмы К. Цейсс и отделения Гамильтон Стандарт
фирмы Юнайтед Аэркрафт. Прожектор — типа Штейгервальда.
Используются электромагнитные фокусирующая и отклоняющая
системы. Визуальное наблюдение осуществляется с помсщыо оп-
тической системы, встроенной в пушку вдоль ее оси; для наблю-
дения намечается использование волоконной оптики. Высоко-
вольтное питание к пушке подается через специальный высоко-
вольтный кабель.
Трехстадийная программа работ, проводимых в США в об-
ласти соединения конструкций в космическом пространстве ме-
тодом электронно-лучевой сварки, предусматривала на лето
1964 г. испытание опытного образца в условиях, имитирующих
космические.

ЛИТЕРАТУРА
1.	АкишинА. И. Ионная бомбардировка в вакууме, М.—Л., Госэнер-
гоиздат, 1963.
2.	Аскарьян Г. А. и Мороз Е. М., Давление при испарении ве-
щества в луче радиации. ЖЭТФ, т. 43, вып. 6 (12), 1962.
3.	Джаффи Р. и др. Рений и тугоплавкие металлы платиновой груп-
пы. Изд. иностр, лит., 1963.
4.	Дутов Г. Г. и Соловьев А. М. К вопросу о выборе оптималь-
ного режима работы электронно-оптических зондовых систем. Известия
АН СССР, сер. «Физика», т. XXVII, № 9, 1963.
5.	Медова р Б. И. и др. Некоторые особенности электронно-лучевой
сварки аустенитных сталей и сплавов. — «Автоматическая сварка», 1961, № 7.
6.	М о в ч а и Б. А. Микроскопическая неоднородность в литых сплавах.
Киев, Гостехиздат УССР, 1962.
7.	Мовчан Б. А. Современные данные о границах кристаллитов в ли-
тых металлах и сплавах. В сб. «Новые проблемы сварочной техники», Киев,
Изд-во Техника, 1964.
8.	Назаренко О. К. Универсальная опытно-промышленная аппарату-
ра для электронно-лучевой сварки. — «Автоматическая сварка», 1964, № 10.
9.	Ольшанский Н. А. и Зайцева А. В. Особенности структуры
металла соединения при электронно-лучевой сварке. — «Автоматическая свар-
ка», 1965, № 3.
10.	Патон Б. Е. Сварка в мире будущего.—«Автоматическая сварка»,
1963, № 2.
И.	Патон Б. Е. и Медовар Б. И. Об улучшении качества сталей
и сплавов для сварных конструкций ответственного назначения. —«Автомати-
ческая сварка», 1962, № 11.
12.	Розанова Н. Б. и Грановский В. Л. О возникновении эле-
ктрического пробоя высоковакуумного промежутка, ЖТФ, 1956, 26, К» 3.
13.	Цуккерман И. И. Электронная оптика в телевидении, Госэнерго-
издат, М.—Л., 1958.
14.	Ч е с н о к о в А. С. и Петров А. М. Изменение свойств металла
в околошовной зоне при аргоно-дуговой сварке сплавов АВТ1, АМгб, В92
и АЦМ. — «Сварочное производство», 1963, № 3.
15.	Щербаков Л. М. и Байбаков В. С. Поверхностное натяже-
ние металлов па границе с газом и собственным расплавом. В сб. «Поверх-
ностные явления в металлургических процессах». М., Металлургиздат, 1963.
16.	Юсуфова 3. А. Многослойная аргоно-дуговая сварка профилей из
сплава АЦМ. — «Сварочное производство», 1964, № 6.
125

17.	Bas E. В. Cremosnik G, Lerch H, Beitrag zum Problem der Erzeugung
des Electronenstrahles fur Sehmelzen, Verdampfen, Schweissen und Bohem mit
Elektronenstrahlen, Schweizer archiv, marz, 1962.
18.	Boring K. L., Stauffer L. H. A new nonthermionic electron gun.
Proc. Nat. Electron Conf., Chicago, I 11, 535—544, 1963.
19.	Hokanson H. A., Kern W. I. Electron Beam Welding of tung-
sten and molybdenum, Transactions vacuum metallurgy conference, American
Vacuum Society, Boston, Massachusetts, 1962.
20.	Honig Richard E., Vapor pressure data for the soling and liquid ele-
ments, RCA Rev., 23, 567—586, 1962.
21.	Kutshera R. E. Vacuum and non — vacuum techniques for electron
beam welding. Machinery (Eng), 103, 1328—1337, 1963.
22.	Liebmann G., Grad E. M., Imaging properties of a series of mag-
netic electron lenses. Proc. Phys. Sos. (London) 64, Sec. B, Part 11, 956, 1951,
23.	Meier J. W. Recent Advances in Electron beam technology. Welding
J. nov. 1964.
24.	U nt erne J. F. Welding the Refractory Metals, Metal Progress, v.
74, N 3, 105—108, 1958.

СОДЕ РЖА IIИ Е
Стр.
Предисловие....................................................... 3
Введение. .	......................................... -	3
I.	Технология электронно-лучевой сварки........................ 7
II.	Сварочные электронные пушки.................................. 58
III.	Система электропитания сварочной электронной пушки...........87
IV.	Установки для электронно-лучевой сварки.....................99
Литература......................................................  125