Электронно-лучевая сварка представляет собой воздействие на металл направленным потоком энергии. Качество получаемых сварных швов зависит от качества используемого «инструмента» - электронного луча. Характеристиками луча являются распределение плотности мощности, фокусировки и геометрических размеров. Однако при настройке процесса электронно-лучевой сварки эти параметры никогда в явном виде не контролируются, что приводит к низкой воспроизводимости качества сварных соединений. При этом электронно-лучевая сварка зачастую является финишной операцией при изготовлении дорогостоящих изделий, когда стоимость ошибки может приводить к потерям, превышающим десятки миллионов рублей. Учеными Пермского Политеха было разработано устройство, которое позволяет получать реальные пространственные и энергетические характеристики электронного пучка. Благодаря этому результат сварки становится более прогнозируемым, а сварные швы – более качественными и надежными.
В Перми разработали устройство для повышения качества электронно-лучевой сварки / ©Getty images
Статья, подготовленная в соавторстве с учеными Хуачжунского университета науки и технологий, опубликована в журнале «СТИН». Технология электронно-лучевой сварки получила широкое распространение в отраслях промышленности, где крайне важно качество сварных соединений. Прежде всего, это приборостроение, энергетическое машиностроение и аэрокосмическая отрасль.
Высокое качество сварных соединений обеспечивает сама суть технологии. Электронно-лучевая сварка проводится в вакууме. Поток электронов направляется на обрабатываемую поверхность. При соударении с поверхностью кинетическая энергия электронов преобразуется в тепло, за счет концентрированного ввода энергии происходит локальное закипание и расплавление металла. В результате получаются глубокие и узкие сварные швы с минимальной зоной термического влияния.
Электронно-лучевой сварка обладает высоким потенциалом к автоматизации процесса, поэтому совершенствование технологии представляет реальный интерес для науки и техники. Повысить качество сварки поможет устройство, разработанное учеными Пермского Политеха. Оно позволяет получать реальные пространственные и энергетические характеристики электронного пучка с использованием методов компьютерной томографии.
«Разработанное устройство позволяет повысить точность измерения параметров электронного пучка за счет использования коллектора первичных электронов специальной формы. Он устроен таким образом, чтобы минимизировать влияние отраженных электронов. Также в конструкции устройства была использована диафрагма с набором узких и широких радиальных щелей, что позволяет выполнять дифференциальные и интегральные измерения параметров электронного пучка, а также повышает точность измерения параметров для пучков малых поперечных размеров. В итоге, мы получаем функциональное и достаточно простое в изготовлении устройство, которое позволяет с высокой точностью измерять характеристики электронных пучков», — рассказывает научный сотрудник лаборатории методов создания и проектирования систем «материал-технология-конструкция» Глеб Пермяков.
«Электронный пучок несколько раз сканирует щелевую диафрагму по круговой развертке, в результате регистрируется выходной сигнал, представляющий из себя серию импульсов, каждый из которых соответствует пересечению пучка одной из щелей диафрагмы. Выходной сигнал обрабатывается с применением метода синхронного накопления, который сокращает влияние случайных помех и метода компьютерной томографии, что позволяет с высокой точностью определять реальные пространственные и энергетические характеристики электронного пучка.
Применять данную методику можно для диагностики электронно-лучевых пушек или наладки процесса электронно-лучевой сварки. Также реальные параметры электронного пучка можно использовать для уменьшения возможных погрешностей при моделировании процесса сварки», — поясняет профессор кафедры сварочного производства, доктор технических наук Дмитрий Трушников.
Благодаря этой разработке пермских ученых электронно-лучевая сварка станет еще эффективнее. Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России, Министерства образования и науки Пермского края и Российского фонда фундаментальных исследований в соответствии с целями программы академического стратегического лидерства «Приоритет 2030».
