Основи охорони праці

Більшість високовольтних джерел живлення, що випускаються, підрозділяють по потужності на наступні групи:

- до 7,5 кВт для прискорюючої напруги 20-30 кВ;

- до 60 кВт при прискорюючій напрузі 60 кВ;

- до 120 кВт при прискорюючій напрузі 120 кВ;

- до 30 кВт при прискорюючій напрузі 175 кВ.

До  головних вимог до джерел живлення відносяться висока стабільність і здатність пригнічувати розвиток пробоїв в гарматі. Щоб забезпечити стабільність параметрів проплавлення, необхідно в першу чергу добитися стабільності щільності потужності пучка на виробі при загальній постійній потужності пучка. Коливання прискорюючої напруги приводять до зміни діаметру пучка, а отже, і густини енергії в площині виробу, зважаючи на що коливається глибина проплавлення. Аналогічно змінюється густина енергії в пучку на виробі унаслідок коливання струму магнітної лінзи при постійній прискорюючій напрузі. Зміна прискорюючої напруги в межах декількох відсотків приводить до помітної зміни глибини проплавлення. Зміна струму пучка порівняльна слабо впливає на глибину проплавлення, і тому обмеження нестабільності струму в межах 6... 10 % в більшості випадків задовольняє технологічним вимогам. Живлення зварювальних електронних гармат прискорюючою напругою здійснюється від трифазних силових випрямлячів. Коефіцієнт пульсацій в цій системі без згладжуючих фільтрів складає 6-7 % при частоті пульсацій 300 Гц. Для зменшення пульсацій прискорюючої напруги на виході випрямляча встановлюються фільтри з конденсаторів і дроселів. Величина допустимих пульсацій, як правило, не повинна перевищувати 4 % : інакше істотно знижується глибина проплавлення, спостерігаються розширення шва і розбризкування металу. 

2.2. Характеристика електронно-променевого зварювання.

Електронно-променеве  зварювання (ЕПЗ) є  одним з перспективних  способів з'єднання  різних металів, в  першу чергу тугоплавких, хімічно активних і різнорідних, якісних сталей, високоміцних сплавів на основі алюмінію і титану.

Електронно-променеве  зварювання засноване  на використанні тепла, яке виділяється  при гальмуванні  гостросфокусованого потоку електронів, прискорених до високих енергій. Явище термічної дії електронних пучків на тверді матеріали було відоме давно.

Завдяки розвитку вакуумної  техніки і електронної  оптики це джерело  нагріву отримало широке застосування спочатку в зварювальній, а потім в металургійній  техніці. Поштовхом, що послужив пошуку нових способів з'єднання матеріалів, з'явилися труднощі зварювання таких металів, як молібден, тантал, ніобій, вольфрам, цирконій, які виявилися в середині 60-х рр. минулого століття. Ці метали складають групу важко зварюваних, оскільки володіють високими температурою плавлення і хімічною активністю. Це припускає використання висококонцентрованих джерел тепла і серйозного захисту зони зварювання.

В процесі ЕПЗ у  вакуумі 10^-4 мм рт. ст. забезпечується практично повна відсутність домішок шкідливих газів. Висока концентрація енергії в електронному промені до 109 Вт/см² при мінімальній площі плями нагріву до 10^-7 см² сприяє зменшенню термічних деформацій при зварюванні, незначним структурним перетворенням в зоні нагріву і забезпечує формування зварного шва з яскраво вираженою кинджальною формою проплавлення.

Розробка  техніки і технології ЕПЗ пов'язана  з роботами французьких  і американських  інженерів Д.А. Стора, Д. Бріолі, В.Л. Вімена, які були опубліковані в 1957-58 рр. У ці ж  роки в СРСР в Московському енергетичному інституті під керівництвом Н.А. Ольшанського і Інституті електрозварювання ім. Е.О. Патона під керівництвом Б.А. Мовчана незалежно від робіт іноземних учених також були проведені дослідження по застосуванню електронно-променевого зварювання.

Процес  зварювання реалізується в спеціальних  установках, принципова схема однієї з  них зображена  на мал. 1.

Основний компонент - електронний промінь, який створюється  спеціальним приладом - електронною гарматою.

Мал.1.  Установка для  електронно-променевого зварювання.

1-зварювальна деталь; 2-катод;

3-прикатодний  електрод;

4-прискорюючий  електрод(анод);

5- джерело постійного  струму;

6-магнітна  лінза;

7-магнітна  відхиляюча система;

Гармата має катод 2 який може нагріватися до високих  температур. Катод розміщений усередині прикатодного електроду 3. На деякій відстані від катода знаходиться прискорюючий електрод (анод) 4 з отвором. Електрони, що виходять з катода, фокусуються за допомогою електричного поля між прикатодним і прискорюючим електродами в пучок діаметром, рівним діаметру отвору в аноді 4. Позитивний потенціал прискорюючого електроду може досягати декількох десятків тисяч вольт, тому електрони, що випускаються катодом, на шляху до анода набувають значної швидкості і енергії. Живлення гармати електричною енергією здійснюється від високовольтного джерела постійного струму 5.

Для збільшення густини  енергії в промені  після виходу електронів з першого анода  електрони фокусуються  магнітним полем  в спеціальній  магнітній лінзі 6, Сфокусовані в  щільний пучок електрони, що летять, ударяються з великою швидкістю в малий майданчик (пляма нагріву) на виробі 1, при цьому кінетична енергія електронів унаслідок гальмування перетворюється на теплоту, нагріваючи метал до дуже високих температур.

Для переміщення променя по зварюваному виробу на шляху електронів поміщають магнітну відхиляючу систему 7, що дозволяє встановлювати промінь точно по лінії зварювання. Сам по собі електронний промінь може досягати таких значень, що робить можливим застосування його при зварювання великої товщини - до 500 мм.

Теплова потужність електронного променя в тисячі разів більша за потужність звичайної зварювальної дуги. Це забезпечує високу швидкість зварювання, вузькі й глибокі шви, малу біля шовну зону, низькі деформації. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.3. Характеристика зварювальних металів.

Електронно-променеве  зварювання використовують в електронній  та атомній промисловості, в літакобудуванні  й ракетобудуванні. Виготовляють зварні шестерні, різальні інструменти, відповідальні  будівельні конструкції(балки, колони), вузли парогенераторів і двигунів внутрішнього згоряння. Цим способом зварюють тугоплавкі (тантал, ніобій, вольфрам, молібден) і легкоокиснювані (цирконій, берилій, титан, алюміній, магній) метали та їх сплави. 

Вольфрам - це світло-сірий метал, який має такі властивості:

найвища температура плавлення;

дуже  висока густина;

найменше  значення температурного коефіцієнта лінійного  розширення усіх чистих металів, які застосовуються у вакуумній техніці.

Порівняно дорогий, обробляється з труднощами і тому використовується там, де його не можна замінити.

Волокниста  структура металу, що утворюється куванням і волочінням, забезпечує високу механічну  міцність та гнучкість  тонких вольфрамових ниток, діаметр яких може бути меншим 10 мкм. Вольфрам має високу температуру плавлення, малу швидкість випаровування та задовільну механічну міцність у розжареному стані. Тому його використовують в електровакуумних приладах переважно при високих температурах. Серед усіх чистих металів, які використовуються у вакуумній техніці, вольфрам має найменше лінійне розширення. Основна сфера використання вольфраму - виготовлення ниток розжарювання освітлювальних ламп, катодів прямого та непрямого розжарювання потужних генераторних ламп, рентгенівських трубок, розмикальних контактів реле, випарників для нанесення у вакуумі тонких плівок різних матеріалів. Для контактів в апаратах великої потужності використовують металокерамічні матеріали на основі порошку вольфраму. 

Молібден  Мо - близький за своїми властивостями до вольфраму метал, але майже у 2 рази легший за нього. Він має такі властивості:

найнижчий питомий електричний  опір з усіх тугоплавких  металів;

допустима робоча температура  нижча, ніж у вольфраму;

окиснення починається при  температурі 500°С.

Отримують молібден з руди молібденіту  за приблизно такою  самою технологією, що і вольфрам.

Через високу міцність, твердість  і пластичність молібден є одним із кращих матеріалів для виготовлення деталей складної конфігурації, які  експлуатуються при  високих температурах.  

Тантал  Та - сірувато-білий надпровідниковпй метал, який має такі властивості:

ковкість;

в'язкість;

висока  пластичність навіть при кімнатній  температурі;

на  відміну від вольфраму  та молібдену допускає холодну механічну  обробку та зварювання;

В основному тантал використовують в  електровакуумній промисловості  для виготовлення анодів і сіток генераторних ламп, не розпилювальних газопоглинальників, допоміжних деталей електровакуумних приладів. 

Титан має такі властивості:

пластичність;

порівняно високу механічну  міцність;

високу  газопоглинальну  здатість, особливо при нагріванні до теммператури 500°С.

Чистий  титан є пластичним і в'язким металом. Він легко піддається гарячому куванню, холодному прокатуванню, волочінню, витяжці, обробці різанням, точковому зварюванню. Титан стійкий на повітрі до 700°С; при розжарюванні вище 800°С в кисні спалахує.

Титан використовується для  порошкоподібних  покриттів молібденових і вольфрамових електродів електровакуумних приладів, які працюють при  високих температурах. Титанові сплави утворюються в результаті легування титану алюмінієм, залізом, хромом, марганцем, оловом та іншими металами і мають такі властивості: низьку густину, високу корозійну стійкість, міцність, низькі ливарні властивості, задовільно оброблюються різанням твердосплавним інструментом, зварюються аргонодуговим і контактним зварюванням. Деякі титанові сплави зміцнюють термічною обробкою.

Титан та його сплави володіють  рядом переваг  в порівнянні з  іншими конструкційними  металами: малою питомою  вагою (4,5 г/cм), високими механічними властивостями (межа міцності – 500-600 МПа у технічного титана і 800-1400 МПа у сплавів на його основі) і відмінною корозійною стійкістю, подібно стійкості нержавіючої сталі, а в деяких середовищах і вищою. В сучасних виробах літальних апаратів широко застосовуються силові трубчаті зварні з'єднання із високоміцних титанових сплавів.

Електронно-променеве  зварювання титанових  сплавів має значні переваги над існуючими  способами зварювання плавленням.  

Ніобій — це метал сірувато-білого кольору, який має такі властивості:

пластичність;

добре піддається механічній обробці;

у зливках при кімнатній  температурі не піддається корозії, але його порошок помітно  окиснюється на повітрі.

Ніобій - порівняно дорогий  метал і тому використовується тільки у відповідних  електровакуумних приладах.

Ніобій  використовується для виготовлення катодів генераторних ламп, анодів, керуючих сіток, надпровідникових магнітів, НВЧ резонаторів і хвильоводів тощо.

2.4. Технологія електронно-променевого зварювання.

Суть  процесу полягає  у використанні кінетичної енергії потоку електронів, рухомих з високими швидкостями у вакуумі. Для зменшення втрати кінетичної енергії електронів за рахунок зіткнення з молекулами газів повітря, а також для хімічного і теплового захисту катода в електронній гарматі створюють вакуум порядкe 10^-4... 10^-6 мм рт. ст.

При зварці електронним  променем проплавлення має форму конуса (мал. 2). Плавлення металу відбувається на передній стінці кратера, а метал, що розплавляється, переміщається по бічних стінках до задньої стінки, де він і кристалізується. 

Малюнок 2. Схема перенесення рідкого металу при електронно-променевому зварюванні.

1 - електронний промінь; 

2 - передня стінка  кратера; 

3 - зона кристалізації; 

4 - шлях руху рідкого  металлу.