Изобретение относится к обработке материалов, а именно к технологии соединения керамических деталей, и может быть использовано при изготовлении керамических изделий сложной формы, либо для соединения керамических труб.The invention relates to the processing of materials, namely to the technology of joining ceramic parts, and can be used in the manufacture of ceramic products of complex shape, or for joining ceramic pipes.
Известен способ соединения керамических деталей, включающий в себя операцию расплавления области стыка электронным лучом [Ольшанский Н.А., Зайцев К.И. Сварка в машиностроении: Справочник. В 4-х т. - М.: Машиностроение, 1978 - т.2/ под ред. А.И.Акулова. 1978. 462 с]. В этом способе для обеспечения передачи энергии от электронного луча обрабатываемому материалу производят нагрев соединяемых деталей в печи до температур, при которых появляется заметная электропроводность керамики и, следовательно, исчезает накопление заряда на керамических деталях. Способ предполагает нагрев до одной температуры всех участков керамических деталей. Это ограничивает его возможности, поскольку не позволяет производить сварку деталей сложной формы, а также сварку керамических изделий, имеющих припаянные металлические элементы. Известен также способ электронно-лучевой сварки материалов, использующий вывод электронного пучка в атмосферу [Патент США US 3585348 Method and Apparatus for Welding Metallic and Nonmetallic Materials by an Electron Beam under Normal Pressure]. Несмотря на то, что в этом способе накопления заряда не происходит, его применение для сварки керамических деталей также требует их нагрева в печи для предотвращения растрескивания деталей, что ограничивает возможности способа. Известен способ электронно-лучевой сварки металлов [Патент США US 6639173 Electron Beam Welding Method Providing Post Weld Heat Treatment]. В этом способе для снижения механических напряжений в сварном шве используются два сфокусированных электронных луча, один из которых осуществляет плавление металлов в области стыка, а второй луч меньшей мощности сопровождает первый луч, предотвращая быстрое остывание сварного шва. Способ не пригоден для сварки керамических деталей, поскольку в нем отсутствуют меры по нейтрализации заряда, приносимого электронами. Кроме того, в силу большей по сравнению с металлом чувствительности керамики к термомеханическим напряжениям, сопровождающим сварку, прогрева лишь области сварного шва не достаточно для эффективного снижения механических напряжений и предотвращения растрескивания керамических деталей.A known method of joining ceramic parts, including the operation of melting the joint area with an electron beam [N. Olshansky, K. Zaitsev Welding in Mechanical Engineering: A Guide. In 4 vols. - M.: Mechanical Engineering, 1978 - vol. 2 / ed. A.I. Akulova. 1978. 462 s]. In this method, to ensure the transfer of energy from the electron beam to the processed material, the connected parts in the furnace are heated to temperatures at which appreciable electrical conductivity of the ceramics appears and, therefore, the charge accumulation on the ceramic parts disappears. The method involves heating to one temperature all sections of ceramic parts. This limits its capabilities, since it does not allow welding of parts of complex shape, as well as welding of ceramic products having soldered metal elements. There is also known a method of electron beam welding of materials using the output of an electron beam into the atmosphere [US Patent US 3585348 Method and Apparatus for Welding Metallic and Nonmetallic Materials by an Electron Beam under Normal Pressure]. Despite the fact that this method does not accumulate charge, its use for welding ceramic parts also requires heating in a furnace to prevent cracking of parts, which limits the possibilities of the method. A known method of electron beam welding of metals [US Patent US 6639173 Electron Beam Welding Method Providing Post Weld Heat Treatment]. In this method, two focused electron beams are used to reduce mechanical stresses in the weld, one of which melts the metals in the joint area, and a second beam of lower power accompanies the first beam, preventing the cooling of the weld. The method is not suitable for welding ceramic parts, since there are no measures to neutralize the charge brought by electrons. In addition, due to the greater sensitivity of ceramics to thermomechanical stresses accompanying welding compared to metal, heating only the weld area is not enough to effectively reduce mechanical stresses and prevent cracking of ceramic parts.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ электронно-лучевой сварки керамических деталей в вакууме, достигаемом применением форвакуумных механических насосов [В.А.Бурдовицин, А.С.Климов, Е.М.Окс. О возможности электронно-лучевой обработки диэлектриков плазменным источником электронов в форвакуумной области давлений. Письма в ЖТФ, 2009, т.35, вып.11, с.61-66]. Этот способ позволяет соединять детали, изготовленные из низкокачественной керамики на основе талько-шамотной смеси, имеющей рыхлую структуру. Способ не пригоден для сварки электротехнических керамик типа 22ХС и ВК95. В этих керамиках при расплавлении области стыка электронным лучом возникают значительные механические напряжения, и керамика растрескивается.Closest to the technical nature of the present invention is a method of electron beam welding of ceramic parts in vacuum, achieved by the use of fore-vacuum mechanical pumps [V.A. Burdovitsin, A.S. Klimov, E.M. Oks. On the possibility of electron-beam processing of dielectrics by a plasma electron source in the fore-vacuum pressure range. Letters to the ZhTF, 2009, vol. 35, issue 11, p. 61-66]. This method allows you to connect parts made of low-quality ceramics based on a talc-chamotte mixture having a loose structure. The method is not suitable for welding electrotechnical ceramics type 22XC and VK95. In these ceramics, when the joint area is melted by an electron beam, significant mechanical stresses arise, and the ceramics crack.
Цель настоящего изобретения состоит в предотвращении растрескивания свариваемых керамических деталей за счет снижения механических напряжений в сварном шве. Указанная цель достигается тем, что сначала в вакуумной камере, где размещены свариваемые детали, создают давление 5-20 Па. Затем на области керамических деталей, прилегающие к их стыку, направляют расфокусированный электронный пучок от источника расфокусированного электронного пучка и нагревают эти области до температуры, меньшей температуры плавления свариваемых деталей. После этого осуществляют сварку стыка деталей сфокусированным электронным лучом, а по завершении образования сварного шва источник сфокусированного луча выключают и снижают мощность расфокусированного пучка до нуля в течение времени, зависящего от сорта керамики и вида свариваемых деталей. После выдержки в вакууме сваренные детали извлекают из камеры в атмосферу. Проведение процесса сварки при давлении в рабочей камере, равном 5÷20 Па, исключает накопление электрического заряда на керамических деталях, поскольку заряд стекает на стенки камеры через плазму, образующуюся вдоль траектории пучка. В свою очередь, отсутствие накопления заряда позволяет избежать отклонения электронного пучка и дает возможность прогревать лишь области, примыкающие к сварному шву, оставляя ненагретыми все остальные участки. При давлениях, меньших 5 Па, не удается эффективно снимать заряд, вследствие чего возможно искривление траектории сфокусированного электронного луча и, следовательно, исключение прицеливания и собственно сварки. Давления газа, большие 20 Па, стимулируют электрический пробой ускоряющего промежутка электронных источников. Это, в свою очередь, не позволяет формировать электронные пучки требуемой мощности и конфигурации. Указанная совокупность и последовательность операций позволяет достичь цели изобретения - предотвращения растрескивания свариваемых керамических деталей.The purpose of the present invention is to prevent cracking of the welded ceramic parts by reducing mechanical stresses in the weld. This goal is achieved by first creating a pressure of 5-20 Pa in the vacuum chamber where the parts to be welded are placed. Then, the defocused electron beam from the source of the defocused electron beam is directed to the areas of ceramic parts adjacent to their junction and these areas are heated to a temperature lower than the melting point of the parts to be welded. After this, the joint of the parts is welded by a focused electron beam, and after the formation of the weld is completed, the source of the focused beam is turned off and the power of the defocused beam is reduced to zero for a time depending on the type of ceramic and the type of welded parts. After exposure to vacuum, the welded parts are removed from the chamber into the atmosphere. Carrying out the welding process at a pressure in the working chamber of 5 ÷ 20 Pa eliminates the accumulation of electric charge on ceramic parts, since the charge flows onto the chamber walls through the plasma formed along the beam path. In turn, the absence of charge accumulation avoids the deviation of the electron beam and makes it possible to heat only the regions adjacent to the weld, leaving all other sections unheated. At pressures less than 5 Pa, it is not possible to effectively remove the charge, as a result of which the curvature of the focused electron beam path is possible and, consequently, aiming and welding itself are excluded. Gas pressures, large 20 Pa, stimulate electrical breakdown of the accelerating gap of electronic sources. This, in turn, does not allow the formation of electron beams of the required power and configuration. The specified combination and sequence of operations allows to achieve the purpose of the invention is to prevent cracking of the welded ceramic parts.
На чертеже изображена схема реализации предлагаемого способа электронно-лучевой сварки керамических деталей. Свариваемые керамические детали 1 помещают в вакуумную камеру 2, откачиваемую механическим форвакуумным насосом. По достижении рабочего давления детали 1 облучают расфокусированным электронным пучком 3 на участках, прилегающих к стыку 4 деталей. Пучок формируется электронным источником 5 с плазменным катодом. После прогрева до температуры, не достигающей температуры плавления, на стык деталей направляют сфокусированный луч 6, формируемый вторым плазменным электронным источником 7. Удельная мощность луча 6 достаточна для расплавления керамики, и под его воздействием на стыке деталей формируется жидкая фаза, соединяющая обе детали. Для формирования шва детали вращают или перемещают так, чтобы электронный луч переплавил всю область стыка. По завершении формирования сварного шва источник сфокусированного луча отключают, а мощность расфокусированного пучка снижают до нуля в течение 10÷15 минут в зависимости от сорта керамики и вида свариваемых деталей. Сваренные детали извлекают из камеры в атмосферу после выдержки в вакууме.The drawing shows a diagram of the implementation of the proposed method of electron beam welding of ceramic parts. The welded ceramic parts 1 are placed in a vacuum chamber 2 pumped out by a mechanical fore-vacuum pump. Upon reaching the working pressure of the part 1 is irradiated with a defocused electron beam 3 in areas adjacent to the junction 4 of the parts. The beam is formed by an electron source 5 with a plasma cathode. After warming up to a temperature not reaching the melting point, a focused beam 6, formed by the second plasma electron source 7, is sent to the joint of the parts. The specific power of the beam 6 is sufficient to melt the ceramics, and under its influence a liquid phase is formed at the junction of the parts connecting both parts. To form a seam, the parts are rotated or moved so that the electron beam melts the entire joint area. Upon completion of the formation of the weld, the source of the focused beam is turned off, and the power of the defocused beam is reduced to zero within 10-15 minutes, depending on the type of ceramic and the type of welded parts. The welded parts are removed from the chamber into the atmosphere after exposure to vacuum.
Пример. Для испытаний были взяты два отрезка труб диаметром 20 мм и длиной 50 мм, изготовленных из керамики 22ХС. Трубы зажимались в держателе с электроприводом и помещались в вакуумную камеру, которую затем откачивали механическим вакуумным насосом АВЗ-20. По достижении давления 10 Па включали источник расфокусированного электронного пучка и в течение 10 мин в условиях вращения труб вокруг своей оси производили прогрев участков, прилегающих к стыку деталей. При этом ток и энергия пучка составляли 0,5 А и 6 кэВ соответственно. После разогрева облучаемой области до красного свечения, был включен источник сфокусированного электронного луча, и с его помощью за один проход была расплавлена область стыка деталей, в результате чего образовался сварной шов. Параметры луча: ток - 0,3 А, энергия - 8 кэВ. По завершении образования сварного шва источник сфокусированного луча был выключен, а ток расфокусированного пучка был в течение 10 мин снижен от исходного значения до нуля. После десятиминутной выдержки в вакууме сваренные детали были извлечены из вакуумной камеры в атмосферу. Визуальные наблюдения не обнаружили следов растрескивания на сварном шве.Example. For testing, we took two pieces of pipes with a diameter of 20 mm and a length of 50 mm made of 22XC ceramics. The pipes were clamped in a holder with an electric drive and placed in a vacuum chamber, which was then pumped out using an AVZ-20 mechanical vacuum pump. Upon reaching a pressure of 10 Pa, the source of the defocused electron beam was turned on, and for 10 min under conditions of rotation of the tubes around its axis, the sections adjacent to the joint of the parts were heated. The current and beam energy were 0.5 A and 6 keV, respectively. After heating the irradiated region to a red glow, the source of the focused electron beam was turned on, and with its help, the joint area of the parts was melted in one pass, as a result of which a weld was formed. Beam parameters: current - 0.3 A, energy - 8 keV. After the formation of the weld was completed, the source of the focused beam was turned off, and the current of the defocused beam was reduced from the initial value to zero for 10 min. After ten minutes of exposure to vacuum, the welded parts were removed from the vacuum chamber into the atmosphere. Visual observations did not reveal any signs of cracking on the weld.