Этот вид сварки представляет собой результат взаимодействия пучка электронов, ускоренных электрическим полем, с поверхностью металла, которой эти электроны отдают накопленную в электрическом поле энергию (энергия торможения), расплавляя и даже частично испаряя ее.
Прототипом оборудования для получения пучка электронов служит рентгеновский аппарат для просвечивания биологических объектов в медицинских целях или исследования строения кристаллов.
Схема установки для сварки электронным лучом показана на рис. 33. В камере с глубоким вакуумом (давление 10-4 мм рт. ст. и менее) между катодом, эмитирующим электроны, и анодом, имеющим в середине отверстие, создается поток электронов, или электронный луч.
Рис. 33. Принципиальная схема установки для сварки электронным лучом.
Для увеличения плотности энергии электронный луч фокусируют магнитой линзой и направляют на изделие, соединенное с землей. Управление электронным лучом осуществляется магнитным устройством, отклоняющим луч в нужном направлении.
Физическая сущность процесса сварки электронным лучом заключается в том, что электроны при прохождении электрического поля большой напряженности (50—100 кВ и более) ускоряются и приобретают большой запас энергии, которую они и передают в виде теплоты при встрече со свариваемым изделием. Электрон, обладающий высокой энергией, продолжает двигаться и в самом металле, но величина пути будет зависеть от энергии электрона и плотности самого металла. Так, например, электрон при разности потенциалов 50 ООО В пройдет путь:
в алюминии (плотность 2,7 г/см3) — 19,4 мм;
в стали (плотность 7,7 г/см3) — 6,8 мм;
в вольфраме (плотность 19,3 г/см3) — 2,7 мм.
Таким образом, взаимодействие электрона с металлом необходимо рассматривать не только как поверхностный, но и как объемный процесс.
Преобразованная в теплоту энергия электронного луча вызывает нагрев металла до температур, значительно превышающих температуру плавления, при этом происходит интенсивное испарение и даже выброс частиц металла.
Энергию электронного луча можно использовать и для прошивания отверстий и для фрезерования. Путем фокусировки электронного луча можно добиться очень высокой концентрации энергии на единицу площади — в 1000 раз выше, чем при любом виде электродуговой сварки. Отсюда следует, что при сварке электронным лучом получается очень узкое и глубокое проплавление («кинжальное»), позволяющее сваривать металлы значительной толщины за один проход (до 100 мм).