Сущность, схема, технологические возможности лучевых способов сварки
4.17. Сущность, схема, технологические возможности лучевых способов сварки.
Электронно-лучевая сварка.
Электронный луч представляет собой сжатый поток электронов, перемещающийся с большой скоростью от катода к аноду в сильном электрическом поле. При соударении электронного потока с твердым телом более 99% кинетической энергии электронов переходит в тепловую, расходуемую на нагрев этого тела. Температура в месте соударения может достигать 5000— 6000° С. Электронный луч образуется за счет эмиссии электронов с нагретого в вакууме [133(10~4~ 10~5) Па] катода с помощью электростатических и электромагнитных линз фокусируется на поверхности свариваемых материалов .
В установках для электронно-лучевой сварки электроны, испускаемые катодом электронной пушки, формируются в пучок электродом, расположенным непосредственно за катодом, ускоряются под действием разности потенциалов между катодом и анодом, составляющей 20—150 кВ и выше, затем фокусируются в виде луча и направляются специальной отклоняющей магнитной системой на обрабатываемое изделие. На формирующий электрод подается отрицательный или нулевой по отношению к катоду потенциал. Фокусировкой достигается высокая удельная мощность луча. Ток электронного луча невелик— от нескольких миллиампер до единиц ампер.
При перемещении заготовки под неподвижным лучом образуется сварной шов. Иногда при сварке перемещают сам луч вдоль неподвижных кромок с помощью отклоняющих систем. Отклоняющие системы используют также и для колебаний электронного луча поперек и вдоль шва, что позволяет сваривать с применением присадочного металла и регулировать тепловое воздействие на шов.
В современных установках для сварки, сверления, резки или фрезерования электронный луч фокусируется на площади диаметром менее 0,01 см, что позволяет получить большую удельную мощность.
При сварке электронным лучом теплота выделяется непосредственно в самом металле, который, частично испаряясь, оттесняет расплав в сторону, противоположную направлению сварки.
Высокая концентрация теплоты в пятне нагрева позволяет испарять такие материалы, как сапфир, рубин, алмаз, стекло, образуя в них отверстия. Незначительная ширина шва и нагретой зоны основного металла способствует резкому снижению деформаций сварного соединения. Кроме того, проведение процесса в вакууме обеспечивает получение зеркально-чистой поверхности шва и дегазацию расплавленного металла.
Электронно-лучевой сваркой изготовляют детали из тугоплавких химически активных металлов и их сплавов (вольфрамовых, титановых, ниобиевых, циркониевых, молибденовых и т. п.), а также из алюминиевых и титановых сплавов и высоколегированных сталей. Металлы и сплавы можно сваривать в однородных и разнородных сочетаниях, со значительной разностью толщин, температур плавления и других теплофизических свойств. Минимальная толщина свариваемых заготовок составляет 0,02 мм, максимальная — до 100 мм.
Рекомендуемые материалы
Электронно-лучевой сваркой можно соединять малогабаритные изделия, применяемые в электронике и приборостроении, и крупногабаритные изделия длиной и диаметром несколько метров.Лазерная сварка. Применяемый для расплавления металла при сварке лазерный луч представляет собой вынужденное монохроматическое излучение, длина волны которого зависит от природы рабочего тела лазера-излучателя и может быть в диапазоне 0,1 —1000 мкм. Оно возникает в результате вынужденных скачкообразных переходов возбужденных атомов рабочих тел лазеров на более низкие энергетические уровни. При этом возбужденный атом отдает энергию в виде фотонов с частотой, свойственной материалу применяемого рабочего тела. Испускание света можно инициировать воздействием внешнего фотона, обладающего энергией, соответствующей разнице энергий атомов в возбужденном и нормальном состояниях. В результате такого воздействия генерируются два фотона с одинаковой частотой, которые распространяются в направлении вектора внешнего фотона.
Одновременно может протекать и обратный переход. Поэтому для получения заметной генерации вынужденного излучения необходимо добиваться такого состояния рабочих тел, при котором превалировали бы переходы с возникновением новых фотонов. Этого состояния искусственно достигают воздействием различных источников энергии — световой, тлеющего электрического разряда, химических процессов и др., с помощью которых производят так называемую «накачку» рабочих тел.
Информация в лекции "31 Оптимальные управленческие решения" поможет Вам.
Твердотельные лазеры обычно имеют относительно небольшую мощность.
Для получения непрерывного излучения большей мощности применяют так называемые газовые лазеры. Рабочим веществом у них чаще всего является СО2, который в смеси с аргоном и гелием специальными насосами прогоняется через разрядную камеру с тлеющим электрическим разрядом. В камере происходит возбуждение молекул СО2. В резонаторной камере энергия возбужденных частиц формируется в световой поток большей мощности, который выводится наружу, фокусируется и направляется на обрабатываемую поверхность материала. Лазерный луч при встрече с препятствием (обрабатываемым материалом) частично отражается от его поверхности, частично ею поглощается, переходя в теплоту. Для увеличения доли полезно используемой энергии нужно повышать коэффициент поглощения. Для этого перед обработкой таких материалов, у которых отражательная способность велика (Ag, Cu, A1 и др.), поверхность покрывают специальными «зачерняющими» покрытиями.
Основными параметрами режимов лазерной обработки являются мощность излучения, диаметр пятна фокусировки, скорость перемещения обрабатываемого материала относительно луча.
Преимуществами лазерной сварки являются возможность вести процесс на больших скоростях — до 500 м/ч, узкий («ниточный», «кинжальный») шов, чрезвычайно малая зона разогрева, практически отсутствие деформаций изделия после сварки.
Большая плотность мощности, достигаемая в остросфокусированном лазерном луче (значительно выше, чем в сварочной дуге, и на порядок выше, чем в электронном луче), позволяет получать особые эффекты при обработке материалов. Например, можно достичь скоростей нагрева нескольких десятков и даже сотен тысяч градусов в секунду. Металл в этих условиях может интенсивно испаряться. Такие режимы используются для прошивки отверстий или при резке. Интенсивный сосредоточенный нагрев обычно обусловливает и чрезвычайно большую скорость охлаждения материала после прекращения воздействия луча (тысячи градусов в секунду). Можно создать условия охлаждения, при которых обрабатываемый материал после расплавления охлаждается с такой скоростью, что процессы кристаллизации с образованием упорядоченной структуры происходить не успевают; при затвердевании образуется аморфный слой, обладающий специфическими свойствами.
В то же время расфокусированный лазерный луч может быть и очень «мягким», что позволяет его использовать в качестве универсального источника нагрева для сварки, резки, наплавки, термообработки и др.
