Классификация сварки (1016822), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

Рис. 3.27. Виды соединений, выполняемых электрошлаковой сваркой:

а-стыковые; б-тавровые; в-угловые; 5-толщина металла; Ь - ширина зазора; Ьш - ширина шва

Рис. 3.28. Схема электро-шлаковой сварки кольцевого шва:

а-сварка средней части шва; б - замыкание шва; / - выходной кокиль; 2 - разделка начала шва для его замыка-ния; 3 - заходная планка; а -угол перемещения ползуна к началу замыкания; И- высота подъёма аппарата к началу замыкания шва

Электрошлаковая сварка позволяет выполнять не только прямо-линейные, но и кольцевые швы (рис. 3.28). Вращение изделия осу-ществляется на роликовой опоре или другим способом.

3.4. СВАРКА ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧОМ

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) основана на использовании для нагрева энергии электронного луча. Сущность данного процесса состоит в следующем. Кинетическая энергия электронов, движу-щихся в высоком вакууме с большой скоростью и бомбардирующих поверхность металла, в подавляющей своей части превращается в теплоту, которая используется для расплавления металла.

Дпя сварки необходимо получить свободные электроны, сконцен-трировать их и сообщить им большую скорость для увеличения их энергии, которая должна превратиться в теплоту при торможении в свариваемом металле.

Получение свободных электронов осуществляется путём применения раскаленного металлического катода, эмиттирующего (испускающего) электроны. Ускорение электронов обеспечивается электрическим полем с высокой разностью потенциалов между катодом и анодом. Фокусировка - концентрация электронов достигается с помощью кольцевых магнитных полей. Резкое торможение электронного потока происходит автоматически при внедрении электронов в металл.

Электронный луч, используемый для сварки, создается в специальном приборе -электронной пушке. Электронная пушка представляет собой устройство, с помощью которого получают узкие электронные пучки с большой плотностью энергии (рис. 3.29). Катод пушки 1 (рис. 3.29, а) размещен внутри прикатодного электрода 2. На некотором удалении от катода находится ускоряющий электрод—анод З с отверстием. Прикатодный и ускоряющий электроды имеют форму, обеспечивающую такое строение электрического поля между ними, которое фокусирует электроны в пучок диаметром, немного меньшим диаметра отверстия в аноде.

Положительный потенциал ускоряющего электрода может достигать нескольких десятков тысяч вольт, поэтому электроды, эмиттированные катодом, на пути к аноду приобретают значительную скорость и, соответственно, кинетическую энергию. После ускоряющего электрода электроны движутся равномерно.

Рис. 3.29. Схема устройства электроннолучевой пушки (а) и общий вид пушки ЭЛТП-60/30 (б)

Питание пушки электрической энергией осуществляется от высоковольтного источника постоянного тока. Электроны имеют одинаковый заряд, поэтому они отталкиваются другот друга, вследствие чего диаметр пучка увеличивается, а плотность энергии в пучке уменьшается.

Для увеличения плотности энергии в луче после выхода из анода электроны фокусируются магнитным полем в специальной магнит-ной линзе 4. Сфокусированные в плотный пучок летящие электроны ударяются с большой скоростью о поверхность изделия 6; при этом кинетическая энергия электронов вследствие торможения в веществе превращается в теплоту, нагревая металл до высоких температур. Для перемещения луча по свариваемому изделию на пути электронов помещают магнитную отклоняющую систему 5, позволяющую направлять электронный луч точно по сварочному стыку.

Для обеспечения беспрепятственного движения электронов от катода к аноду и далее к изделию, для тепловой и химической изоляции катода, а также для предотвращения возможности дугового разряда между электродами в установке создается высокий вакуум 1,3 • 10~² Па (Ю"⁴ мм рт. ст.), обеспечиваемый вакуумной системой установки.

Работа, затраченная электрическим полем на перемещение заря-да из одной точки в другую, равна произведению величины заряда (в данном случае-заряда электрона е) на разность потенциалов между этими двумя точками II: А = е11. Эта работа затрачивается на сообщение электрону кинетической энергии Е = т^-12, т.е.

Энергия электронов может достигать больших значений и зависит от разности потенциалов разгоняющего поля. В настоящее время эксплуатируются электронно-лучевые установки с ускоряющим напряжением в электронно-лучевой пушке до 200 кВ.

При сварке электронным пучком формируется узкий и глубокий шов. Глубина проплавления достигает 200-400 мм, а отношение глубины проплавления к средней ширине шва составляет 20-40 (рис. 3.30). Столь глубокое проникновение электронов в металл объясняется образованием канала в сварочной ванне практически на всю ее глубину. Основным фактором, вызывающим образование канала в жидком металле, является давление отдачи пара при испарении.

Рис. 3.30. Типичная форма сварного шва при ЭЛС

В связи с этим канал в сварочной ванне часто называют пародинамическим.

Ниже приведены технологические в оз можности и преимущества электронно-лучевой сварки.

При ЭЛС возможно соединение за один про-ход металлов и сплавов толщиной в наиболее широком среди дру-гих методов сварки диапазоне - от 0,1 до 400 мм.

Благодаря высокой концентрации энергии в луче, минимальному вводу теплоты и высокой скорости охлаждения зона термического влияния при ЭЛС имеет существенно меньшую протяженность, а ухудшение свойств в ней относительно небольшое. Особое значение это имеет для аустенитной стали, сплавов циркония, молибдена и других металлов, склонных при нагреве к значительному росту зер-на и снижению коррозионной стойкости.

Глубокое проплавление металла при малой погонной энергии, имеющее место при ЭЛС, обусловливает значительно большую скорость отвода тепла от зоны сварки, что обеспечивает увеличение скорости кристаллизации малой по объему сварочной ванны с получением мелкокристаллического строения металла шва, по своим свойствам мало отличающегося от основного металла.

Ввод значительно меньшего количества теплоты при ЭЛС, осо-бенно на импульсном режиме, по сравнению с дуговой сваркой дает возможность во много раз уменьшить деформации изделий.

Большая концентрация энергии в малом поперечном сечении луча и возможность переноса энергии лучом на значительное расстояние от катода делают возможным использование электронного луча при сварке в узкую щель, когда методы дуговой сварки невозможны.

При ЭЛС рабочее расстояние «электронная пушка - изделие» можно изменять в значительных пределах без существенного изменения параметров шва. Рабочее расстояние выбирают 50-120 мм для низковольтных пушек и 50-500 мм - для высоковольтных. При этом изменение рабочего расстояния в процессе сварки на 1-5 мм не оказывает существенного влияния на качество соединения.

Обеспечивается эффективная защита метала от взаимодействия с газами в процессе сварки, осуществляемой в высоком вакууме.

Рис. 3.31. Принципиальная схема (а) и общий вид установки для электронно-лучевой сварки (6):

1 - высоковольтный источник питания; 2 - сварочная камера; 3 - телескопическое устройство для наблюдения; 4 - электромагнитная линза и отклоняющие катушки; 5 - электронно-лучевая пушка; (5-вентиль; 7-диффузи-онный насос; 8 - освещение; 9 - вакуумный вентиль; 10 - роторный форвакуумный насос; 11 - пульт управления движением детали; 12 - электрический пульт управления

Отклонение потока электронов в магнитном поле осуществляется практически безынерционно, что делает возможным перемещение электронного луча по сложным контурам по программе с использованием электронно-вычислительной техники.

Существенно (в 8—10 раз) снижаются энергетические затраты по сравнению с другими дуговыми методами.

ЭЛС является наиболее рациональным методом соединения изделий:

— из тугоплавких металлов;

— из термически упрочненных металлов, когда нежелательна, затруднена или невозможна последующая термообработка;

— после окончательной механической обработки при необходимости обеспечения минимальных сварочных деформаций, а также конструкций больших толщин ответственного назначения.

Недостатки метода ЭЛС:

— сложность и высокая стоимость оборудования;

— необходимость наличия вакуумных камер, что ограничивает размеры свариваемых изделий;

— вредное рентгеновское излучение в процессе ЭЛС;

— необходим высококвалифицированный персонал.

Схема и общий вид установки для ЭЛС в высоком вакууме приведены на рис. 3.31. Такие установки применяют для микро-сварки в радиоэлектронике, приборостроении, точной механике, а также для сварки изделий малых, средних и крупных габаритов в ядерной энергетике, авиастроении и ракетной технике.

Вакуум космического пространства может быть использован для ЭЛС отдельных деталей, узлов при сборке космических платформ и различных ремонтных работах. В настоящее время силами ИЭС им. Е. О. Патона создана и прошла успешные испытания на борту орбитапьной станции "Мир" аппаратура и набор специализированных инструментов для выполнения ручной электронно-лучевой сварки в космосе.

3.5. СВАРКА ЛАЗЕРОМ

Лазер, или оптический квантовый генератор (ОКГ), создает мощный импульс монохроматического излучения в результате возбуждения атомов примеси в кристалле (рубин) или в газах. Можно построить ОКГ на полупроводниках и в этом случае, используя электрическое возбуждение вместо оптического, существенно повысить КПД источника энергии.

Этот новый источник энергии высокой концентрации сразу на-шел применение в технике связи и в промышленности для обработки металлов и других материалов. Сущность процесса получения мощного потока световых квантов заключается в том, что атомы вещества могут находиться в стабильных и возбужденных состояниях, и при переходе из возбужденного состояния в стабильное они отда-ют энергию возбуждения в виде квантов лучистой энергии.

Возбуждение атомов примесей может происходить различными путями, но наиболее часто - в результате поглощения лучистой энергии (лампы накачки). Переход из возбужденного состояния атома в стабильное может происходить не сразу, а по отдельным ступеням. Если эти ступени близки, то переход происходит без излучения кванта энергии, а за счет перераспределения энергии электронов внутри ато-ма. Некоторые из таких промежуточных ступеней—уровней возбуж-дения обладают повышенной устойчивостью.

Схема работы оптического квантового генератора, или лазера, может быть представлена следующим образом (рис. 3.32).

Атомы какого-либо элемента возбуждаются непрерывным источ-ником энергии - лампами накачки, и электроны, возбуждаясь, переходят на первый уровень энергии, но вместо того, чтобы сразу возвращаться на нулевой уровень, они переходят без излучения на метастабильный второй уровень, а затем, порле накопления на этом уровне у значительного числа атомов примеси энергии электронов, атомы все сразу (индукционный период) переходят в исходное со-стояние на нулевой уровень энергии, создавая мощное излучение.

Кристалл ограничен строго параллельными гранями, из которых одна — непроницаемая для света (закрыта слоем металла), а другая -полупроницаемая и пропускает излучение определенной длины волны. Энергия возбуждения от лампы подается перпендикулярно к оси кристалла и к оси излучения. Выходящие монохроматические лучи фокусируются оптическими системами. Поток квантов энергии (ф-тонов), направленный на поверхность твердого тела, трансформирует свою энергию в тепловую, и температура твердого тела резко возра-

Рис. 3.32. Установка для свар-ки лазером (а) и схема образо-вания соединения при лазерной сварке (б); а: 1 - осветитель (фокусировка луча по месту сварки); 2 - рубин (активное вещество); 3 - пульт управления- 4 - микроскоп; 5 - шторка; 6 - свариваемые детали; 7 - манипулятор

(настройка расположения деталей); 5 - газоразрядная импульсная лампа;

б: 1 - привариваемые детали; 2-микрометр; 3 -луч лазера (площадь пятна |

нагрева ~ 10'5 мм2); 4 - сварная точка

стает, так как поток фотонов обладает очень высокой концентрацией

энергии.

Для сварки лазером не требуется вакуум, и ведется она в импульсном режиме, так как постоянный приток энергии влияет на излучатель (разогрев кристалла рубина). Режим сварки регулируется следующими параметрами: частотой, длительностью импульса и степенью расфокусирования луча лазера до уровня плотности энергии, необходимого для сварки данного изделия, и коэффициент использования подаваемой мощности в этом виде сварки очень невысок (~1-1,5 %). Соединение целого ряда изделий можно осуществить только таким образом (например, из неметаллических материалов). Кроме того, поток фотонов можно использовать для прошивки отверстий в самых твердых материалах, резки металлов и их поверхностной обработки.

Характеристики

Список файлов лекций