УП ФОИЭС (841336), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Это в свою очередь ведет к техническомуусложнению лазерного сварочного оборудования, снижению его надежности и техни-117ко-экономических показателей и в итоге не позволяет в полной мере реализоватьпринципиальные возможности лазерной технологии. Лазерная сварка получиладальнейшее развитие в виде создания гибридных способов — двухлучевой лазерной,лазерно-дуговой, лазерно-индукционной, лазерно-плазменной, светолазерной, которые находят все большее применение в промышленности вследствие своей высокойтехнико-экономической эффективности. Соединение различных способов сварки слазерной в единый технологический сварочный процесс позволяет частично устранить недостатки каждого способа и расширить технологические возможности.Совместное использование источников тепла для гибридных способов сваркидает возможность при значительно меньшей мощности лазерного излучения достичьтакой же производительности процесса, как и при обычной лазерной сварки.
Необходимо также отметить, что использование гибридных способов сварки позволяет повышать производительность процессов металлообработки не за счет дорогостоящейэнергии лазерного излучения, а за счет более дешевой энергии второго источникатепла. В этом состоит одно из основных преимуществ гибридных способов соединения и обработки металлов.Сварка лазером неметаллических материалов (в основном стекла и керамики) возможна потому, что излучение лазера на углекислом газе с длиной волны 10,6 мкмдостаточно хорошо поглощается этими материалами и может быть использовано дляих нагрева, плавления и последующей сварки.
По сравнению с газопламенным нагревом, обычно используемым для сварки и пайки стекла, излучение лазера позволяет увеличить интенсивность нагрева места сварки или пайки (но не более 80…100К/с из-за возможности термического растрескивания стекла), уменьшить зону нагрева, что дает возможность создавать миниатюрные стеклянные сварные конструкции.Резка материалов лазерным излучением может быть основана на локальномплавлении материала и его дальнейшем удалении под действием сил тяжести, конвективного потока или газовой струи. Если же расплавленный материал перегрет иупругость его паров достаточно высока, образующиеся при этом пары могут бытьудалены из зоны резки струёй инертного газа, и процесс резки может происходитьболее эффективно.
При лазерной резке можно получать узкие резы с минимальнойзоной термического влияния.В случае, если разрезаемый материал содержит связанную или кристаллизационную воду (органические соединения, минералы), локальный интенсивный нагревлазерным излучением приводит к разрыву молекулярных связей и испарению воды идругих жидких компонентов. В результате испарения этих компонентов внутри материала может возникнуть высокое внутреннее давление, что приводит к образованиюмикротрещин и выбросу частиц материала. Аналогично протекает процесс резки пористых материалов, содержащих газы, и химических соединений, деструктирующих собразованием газообразных продуктов.
На таком принципе основана резка слоистыхпластиков, дерева, содержащих кристаллическую воду веществ.Эффективность резки может быть значительно повышена в результате введения в зону резки активного газа, например кислорода. Экзотермическая реакция между разрезаемым материалом и кислородом значительно увеличивает выделениеэнергии в месте взаимодействия излучения с материалом.
На этом принципе основан118процесс газолазерной резки (ГЛР). Кислород в этом процессе осуществляет следующие функции:1) обеспечивает в результате реакции окисления выделение основной частиэнергии, необходимой для резки;2) значительно увеличивает поглощательную способность материала вследствие создания на его поверхности оксидов, имеющих меньший коэффициент отражения по сравнению с основным металлом;3) снижает поверхностное натяжение расплавленных металлов, имеющих жидкотекучие оксиды;4) благодаря газодинамическому давлению способствует удалению расплавленных оксидов из зоны реза;5) охлаждает кромки разрезанного материала.При газолазерной резке металлов лазер непрерывного излучения на углекислом газе мощностью до 5 кВт позволяет в струе кислорода резать листы из малоуглеродистых сталей толщиной до 10 мм, из легированных и коррозионно-стойких сталей — до 6 мм, из никелевых сплавов — до 5 мм, из титана — до 10 мм. Металлы,образующие тугоплавкие оксиды с малой вязкостью, газолазерной резкой разделяются плохо, так как удаление оксидов из зоны резки в этом случае затрудненно.
К таким металлам относятся алюминий и его сплавы, магний, латунь, хром и целый ряддругих металлов, которые выгоднее резать плазменной резкой.3.3. Газовое пламяГазовое пламя — один из старейших источников энергии, используемых в сварочных процессах.Сварочная газовая горелка появилась в начале XX в. как практическое осуществление химической реакции сжигания углеводородного топлива (чаще всего ацетиленового) в чистом кислороде.Сгорание происходит по реакции.2C2 H 2 + 5O2 = 4CO2 + 2 H 2O + 1300,6 кДж/моль.В факеле газового пламени, кроме С02 и паров Н2О, обычно присутствуют продукты пирогенного распада ацетилена, СО и частично попадающий в зону сварки атмосферный воздух (рис.
3.13).Рис. 3.13. Схема образования газового пламеникислородно-ацетиленовой горелкиВ связи с этим защитные свойства газового пламени относительно невелики исварочная ванна в значительной мере насыщается газами, ухудшающими свойства119наплавленного металла. Поэтому газовая сварка химически активных металлов (титан, цирконий и др.) практически невозможна.Интенсивность ввода энергии в материал при нагреве его газовым пламенемотносительно невелика (см. табл. 1.6), поэтому при газовой сварке сварные швыимеют большую ширину, чем при дуговой.В последнее время газовая сварка в промышленности практически вытесненадругими, более прогрессивными способами сварки и используется в основном в ремонтных целях.Вместе с тем газопламенная обработка из-за сравнительной простоты и мобильности процесса широко применяется в промышленности в процессах газовойрезки, нагрева, пайки и газопламенного напыления.3.4.
Электрошлаковая сварка (ЭШС)Электрошлаковая сварка появилась в свое время как дальнейшее развитиепроцесса дуговой сварки под флюсом, когда было установлено, что при определенных режимах электрод «закорачивается» на слой расплавленного шлака и выделение теплоты происходит при прохождении электрического тока через жидкую шлаковую ванну (рис.3.14).Общее количество теплоты, выделяемое при ЭШС в зоне сварки за 1 с, определяется как q = I 2 R сум , где Rсум — суммарное сопротивление шлаковой и металлической ванн.При электрошлаковой сварке почтився электрическая мощность передаетсяшлаковой ванне, а от нее – электроду исвариваемым кромкам.
Устойчивый процессвозможен только при постоянной температуре шлаковой ванны. Рабочая температура шлаковой ванны может достигать подэлектродом 2200…2300 К.Рис. 3.14. Схема электрошлаковойсварки проволочным электродом безколебаний (а) и с колебаниями (б):1 – металл шва; 2 – металлическаяванна; 3 - шлаковая ванна; 4 –Специфика более равномерного выделенияпроволока; 5 - ползунытеплоты по объему сварочной ванныпо сравнению со сваркой под флюсом при ЭШС позволяет сваривать за один проходдетали значительных сечений (до нескольких квадратных метров), что обусловило ееширокое распространение в тяжелом машиностроении.Применяемые при электрошлаковой сварке флюсы отличаются высокой электропроводимостью в расплавленном состоянии и низкими стабилизирующими свойствами по отношению к дуговому разряду.
Например, флюс АНФ-1 содержит до 92%CaF2 (плавикового шпата), являющегося активным дестабилизатором дуги. Послеразвития начального дугового разряда шлак полностью шунтирует дугу и дуговойпроцесс переходит в шлаковый. Температура плавления шлака должна быть выше,чем температура плавления свариваемого металла.120Электрошлаковая сварка обычно ведется на переменном токе при низком напряжении (40…50 В) и рабочих токах до нескольких тысяч ампер. Баланс энергиипроцесса ЭШС показан на рис. 3.15.Из-за большой поверхности контакта теплоносителей шлаковой иметаллической ванн с основным металлом плотность тепловых потоков в металл невысока, чем обусловливается необходимость в электрошлаковой сварке болеевысокой удельной энергии (100…200 кДж/см2).3.5. Термитная сваркаХимическая реакция взаимодействия оксидов железа с алюминием (алюмотермическая реакция) протекает с большим выделением теплоты по следующему уравнению:3Fe3O4 + 8 Al → 4 Al 2 O3 + 9 Fe + 3242 кДж.Такая реакция реализуется в технике при сжигании смесей алюминиевого порошка и железной окалины, получивших название «термитов».
Сравнительная простота осуществления алюмотермической реакции и недефицитность применяемыхматериалов положили начало широкому применению термитов в промышленности,особенно для целей металлургии и сварки.Рис. 3.15. Примерный тепловой баланс электрошлаковой сварки сталитолщиной около 100 мм:1 – плавление проволоки – 23 %; 2 –плавление основного металла – 60 %;3 – потери на излучение – 1,5 %;4 – потери в кромках – 1,5 %;5 – перегрев Ме-ванны – 9 %;6 – нагрев ползунов 2,5 Х 2 = 5 %При термитной сварке сначала происходит поджиг и сгорание термита, а затем разделка кромок обычно заполняетсяжидким металлом, образующимся в результате алюмотермической реакции.Разогрев и плавление кромок свариваемых деталей при термитной сваркеосуществляется за счет теплосодержанияжидкого присадочного металла, из-за чегоего объем выбирают в 2…3 раза большим,чем это необходимо для заполнения разделки.Одно из основных достоинств процесса термитной сварки простота осуществления в полевых условиях, что обусловило его применение для сварки рельсов,контактной сети железных дорог и некоторых строительных конструкций.Контрольные вопросы.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
