Termokings.ru

Домашний Мастер
4 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электронно-лучевая сварка

Сегодня электроннолучевая сварка считается одной из быстро развивающихся технологий. Она применяется для работы с тугоплавкими и химическими активными, разновидными веществами и качественными сплавами. Среди ключевых моментов электронно лучевой сварки можно отнести следующие моменты:

  1. Сваривание проводится за счет использования кинетической энергии летящих электронов, которые при соприкосновении с поверхностью становятся причиной нагрева поверхности.
  2. Развитие подобного метода электронной сварки можно связать с появлением современной вакуумной техникой и электронной оптики. Только после того как стали производить подобное оборудование технология стала часто использоваться в металлургической области.

Установка для электронно-лучевой сварки

Электронно лучевая сварка может оказывать требуемое воздействие на твердые и тугоплавкие сплавы. За счет локального воздействия температуры можно получить качественное соединение.

Технологические нюансы

Электронно-лучевая сварка или сокращенно ЭЛС считается среди аналогичных методик быстро развивающейся технологией, применяющейся для соединения тугоплавких, химически активных веществ и сплавов высокого качества. Вот ключевые моменты этого прогрессивного метода:

  • Сварка неоднородных по химическому составу материалов производится на основе кинетической энергии электронов, которые при столкновении с поверхностью быстро её нагревают.
  • С появлением вакуумной техники и электронной оптики такой прогрессивный метод стал применяться в металлургической промышленности.

Сегодня с помощью ЭЛС успешно соединяют тугоплавкие и особо твердые сплавы между собой, а стальные — с деталями, выполненными из другого материала. Отличное качество соединения получается из-за локального воздействия высокой температуры.

Категории сварщиков

Поскольку способов сварки сейчас насчитывается около 20, у каждого специалиста по сварочному производству есть своя специализация:

  • электрогазосварщики;
  • газосварщики;
  • сварщики на машинах прессовой (контактной) сварки;
  • сварщики на диффузно-сварочных установках;
  • сварщики термитной варки;
  • сварщики на электронно-лучевых установках.

Уровень мастерства этих рабочих определяется разрядом с 1-го по 6-й. Чем больше цифра, тем выше квалификация сварщика.

Конструкция установок

Установка электронно-лучевой сварки может быть смонтирована стационарно, либо располагаться внутри вакуумной камеры. Она всегда включает в себя, кроме камеры:

  • катод и анод;
  • механизм транспортировки (самой пушки или деталей);
  • насос для нагнетания вакуума;
  • систему электромагнитного отклонения луча;
  • систему позиционирования электронного пучка;
  • различные вспомогательные устройства и систему управления на основе соответствующего ПО.

В качестве примера можно привести установку ЭЛТУ-60. Этот аппаратный комплекс отечественного производства (НИТИ «Прогресс) предназначен для однопроходной сварки различных, в том числе разнородных металлов и сплавов. Имеет ограничение по толщине — до 30 мм.

Область, в которой используется эта и аналогичные установки — создание воздушных и космических кораблей, изготовление турбин, ядерная энергетика, массовое изготовление подшипников, конструирование сложных электровакуумных приборов, а также другие области особо ответственного назначения.

Технология

Разогрев идет по всему зазору, разделяющему детали. Зона воздействия частиц ограничивается долями микрона, но поскольку их много, особых ограничений на размер обрабатываемого участка нет. Зазоры между соединяемыми конструкциями стараются делать максимально малыми; если толщина металла 20 мм и менее, разрыв должен составлять не более 0,1 мм. Если уменьшить зазор не получается, применяют присадочные металлы. Однако на долю присадки должно приходиться максимум 50% массы шва.

Отклонение электронного луча может составлять максимум 0,3 мм от заданного значения. Катод в электронно-лучевых установках может быть плазменным (тогда говорят о косвенном накале). Катодный элемент прямого накаливания — это вольфрамовая, танталовая либо иная тугоплавкая спираль. Для изготовления анодов применяют сталь либо медь. Вакуумная среда не только обеспечивает защиту свариваемых изделий, но и помогает избежать перегрева катода.

В следующем видео показано, как происходит электронно-лучевая сварка алюминия.

Лазерная сварка. Общая информация.

Лазерная сварка — технологический процесс получения неразъемного соед инения частей изделия путем местного расплавления металлов посредством нагрева по примыкающим поверхностям.

Источником нагрева металла является излучение лазера. Когда лазерный луч попадает на металл, энергия излучения поглощается, металл нагревается и плавится. В результате такого плавления и последующей кристаллизации возникает прочное сцепление, которое называется сварной шов. Такое сцепление основано на межатомном взаимодействии в металле.

Таким образом, лазерная сварка относится к методам сварки плавлением.

Как и любой технологический процесс лазерная сварка имеет свои преимущества и недостатки. К основным преимуществам лазерной сварки можно отнести: локальность обработки материала, высокая производительность, технологическая гибкость и удобство.

Локальность обработки материала

В локальности обработки заключается ключевое преимущество лазерной сварки. Лазерный луч можно сфокусировать в пятно диаметром до 0,1 мм. В таком маленьком пятне может концентрироваться высокая энергия в очень небольшой промежуток времени. Другими словами, при высокой плотности мощности излучения и коротком времени облучения металл нагревается только в зоне лазерного излучения. Это существенно уменьшает объем сварочной ванны (место плавления металла при нагреве), что позволяет делать сварные швы и точки значительно меньше по размеру (ширина шва или диаметр точки), но с большей глубиной проплавления, чем при при помощи других технологий сварки металлов (дуговая и контактная сварка).

Читать еще:  Выбираем сварочный инвертор для сварки алюминия

Кроме того, небольшой объем сварочной ванны, небольшая ширина шва и относительно большая глубина шва, а также жесткий термический цикл с высокими скоростями нагрева и охлаждения дает возможность при лазерной сварке уменьшить зону термического влияния и, следовательно, снизить деформации деталей в целом и снизить эффект фазовых и структурных превращений в околошовной зоне, приводящих к разупрочнению материала, трещинообразованию и т.п.

Также малый объем сварочной ванны и специфическая для лазерной сварки форма шва улучшают условия кристаллизации расплавленного металла и, следовательно, улучшают прочность сварных соединений.

Таким образом, преимущество лазерной сварки в локальности обработки материала позволяет:

  • проектировать детали меньшего размера, расширить ассортимент деталей со сварным соединением, учитывая исключительно маленький сварной шов при лазерной сварке;
  • обрабатывать детали миниатюрного размера;
  • упростить оснастку и технологию сварки некоторых деталей;
  • осуществлять сварку в труднодоступных местах, например в углублениях гофрированных конструкций и т.п.;
  • экономить металлы, сварочные материалы;
  • лазерная сварка практически исключает необходимость обработки сварного шва.

Высокая производительность

Производительность процесса сварки определяется скоростью его проведения. Лазерная сварка позволяет увеличить скорость сварки в 10-15 раз по сравнению с традиционными методами сварки плавлением (например, дуговая сварка).Так лазерная сварка непрерывным излучением может происходить со скоростями до 10 м/мин. Время получения одной точки при импульсной лазерной сварке может составлять 10 -2 — 10 -3 с, что на порядок быстрее, чем, например, при контактной сварке.

Технологическая гибкость и удобство

Технология лазерной сварки обладает гибкостью и удобством применения.

Во-первых, оборудование для лазерной сварки легко поддается автоматизации и роботизации. Лазерную сварку можно осуществлять в различных пространственных положениях. Возможна сварка как с перемещением изделия под лазерным лучом, так и с перемещением лазерного луча (лазерной сварочной головки) над и вокруг неподвижного изделия. Возможность передавать лазерное излучение по световоду (кварцевое волокно, Nd:YAG лазеры, волоконные лазеры) позволяет создавать более компактные сварочные головки, доставлять излучение в труднодоступные места и увеличивать пространство перемещения сварочной головки. В целом лазерное оборудование компактнее оборудования, основанного на традиционных методах сварки.

Во-вторых, для осуществления лазерной сварки не требуется обязательного наличия вакуумных камер или камер с контролируемой атмосферой, необходимых, например, для электронно-лучевой сварки, которая во многом может заменить лазерную сварку. Отсутствие таких камер снимает ограничение на размер свариваемых деталей.

В-третьих, лазерную сварку можно проводить не только в труднодоступных местах, но и через прозрачные среды в замкнутых объемах, что связано со спецификой лазерного излучения.

В-четвертых, лазерное излучение позволяет обрабатывать металлы, которые с трудом поддаются обработке обычными методами сварки. Например, феромагнитные стали с трудом поддаются электронно-лучевой сварке из-за отклонения электронного луча магнитным поле от стыка соединяемых деталей.

В-пятых, можно говорить о чистоте процесса лазерной сварки. Например, отсутствие электрода, близко расположенного к поверхности свариваемых деталей и поверхности сварного шва, исключает попадание в нее инородных материалов, что имеет место при дуговой сварке.

Говоря о недостатках технологии лазерной сварки, можно выделить следующие моменты.

Стоимость оборудования для лазерной сварки и технологической оснастки

Установка для лазерной сварки — сложный прибор, состоящий из нескольких технических систем (лазер, оптическая система, система перемещения и т.п.). Независимо от уровня развития технологии его цена будет значительно превышать стоимость оборудования, основанного на традиционных методах сварки.

Невысокая энергетическая эффективность лазерной сварки

КПД лазерных установок для сварки в силу технических особенностей лазеров редко когда превышает 10 %.

Сложность в обслуживании оборудования

Как говорилось выше, лазер — это сложный прибор, его обслуживание требует высокий уровень технической подготовки персонала.

При написании статьи использовались следующие материалы:
1. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки:
Учеб. пособие для вузов/под ред. А.Г. Григорьянца. — М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2006
2. Айхлер Ю., Айхлер Г.И. Лазеры. Исполнение, управление, применение Москва: Техносфера, 2012

Техника ЭЛС

Из рисунка ниже видно, какую форму имеет проплавление по технике лучевой сварки. Плавка металла лучом (1) происходит по передней стенке углубления (2) — кратера, — а расплавляемый металл сдвигается по боковым стенкам к задней стенке (4), где он кристаллизуется (3).

Возможна сварка непрерывным лучом, однако при работе с легкоиспаряющимися металлами (например, магний, алюминий) уменьшается эффективность электронного потока, как и количество выделяющейся теплоты ввиду потери энергии при ионизации паров металлов. Здесь рекомендуется проводить сварочные работы импульсным электронным лучом с частотой импульсов 100-500 Гц и с большой плотностью энергии. Данная манипуляция ведет к повышению глубины конуса проплавления. Таким способом возможно сваривать очень тонкие металлические листы. В случае, если происходит образование подрезов, их можно удалить сваркой расфокусированным либо колеблющимся лучом.

Плюсы и минусы ЭЛС

  • Высочайший коэффициент полезного действия. При всех прочих равных затраты энергии при ЭЛС в десять и больше раз, чем ее нужное количество во время ручной дуговой сварки.
  • Этом методов можно сваривать самые массивные детали: для соединения заготовок с краями толщиной в 20 см достаточно всего лишь одного прохода, в то время как другие технологии потребуют сварку в несколько слоев.
  • Весьма немаловажный фактор: этот метод сварки – один из самых безопасных.
Читать еще:  Достоинства, недостатки и принцип работы сварочного инвертора

Чертеж электронно-лучевой сварки.

  • Обязательное условие для работы – вакуумное пространство вокруг рабочего участка.
  • В шве могут встречаться специфические дефекты: в его корне иногда формируются полости и не проваренные участки.
  • Дороговизна оборудования, условий работы и расходных материалов.
  • Долгая и сложная настройка параметров перед работой, требующая кроме времени высокой квалификации мастера.

Особые виды сварки плавлением

Лазерная сварка.

Это вид сварки плавлением с помощью когерентного светового луча (пучка фотонов, вырабатываемых в квантовых генераторах). Световой луч оптической системой сосредотачивается на поверхности металла. Энергия фотонов при поглощении их атомами кристаллической решётки металла превращается в теплоту, используемую для его плавления и образования глубокой сварочной ванны.

На рис. 1.16 показана схема лазерной сварки ребра жёсткости к листу при изготовлении сотовых панелей в судостроении.

В физической сущности лазерной сварки можно выделить характерные этапы образования сварочной ванны:

  • поглощение лазерного излучения поверхностью металла;
  • плавление и нагрев поверхностного слоя расплава до температуры, близкой к температуре кипения металла;
  • образование парогазового канала за счёт реактивной силы парового потока;
  • плазмообразование при взаимодействии лазерного излучения с парами металла.

Плотность энергии в пятне нагрева достигает 10 5 . 10 8 В т/м 2 . Наличие паров металла при повышении плотности энергии луча приводит к оптическому пробою воздушного промежутка между соплом и поверхностью металла и образованию плазмы, в результате чего лазерный пучок в плазменном сгустке поглощается и деформируется, что снижает эффективность процесса. Таким образом, плазменный факел на поверхности ванны уменьшает эффективность действия лазерного луча, поэтому при сварке необходимо применять импульсно-периодический режим его действия для устранения развития плазмы как экрана. Этот режим достигается за счет периодического отключения лазерного луча.

Математическая модель предельных параметров лазерной сварки может быть выражена формулой

  • Где hc – глубина проплавления, см;
  • P – средняя мощность излучения, Вт;
  • ηэф – эффективный КПД процесса расплавления;
  • Еуд – удельное теплосодержание металла, Дж/см 3
  • dл – диаметр лазерного луча, см;
  • νсв – скорость сварки, см/с
  • bp – ширина распространения расплавленной зоны в направлении, перпендикулярном плоскости шва, см

По сравнению с дуговой лазерная сварка имеет преимущества:

  • более высокая скорость сварки за счёт большей плотности энергии в пятне нагрева;
  • более высокое качество шва, достигаемое без дополнительной защиты сварочной ванны;
  • минимальные размеры зоны термического влияния при высокой концентрации энергии в пятне нагрева площадью ≈10 -7 см 2 ;
  • минимальный расход сварочных материалов;
  • отсутствие сварочных деформаций (погонная энергия в 7. 10 раз больше, чем при сварке под флюсом).

На рис. 1.17 показано сравнение скорости дуговой сварки за два прохода и лазерной за один проход в зависимости от толщины металла.

Повышение скорости сварки может быть достигнуто при применении комбинированной лазерно-дуговой сварки, выполняемой по вариантам:

1)лазерный луч используется для подварки корня шва, основной шов выполняется сваркой в СO2 или в другом защитном газе;

2)лазерный луч и дуга действуют одновременно в единой зоне, дополняя друг друга.

Электронно-лучевая сварка.

В качестве источника нагрева при этом виде сварки используется концентрированный поток электронов, движущихся в вакууме со скоростью до 165 тыс. км/с. Кинетическая энергия потока электронов при бомбардировке поверхности свариваемого металла превращается в тепловую, за счёт которой происходит нагрев и расплавление металла.

Электронный луч можно фокусировать и тем самым изменять в значительных пределах зону нагрева. В сварочных установках диаметр пятна нагрева изменяется от 0,5 до 5 мм, плотность энергии в нём достигает от 10 4 до 10 6 Вт/см 2 . Эго позволяет выполнять сварку металла швами, у которых глубина проплавления в 15. 20 раз превышает ширину шва, достигая 40. 50 мм и более.

Процесс сварки осуществляется в вакуумной камере (рис.1.18), в верхней части которой размещают электронную пушку, а в нижней сварочный стол. Изделие при сварке перемещается вместе со столом или остаётся неподвижным. Во втором случае с помощью отклоняющей магнитной системы по заданной траектории перемещается электронный луч.

Электронная пушка представляет собой вакуумный прибор, в котором происходит мощная электронная эмиссия от катода к аноду (свариваемому изделию). Поток электронов разгоняется электрическим полем (между катодом и анодом) напряжением в несколько десятков тысяч вольт и фокусируется до размеров диаметра луча 3. 10 мм.

Плотность электрической энергии в луче и, следовательно, температура нагрева свариваемого металла регулируют изменением напряжения магнитного поля фокусирующей линзы. Удельная тепловая мощность электронного луча в сотни и тысячи раз больше, чем у обычной сварочной дуги. Высокая концентрация энергии (5 •10 8 Вт/см 2 ) позволяет сваривать металл большой толщины за один проход.

Читать еще:  Сварка алюминия полуавтоматом в среде углекислого газа

К подготовке кромок под сварку и точности их сборки предъявляются жёсткие требования по зазору. Сварка в большинстве случаев осуществляется без подачи присадочного металла. При сварке стыковых соединений со сквозным проплавлением за один проход используют остающиеся или съёмные формирующие подкладки.

К преимуществам электронно-лучевой сварки относят высокое значение КПД источника нагрева, высокую производительность (скорость сварки в 2,5. 5,0 раза больше, чем при дуговой), незначительный размер зоны термического влияния, уменьшение расхода электроэнергии и др. Недостатки — сложность оборудования, длительность подготовки вакуумной камеры, опасность облучения обслуживающего персонала.

Особые виды сварки плавлением

Импульсно-дуговая сварка применяется для повышения устойчивости горения дуги, улучшения переноса металла электрода и формирования шва, для уменьшения сварочных деформаций. Сварка осуществляется путём наложения импульсов тока большой величины на сварочный ток при параллельном включении в сварочную цепь импульсного генератора и конденсатора.

Сварка под водой (ручная, автоматическая и полуавтоматическая) производится за счёт горения дуги в парогазовом пузыре, в котором происходит интенсивное плавление металла (см. рис. 1.19). Парогазовый пузырь образуется за счёт испарения и разложения воды, паров расплавленного металла и электродного покрытия. Взвешенные в воде продукты сгорания металла и электродного покрытия образуют «облако мути», затрудняющее наблюдение за дугой. Поэтому для сварки применяют специальные электроды с тугоплавким покрытием (не образующим «облако мути»).

Водонепроницаемость покрытия достигается его пропиткой парафином, растворами целлулоида в ацетоне и синтетических смол в дихлорэтане, нитролаке. Электрододержатели должны иметь надёжную электроизоляцию. Смена электрода производится только после отключения питающего тока. Устойчивое горение дуги под водой объясняется принципом минимума энергии Штеенбека (усиленное охлаждение какого-либо участка дуги компенсируется увеличением количества выделяемой на нём энергии). Для компенсации тепловых потерь из-за охлаждающего действия воды и наличия большого количества водорода для сварки под водой необходимо более высокое напряжение на дуге.

Техника выполнения сварки под водой более сложна, чем на воздухе. Это связано с плохой видимостью в воде, тяжёлым и неудобным для движения водолазным снаряжением, необходимостью дополнительных затрат на преодоление течения, возможностью нарушения устойчивости сварщика на грунте, неприспособленностью человеческого организма для работы на больших глубинах. В связи с этим для сварных соединений характерны непровары, подрезы, наплывы, поры и др. Недостатком является также малая пластичность наплавленного металла шва.

Сварка в космосе. Впервые мысль о необходимости выполнения работ но сварке и резке в космосе высказал С.П. Королев в 1965 г. Основные отличия космических условий от земных: глубокий вакуум при неограниченной скорости диффузии газов из зоны сварки; широкий интервал температур, при которых может находиться свариваемое изделие; отсутствие сил тяжести. Кроме того, на качество сварки влияет ряд второстепенных факторов ограниченная подвижность космонавта- оператора в скафандре, повышенные требования безопасности работ и др. Первые эксперименты по сварке в космосе проведены 16 октября 1969 г. на корабле «Союз-6» Г.С. Шониным и В.Н. Кубасовым с использованием установки «Вулкан». Установка позволяла в автоматическом режиме выполнять дуговую, плазменную и электронно-лучевую сварку.

При дуговой сварке в космосе в наибольшей степени изменяется процесс переноса электродного металла. Капля вырастает до значительных размеров (много больше диаметра электрода), держится на конце электрода долго — около 3 с. Увеличение размера капли снижает плотность тока, уменьшает устойчивость горения дуги. Наложение на дугу импульсов тока значительно улучшает процесс.

В период с 1979 но 1984 гг. в космосе проводились эксперименты по нанесению тонкоплёночных металлических покрытий на образцы из конструкционных сталей методом термического испарения и конденсации.

Эксперименты проводились на установках типа «Испаритель». 25 июня 1984 г. космонавтами С. Савицкой и В. Джанибековым были впервые проведены эксперименты по электронно-лучевой сварке с выходом в открытый космос. Применялся сварочный аппарат УРИ (универсальный ручной инструмент). Он позволял осуществлять сварку, резку, пайку, нагрев металла, нанесение покрытий. Масса сварочного аппарата составляла около 30 кг, электронно-лучевой пушки 2,5 кг. Потребляемая мощность — 750 Вт. Сваривались и разрезались образцы из стали и титана. Было получено достаточно высокое качество соединений. Механические свойства шва достаточно высокие, дефектов не больше, чем в земных условиях. При резке же имелись затруднения по удалению расплавленного металла из разреза (в связи с невесомостью). Кроме того, было выявлено, что при нагреве трудно даже приблизительно контролировать температуру металла, так как в открытом космосе на нём не образуются цвета побежалости.

Литература

Основы сварки и газотермических процессов в судостроении и судоремонте — Бурмистров Е.Г. [2017]

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector
×
×