Лучевые способы сварки

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА (ELs-)

Этот способ сварки основан на использовании энергии, высво­бождаемой при торможении потока ускоренных электронов в свари­ваемых материалах. Преобразование кинетической энергии в тепло­вую, характеризуется высоким КПД. Преимущества электронно-лучевой сварки — это отсутствие окисле­ния расплавленного металла и гарантированное высокое качество сварного соединения, возможность сварки тугоплавких металлов, большая скорость сварки, не уступающая дуговой сварке.

Схема установки для электронно-лучевой сварки показана на рис. ЭЛ-1.

Рис. ЭЛ-1. Схема установки для электронно-лучевой сварки

Она включает электронно-лучевую сварочную пушку с систе­мами управления и электропитания, формирующую поток электро­нов, вакуумную камеру 4 с люками загрузки и выгрузки де­талей, механизмами перемещения свариваемых деталей 5 и со смотровыми окнами 3, вакуумную систему (высоковакуумный и форвакуумный насосы), обеспечивающую при сварке в рабочем объёме камеры разрежение 1,33—13,3 мПа (10^-3). Элек­троны могут быть ускорены до энергии 20—30 кэВ (низковольтные пушки), до 30-100 кэВ (пушки с промежуточным ускоряющим напряжением), до 100—200 кэВ (высоковольтные пушки). Поток элек­тронов, эмитируемых катодом, формируется предварительно электро­статическим полем в области катод — анод. Регулирование силы тока луча производится подачей напряжения на управляющий (прикатодный) электрод 2. Удельная энергия, высвобождаемая в месте бомбардировки металла потоком электронов, может изменяться с помощью системы электромагнитной фокусировки луча 7. Для совмещения пятна нагрева со сварным стыком при отклю­чении последнего от геометрической оси пушки или при сварке по сложному контуру служит система электромагнитного отклонения луча 6.

Электронно-лучевые пушки изготовляют стационарными или перемещаемыми внутри вакуумной камеры Размеры вакуумной камеры определяют габариты свариваемого изделия Установки для сварки изделий малых и средних габаритов, как правило, снабжают специальными механизмами для перемещения изделий

Электронным лучом можно сваривать вольфрам, молибден и другие тугоплавкие металлы, которые обычными методами не свари­ваются.

По технологическим условиям раз­личают следующие основные варианты электроннолучевой сварки:

- сварка с глубинным (кинжальным) проплавлением без присадочных материа­лов (при толщине металла от 3 до 100 мм);

- сварка с присадочным материалом (при толщине металла >5 мм);

- прецизионная сварка без формирова­ния парогазового канала (парового капилляра) и без разбрызги­вания (при толщине металла <3 мм).

Границы применимости

Размеры: сварка металла толщиной от нескольких микрометров до 200 мм.

Группы материалов: углеродистые, низколегированные и высоколе­гированные стали и прежде всего тугоплавкие материалы.

Данный способ сварки применим также для комбинаций материалов и для реализации керамических и металлокерамических соединений. Приведенные на рис. ЭЛ-2 комбинации материалов могут быть получены с по­мощью сварки часто только при использовании промежуточной фольги или приса­дочного материала.

Рис. ЭЛ-2. Комбинации материалов для электронно-лучевой сварки.

Существенным достоинством является возможность легкого управления элек­тронным лучом. Подключая вычислительное устройство, можно задавать наряду с параметрами процесса пространственные и временные координаты, дающие возмож­ность автоматической сварки по контуру. В некоторых случаях, целесообразно сооб­щать лучу колебательные движения с заданными формой и частотой колебаний.

Тандемная электронно-лучевая сварка. При высокой плотности энергии луча в шве могут образовываться, особенно при сравнительно большой толщине сваривае­мых деталей, дефекты в виде корневых пор, неравномерных проплавлений и несплавлений Их можно предотвратить сваркой двумя электронными лучами, расположен­ными вдоль стыка, причем второй луч большего диаметра должен иметь меньшую удельную мощность, чем первый.

Область использования.

Сварка с глубинным проплавлением; ракетостроение; авиацион­ная промышленность; транспортное машиностроение — в основном производство редукторных шестерен, шарикоподшипников, маховиков; машиностроение (преиму­щественно инструментальное производство).

Сварка с присадочным материалом; изготовление деталей с узкими допусками по раскрою, при большой толщине листа производство емкостей для химической промышленности.

Прецизионная сварка, изделия электронной техники; приборы для научного исследования; точные приборы, тонкостенные разрезные трубки.

Все области промышленного производства: сварка разнородных материалов в различных сочетаниях при известных условиях с подавлением образования хрупких интерметаллических фаз.

Параметры: ускоряющее напряжение 1,5— 10 кВ, мощность 0,5— 100 кВт; удельная мощность 105— 107 Вт/см², диаметр луча 0,01—1,0 мм; скорость сварки 20—500 см/мин; разрежение 10^-3 Па,

ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА (СВАРКА СЖАТОЙ ДУГОЙ (PI-))

Плазменная сварка находит все более широкое применение в различных отраслях техники.

Источником теплоты служит термическая плазма, нагретая до высокой температуры.

Плазменная сварка характеризуется весьма высокой температурой (до 30 000 °С) и широким диапазоном регулирования ее технологи­ческих свойств. По сравнению с аргонодуговой сваркой в связи с более высо­кой проплавляющей способностью плазменная сварка имеет следующие преимущества - повышенную производительность, меньшую зону тер­мического влияния, более низкие деформации при сварке, пони­женный расход защитных газов, более высокую стабильность горения дуги и меньшую чувствительность качества шва от изменения длины дуги.

Дуга, горящая между неплавящимся вольфрамовым электродом и изделием, сжимается в направлении зоны сварки с помощью концентрически расположенной сопловой системы. Это обеспечивает высокое качество соединений при высокой скорости сварки. Целенаправленное применение таких приемов, как сварка с форми­рованием канала проплавления, отклонения дуги, использования изолированного или подключенного к питающей сети присадоч­ного материала, позволяет эффективно при­менять разные технологические варианты способа при решении различных задач со­единения материалов.

Принцип сварки (рис. ПЛ-1)

Рис. ПЛ-1. Принцип сварки: 1 - плазменная горелка; 2 — вольфра­мовый электрод; 3 — изделие; 4 — плаз­менная дуга; 5 — защитный газ/фоку­сирующий газ; 6 — контур для вспомо­гательной дуги; 7 — высокочастотное зажигание; 8 — источник питания.

Существует два типа плазматронов - с дугой прямого (плазменная дуга) и с дугой косвенного действия (плазменная струя).

Сварка плазменной струёй (непереносной дугой). Дуга горит между вольфрамовым электродом и внутренней стенкой сопла (рис. ПЛ-2, б). Газ (аргон), подаваемый в сопло под давлением, проходит через дугу и частично ионизируется, обра­зуя термическую плазму' с высоким содержанием энергии. Этот процесс

можно использовать и для микросварки, так как плазменная дуга стабильна даже при токе менее 1 А. При плазменном напылении, используется тот же принцип.

Сварка плазменной дугой (переносной дугой). Дуга горит между вольфрамовым электродом и деталью (рис. ПЛ-2, а), Основной областью применения переносной дуги является плазменная резка.

Процесс возбуждения дуги непосредственно между электродом и изделием осуществить очень трудно. В связи с этим сначала возбуждается дуга между электродом и соплом (дежурная), а затем при касании ее факела изделия происходит автоматическое зажи­гание основной дуги между электродом и изделием. Дежурная дуга при устойчивом процессе горения основной дуги отключается. Де­журная дуга обычно питается от того же источника, что и основная, через токоограничивающее сопротивление. В плазмотрона с дугой прямого действия в изделие вводится дополнительное тепло за счет электронного тока и КПД их зна­чительно выше, чем у плазматронов с дугой косвенного действия.

Рис. ПЛ-2. Плазменная сварка: а — дугой; б — струёй. Где 1 - осцилля­тор; 2 - плазмообразующий газ; 3 - дополнительная газовая защита; 4 — дуга.

Комбинированная сварка плазменной струёй и плазменной дугой (рис. ПЛ-3). При этом способе две дуги имеют один общий электрод, являющийся катодом. Одна дуга горит в охлаждаемом водой сопле внутри плазмотрона, вторая переносится на поверхность детали. На этом принципе основана плазменная наплавка, причем наносимый материал в виде порошка вдува­ется в зону дуги транспортирующим газом через кольцевой канал.

Рис. ПЛ-3. Комбинированная сварка плазменной струёй и плазменной дугой: 1— осциллятор; 2 — выпрямитель; 3 — дополнительная газовая защита; 4 — плазмообразующий газ; 5 — транс­портирующий газ и порошок.

Плазменная наплавка с подогревом присадочной проволоки. В соответствии с рис. ПЛ-4 две присадочные проволоки, подключен­ные к источнику переменного тока с жесткой характеристикой, вводятся в сварочную ванну и расплавляются плазменной дугой. Благодаря нагреву проволок джоулевым теплом увеличивается производительность их плавления по сравнению с холодными проволоками, уменьшается перемешивание наплавляемого металла с основным. Посредством поперечных колебаний можно увеличить ширину наплавляемого слоя. Такую технологию можно использовать и в других процессах.

Рис. ПЛ-4. Плазменная наплавка с токоведущей присадочной проволокой: 1 — источник питания током плазменной дуги (с падающей характеристикой); 2 — плазменная горелка; 3 — плазмообразу­ющий газ; 4 — присадочная проволока; 5 — источник питания током проволок (с жесткой характеристикой); 6 - двигатель механизма подачи проволок; 7 — дополни­тельная газовая защита.

Атомно-водородная сварка (рис. ПЛ-5). При этом способе, называвшемся ранее аркатом (Arcatom), дуга возбуждается между двумя вольфрамовыми электродами. Защитным газом (если здесь можно говорить о защитном газе) служит водород, который диссоциирует в дуге (H₂ → 2H). При преобразовании водорода на поверхности детали в молекулярное состояние выделяется теплота, которая может быть исполь­зована для плавления. Водород защищает как сварочную ванну от доступа воздуха, так и вольфрамовые электроды от быстрого сгорания. Большая скорость расплавления достигается за счет нагрева в узколокализованной зоне, благодаря чему уменьшается коробление. Способ характеризуется универсальностью, так как дуга горит независимо от детали, а расстояние ее от поверхности можно изменять. Источником тока служит трансформатор со специальными защитными устройствами, гарантирую­щими безопасность высокого напряжения холостого хода для сварщика. В связи с развитием аргонно-дуговой сварки способ утратил значение.