История и развитие сварочного производства (стр. 15 из 16)

Эти металлы, как и сплавы на их основе, широко используются в химическом машиностроении, реакторостроении, электронном приборостроении, корпусных узлах летательных и космических аппаратов и других областях.

Рис. 2.21. Схема установки электронно-лучевой сварки:

1 — электронная пушка; 2 — герметичная камера; 3 — высоковольтный источник питания; 4 — свариваемое изделие; 5 — манипулятор; 6 — вакуумная система; 7 — смотровое стекло.

Сварка изделий из таких металлов связана с большими трудностями, из-за их способности даже при небольшом нагреве жадно поглощать из окружающей среды кислород, азот, водород, что приводит к хрупкости и потери пластичности сварными соединениями.

До появления ЭЛС такие изделия сваривались с помощью дуги в среде инертных газов, преимущественно в аргоне, к которому предъявлялись жесткие требования по содержанию примесей (

< 0,01 %, < 0,003 %). Однако в техническом отношении процесс отличается сложностью, малоэффективен и малопроизводителен. При учете стоимости затрачиваемых при этом электроэнергии, инертного газа, транспортных расходов, контроля газовой среды создание вакуума, в котором протекает сварка электронным лучом, по данным французских специалистов оказывается в 35 раз дешевле.

За сравнительно короткий срок, прошедший с момента возникновения ЭЛС, она получила широкое практическое использование, хотя еще многие теоретические и физические ее стороны до настоящего времени остаются не выяснены. Это связано со сложностью протекающих процессов при взаимодействии электронного луча со свариваемым металлом, высокой концентрацией энергии в пятне нагрева (

Вт/см²) и другими явлениями.

Поток электронов создается важнейшей частью такой установки — электронной, пушкой, в которой излучателем электронов является нагреваемый до высокой температуры (~2500 °С) вольфрамовый или металлокерамический катод (рис. 2.22).

Для ускорения движения электронов к ускоряющему электроду и изделию подводится положительный полюс (анод) высоковольтного источника питания. В зависимости от назначения установки ЭЛС и типа электронной пушки величина ускоряющего напряжения меняется в широком диапазоне - от 10 до 200 кВ.

Для формирования интенсивного электронного пучка с высокой плотностью энергии и малым углом сходимости

(см. рис. 2.22, рад) используется специальная фокусирующая система, так называемые магнитные «линзы», Направление пучка в заданную точку свариваемого изделия осуществляется специальной магнитоотклоняющей системой (подобно отклонению электронного луча в кинескопе телевизора).

При соударении электронов, собранных в пучок малого диаметра

( — диаметр пятна электронного пучка в фокусе), с изделием происходит их торможение с преобразованием кинетической энергии в тепловую, что вызывает нагрев металла в месте сварки до высокой температуры вплоть до температуры кипения (испарения).

Рис. 2.22. Схема электронной пушки с комбинированной системой формирования и управления электронным пучком.

1 - катод; 2 - прикатодный электрод; 3 - ускоряющий электрод (анод); 4 - электронный пучок; 5 - фокусирующая магнитная линза; 6 - система отклонения пучка; 7 - свариваемое изделие.

По мере перемещения луча по направлению сварки или, что чаще, изделия относительно луча, расплавленный металл затвердевает, и образуется сварной шов.

Для обеспечения свободного движения электронов от катода к изделию (аноду) необходим вакуум не ниже

мм рт. ст., создаваемый с помощью вакуумного оборудования.

Острая фокусировка электронного луча на малую площадь изделия (пятно нагрева может иметь величину до

см²) приводит к получению очень высокой плотности энергии (до Вт/см², в то время как электрическая дуга имеет плотность энергии Вт/см²), что приводит к значительному повышению температуры поверхности жидкого металла в зоне сварки и к образованию характерной формы проплавления металла — узкому и глубокому, получившему название кинжальное проплавление.

Электронный луч с высокой плотностью энергии обычно используется для сварки тугоплавких и теплопроводных металлов и деталей больших толщин (до 200 мм). При сварке же легкоплавких и легкоиспаряющихся металлов (например, алюминия, магния) и деталей небольшой толщины целесообразнее применять луч с малой плотностью энергии, а иногда с импульсным нагревом, когда действие луча на изделие чередуется с паузами.

Основные параметры режима ЭЛС складываются из выбора силы тока сварки (мА), ускоряющего напряжения (кВ), скорости сварки (см/сек).

Преимущества ЭЛС

К несомненным преимуществам ЭЛС относятся следующие:

получение наиболее совершенного, очень узкого с глубоким проплавлением шва, что обеспечивает значительную экономию металла;

большая сосредоточенность вводимого в изделие тепла, малое его количество (в 4 —5 раз меньше, чем при дуговой сварке) позволяют получить небольшую зону термического влияния и минимальное изменение формы изделия (коробление);

благодаря вакууму, в котором происходит сварка, отсутствует насыщение металла шва газами, имевшиеся лее в нем газы успевают выделиться (всплыть), в результате достигается весьма высокое качество сварных соединений;

для сварки характерен пониженный расход электроэнергии, применение же вакуума не требует использования дорогостоящих инертных газов.

Недостатки ЭЛС

К числу недостатков ЭЛС можно отнести следующие:

создание вакуума в рабочей камере, загрузка и выгрузка изделий из нее требуют значительного времени, что не только снижает производительность процесса, но и затрудняет осуществление комплексной автоматизации всего процесса изготовления сварных изделий;

вследствие торможения скоростных электронов в свариваемом металле, особенно при большом ускоряющем напряжении (>100 кВ), возникает жесткое рентгеновское излучение, что требует дополнительной биологической защиты обслуживающего персонала и, кроме того, усложняет и без того достаточно сложное оборудование для ЭЛС.

Лазерная сварка

В истории развития науки и техники бывают случаи, когда отдельные открытия и изобретения дают мощные средства для решения ряда практических, в том числе и важных задач.

К числу подобных работ в области квантовой электроники относится открытие в 1952 г. физиками Н.Г. Басовым, А.М. Прохоровым (СССР) и Ч. Таунсоном (США) нового принципа генерации и усиления света, получивших за это открытие Нобелевскую премию.

На основе этих работ в начале 60-х годов XX в, в США был создан для сварки первый оптический квантовый генератор — лазер* на рубине. Лазер получил свое название по первым буквам английской фразы — «Light-Amplification by Stimulated Emission of Radiation» («Усиление света Путем стимулированного излучения»).

Активные разработки лазерных устройств во многих странах привели к появлению в семидесятых годах как твердотельных (рубин, неодимовые стекла и др.). так и газовых лазеров, использующих в качестве излучателей газы и газовые смеси (инертные газы, углекислый газ, смесь СО₂ — N₂ — Не и др.).

В настоящее время лазерное технологическое оборудование успешно применяется для целей сварки, резки и пробивки отверстий в металлах и неметаллических материалах (керамика, стекло и др.), поверхностной термической обработки ряда изделий и т.д.

Лазерный луч нашел применение в медицине (диагностика, хирургия, терапия и др.), в средствах связи и телевидении, в военно-космической области и т.д.

Основными элементами лазерной сварочной установки на твердотельном лазере являются стержень активной среды 1 (рис. 2,23), мощная импульсная спиралевидная лампа накачки 2, преобразующая электрическую энергию заряжаемых конденсаторов 3 в световую, два зеркала-резонатора 4, 5, система фокусирования излучения 7, 8 на свариваемые детали 9.

Каким же образом формируется световой луч в твердотельном лазере? Рассмотрим это на примере рубинового лазера. Рубин — это искусственный кристалл корунда (

), в котором часть атомов алюминия (до 0,5 %) заменена атомами хрома.

При импульсной вспышке лампы накачки атомы хрома в рубине переходят в возбужденное состояние, т.е. их электроны переходят на более высокие энергетические уровни. Если количество возбуждаемых атомов за одну вспышку лапы достигает некоторого критического уровня, то под воздействием фотонов стимулируется лавинный процесс перехода возбужденных атомов в обычное состояние с испусканием при этом фотонов, соответствующих красному свету.

Рис. 2.23. Схема лазерной сварочной установки