ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

ЛУЧЕВЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ

В зависимости от способа превращения лучевой энергии в теп­ловую, различают электроннолучевую лазерную сварку.

4.1. Электроннолучевая сварка

Электроннолучевая сварка (ЭЛС) - сварка плавлением, при ко­торой для нагрева используется энергия ускоренных электронов.

Электронный луч это сжатый поток электронов, перемещаю­щихся с большой скоростью от катода к аноду в сильном электриче­ском поле. При соударении электронного потока с твердым телом до 90% кинетической энергии электронов переходит в тепловую. Темпе­ратура в месте соударения достигает 5000. 6000оС.

Схема формирования сварного шва показана на рис. 4.1. При сварке электронным лучом теплота выделяется непосредственно в са­мом свариваемом металле, вызывая плавление и частичное испарение металла. Расплавленный металл 5 заготовок 4 вытесняется из зоны сварки давлением паров металла 2. Расплавленный металл распреде­ляется по сварочной ванне неравномерно: фронт расплава 5 (передняя стенка канала) имеет толщину 0,05.0,5 мм, а сзади электронного лу­ча 3, ближе к верхней части ванны, сосредоточен основной объем рас­плава. При кристаллизации этого основного объема и образуется сварной шов 1.

Силы, действующие на расплавленный металл весьма значи­тельны, а размеры пародинамического канала и объем сварочной ван­ны невелики. Поэтому в сварочной ванне протекают интенсивные электродинамические и гидродинамические процессы, влияющие на условия образования сварного шва. Это приводит к тому, что ЭЛС имеет особенности, заключающиеся в следующем: o Из-за наличия зазора между свариваемыми заготовками, час­

тичного испарения и выброса материала заготовок наблюдается зани­жение уровня сварного шва.

o Остаточные магнитные поля в деталях из ферромагнитных ма­териалов отклоняют электронный луч от плоскости стыка заготовок. Поэтому после сборки заготовок, непосредственно перед сваркой, не­обходимо их размагнитить.

o На характер вытеснения материала заготовок из парогазового кратера влияет угол наклона луча к плоскости сварного шва. Перед

сваркой необходимо провести специальную разделку поверхностей стыка заготовок, которая обеспечит оптимальные условия формиро­вания сварного шва и повысит точность сварки. Иногда необходимо выполнить специальные технологические буртики, удаляемые после сварки механической обработкой.

о Для повышения точности сварки лучше выполнить предвари­тельное прихватывание. Число, расположение и последовательность точек прихвата зависят от конструкции свариваемого узла (детали). о Для обеспечения качества сварного шва используются различ­ные приемы сварки: полное проплавление; развертка и наклон элек­тронного луча; сварка с присадочным материалом; сварка с подклад­кой; сварка смещенным или расфокусированным электронным лучом; модуляция силы тока луча

При сварке разнородных материалов электронный луч смещают в сторону более тугоплавкого материала. В качестве технологической развертки используют траектории по окружности, эллипсу, строчного продольного или поперечного перемещения. При кольцевой сварке очень сложно выполнить замыкание кольцевого шва. В процессе за­мыкания в сварном шве могут появиться прожоги, кратеры, непрова - ры, горячие и холодные трещины, колебания глубины проплавления. Эти явления можно устранить плавным изменением мощности луча и формы его развертки. Для защиты поверхностей свариваемых загото­вок от брызг расплавленного металла необходимо использовать экра­ны.

Современные сварочные установки позволяют сфокусировать

2 2

электронный луч на площади менее 10-2 мм2, что позволяет получить высокую концентрацию энергии в сфокусированном луче (50 .75 КВт/мм2).

Благодаря такой концентрации энергии в сфокусированной луче реализуется кинжальное плавление материала заготовок, основанное

на подводе энергии к границе расплава через узкий парогазовый ка­нал. Кинжальное плавление материала заготовок позволяет получать сварные швы с отношением глубины шва к его ширине до 1:30. При сварке менне концентрированными источниками теплоты (газовая или дуговая сварка) отношение равно 1:1, 1:2, а сечение шва приближается к равноберенному треугольнику. Высокая скорость сварки в сочетании с кинжальным проплавлениемпозволяет обеспечит малую ширину зоны термического влияния, следовательно, малые тепловые деформации и коробления готового изделия.

Обычно ЭЛС производится в вакуумных камерах при давлении

-5

~ 10" Па. Вакуум обеспечивает беспрепятственное перемещение элек­тронов и защиту от окисления катодной нити и зоны сварки.

На рис. 4.2 приведена схема ЭЛС с классической электронной пушкой. Образование луча начинается с эмиссии электронов с нагре­той вольфрамовой спирали 6. Ускорение электронов происходит за счет ускоряющего напряжения (30. 150 кВ) между катодом 5 и коль­цевым анодом 4. Для прохождения электронного луча 7, анод снабжен центральным отверстием. Фокусирующая обмотка 3 фокусирует луч до диаметра 0,1. 0,5 мм. При перемещении заготовок 1 под непод­вижным лучом образуется сварной шов. При необходимости элек­тронный луч перемещают с помощью отклоняющей системы 2. ЭЛС выполняют на серийных установках мод. ЭЛУ - 9; ЭЛУ - 10; ЭЛУ - 20; ЭЛУР - 1АТ. Например, автоматизированный комплекс ЭЛС - ЭЛУР - 1АТ снабжен системой управления параметрами режима сварки и устройством числового программного управления с шестью управляемыми осями перемещения электронных пушек и рабочего стола с установленными на нем заготовками. Сварку производят две одновременно работающие электронные пушки, расположенные друг против друга. Комплекс снабжен: Системой визуального наблюдения за процессом сварки. Видеоустройством, позволяющим точно наво-

дить луч на кромки свариваемых заготовок. Системой диагностики состояния катодного узла, электронной пушки и аппаратуры в целом. Устройством управления электронным лучом, позволяющим прово­дить развертку луча по окружности, эллипсу, линии, прямоугольному растру. Устройством ввода - вывода кратера, позволяющим, при свар­ке кольцевых деталей, плавно регулировать мощность луча в начале и в конце процесса сварки. Комплекс позволяет сваривать изделия диа­метром до 3,2 м, высотой до 1.8 м, общей массой до 10 т.

ЭЛС позволяет сваривать большинство токопроводящих мате­риалов (легированные и высоколегированные стали; титановые, вольфрамовые, танталовые, ниобиевые, циркониевые, молибденовые и никелевые сплавы; некоторые керамики). Плохо свариваются стали с высокой концентрацией углерода, серы и фосфора из - за низких прочностных свойств сварного шва и образования горячих и холод­ных трещин. Не свариваются легкоиспаряемые материалы (бронзы, содержащие кадмий и свинец; латуни). При воздействии высококон­центрированного электронного луча происходит их взрывное вскипа­ние с выбросом основной массы расплава, что не позволяет добиться сплошности сварного шва. Металлы и сплавы можно сваривать в од­нородных и разнородных сочетаниях, со значительной разностью толщин заготовок. Минимальная толщина свариваемых заготовок со­ставляет 0,02 мм, максимальная - 100 мм. ЭЛС применяют для соеди­нения малогабаритных (электроника, приборостроение, часовая про­мышленность) и крупногабаритных деталей (диски диаметром 50 - 2300 мм; цапфы; валы; рычаги; трубные и корпусные изделия).