Реферат: Схема и краткая характеристика сварки плавлением
Электронно-лучевая сварка нашла большое применение при изготовлении конструкций из молибдена, вольфрама, тантала, ниобия и других тугоплавких и активных металлов, а также из высокопрочных сталей и алюминиевых сплавов.
К преимуществам метода следует отнести высокие значения эффективного (0,85¾0,95) и термического (0,35¾0,485) КПД, высокую производительность (скорость сварки в 1,5¾2 раза выше, чем при дуговой); незначительную зону термического воздействия, высокую чистоту атмосферы, незначительный расход электроэнергии и т.д. Недостаток электронно-лучевой сварки ¾ высокая стоимость оборудования и его сложность, а в некоторых случаях и опасность облучения обслуживающего персонала.
Формирование сварочной ванны и шва.
Электронно-лучевой сваркой могут быть получены различные виды сварных соединений и достаточно большое количество типов швов. Наибольшее распространение способ получил при выполнении стыковых, угловых и реже тавровых соединений. Технологические особенности подготовки кромок и сборки их перед сваркой связаны со специфичностью электронного луча как источника нагрева. В первую очередь необходимо учитывать малые размеры пятна нагрева. Это приводит к получению узких клиновидных швов. Отсюда вытекают высокие требования к точности сборки свариваемых элементов. Подготовка кромок должна обеспечить возможность их тщательной подготовки по всей длине с минимальным зазором и смещением по высоте.
Сварка электронным лучом осуществляется в большинстве случаев без подачи присадочного материала. Усиление шва, как правило, отсутствует. Следовательно, разделка кромок нежелательна.
При сварке стыковых соединений со сквозным проплавлением для формирования обратной стороны шва могут быть использованы остающиеся или съемные подкладки. В отличие от дуговой сварки давление потока электронов на сварочную ванну невелико. Импульс давления, передаваемый единице площади пучком электронов,
,
где j ¾ плотность тока электронного луча; UО ¾ ускоряющее напряжение.
Основное пространственное положение ¾ нижнее. Допускаются значительные отклонения от нижнего с переходом в вертикальное положение по схеме формирования швов на подъем (снизу вверх). При этом создаются условия получения более глубокого проплавления, Благоприятных очертаний шва и даже небольшого усиления.
Процесс сварки электронным лучом может быть выполнен с поверхностным нагревом кромок и глубинным. В первом случае при сварке используют небольшие плотности энергии в пятне нагрева. Во втором случае применяют высокие плотности энергии в пятне нагрева. В сварочной ванне образуется кратер, который способствует глубинному проплавлению металла. Поверхностный нагрев применяют в основном при сварке тонких металлов, он способствует увеличению ширины шва и зоны термического влияния.
Часто встречающийся дефект ¾ несплавление кромок в корне шва ¾ связан со смещением луча относительно стыка при клиновидной форме сечения шва. С увеличением толщины свариваемых элементов вероятность несплавлений возрастает. Исходя из этого, требуется высокая точность направления луча по стыку (отклонения не более ±0,15 мм) с применением систем слежения.
Параметры режима и их влияние на размеры ванны и шва.
Основные параметры режима электронно-лучевой сварки ¾ сила тока, напряжение электронного луча, скорость сварки. Ускоряющее напряжение и сила тока луча определяют мощность источника нагрева.
Ускоряющее напряжение в основном определяет тепловую энергию в пятне нагрева, оказывает исключительно большое влияние на глубину проплавления сварочной ванны. При сохранении постоянной удельной мощности в пятне нагрева глубина проплавления увеличивается с повышением ускоряющего напряжения. В первом приближении глубина проплавления пропорциональна квадратному корню из ускоряющего напряжения.
На практике электронно-лучевую сварку выполняют при ускоряющем напряжении 10¾100 кВ. В процессе сварки необходима высокая стабильность ускоряющего напряжения. Колебание напряжения (±0,1%) приводит к существенному изменению диаметра пятна нагрева и отклонению электронного луча относительно свариваемого стыка.
Ток электронного луча оказывает большое влияние на ширину сварочной ванны и шва. Увеличение силы тока приводит к их существенному возрастанию. Глубина проплавления сварочной ванны мало зависит от величины тока. Однако общее увеличение мощности электронного луча приводит к некоторому ее возрастанию.
Для увеличения глубины проплавления при сравнительно больших ускоряющих напряжениях может быть использован способ формирования на подъем. Особенно большой эффект достигается при сварке вертикальных швов. В этом случае сила тока электронного луча значительно увеличивается и достигает 1 А и выше. На практике величину тока электронного луча выбирают от десятков миллиампер до 1 А и более.
Скорость сварки влияет на размеры сварочной ванны и шва, как и при дуговой сварке. Увеличение скорости сварки при сохранении постоянства погонной энергии несколько увеличивает глубину проплавления, мало влияя на ширину шва.
На размеры сварочной ванны и шва оказывают влияние и дополнительные параметры режима: величина тока в магнитной фокусирующей линзе, остаточное давление в камере; время импульса и паузы при импульсной сварке, колебания электронного луча; расстояние от пушки до свариваемого изделия и др.
Особенно большое влияние на размеры сварочной ванны и шва оказывает величина тока в магнитной фокусирующей линзе (фокусировка). Этот параметр режима определяет конфигурацию потока электронов по отношению к свариваемому изделию, форму ванны и диаметр пятна нагрева. Регулированием тока в магнитной линзе можно в широких пределах изменять концентрацию тепловой энергии в пятне нагрева. Это значит, что при одинаковом значении погонной энергии можно получать различную по форме сварочную ванну и шов. При увеличении силы тока IФ в фокусирующей линзе ширина ванны е сначала снижается, а затем возрастает. Изменение глубины проплавления h при изменении силы тока в фокусирующей линзе имеет зависимость с резко выраженным максимумом. Вследствие того, что hИ и ht при электронно-лучевой сварке вблизи к своему максимуму, площадь проплавления шва Fпр мало зависит от фокусировки. На практике силу тока в фокусирующей линзе выбирают в пределах 50¾100 мА (для пушек со средним ускоряющим напряжением).
Остаточное давление в камере определяет стабильность процесса и качество сварных соединений. Разрежение должно быть достаточным для исключения дугового разряда в течение всего периода сварки. Увеличение давления в камере снижает мощность электронного луча и уменьшает его проникающую способность. Для сохранения постоянного вакуума производительность откачных насосов рассчитывают с учетом повышения давления в камере в процессе сварки. При электронно-лучевой сварке давление в камере поддерживают на уровне 10--4 ¾10--6 мм рт.ст.
Колебания электронного луча позволяют избежать ряда дефектов, свойственных электронно-лучевой сварке (подрезов, несплавлений кромок в корне шва и др.). Используют прямоугольные или синусоидальные поперечные колебания луча в широком диапазоне частот (10¾800 Гц). Амплитуду колебаний выбирают в пределах 0,5¾2 мм. Большие значения амплитуды приводят к раздвоению электронного луча относительно стыка. Наряду с поперечным применяют и продольное колебание луча.
Расстояние от эллектронной пушки до свариваемого издеоия допускается в широких пределах: 50¾120 мм для низковольтных пушек и 50¾500 мм для высоковольтных. Изменение расстояния в процессе сварки на несколько миллиметров не оказывает заметного влияния на размеры швов и их качество.
При импульсном режиме электронно-лучевой сварки тепловыделение дополнительно регулируется частотой и длительностью сварочных импульсов. Импульсная электронно-лучевая сварка особенно целесообразна при выполнении швов с минимальной зоной термического влияния.
ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА
По виду активного вещества излучателя лазеры разделяют на твердые и газовые.
Для перевода активных частиц в возбужденное состояние служат источники возбуждения. Они могут воздействовать на активное вещество световым потоком, потоком электронов, потоком радиоактивных частиц и т.п.
Параметры режима лазерной сварки.
При импульсной лазерной сварке форма и размеры ванны оцениваются диаметром и глубиной проплавления.
Основные параметры режима сварки ¾ мощность в импульсе и время импульса. С увеличением этих параметров возрастает тепловая мощность источника и соответственно диаметр ванны и глубина ее проплавления. Дополнительные параметры ¾ диаметр пятна нагрева, определяющийся углом расходимости светового пучка после фокусировки, и пространственно-временная зависимость распределения энергии в пятне нагрева.
В твердотельных лазерах импульс генерируемого света состоит из набора более коротких импульсов, так называемых пучков. Величина и длительность этих пучков колеблются в широких пределах. Благоприятные условия для существования ванны создаются только при равномерном распределении энергии по пятну нагрева.
Параметры режима определяют освещенность в пятне нагрева:
,
где Q ¾ мощность в импульсе; rf ¾ радиус пятна нагрева; tи ¾ время импульса.
Плотность тепловой энергии в пятне нагрева:
,
где А ¾ поглощательна способность свариваемых кромок (зависит от состояния поверхности и длины волны излучения).
При сварке лазером непрерывного излучения форма и размеры сварочной ванны такие же, как и при сварке плавлением. Основные параметры ¾ выходная мощность излучения и скорость сварки. Дополнительные параметры, оказывающие наибольшее влияние на размеры ванны и шва, ¾ диаметр пятна нагрева, поглощательная способность свариваемых кромок и др.
СВЕТО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА
В оптических системах, используемых для сварки световым лучом, концентрация энергии в пятне нагрева достигает 103 Вт/см2. При этой плотности энергии можно сваривать стали, титановые сплавы и другие металлы толщиной от долей до нескольких миллиметров.
Основные преимущества процесса сварки световым лучом ¾ возможность бесконтактного ведения процесса в камерах из кварца или специальных прозрачных пленок. Области рационального применения процесса ¾ приборостроение и производство радиотехнической аппаратуры.
Параметры режима процесса и их влияние на размеры ванны и шва такие же, как и при сварке лазером непрерывного излучения.
ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА
Образование плазмы начинается с возбуждения слаботочной дуги. Плазменная струя с высокой температурой и скоростью генерируется в канале сопла и стабилизируется его стенками и холодным плазмообразующим газом.
Основные параметры режима плазменной сварки аналогичны параметрам дуговой сварки. Размеры ванны и шва зависят главным образом от мощности дуги. К дополнительным параметрам относят диаметр сопла, расход плазмообразующего газа и его теплофизические свойства.
ГАЗОВАЯ СВАРКА
Способы сварки.
В качестве одного из первых методов сварки плавлением, получившего распространение в промышленности, можно назвать газовую сварку. Этот метод сохранил свое значение и до настоящего времени.
При сгорании горючих газов в кислороде концентрация тепловой энергии в пятне нагрева невелика и составляет до 200 Вт/см2. Эффективный КПД процесса находится в пределах 0,3¾0,6. В качестве горючих газов используют ацетилен, водород, пропан-бутан и др. По виду горючего газа различают и способы газовой сварки.
Основные преимущества газовой сварки ¾ универсальность с точки зрения как сварки металлов различных толщин, так и сварки металлов с различными физико-химическими свойствами. Недостатки газовой сварки ¾ трудность автоматизации процесса и длительное тепловое воздействие на свариваемый металл. Рациональная область применения этого метода ¾ ремонтные работы.
Формирование сварочной ванны и шва.
Газовой сваркой могут быть получены все виды сварных соединений и большинство типов швов в различных пространственных положениях. В этом отношении газовая сварка также универсальна, как и дуговая.
Проплавляющая способность газового пламени невелика. Поэтому без разделки кромок сваривают стыки с небольшой толщиной кромок (3¾4 мм). При соединении больших толщин требуется разделка кромок.
Требования к сборке свариваемых элементов (зазору, смещению кромок по высоте в стыковых соединениях) несколько ниже, чем при сварке другими концентрированными источниками нагрева. Увеличение зазора в допустимых пределах способствует более глубокому проплавлению кромок.
На формирование ванны оказывает влияние максимальная температура пламени и концентрация теплоты в пятне нагрева.
Эти факторы зависят от теплофизических свойств горючего газа. Из доступных горючих газов наиболее высокой температуры пламени и концентрации теплоты в пятне нагрева удается достигнуть при сжигании ацетилена в кислороде.
Параметры режима.
Основные параметры ¾ тепловая мощность пламени, соотношение между кислородом и ацетиленом и скорость сварки.
Мощность сварочного пламени, получаемого в сварочных горелках, оценивают условно часовым расходом ацетилена. Для выбора мощности пламени (А л/ч) используют зависимость:
,
где S ¾ толщина свариваемых кромок, мм; k ¾ коэффициент, определяемый экспериментально.
Большое значение для сварки имеет отношение расхода кислорода к расходу горючего газа. В зависимости от этого можно получить окислительное, восстановительное или нормальное пламя. При сварке применяют в основном нормальное пламя с отношением О2 : С2Н2=1,1 ¸ 1,2.
К дополнительным параметрам режима относят угол наклона пламени, диаметр присадочного металла и др. На размеры ванны и особенно ее глубину влияет угол наклона оси пламени относительно поверхности соединяемых кромок. В соответствии с этим различают правый и левый способы газовой сварки. При правом способе пламя направлено на формирующийся металл шва. Направление движения горелки ¾ слева направо. Присадочный металл подают вслед за горелкой. При левом способе пламя горелки направлено на нерасплавленный металл. Направление движения горелки ¾ справа налево. Присадочный металл подают впереди горелки.
Сварку тонкостенных элементов выполняют левым способом. При этом легче избежать сквозных проплавлений. Правый способ ¾ более производительный ¾ применяют при сварке соединений с повышенной толщиной кромок. Выбор способа определяется толщиной свариваемых элементов и их положением в пространстве.
Диаметр (сечение) присадочного металла выбирают в зависимости от тольщины кромок и способа сварки:
,
где S ¾ толзина кромок свариваемого металла.
Движение горелки и прутка в сварочной ванне осуществляют различными способами в зависимости от характера подготовки кромок, пространственного положения и т.п. Качество соединений во многом зависит от работы сварочных горелок и их конструкции. Прежде всего необходима высокая стабильность сварочного пламени. Горелка должна быть легкой, удобной для ручного ведения процесса.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Политехнический словарь /Редкол.: А.Ю. Ишлинский (гл. ред.) и др. ¾ 3-е изд., перераб. и доп. ¾ М.: Советская энциклопедия, 1989. ¾ 656 с. с ил.
2. Технология и оборудование сварки плавлением. Под редакцией Г.Д. Никифорова. Учебник для студентов вузов. М., «Машиностроение», 1978, 327 с. с ил.
3. Ерохин А.А. Основы сварки плавлением, М., «Машиностроение», 1973, 447 с.
4. Теоретические основы сварки. Под ред. В.В. Фролова, М., «Высшая школа», 1970, 592 с.
