Перспективные виды сварки

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ВИДЫ СВАРКИ

Общие сведения

Современная техника характеризуется все более широким применением новых конструкционных материалов, обладающих специальными свойствами: высокой жаропрочностью, коррозионной и радиационной стойкостью, износостойкостью и др.

Для этих целей используются тугоплавкие металлы (титан, цирконий, ниобий, молибден, вольфрам) и сплавы на их основе, многослойные (композитные) материалы, а также неметаллические материалы на основе керамики и полимеров.

Сварку материалов с высоким качеством сварных соединений осуществляют при соблюдении следующих условий: непродолжительный нагрев металла до высоких температур, надежная защита металла от воздействия атмосферы, применение в ряде случаев больших скоростей процесса сварки. Большинство этих металлов отличается высокой химической активностью не только в расплавленном, но и в твердом состоянии и при температуре более 300 °С интенсивно реагируют со всеми флюсами, применяемыми для обычных конструкционных материалов. Поэтому для этих материалов неприемлемы такие виды сварки, как ручная дуговая плавящимся электродом, сварка под флюсом, газовая, ограниченно применима сварка в инертных газах.

Недостатками этих видов сварки являются относительно небольшая концентрация энергии в источнике теплоты и недостаточная защита металла от действия кислорода и азота воздуха. Длительное воздействие высоких температур на металл сварного соединения при его слабой защите приводит к потере пластичности, антикоррозионных и других свойств, значительным остаточным деформациям, насыщению металла шва газами и др. Эти недостатки могут быть устранены при использовании специальных перспективных видов сварки плавлением и сварки давлением в твердом состоянии.

Для специальных видов сварки плавлением используют лучевые источники теплоты, концентрация энергии в которых в 100-1000 раз выше, чем у традиционных источников. Лучевые источники энергии используются при сварке электронным лучом, лазерной и световой сварке. При сварке электронным лучом носителем энергии являются электроны, при лазерной и световой - фотоны. Высокая плотность энергии в пяте нагрева достигается концентрацией потока энергии с помощью фокусирующих устройств. Площадь нагрева электронным лучом по сравнению с газовым пламенем и дугой в 1000 раз меньше при концентрации энергии в пятне нагрева в 1000 раз большей. При использовании фотонного луча эта разница еще значительнее.

Высокая плотность энергии в малом пятне нагрева определяет основные преимущества при сварке электронным лучом и лазером - выгодную форму проплавления (ножевая, кинжальная) и возможность получения высокоточных соединений. При сварке глубоко внедренным лучом возникают трудности: большая опасность пор и горячих трещин, колебания глубины проплавления и подрезы, высокие требования к качеству сборки и подготовки металла под сварку.

Лучевые виды сварки

Электронно-лучевая сварка - сварка плавлением, при которой нагрев металла осуществляется электронным лучом. Электронный луч - это поток электронов, испускаемых одним источником и движущихся по близким траекториям в определенном направлении. Сущность процесса сварки электронным лучом в вакууме состоит в использовании кинетической энергии электронов. При бомбардировке электронами поверхности металла подавляющая часть их кинетической энергии превращается в теплоту, которую используют для расплавления металла.

Электронный луч создается специальным прибором - электронной пушкой (рис.1), с помощью которой получают узкие электронные пучки с большой плотностью энергии. Пушка имеет катод 1, который может нагреваться до высоких температур. Катод размещен внутри прикатодного электрода 2. На некотором расстоянии от катода находится ускоряющий электрод (анод) 3 с отверстием. Электроны, выходящие из катода, фокусируются с помощью электрического поля между прикатодным и ускоряющим электродами в пучок диаметром, равным диаметру отверстия в аноде 3. Положительный потенциал ускоряющего электрода может достигать нескольких десятков тысяч вольт, поэтому электроны, испускаемые катодом, на пути к аноду приобретают значительную скорость и энергию. Питание пушки электрической энергией осуществляется от высоковольтного источника постоянного тока 7.

Рис.1. Схема установки для сварки электронным лучом

Для увеличения плотности энергии в луче после выхода электронов из первого анода электроны фокусируются магнитным полем в специальной магнитной линзе 4. Сфокусированные в плотный пучок летящие электроны ударяются с большой скоростью о малую площадку (пятно нагрева) на изделии 6, при этом кинетическая энергия электронов вследствие торможения превращается в теплоту, нагревая металл до очень высоких температур. Для перемещения луча по свариваемому изделию на пути  электронов  помещают  магнитную отклоняющую систему 5, позволяющую устанавливать луч точно по линии сварки.

С целью обеспечения свободного движения электронов от катода к аноду и далее к изделию, для тепловой и химической изоляции катода, а также для предотвращения возникновения дугового разряда между электродами установки для сварки создается глубокий вакуум (133·10 Па), обеспечиваемый вакуумной насосной системой установки.

Мощность электронного луча может достигать больших значений, что делает его перспективным для сварки больших толщин (200-500 мм). Возможность высокой концентрации энергии при использовании малой мощности позволяет сваривать электронным лучом изделия микроэлектроники.

Основные параметры режима электронно-лучевой сварки - сила тока, напряжение электронного луча, скорость сварки. Ускоряющее напряжение и сила тока луча определяют мощность источника энергии.

Лазерная сварка - сварка плавлением, при которой для местного расплавления соединяемых частей используется энергия светового луча, полученного от оптического квантового генератора. Сущность получения лазерного луча заключается в следующем. За счет поступления внешней энергии (электрической, световой, тепловой, химической) атомы активного вещества излучателя переходят в возбужденное состояние. Через некоторый промежуток времени возбужденный атом может излучить полученную энергию в виде фотона и возвратиться в исходное состояние. Фотон представляет собой элементарную частицу, порцию света, обладающую нулевой массой покоя и движущуюся со скоростью, равной скорости света в вакууме. Фотоны возникают (излучаются) в процессах перехода атомов, молекул, ионов и атомных ядер из возбужденных состояний в более стабильные состояния с меньшей энергией. При определенной степени возбуждения происходит лавинообразный переход возбужденных атомов активного вещества-излучателя в более стабильное состояние. Это создает когерентное, т. е. связанное с возбуждением, световое монохроматическое излучение, которое усиливается в излучателе многократным отражением от его стенок и выпускается в виде узкого направленного пучка. Монохроматическое излучение - электромагнитное излучение одной определенной частоты. Таким образом, создается лазерный луч - монохроматический направленный поток фотонов.

По виду активного вещества-излучателя лазеры разделяют на твердые, газовые, жидкостные и полупроводниковые, по принципу генерации лазерного луча - на импульсные и непрерывные. В настоящее время для сварки используют твердотельные и газовые лазеры. Твердотельные лазеры работают в импульсном режиме. Схема общей компоновки твердотельной лазерной сварочной установки приведена на рис.2.

Рис.2. Общая компоновка лазерной установки

Установка состоит из рабочего тела 1, лампы накачки 2, обеспечивающей световую энергию для возбуждения атомов активного вещества-излучателя. Полученное излучение фокусируется и направляется с помощью оптической системы 3 на свариваемое изделие 4. Мощность твердотельных лазеров невелика (0,015- 2 кВт).

Преимуществами лазерного луча являются: возможность передачи энергии на большие расстояния неконтактным способом; сварка через прозрачные оболочки, получение качественных соединений на металлах, особо чувствительных к длительному действию теплоты; сварка на воздухе, в защитной атмосфере, вакууме.

Использование лазеров непрерывного действия на углекислом газе позволяет получать сварные соединения толщиной до 15 мм и выше. В перспективе имеется возможность  увеличения  толщины  свариваемых изделий и. использования лазера для термообработки и резки металла.

Основные недостатки лазерного источника энергии - низкие значения КПД установок, высокая стоимость оборудования, недостаточная мощность.