Техпроцессы в машиностроении_лек

в стали углерода 0,4…0,5% резка усложнена, при содержании углерода более

1,2% резка невозможна. При содержании в стали марганца 4…10% резка ус-

ложняется; при содержании марганца более 14% резка невозможна.

Газовый резак отличается от газовой горелки наличием дополнитель-

ного кислородного вентиля. Процесс резки осуществляется в два этапа. Пер-

вый - нагрев зоны резки до температуры горения металла в кислороде (харак-

теризуется появлением большого числа искр); второй - собственно резка (от-

ключается ацетилен и кислород из основной магистрали). Дополнительным вентилем подключается кислород.

6.4.ЛУЧЕВЫЕ ВИДЫ СВАРКИ

Клучевым видам сварки относятся: электронно-лучевая и лазерная

сварка.

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 ка-

тода 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 5 000…6 000ºС.

При сварке электронным лучом теплота выделяется непосредственно в самом свариваемом металле, вызывая плавление и частичное испарение ме-

талла. Расплавленный металл заготовок вытесняется из зоны сварки давлени-

ем паров металла (парогазовый канал). Расплавленный металл распределяет-

ся по сварочной ванне неравномерно: фронт расплава (передняя стенка кана-

ла) имеет толщину 0,05…0,5 мм, а сзади электронного луча, ближе к верхней части ванны, сосредоточен основной объем расплава. При кристаллизации этого основного объема и образуется сварной шов.

Обычно ЭЛС производится в вакуумных камерах при давлении

504

10-3Па. Вакуум обеспечивает беспрепятственное перемещение электронов и защиту от окисления катодной нити и зоны сварки.

На рис. 6.22 приведена схема ЭЛС с классической электронной пуш-

кой.

Рис. 6.22. Схема установки для элек-

троннолучевой сварки:

1 - вакуумная камера; 2 - – стол; 3, 12

– свариваемые заготовки; 4 – система наблюдения; 5 - отклоняющая систе-

ма; 6 - фокусирующая обмотка; 7 -

кольцевой анод; 8 - катод; 9 - вольф-

рамовая спираль; 10 - электронный луч; 11 - сварной шов; 13 – вакуум-

ная магистраль.

Образование луча начинается с эмиссии электронов с нагретой вольфрамовой спирали 9. Ускорение

электронов происходит за счет ускоряющего напряжения (30…150 кВ) меж-

ду катодом 8 и кольцевым анодом 7. Для прохождения электронного луча 10,

анод снабжен центральным отверстием. Фокусирующая обмотка 6 фокусиру-

ет луч до диаметра 0,1…0,5 мм. При перемещении заготовок 3 и 12, под не-

подвижным лучом образуется сварной шов 11. Конфигурация сварного шва обеспечивается перемещением электронного луча с помощью отклоняющей системы 5 или перемещениями стола 2, на котором закреплены заготовки.

Высокая концентрация энергии в сфокусированном луче (до

(5…7,5)104 Вт/мм2) реализует кинжальное плавление материала заготовок.

Кинжальное плавление материала заготовок позволяет получать свар-

ной шов (рис. 6.23) с отношением глубины шва к его ширине до 1:30 с узкой з.т.в.

505

ЭЛС позволяет сваривать большинство токопроводящих материалов

(легированные и высоколегированные стали; титановые, вольфрамовые, тан-

таловые, ниобиевые, циркониевые, молибденовые и никелевые сплавы; неко-

торые керамики). ЭЛС применяют для соединения малогабаритных (элек-

троника, приборостроение, часовая про-

мышленность) и крупногабаритных дета-

лей (диски диаметром 50…2300 мм; цап-

фы; валы; рычаги; трубные и корпусные изделия).

Рис. 6.23. Сварной шов при электронно-

лучевой сварке образца из хромистой ста-

ли.

Лазерная сварка

Лазерная сварка – сварка плавлением, при которой для нагрева исполь-

зуется энергия излучения лазера. Лазерный луч представляет собой вынуж-

денное монохроматическое излучение. Источником светового излучения яв-

ляется оптический квантовый генератор - лазер. Длина волны излучения, в

зависимости от природы рабочего тела лазера, лежит в пределах от 0,1 до 10

мкм. Атомы вещества имеют определенный запас энергии и находятся в ус-

тойчивом энергетическом состоянии. Если атому дать дополнительную энер-

гию («накачка» или «возбуждение» атома), он выйдет из равновесного со-

стояния. Излучение возникает в результате вынужденных скачкообразных переходов атомов рабочего тела лазера на более низкие орбиты. При этом возбужденный атом стремится вернуться в устойчивое энергетическое со-

стояние и отдает квант энергии в виде фотона. Испускание света можно ини-

циировать воздействием внешнего фотона, обладающего энергией, соответ-

ствующей разнице энергий атома в возбужденном и нормальном состоянии.

506

В результате, генерируются два фотона с одинаковой частотой. Одновремен-

но протекает и обратный переход. Поэтому, для получения заметной генера-

ции вынужденного излучения необходимо добиться превалирования перехо-

дов с возникновением новых фотонов. Этого можно добиться воздействием различных источников энергии (световой, тлеющий или электрический раз-

ряд; химическая реакция). Энергия единичного импульса невелика, но эта энергия выделяется за 10-6 с на площади 0,01 мм. Поэтому в фокусе луча обеспечивается температура 6 000…8 000оС. в месте попадания луча (на по-

верхности заготовки), металл мгновенно нагревается и испаряется. Схема ла-

зерной сварки приведена на рис. 6.24, а. При плотностях тока ≈ 104 Вт/мм2 в

пятне нагрева начинается локальное испарение металла. В расплавленном металле 2 образуется полость 3. давление паров испаряющегося металла за-

готовок 1 не дает полости захлопнуться под действием гидростатических сил расплава.

Рис. 6.24 Лазерная сварка:

а – схема; б – рабочая зона;

1 – заготовки; 2 – расплав-

ленный металл; 3 – полость;

4 – лазерный луч; 5 - свар-

ной шов; Vсв - скорость пе-

ремещения лазерного луча.

При соответствующей скорости перемещения (Vсв) лазерного луча 4

образовавшаяся полость приобретает динамическую устойчивость и движет-

ся вместе с лучом. Перед полостью происходит плавление металла, а позади нее – затвердевание. При наличии полости, излучение поглощается не только поверхностью металла заготовок, но и в его глубине. После прохождения лу-

ча, полость заполняется жидким металлом и образуется узкий сварной шов

(рис. 6.25), глубина которого значительно больше его ширины.

507

Лазерная сварка позволяет: соединять разнородные металлы при тол-

щине заготовок от 0,5 до 10 мм и скорости сварки до 50 м/мин. Обеспечивать небольшое тепловое влияние на около шовную зону и малые деформации го-

тового изделия. Легко автоматизировать процесс сварки.

Рис. 6.25. Сварной шов (волокон-

ный лазер НТЦ «Электроника»,

мощность 1 кВт, защитный газ – аргон; скорость сварки – 350 мм/с):

а – титан; б – нержавеющая сталь.

Сваривать конструкции, ко-

торые невозможно было соединять обычными способами сварки. Управление лучом с помощью системы специ-

альных зеркал позволяет сваривать труднодоступные места и получать кри-

волинейные сварные швы.

Лазерную сварку малых толщин применяют в электронной и радиотех-

нической промышленности для сварки проводов, элементов микросхем, при ремонте вакуумных приборов и т.д. лазерную сварку с глубоким проплавле-

нием применяют при производстве кор-

пусных деталей, валов (в том числе карданных), осей, для сварки труб, ар-

матурных конструкций (рис. 6.26).

Рис. 6.26. Примеры лазерной сварки:

а – патрубок, нержавеющая сталь; б –

медно-констановая термопара; в – дис-

ковые фрезы, сталь 9ХС – сталь Р6М5; г

– синхронизатор КПП автомобиля; д –

вварка труб (сталь 08Х12Н) в трубную доску из титана.

508

онную сварку выполняют в вакууме (сварка химически активных металлов)

или в атмосфере защитных или инертных газов.

Свариваемые заготовки устанавливают внутри охлаждаемой камеры, в

камере создается вакуум (10-3…10-5 Па) (или нагнетаются защитные или инертные газы). Нагрев заготовок производится с помощью нагревателя или индуктора ТВЧ. Процесс сварки идет в две стадии. На первой стадии заго-

товки нагреваются, и прикладывается давление. Происходит пластическое деформирование микровыступов и разрушение тонких пленок на контакти-

рующих поверхностях заготовок. На второй стадии заготовки выдерживают-

ся под давлением. Под действием диффузии, образуется объемная зона вза-

имного соединения. С целью ускорения процесса (сварка тугоплавких метал-

лов и сплавов) в камеру может быть введен электронный луч, позволяющий нагревать заготовки с более высокой скоростью. Для получения качественно-

го соединения, свариваемые поверхности заготовок необходимо предвари-

тельно очищать от окисных пленок и загрязнений.

Диффузионная сварка позволяет: соединять металлы, сплавы и керами-

ческие материалы в различных сочетаниях и соединять заготовки с большой разницей по толщине (рис. 6.28). Как правило, полученные соединения не нуждаются в последующей механической обработке.

Рис. 6.28. Примеры диффузионной сварки:

а – сварка зубчатого венца (сталь 40Х) с

втулкой (сталь 45); б -

сварка медных пластин;

в – сварка труб из полиэтилена.

Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая сварка - сварка давлением, осуществляемая при воз-

действии ультразвуковых колебаний. Сущность процесса ультразвуковой

510

сварки (УЗС) состоит в приложении высокочастотных колебаний (16…20

КГц) к свариваемым заготовкам.

В заготовках возникают касательные напряжения, вызывающие пла-

стическую деформацию материала свариваемых поверхностей. В месте соединения развивается повышенная температура (0,4…0,6Тплавления), зависящая от свойств свариваемых материалов. Эта температура способствует возник-

новению пластического состояния свариваемых материалов и их соедине-

нию. В месте сварки образуются совместные кристаллы, обеспечивающие прочность сварного соединения. Одновременно, под действием ультразвука разрушаются окисные пленки на поверхностях заготовок, что облегчает по-

лучение соединения.

Типовая схема УЗС (рис. 6.29) состоит из электромеханического пре-

образователя 8, волноводного Рис. 6.29 Типовая схема установки

для ультразвуковой сварки:

1 – неподвижная опора; 2 – регу-

лируемая опора; 3 – корпус уста-

новки; 4 - акустическая развязка; 5

– магистраль охлаждения; 6 – аку-

стический узел; 7 – кожух; 8 -

электромеханический преобразо-

ватель; 9 – ультразвуковой генера-

тор; 10 - концентратор колебатель-

ной скорости; 11 - сварочный на-

конечник; 12, 13 – свариваемые заготовки; 14 - кривая упругих колебаний.

звена - трансформатора или иначе концентратора колебательной скорости 10,

акустической развязки системы от корпуса машины 4, излучателя ультразву-

ка - сварочного наконечника 11 и опор 1, 2, на которых располагаются свари-

ваемые заготовки 12 и 13.

511

Электромеханические преобразователи выполняют из магнитострик-

ционных или электрострикционных материалов (никель, пермендюр, титанит бария). Под воздействием переменного электромагнитного поля в преобразо-

вателе возникают механические напряжения, которые вызывают упругие де-

формации материала. Таким образом, преобразователь является источником механических колебаний. Волноводное звено служит для передачи энергии к сварочному наконечнику. Это звено должно обеспечить необходимое увели-

чение амплитуды колебаний сварочного наконечника по сравнению с ампли-

тудой исходных волн преобразователя.

При вводе механических колебаний в свариваемые металлы заготовки начинают вибрировать с ультразвуковой частотой. Форма колебаний опреде-

ляется геометрическими размерами изделия. В наиболее простом и распро-

страненном случае (сварка листа прямоугольной формы) в свариваемом из-

делии устанавливается стоячая волна с характерным чередованием узлов и пучностей плоской волны изгибных колебаний. Уровень напряжений, возни-

кающих в пучностях, определяется мощностью энергии, вводимой в зону сварки.

УЗС позволяет соединять (рис. 6.30) металлы без снятия поверхност-

ных пленок и расплавления (особенно: чистый алюминий, медь, серебро).

Рис. 6.30. Примеры ультразвуковой сварки.

УЗС сваривают: металлическую фольгу со стеклом и керамикой (ме-

талл - стекло; отношение толщин 1/1 000 и больше); большинство известных термопластичных полимеров. Для ряда полимеров УЗС является единственно возможным надежным способом соединения. Для УЗС характерны: малая энергоемкость; возможность питания нескольких сварочных головок от од-

ного генератора и возможность выноса их на значительное расстояние; про-

512

стота автоматизации процесса работы колебательной системы; гигиенич-

ность процесса.

Технологическое оборудование для ультразвуковой сварки состоит из следующих узлов: источника питания, аппаратуры управления сварочным циклом, механической колебательной системы и привода давления.

УЗС применяют в приборостроении, радиоэлектронике, авиационной промышленности.

Холодная сварка

Холодная сварка (ХС) – сварка давлением при значительной пластиче-

ской деформации без нагрева свариваемых частей внешними источниками тепла.

Основным достоинством ХС является отсутствие теплового воздейст-

вия на соединяемые заготовки. В основе ХС лежит пластическая деформация соединяемых металлов.

Холодной сваркой можно соединять только весьма пластичные метал-

лы (алюминий и его сплавы, медь, свинец, олово). Обязательными условиями получения сварного соединения являются: очистка кромок соединяемых за-

готовок от загрязнений (промывка растворами, бензином, спиртом) и окис-

ных пленок. Применение абразивного инструмента недопустимо, так как шаржированные в поверхность заготовок абразивные зерна затруднят полу-

чение сварного соединения. Предварительная подготовка поверхностей заго-

товок (шероховатость - Rz не более 10 мкм; не плоскостность поверхности не более 0,1 мм).

ХС подразделяется на: точечную, шовную, стыковую и комбинирован-

ную.

Точечной сваркой (ТХС) соединяют внахлестку листовые материалы.

Сварное соединение (сварная точка) получается в результате вдавливания пуансонов в заготовки. Сварная точка образуется в результате значительной деформации металла, поэтому она упрочнена по отношению к основному ме-

513