3.4.2. Область применения способа
Одна из основных особенностей нагрева металла электронным лу- чом – это достижение на поверхности изделия высоких значений удельной мощности. По этому параметру электронный луч существенно превосхо- дит электрическую дугу. Это обеспечивает «кинжальное» проплавление металла, при котором большая глубина проплавления сочетается с малой шириной шва.
Длина свободного пробега электрона в металле равна 2,1·10
–12
см.
Большая глубина проплавления металла достигается тем, что формирова-
140
ние соединения имеет свои особенности (рис. 3.10). Интенсивная элек- тронная бомбардировка металла на передней стенке кратера сопровожда- ется его разогревом. Вследствие температурного градиента создается дав- ление Р, обусловленное действием сил поверхностного натяжения и реак- ции испаряемого металла, под действием которых жидкий металл переме- щается из зоны нагрева в зону кристаллизации. При этом оголяется нерас- плавившийся металл сварочной ванны, который также расплавляется и пе- ретекает в зону кристаллизации. Таким образом, электронный луч посте- пенно углубляется в металл, чем достигается большая глубина проплавле- ния и высокой КПД сварки из-за внутреннего объемного нагрева металла, а не поверхностного, как при дуговой сварке.
Электронно-лучевую сварку выпол- няют в основном без присадочного мате- риала, так как зазор между заготовками малый. В некоторых случаях для его за- полнения используют буртик, который в процессе сварки расплавляется. Если применяют в качестве материала прово- локу, то ее подают с помощью стацио- нарных или подвижных механизмов.
Электронно-лучевое воздействие подразделяют на поверхностное и объем- ное. В первом случае глубина проникно- вения электронов в вещество составляет несколько микрометров (при энергии
10…50 кэВ). Во втором случае (при энергии более 100 кэВ) заряженные частицы проникают в вещество на глубину в десятки и сотни микрометров.
Малый объем обрабатываемого металла и кратковременность тепло- вого воздействия обеспечивают незначительные термические деформации соединяемых деталей. Размеры зоны термического влияния составляют около 0,2 мм.
Электронно-лучевая сварка за счет высокой концентрации энергии позволяет сваривать тугоплавкие металлы, а за счет вакуумной защиты –
химически активные материалы. Возможно плавное изменение мощности луча за счет изменения его диаметра. Это позволяет производить предва- рительный нагрев кромок или последующую термическую обработку шва расфокусированным лучом.
Рис. 3.10. Образование сварного соединения при электронно-луче- вой сварке: 1 – электронный луч;
2 – передняя стенка кратера; 3 – зо- на кристаллизации; 4 – путь дви- жения жидкого металла
141
Самостоятельные направления электронно-лучевой обработки сле- дующие:
1. Рафинирование материала за счет оплавления и последующего за- твердевания металла с небольшой скоростью продвижения фронта фазо- вых превращений. Применяют для очистки металла у поверхности заго- товки от примесей и включений без дополнительного легирования метал- ла. Такой нагрев применяют также для устранения (заваривания) поверх- ностных дефектов и формирования периодического рельефа на поверхно- сти заготовки;
2. Закалка сплавов из твердого состояния со скоростями нагрева
10 2
…10 4 о
С/с. Способ заключается в быстром
нагреве участка поверхности до температуры, превышающей начало аустенитного превращения за вре- мя до 10
–8
с. Скорость охлаждения достигает значения 10 7 о
С/с. Поскольку растворимость углерода в матрице сталей возрастает с температурой экс- поненциально, то идеальным вариантом проведения процесса является на- грев упрочняемого сплава за минимальный отрезок времени до температуры, близкой к температуре плавления. Для самозакалки нагретого слоя соотно- шение между толщинами этого слоя и детали должно быть не менее 1:4.
3. Поверхностное легирование введением в расплавленную металли- ческую основу растворимых и нерастворимых материалов, обработка предварительно нанесенных покрытий и нагрев слоев после ХТО. Соот- ношение между наплавкой и легированием зависит от соотношения тол- щин наносимого материала и диффузионной зоны. Если они примерно равны, то речь идет о наплавке. Упрочненные мелкозернистые слои имеют толщину 0,3…2,0 мм.
4. Наплавка покрытий. Применение новых промышленных ускорите- лей электронов с энергией 1,5 МэВ и более и мощностью 50 кВт позволяет производить наплавку углеродистых, легированных и жаропрочных сталей, серого чугуна и меди. Применяют наплавочные материалы в виде порошков:
ПР-Н80Х13С2Р, ПР-Н73Х16С3Р3, ПР-Н67Х18С5Р4, ПР-Н70Х17С4Р4,
ПР-10Р6М5, ПГ-10Н-04, ФБХ-6-2 и др. Толщина насыпного слоя 1…5 мм,
ширина слоя 8…40 мм, мощность электронного пучка 1,5...15 кВт, ско- рость наплавки 8…110 мм/с.
Покрытия, полученные электроннолучевой наплавкой, содержат не- большое количество кислорода и азота, (4...19)
10
-3
% и (1...7)
10
–3
% соот- ветственно. Столь низкое содержание газов в металле, наплавленном без защиты, объясняется возникающим потоком в зоне облучения порошка, состоящем из активированных газов, паров металла и ультрадисперсных
142
частиц. Этот поток препятствует контакту расплавленного металла с воз- духом и исключает поры в покрытии.
Электроннолучевая наплавка имеет высокую производительность и широкие технологические возможности. Например, по сравнению с ин- дукционной ее производительность выше в 10...15 раз. Способ применим для наплавки любых материалов, он
позволяет точно дозировать энергию, вводимую в металл, изменяя тем самым глубину проплавления основного металла, структуру основного и наплавленного металлов.
5. Сварка в труднодоступных местах по сложной траектории. Элек- тронно-лучевую сварку целесообразно также применять для сварки туго- плавких, разнородных и химически активных материалов.
6. Оплавление слоев или покрытий со сравнительно высокими ско- ростями плавления и кристаллизации (10 2
…10 5 о
С/с), обеспечивающими закалку сплавов из жидкого состояния, их гомогенизацию и уменьшение размера зерна.
Оплавление и затвердевание с высокими и сверхвысокими скоростя- ми (10 3
…10 7 о
С) приводит к аморфизации (стеклованию) тонкого поверх- ностного слоя материала.
В последние десятилетия внимание исследователей привлечено к изучению аморфного состояния поверхностных слоев металлических сплавов, в том числе получаемых при восстановлении деталей. Эти слои характеризуются отсутствием дальнего порядка во взаимном расположе- нии атомов и называются
металлическими стеклами.
Металлические стекла характеризуются уникальным сочетанием не- обычных электрических, магнитных, механических и химических свойств.
Так, часть из них имеет удовлетворительную пластичность наряду с высо- кой твердостью и прочностью при растяжении, приближающейся к теоре- тической.
Например, твердость сплава Fe
80
B
20
составляет 1100 HV, а предел его прочности при растяжении 3130 МПа, для сплава Fe
78
Si
10
B
12
– 890 HV и 3330 МПа и для сплава
Fe
80
P
13
C
7
– 760 HV и 3040 МПа соответственно. В то же время эти сплавы имеют хо- рошую пластичность.
Металлические стекла имеют характеристики упругости (модули Е и
G) на 25…30 % более низкие по сравнению со свойствами сплавов в кри- сталлическом состоянии. Коэффициент теплового расширения части таких материалов близок к нулю. Еще одним достоинством металлических сте- кол является их уникальная коррозионная стойкость, в частности, устойчи- вость к питтингу в растворах кислот. Она объясняется наличием однород- ной пассивной пленки, образующейся на поверхности материала.
143 8. Ударное упрочнение, проводимое с еще более высокими скоро- стями за время 10
–6
…10
–8
с. Глубинное упрочнение материала происходит в результате действия распространяющихся в виде ударной волны упругих колебаний.
3.4.3. Преимущества и недостатки способа, область примененияПреимущества способа: минимальное коробление изделий, отсутст- вие окисления и обезуглероживания, нет необходимости в
применении го- рючих и закаливающих сред, высокий КПД (около 75 %), экологическая чистота.
Недостатки способа: сложность и высокая стоимость оборудования, использование высокого напряжения, трудоемкость создания вакуума.
Способ нашел применение при восстановлении и упрочнении дорожек качения подшипников, режущих кромок инструментов, седел и толкателей клапанов, канавок поршней, шеек и кулачков валов, шаровых опор и др.
Вопросы для самоконтроля1. Как определяют скорость электронов при электронно-лучевой обработке?
2. Чем объясняется глубокое проплавление материала при электронно-лучевой сварке?
3. Перечислите основные случаи применения электронно-лучевой обработки. 4. Каковы преимущества электронно-лучевой обработки?
Лабораторная работа № 2ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
Цель работы: изучить технологию электронно-лучевой обработки ма- териалов.
Основная часть электронно-лучевого оборудования – это энергети- ческий комплекс, включающий аппаратуру для формирования сфокусиро- ванного пучка электронов, управления его параметрами и траекторией пе- ремещения луча по обрабатываемому изделию (см. рис. 3.10). Электронно- оптическая система (электронная пушка) включает эмиттер электронов, системы формирования и ускорения (управляющий электрод, анод), сис- темы юстировки, фокусировки, отклонения луча, аксиального наблюдения за пучком. Изготавливаются пушки с термо- и плазменным катодом, а также пушки с использованием высоковольтного тлеющего разряда с хо- лодным катодом. Наиболее широкое распространение получил первый вид пушек. Основные типы термокатодов — проволочные, ленточные и мас- сивные катоды прямого и косвенного нагрева, изготавливаемые обычно из вольфрама. В качестве непосредственного эмиттера электронов часто ис- пользуются лантанборидные (LaB
6
) катоды с косвенным подогревом. На- гретый до высокой температуры катод эмиттирует электроны. Поток элек-
144
тронов формируется в пучок полем управляющего электрода. В дальней- шем пучок сжимается с помощью электромагнитного поля системы фоку- сировки для получения максимальной плотности энергии в фокальном пятне луча.
Материалы и оборудование: рабочее место ВУП4 на базе электрон- но-лучевой установки «Элион», измерительный инструмент, секундомер, установка для определения твердости по Роквеллу.
Ход работы. После получения образцов измеряются их геометриче- ские параметры. Определяются технологические параметры оборудования.
Проводится сварка образцов. Замеряются технологические и геометриче- ские параметры шва. Данные заносятся в табл. 3.8.
Таблица 3.8
Данные технологических параметров обработки материала
Материал детали
Толщина детали
Сила тока, мА
Ускоряющее напряжение, кВ
Скорость сварки, м/ч
Ширина шва, мм
Содержание отчета: цель работы, краткие теоретические сведения,
оборудование и материалы, результаты исследований, выводы по работе.
3.5. Лазерная обработка3.5.1. Общие понятияВ качестве источника тепла используют луч лазера.
Лазер – аббревиатура английского названия Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation – «усиление света с помощью индуцированного излучения».
Лазер – оптический квантовый генератор электромагнитного излу- чения. При создании лазера учитывались следующие явления:
– наряду со спонтанным излучением существует вынужденное. Этот вид излучения возможен тогда, когда фотон света встречается с возбуж- денным атомом. Если энергия возбужденного атома в точности равна энергии фотона, то фотон заставляет атом перейти на более низкий энерге- тический уровень с выделение нового фотона, который совпадает по фазе с первоначальным и движется в том же направлении;
– если систему излучающих атомов заключить в трубку, донышки которой находятся на определенном расстоянии друг от друга и служат зеркалами для фотонов, то можно за счет движения фотонов туда и обрат- но постепенно собрать в этом сосуде множество фотонов, порожденных одинаково возбужденными атомами;
– стараются подольше удержать атомы в возбужденном состоянии, а за- тем после такой накачки заставить все атомы выделить фотоны одновременно.
145
Размножение фотона и получение миллиардов тождественных не от- личающихся по своим свойствам фотонов приводит к созданию луча ог- ромной интенсивности. Такой луч размывается в ничтожной степени и на поперечное сечение луча приходится огромная энергия.
Луч лазера обладает рядом свойств, отличающих его от обычного светового луча. Такими свойствами являются направленность, монохрома- тичность и когерентность. По своей направленности лазерный луч в тыся- чи раз превышает, например, прожекторный луч. Это позволяет концен- трировать энергию на относительно небольшом участке. В
отличие от обычного белого луча, несущего набор различных частот электромагнит- ных колебаний, лазерный луч монохроматичен, т.е. обладает строго опре- деленной длиной волны и частотой. Это позволяет хорошо его фокусиро- вать различными оптическими линзами, так как угол преломления луча в линзе постоянен. Когерентность – это согласованное протекание во време- ни нескольких волновых процессов. Когерентные колебания вызывают оп- тический резонанс, который усиливает мощность излучения.
Лазеры различаются:
– способом создания в среде инверсионной заселенности, или спосо- бом «накачки» (оптическим излучением, электронным пучком, химиче- ской реакцией);
– лазерным веществом (газы, жидкости, твердые диэлектрики);
– конструкцией резонатора (плоский, кольцевой и др.);
– режимом работы (импульсный, непрерывный).
Лазеры характеризуются мощностью, КПД преобразования какого- либо вида энергии в энергию излучения, энергией в импульсе и другими параметрами.
3.5.2. Лазерные установкиВ качестве элемента обратной связи используют систему зеркал, на- зываемую
резонатором. Простейший и наиболее часто применяемый ре- зонатор – это две обращенные друг к другу поверхности, между ними на- ходится активное вещество, в котором возникает процесс излучения.
Схема твердотельного лазера приведена на рис. 3.11. В качестве ак- тивного тела 1 используют стержни из рубина, алюмоиттриевого граната, стекла, активированного ионами ниодима, иттербия, эрбия, гольмия и дру- гих элементов. Они размещаются в осветительной камере 3. Для возбуж- дения атомов активного света применяют лампу накачки 2, создающую мощные вспышки света. По торцам активного тела размещены зеркала –
отражающее и частично прозрачное. Луч лазера проходит, многократно
146
отражаясь и усиливаясь, внутри рубинового стержня и выходит через про- зрачное зеркало. КПД твердотельных лазеров составляет 2…5 %, их харак- теристика приведена в табл. 3.9.
Рис. 3.11. Схема твердотельного лазера: 1 – активное тело; 2 – лампа накачки;
3 – осветительная камера; 4 – частично прозрачное зеркало; 5 – отражающее зеркало;
6 – луч лазера
Таблица 3.9
Характеристика
твердотельных лазерных установокУстановка
Энергия излуче- ния, Дж
Длитель- ность им- пульса, мс
Частота импуль- сов, Гц
Диаметр светового луча, мм
Мас- са, кг
Потребляе- мая мощ- ность, кВт
Квант-9М
8 0,5 2
До 2 200 2,5
Квант-12 3
1,5; 4 20 0,25; 1 600 6
Квант-10 15 4
0,4; 1,4 350 6
Квант-16 30 4…7 0,1…1 2…5 350
–
Квант-17 8
4 10
–
550 12
Двухлучевой
Квант-18 10…130 8…10 1
–
–
5
Более мощными являются газовые лазеры, в которых в качестве ак- тивного тела используют смесь газов, обычно СО
2
+Не+N
2
. Расходимость луча в них составляет 1…2 мрад. Схема газового лазера с продольной про- качкой газа приведена на рис. 3.12. Газ из баллонов 6 прокачивается насо- сом 7 через газоразрядную трубку 1. Для энергетического возбуждения га- за используют электрический разряд между электродами 2. По торцам га- зоразрядной трубки расположены зеркала 3 и 4. Электроды подключены к источнику питания 8. Лазер охлаждается водяной системой. Недостатком лазеров с продольной прокачкой газа являются их большие габаритные размеры. Более компактны лазерные установки с поперечной прокачкой.
Их мощность достигает 20 кВт, что дает, например, возможность свари- вать металлы толщиной до 20 мм со скоростью около 60 м/ч. Характери- стика газовых лазерных установок приведена в табл. 3.10.
147
Рис. 3.12. Схема газового лазера с продольной прокачкой газа: 1 – газоразрядная трубка; 2 – электроды; 3 – отражающее зеркало; 4 – полупрозрачное зеркало; 5 – водя- ная рубашка охлаждения; 6 – баллоны с газом; 7 – насос для прокачки газов; 8 – источ- ник питания
Таблица 3.10
Характеристика газовых лазерных установок
Установка
Мощность излуче- ния, кВт
Диаметр луча, мм
Расходи- мость излу- чения, мрад
Потребляе- мая мощ- ность, кВт
КПД, %
Масса, кг
ЛГН-702 0,8 45 2
18 5
1100
Гарпун-5000 0,5…5 40 2
70 5…6 3000
Катунь
0,8 45 2
18 12 690
Иглан
2,5 96 2
60 4
3650
ЛТ1-2
До 5 45 5
80…100 5…7 5500
ЛТУ1-2 1,2 80 2
40…60 3…4 2650
Наиболее мощными являются газодинамические лазеры. Для работы используют газы, нагретые до температуры 1000…3000 К. Газ вытекает со сверхзвуковой скоростью через сопло Лаваля, в результате чего происхо- дит его адиабатическое расширение и охлаждение в зоне резонатора. При охлаждении возбужденных молекул СО
2
происходит переход их на более низкий энергетический уровень с испусканием когерентного излучения.
Для накачки может быть использован другой лазер или другие мощные ис- точники энергии. Лазер мощностью 100 кВт позволяет сваривать сталь толщиной 35 мм со скоростью 200 м/с.
Преимущества:
– возможность очень точной дозировки энергии, что позволяет полу- чить качественные соединения при изготовлении тонких деталей;
– возможность получения большей глубины проплавления при ма- лой ширине шва, что позволяет уменьшить зону термического влияния, сократить сварочные деформации и напряжения;
148
– возможность расположения лазера на большом расстоянии от мес- та сварки. Например, известна установка для
лазерной сварки при ремонте трубопроводов, проложенных по дну водоема. Лазер находится у конца секции трубопровода, а внутри трубы перемещается тележка с вращаю- щимся зеркалом;
– легкость управления лазерным лучом с помощью зеркал и воло- конной оптики, что позволяет производить сварку стыков, не находящихся в пределах прямой видимости.
Лазеры используют в составе лазерных установок, технологическая часть которых служит для относительного перемещения луча и обрабаты- ваемой заготовки. При обработке неподвижных тяжелых заготовок пере- мещается лазерный луч с помощью системы зеркал или применяют при- способления для перемещения малогабаритных заготовок.
Недостатком лазерной обработки является высокая сложность и стоимость оборудования и низкий КПД лазеров, однако по мере развития лазерной техники эти недостатки устраняются.
Скачать 3.56 Mb.