Материаловедение. Учебник для студентов высших учебных заведений Арзамасов В. Б., Волчков А. Н
 Скачать 4.56 Mb.
|
|
14.4. ЛУЧЕВЫЕ ВИДЫ СВАРКИ К лучевым 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 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…6000 о С. Схема формирования сварного шва показана на рис. 14.16. При сварке электронным лучом теплота выделяется непосредственно в самом свариваемом металле, вызывая плавление и частичное испарение металла. 367 Расплавленный металл заготовок 4 вытесняется из зоны сварки давлением паров металла (парогазовый канал 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 6. При кристаллизации этого основного объема и образуется сварной шов 1. Рис. 14.16. Схема электронно-лучевой сварки: 1 – сварной шов; 2 – парогазовый канал; 3 – электронный луч; 4 – заготовки; 5 – фронт расплавленного металла; 6 – основной объем расплавленного металла. Особенности ЭЛС заключающиюся в следующем: Из-за наличия зазора между свариваемыми заготовками, частичного испарения и выброса материала заготовок наблюдается занижение уровня сварного шва. 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. Перед сваркой необходимо провести специальную разделку поверхностей стыка заготовок, которая обеспечит оптимальные условия формирования сварного шва и повысит точность сварки. Для защиты поверхностей свариваемых заготовок от брызг расплавленного металла необходимо использовать экраны. Обычно ЭЛС производится в вакуумных камерах при давлении 10…3Па. Вакуум обеспечивает беспрепятственное перемещение электронов и защиту от окисления катодной нити и зоны сварки. 368 Высокая концентрация энергии в сфокусированном луче (до (5…7,5)10 4 Вт/мм 2 ) реализует кинжальное плавление материала заготовок (отношением глубины шва к его ширине до 1: 30) с узкой з.т.в. ЭЛС позволяет сваривать большинство токопроводящих материалов (легированные и высоколегированные стали; титановые, вольфрамовые, танталовые, ниобиевые, циркониевые, молибденовые и никелевые сплавы; некоторые керамики). 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). Лазерная сварка Лазерная сварка – сварка плавлением, при которой для нагрева используется энергия излучения лазера. Лазерный луч представляет собой вынужденное монохроматическое излучение. 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 устойчивом энергетическом состоянии. Если атому дать дополнительную энергию («накачка» или «возбуждение» атома), он выйдет из равновесного состояния. Излучение возникает в результате вынужденных скачкообразных переходов атомов рабочего тела лазера на более низкие орбиты. При этом возбужденный атом стремится вернуться в устойчивое энергетическое состояние и отдает квант энергии в виде фотона. Испускание света можно инициировать воздействием внешнего фотона, обладающего энергией, соответствующей разнице энергий атома в возбужденном и нормальном состоянии. В результате, генерируются два фотона с одинаковой частотой. Одновременно протекает и обратный переход. Поэтому, для получения заметной генерации вынужденного излучения необходимо добиться превалирования переходов с возникновением новых фотонов. Этого можно 369 добиться воздействием различных источников энергии: световой (оптический квантовый генератор – лазер), тлеющий или электрический разряд; химическая реакция и так далее). Схема лазерной сварки приведена на рис. 14.17. При плотностях тока ≈ 10 4 Вт/мм 2 в пятне нагрева начинается локальное испарение металла. В расплавленном металле 2 образуется полость 3. Давление паров испаряющегося металла заготовок 1 не дает полости захлопнуться под действием гидростатических сил расплава. При соответствующей скорости перемещения (V св ) лазерного луча 4 образовавшаяся полость приобретает динамическую устойчивость и движется 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 луча, полость заполняется жидким металлом и образуется узкий сварной шов 5, глубина которого значительно больше его ширины. Рис. 14.17. Схема лазерной сварки: 1 – заготовки; 2 – расплавленный металл; 3 – полость; 4 – лазерный луч; 5 - сварной шов; V св - скорость перемещения лазерного луча. Сварку малых толщин осуществляют в непрерывном режиме (шовная сварка) или в импульсном режиме (шовная или точечная сварка) с концентрацией энергии в одной точке (острая фокусировка излучения). При плотности мощности в зоне сварки 10 3 …10 4 Вт/мм 2 происходит только плавление металла без существенного его испарения. Сварку с глубоким проплавлением можно осуществлять при плотностях мощности излучения более 10 5 Вт/мм 2 Лазерную сварку ведут с использованием вспомогательного газа (гелия или аргона), подаваемого в зону сварки через сопло под давлением. Если не 370 использовать вспомогательный газ, то над зоной сварки образуется стационарное облако ионизированных паров испаренного металла, которой закроет поверхности заготовок от прямого действия луча. Кроме того, продувка вспомогательным газом защищает оптическую систему фокусировки от паров и брызг металла, а металл заготовок от окисления. Лазерная сварка позволяет: соединять разнородные металлы при толщине 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 готового изделия. Легко автоматизировать процесс сварки. Сваривать конструкции, которые невозможно было соединять обычными способами сварки. Управление лучом с помощью системы специальных зеркал позволяет сваривать труднодоступные места и получать криволинейные сварные швы. Лазерную сварку малых толщин применяют в электронной и радиотехнической промышленности для сварки проводов, элементов микросхем, при ремонте вакуумных приборов и т.д. лазерную сварку с глубоким проплавлением применяют при производстве корпусных деталей, валов (в том числе карданных), осей, для сварки труб, арматурных конструкций и т.д. Лазерная резка применяется для резки заготовок со сложным контуром из листовых материалов, при обработке трехмерных конструкций (резка труб, профилей …), точного раскроя листового материала (стальных листов толщиной до 25 мм), разрезания нетеплопроводных или хрупких материалов (керамик). Сфокусированным лазерным лучом можно разрезать практически любые материалы. Лазерная резка позволяет получать узкий и точный рез с минимальной з.т.в. Отсутствие механического воздействия на материал позволяет разрезать легкодеформируемые и нежесткие заготовки. 371 14.5. МЕХАНИЧЕСКИЕ ВИДЫ СВАРКИ К механическим видам сварки относятся: холодная и ультразвуковая сварка; сварка трением; сварка взрывом. Холодная сварка Холодная сварка – сварка давлением при значительной пластической деформации без нагрева свариваемых частей внешними источниками тепла. Холодной сваркой можно соединять только весьма пластичные металлы (алюминий и его сплавы, медь, свинец, олово …). Холодная сварка подразделяется на: точечную, шовную и стыковую Точечной сваркой соединяют внахлестку листовые материалы. Подготовленные к сварке заготовки 1 ( рис. 14.18, а) устанавливают между соосно расположенными пуансонами 2. Под воздействием усилия осадки, пуансоны вдавливаются в металл заготовок, обеспечивая необходимую для сварки пластическую деформацию. Полученный сварной шов представляет собой дискретную последовательность сварных точек. Шовной сваркой соединяют листовые материалы непрерывным швом. При односторонней сварке ( рис. 14.18, б) заготовки поддерживаются опорным роликом 3. деформирование заготовок производится роликом – пуансоном 4. При двухсторонней сварке ролики - пуансоны размещены по обеим сторонам заготовок. Стыковой сваркой соединяют стержни по поверхности стыкуемых торцов. Свариваемые стержни ( рис. 14.18, в) зажимают в захватах 5. Затем, захваты перемещают навстречу друг другу. Сварочный стык получается с утолщением 6. Рис. 14.18. Схемы холодной сварки: а - точечная сварка; б – шовная сварка; в – стыковая сварка; 1 – заготовка; 2 – пуансон; 3 – опорный ролик; 4 372 – ролик – пуансон; 5 – захват; 6 – утолщение; Р – усилие осадки. Холодная сварка применяется: В автотракторной промышленности для: изготовления радиаторных трубок, карбюраторных поплавков и поплавков датчиков уровня топлива; изготовления медных и алюминиевых уплотнительных колец гидравлического оборудования, обрамляющих колец – окантовок приборных шкал, высоковольтных проводов, контактных групп реле; герметизации корпусов электрических приборов и т.д. В электротехнической и радиоэлектронной промышленности для: соединения медных и алюминиевых проводников, изготовления ребристых охладителей силовых полупроводниковых приборов, армирования медью алюминиевых токопроводящих элементов, герметизации корпусов радиоэлектронных изделий и т.д. В пищевой промышленности для: изготовления и герметизации алюминиевых емкостей. Ультразвуковая сварка Ультразвуковая сварка - сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний. Сущность процесса ультразвуковой сварки (УЗС) состоит в приложении высокочастотных колебаний (16…20 КГц) к свариваемым заготовкам. В заготовках возникают касательные напряжения, вызывающие пластическую деформацию материала свариваемых поверхностей. В месте соединения развивается повышенная температура (0,4…0,6 от температуры плавления металла.), зависящая от свойств свариваемых материалов. Эта температура способствует возникновению пластического состояния свариваемых материалов и их соединению. В месте сварки образуются совместные кристаллы, обеспечивающие прочность сварного соединения. Одновременно, под действием ультразвука разрушаются окисные пленки на поверхностях заготовок, что облегчает получение соединения. 373 УЗС характеризуется следующими технологическими свойствами: возможностью соединения металлов без снятия поверхностных пленок и расплавления, особенно хорошей свариваемостью чистого и сверхчистого алюминия, меди, серебра; возможностью соединения тончайшей металлической фольги со стеклом и керамикой. Ультразвуком сваривается большинство известных термопластичных полимеров. Для ряда полимеров УЗС является единственно возможным надежным способом соединения. При УЗС в принципе нет ограничений по нижнему пределу свариваемых толщин различных металлов. Возможно также соединение с существенным перепадом толщин и свойств свариваемых металлов (металл - стекло; отношение толщин 1/1000 и больше). Для УЗС также характерны: малая энергоемкость; возможность питания нескольких сварочных головок от одного генератора и возможность выноса их на значительное расстояние; простота автоматизации процесса работы колебательной системы; гигиеничность процесса. Технологическое оборудование для ультразвуковой сварки, независимо от физико-механических свойств свариваемых материалов имеет одну структуру и состоит из следующих узлов: источника питания, аппаратуры управления сварочным циклом, механической колебательной системы и привода давления. Важнейшим узлом, составляющим основу и специфику оборудования и технологии ультразвуковой сварки металлов и пластмасс, является механическая колебательная система. Эта система служит для преобразования электрической энергии в механическую, передачи этой энергии в зону сварки, согласования сопротивления нагрузки с внутренним сопротивлением системы и геометрических размеров зоны ввода энергии с размерами излучателя, концентрирования энергии и получения необходимой величины колебательной скорости излучателя. Типовая колебательная система ( рис. 14.19) состоит из электромеханического преобразователя 1, волноводного звена - трансформатора или иначе 374 концентратора колебательной скорости 2, акустической развязки системы от корпуса машины 3, излучателя ультразвука - сварочного наконечника 4 и опоры 5, на которой располагаются свариваемые заготовки 6. Рис. 14.19. Типовая схема механической колебательной системы УЗС; 1 - электромеханический преобразователь; 2 - концентратор колебательной скорости; 3 - акустическая развязка; 4 - сварочный наконечник; 5 – опора; 6 – заготовки. При вводе механических колебаний в свариваемые металлы заготовки начинают вибрировать с ультразвуковой частотой. Форма колебаний определяется геометрическими размерами изделия. В наиболее простом и распространенном случае (сварка листа прямоугольной формы) в свариваемом изделии устанавливается стоячая волна с характерным чередованием узлов и пучностей плоской волны изгибных колебаний. Уровень напряжений, возникающих в пучностях, определяется мощностью энергии, вводимой в зону сварки. УЗС применяют в приборостроении, радиоэлектронике, авиационной промышленности. Сварка трением Сварка трением – сварка с применением давления, при которой нагрев осуществляется трением, вызванным относительным перемещением свариваемых частей или инструмента. Простейшая и наиболее распространенная схема сварки приведена на рис. 14.20. Две детали, подлежащие сварке, устанавливают соосно в зажимах машины; одна из них - неподвижна, а другая приводится во вращение вокруг их общей оси. На сопряженных торцовых поверхностях деталей, прижатых одна к другой 375 осевым усилием «Р», возникают силы трения. Работа, затрачиваемая при относительном вращении свариваемых заготовок на преодоление этих сил трения, преобразуется в тепло, которое выделяется на поверхностях трения и нагревает прилегающие к ним тонкие слои металла до температур, необходимых для образования сварного соединения (при сварке, черных металлов температуры в стыке достигают 1000…1300° С). Таким образом, в стыке, действует внутренний источник тепловой энергии, вызывающий быстрый локальный нагрев небольших объемов металла. В процессе трения пластичный металл стыка выдавливается в радиальном направлении под воздействием осевого усилия и тангенциальных сил, возникающих в стыке при вращении одной детали относительно другой. Выдавленный металл «грат» - имеет характерную для сварки трением форму сдвоенного правильного кольца, расположенного по обе стороны плоскости стыка. При выдавливании пластичного металла, хрупкие окисные пленки, покрывавшие торцовые поверхности соединяемых заготовок до начала сварки, разрушаются, а их обломки, а также продукты сгорания адсорбированных жировых пленок и другие инородные включения вместе с металлом удаляются из стыка в грат. Нагрев прекращается путем быстрого (практически мгновенного) прекращения относительного вращения. При этом в контакт оказываются введенными очищенные торцовые поверхности соединяемых деталей, металл которых доведен до состояния повышенной пластичности. Для получения прочного соединения достаточно такой, подготовленный к сварке металл, подвергнуть сильному сжатию - проковать. Это достигается с помощью продолжающего еще некоторое время действовать осевого усилия. Таким образом, прочность образующегося сварного соединения непосредственно связана с величиной пластического деформирования торцов свариваемых деталей и с режимом проковки. Рис. 14.20. Схема сварки трением: Р – осевое усилие. 376 Технологическими достоинствами сварки трением являются: o Высокая производительность. Объем тонкого слоя нагреваемого металла настолько незначителен, что весь цикл его нагрева обычно укладывается в промежуток времени от нескольких секунд до 0,5 мин (в зависимости от свойств материала и размеров сечения свариваемых деталей). o Высокие энергетические показатели процесса.Локальное генерирование тепла и малые объемы нагреваемого при сварке трением металла обусловливают высокий к.п.д. процесса; расход энергии и мощности в 5…10 раз меньше чем, например, при электрической контактной сварке встык. o Высокое качество сварного соединения.При правильно выбранном режиме сварки металл стыка и прилегающих к нему зон обладает прочностью и пластичностью, не меньшими, чем основной металл соединяемых деталей; стык свободен от пор, раковин, различного рода инородных включений и других макропороков, а металл стыка и з.т.в. в результате ударного термомеханического воздействия (быстрые нагрев и охлаждение в присутствии больших давлений), по своему характеру близкого к режимам термомеханической обработки металлов, приобретает сильно измельченную структуру. o Независимость качества сварных соединений от чистоты их поверхности.При сварке трением нет необходимости в зачистке перед началом процесса вводимых в контакт поверхностей; в отличие, например, от контактной сварки боковые поверхности деталей также могут оставаться неочищенными, что в значительной мере экономит время вспомогательных операций. o Возможность сварки металлов и сплавов в различных сочетаниях. Процесс сварки трением позволяет выполнять прочные соединения не только одноименных, но и разноименных металлов и сплавов, причем даже таких, 377 которые другими способами сварки либо вовсе не получаются, либо их получение сопряжено с большими трудностями (например, сочетания алюминий - сталь, медь - сталь, титан - алюминий, медь – алюминий). o Простота механизации и автоматизации. Сварку трением выполняют на специальных машинах; основные параметры процесса легко программируются, и, как правило, все оборудование представляет собой либо полуавтоматы с минимальным использованием ручного труда, либо автоматы. К недостаткам сварки трением можно отнести: Искривление волокон текстуры проката в зоне пластического деформирования. Волокна близ стыка располагаются в радиальных направлениях и выходят на наружную (боковую) поверхность сваренной детали. В деталях, работающих в условиях динамических нагрузок, стык с таким расположением волокон может оказаться очагом усталостного разрушения, а в деталях, работающих в агрессивных средах - очагом коррозии. Лучшим средством предотвращения указанных дефектов является сохранение на детали грата. Сварка трением широко применяется при изготовлении: в автомобилестроении - деталей рулевого управления, карданных валов легковых и грузовых автомобилей, полуосей, картеров задних мостов автомобилей, клапанов двигателей внутреннего сгорания, цилиндров гидравлических систем и др.; в тракторостроении - деталей рулевого управления, планетарных передач, валов отбора мощности, катков, траков, роторов турбо нагнетателей дизельного двигателя и др.; в электропромышленности - деталей высоковольтной аппаратуры, выводов бумаго-масляных конденсаторов, кислотных аккумуляторов и анодов игнитронов, поршней пневматических цилиндров сварочных машин и др.; в инструментальном производстве - при массовом изготовлении концевого режущего инструмента (фрезы, сверла, метчики). |