68. Электрошлаковая сварка
является процессом соединения Ме, при котором основной и электродный металлы расплавляются теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока через шлаковую ванну. Процесс начинается с образования шлаковой ванны 3 в пространстве между кромками основного Ме 6 и приспособлениями 7, охлаждаемыми водой, подаваемой по трубам 1, путем расплавления флюса электрической дугой, возбуждаемой между сварочной проволокой и вводной планкой 9. после накопления определенного косичества жидкого шлака дуга шунтируется шлаком и гаснет, а подача проволоки 4 и подвод тока продолжается. При прохождении тока через расплавленный шлак, являющийся электропроводящим электродом, в нем выделяется определенное кол-во теплоты, достаточное для поддержания высокой температуры шлака и расплавления кромок основного Ме и электродной проволоки. Проволока вводится в зазор, подается в шлаковую ванну с помощью мундштука 5 и служит для подвода тока и заполнения сварочной ванны 2 расплавленным Ме. Как правило электрошлаковую сварку выполняют при вертикальном положении свариваемых деталей. По мере заполнения зазора между ними мундштук для подачи проволоки и формирующие ползуны передвигаются в вертикальном направлении, оставляя после себя затвердевающий сварной шов 8.
69. Электроннолучевая сварка
электронный луч представляет собой сжатый поток электронов, перемещающихся с большой скоростью от катода к аноду в сильном электрическом поле. При соударении электронного потока с тв телом более 99% кинетической энернии электронов переходит в тепловую, расходуемую на нагрев этого тела. Температура 5000-6000°С. Электронный луч образуется за счет эмиссии электронов с нагретого в вакууме катода 1 и с помощью электростатических и электромагнитных линз 4 фокусируется на поверхности свариваемых мат-лов.
В установках для электронно-лучевой сварки электроны эмитируются на катоде 1 электронной пушки; формируются в пучек электродом 2, расположенным непосредственно за катодом; ускоряются под действием разности потенциалов между катодом и анодом 3, составляющей 20-150кВ и выше, затем фокусируются в виде луча и направляются специальной отклоняющей магнитной системой 5 на обрабатываемое изделие 6. на формирующий электрод 2 подается « - » или нулевой по отношению к катоду потенциал.
70. Лазерная сварка.
Лазерная сварка - исторически одно из самых первых применений лазеров в производстве. После появления импульсных твердотельных лазеров они почти сразу стали использоваться для микросварки в микроэлектронике. Затем, с появлением мощных СО2- лазеров, была созданы различные технологии лазерной стыковой сварки. Исследованием этих технологий интенсивно занимались и в бывшем СССР, пионером здесь была исследовательская группа Феликса Косырева (Институт Атомной физики им. И.В.Курчатова),очень плодотворно работал межотраслевой коллектив, созданный для внедрения лазерной сварки в атомном машиностроении строении (Ижорский завод и НИИЭФА им.Ефремова).В настоящее время технология лазерной сварки разработана до такой степени, что речь идет о таких масштабных проектах, как перевод судостроительных отраслей на технологию лазерной сварки. (Вы можете почитать обзор " О состоянии и перспективах применения лазерных технологий в судостроении ")
Процесс лазерной сварки основан на эффекте глубокого проплавления металла лазерным лучом и в чем-то подобен процессу электроннолучевой сварки. При воздействии на поверхность металла концентрированного лазерного изучения в результате плавления и кипения металла образуется каверна - парогазовый канал, который с точки зрения тепловой задачи является приблизительно линейным источником нагрева. Лазерная сварка, таким образом, может выполняться в стык без использования присадочных материалов и характеризуется высокой скоростью процесса. В современных технологиях иногда все же применяют присадочные материалы для управления химическим составом сварного шва и компенсации дефицита металла при наличии зазоров, вызванных неточной сборкой и подгонкой
Современные способы сварки металлов и случаи их применения.
Электродуговая сварка
При электрической дуговой сварке мест¬ный разогрев деталей, подлежащих сварке, осуществляется сва¬рочной дугой, которая вызывается путем касания электродом сва¬риваемого металла.
Контактная сварка
При контактной сварке используется теп¬ло, выделяющееся при прохождении тока большой силы через кон¬такт, образованный двумя деталями, подлежащими сварке.
Газовая сварка
При газовой сварке местный разогрев де¬талей осуществляют газовым пламенем. Направленное на свари¬ваемый металл высокотемпературное газовое пламя приводит к разогреву металла и получению жидкой сварочной ванны. Для формиро-вания шва необходимых геометрических размеров в сва¬рочное пламя вводится, как правило, присадочный металл.
Сварка трением. Сущность сварки трением заключается в том, что тепловыделение в зоне соединения деталей происхо-дит в резуль¬тате трения вращающейся детали относительно неподвижной. По¬сле разогрева стыка вращение детали мгно-венно прекращают и соединению сообщают осевое сжимаю-щее усилие.
Сварка трением применима для соединения стержней или труб встык. Она позволяет сваривать разнородные материалы.
Диффузионная сварка в вакууме. Диффузионная сварка осно¬вана на взаимной диффузии между поверхностями деталей в месте контакта в условиях безокислительного нагрева. Про-цесс ведут в вакуумной камере с разрежением 10~4 мм рт. ст.
Процесс применим для соеди¬нения однородных и разнородных черных и цветных металлов, а так¬же металлокерамических изделий с металлом.
Дуговая сварка металлов и сплавов.
Дуговая сварка постоянным и переменным то¬ком. Источни-ки питания электрической дуги. Выбор тока, на-пряжения дуги, высоты дуги.
При электрической дуговой сварке мест¬ный разогрев деталей, подлежащих сварке, осуществляется сва¬рочной дугой, которая вызывается путем касания электродом сва¬риваемого металла. При коротком замыкании ток большой силы проходит через отдельные контактные выступы. Отрыв электрода от изделия ведет к размыканию цепи, что в свою очередь приводит к образованию искры в газовом про¬межутке и зажиганию дуги. Конец электрода разогревается под действием высокой темпе-ратуры дуги и начинает плавиться. На свариваемом металле образуется ванна жидкого металла. Жидкие объемы ванны и электрода перемешиваются, кристаллизуются при остывании и образуют прочный соединительный элемент — свар¬ной шов.
Характеристика сварочной дуги. Электрическая дуга пред-став¬ляет собой длительный и мощный электрический разряд в газовом промежутке между электродом и свариваемой дета-лью.
В отличие от других разрядов в газах сварочная дуга харак¬теризуется низким напряжением (12—40 в), большой плотно-стью тока (800—3000 а/см2), высокой температурой столба дуги (6000— 8000°). На поверхностях металла, между которы-ми заключен столб дуги, температура обычно близка к темпе-ратуре кипения металла. Мощность дуги может меняться от 0,01 до 150 кВт. Высокая температура в зоне дуги ставит ее в ряд мощных тепловых источников, а широкий диапазон мощностей позволяет применять дугу для сварки металлов разных толщин от небольших деталей до тяже¬лых узлов и конструкций.
Процессы, протекающие при дуговой сварке.
Факторы, влияющие на характер пере¬носа металла.
Сварка «длинной» и «короткой» дугой.
При электрической дуговой сварке мест¬ный разогрев деталей, подлежащих сварке, осуществляется сва¬рочной дугой, которая вызывается путем касания электродом сва¬риваемого металла. При коротком замыкании ток большой силы проходит через отдельные контактные выступы. Отрыв электрода от изделия ведет к размыканию цепи, что в свою очередь приводит к образованию искры в газовом про¬межутке и зажиганию дуги. Конец электрода разогревается под действием высокой температуры дуги и начинает плавиться. На свариваемом металле образуется ванна жидкого металла. Жидкие объемы ванны и электрода перемешиваются, кристаллизуются при остывании и образуют прочный соединительный элемент — свар¬ной шов.
В общем итоге на перенос металла в дуге оказывают влияние следующие факторы: сила тяжести, сила газового дутья и сила по¬верхностного натяжения. Наиболее благоприятное положе-ние для сварки — нижнее (рис. 162, а), наиболее неблагопри-ятное — пото¬лочное (рис. 162, в). В последнем случае сила тяжести действует » в сторону, противоположную переносу металла в сварочную ванну. Промежуточным положением является вертикальное.
Источники питания электрической дуги и требова-ния к ним.
Кривые внешних характе¬ристик сва-рочной дуги и генератора.
При стационарном горении сва¬рочной дуги между напряжени-ем и силой тока устанавливается зависи¬мость, которая выра-жается статиче¬ской характеристикой дуги (вольт-амперная характеристика)(рис. 157). Она приведена для широкого диапа¬зона токов и имеет три участка: I — для токов меньше 50 а характе¬ристика падающая, напряжение уменьшается с возрас-танием тока, дуга горит неустойчиво; II — для то¬ков 50—350 а напряжение не меня¬ется с изменением тока, в этом диапазоне ведется ручная дуговая сварка; III —для токов больше 350 а характеристика возрастающая, напряжение повышается вместе с увеличением тока; этот диапазон токов используется при сварке газоэлектрической и под слоем флюса.
Источники питания сварочной дуги. Для пита-ния сварочной дуги может быть применен и постоянный, и переменный ток.
Источник питания сварочной дуги должен об-ладать определен¬ной мощностью для обеспечения устойчивого горения (работа при силе тока более 50 а), давать повышенное напряжение для зажи¬гания дуги, ограничивать ток короткого замыкания, обладать хо¬рошими динамическими свойствами.
Свариваемость сталей и ее зависимость от разных факторов.
Мощность теплового источника, используемого для сварки, расходуется на нагрев и плавление основного металла и стержня электрода (или присадочного металла). Распределение температуры в сва¬риваемом металле будет весьма сложным, так как оно определяет¬ся рядом факторов, из которых важ-нейшими являются: мощность теплового источника, приходя-щаяся на единицу нагреваемой пло¬щади в единицу времени, физические свойства свариваемого ме¬талла, скорость переме-щения источника тепла.
Взаимодействие жидкого металла с кислородом и азотом воз¬духа также не проходит бесследно. Железо образует с кисло-родом ряд окислов, из которых наиболее опасно соединение FeO, раство¬ряющееся в жидком железе. Наличие кислорода в стали снижает ее прочность и пластичность, уменьшает сопротивление коррозии, сообщает стали красноломкость. На содержание кислорода в ста¬ли влияет ряд технологических параметров- длина дуги, сила то¬ка, марка электродного покрытия и состав электродного стерж¬ня — при дуговой сварке, состав газового пламени — при газовой сварке и т. д.
Высокая температура сварочной дуги приводит к насыщению металла шва азотом воздуха. Образуя в стали нитриды железа Fe2N и Fe4N, азот увеличивает прочность, но резко снижает плас¬тичность сварного шва. Резкое снижение прочности и в особенности пластичности сварного соединения ограничивает применение сварки незащищенной дугой.
Сварочные напряжения и их зависимость от коли-чества наплавленного металла, физи¬ческих свойств, конструкции шва, способа сварки.
При сварке плавлением резко выражен местный характер на¬грева. Это является причиной возникновения термических напряже¬ний. При переходе из жидкого состояния в твердое происходит усадка металла шва, которая вызывает усадочные напряжения. Если сваривается легированная сталь, то резкая смена структур в зоне термического влияния приводит к появлению структурных напряже¬ний.
Общее напряженное состояние в процессе сварки может приве¬сти к горячим трещинам. Под действием высоких напряжений свар¬ная конструкция в процессе ее изготовления может коробиться (де¬формироваться).
После охлаждения в сварной конструкции имеются, как прави¬ло, остаточные напряжения. Они могут снизить работоспособ-ность конструкции при понижении пластичности материала в процессе эксплуатации (вибрационные нагрузки, работа при низких темпе¬ратурах, агрессивные среды). Остаточные напря-жения могут при¬вести к короблению при последующей механической обработке.
Основные меры борьбы с напряжениями: 1) предварительный подогрев подлежащих сварке деталей до 150—250°; 2) отжиг свар¬ной конструкции (для стали температура отжига 550—600°).