Виды и технологии сварки

Электронно-лучевая сварка

Сущность процесса состоит в использовании кинетической энергии потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме. Для уменьшения потери кинетической энергии электронов за счет соударения с молекулами газов воздуха, а также для химической и тепловой защиты катода в электронной пушке создают вакуум порядка 10-4... 10-6 мм рт. ст.

Техника сварки

При сварке электронным лучом проплавление имеет форму конуса (рисунок 1). Плавление металла происходит на передней стенке кратера, а расплавляемый металл перемещается по боковым стенкам к задней стенке, где он и кристаллизуется.

1 - электронный луч; 2 - передняя стенка кратера;

3 - зона кристаллизации; 4 - путь движения жидкого металла

Рисунок 1. Схема переноса жидкого металла при электронно-лучевой сварке

Проплавление при электронно-лучевой сварке обусловлено в основном давлением потока электронов, характером выделения теплоты в объеме твердого металла и реактивным давлением испаряющегося металла, вторичных и тепловых электронов и излучением. Возможна сварка непрерывным электронным лучом. Однако при сварке легкоиспаряющихся металлов (алюминия, магния и др.) эффективность электронного потока и количество выделяющейся в изделии теплоты уменьшаются вследствие потери энергии на ионизацию паров металлов. В этом случае целесообразно сварку вести импульсным электронным лучом с большой плотностью энергии и частотой импульсов 100 ... 500 Гц. В результате повышается глубина проплавления. При правильной установке соотношения времени паузы и импульса можно сваривать очень тонкие листы. Благодаря теплоотводу во время пауз уменьшается протяженность зоны термического влияния. Однако при этом возможно образование подрезов, которые могут быть устранены сваркой колеблющимся или расфокусированным лучом.

Основные параметры режима электронно-лучевой сварки:

сила тока в луче;

ускоряющее напряжение;

скорость перемещения луча по поверхности изделия;

продолжительность импульсов и пауз;

точность фокусировки луча;

степень вакуумизации.

Основные типы сварных соединений, рекомендуемые для электронно-лучевой сварки, приведены на рисунке 2. Перед сваркой требуется точная сборка деталей (при толщине металла до 5 мм зазор не более 0,07 мм, при толщине до 20 мм зазор до 0,1 мм) и точное направление луча по оси стыка (отклонение не больше 0,2 ... 0,3 мм).

а - стыковое (может быть с бортиком для получения выпуклости шва ); б - замковое; в - стыковое деталей разной толщины; г - угловые; д и е - стыковые при сварке шестерен; ж - стыковые с отбортовкой кромок

Рисунок 2. Типы сварных соединений при сварке электронным лучем

Сварка электронным лучом имеет значительные преимущества:

Высокая концентрация ввода теплоты в изделие, которая выделяется не только на поверхности изделия, но и на некоторой глубине в объеме основного металла. Фокусировкой электронного луча можно получить пятно нагрева диаметром 0,0002 ... 5 мм, что позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. В результате можно получить швы, в которых соотношение глубины провара к ширине до 20:1 и более. Появляется возможность сварки тугоплавких металлов (вольфрама, тантала и др.), керамики и т.д. Уменьшение протяженности зоны термического влияния снижает вероятность рекристаллизации основного металла в этой зоне.

Малое количество вводимой теплоты. Как правило, для получения равной глубины проплавления при электронно-лучевой сварке требуется вводить теплоты в 4 ... 5 раз меньше, чем при дуговой. В результате рез ко снижаются коробления изделия.

Отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла газами. Наоборот, в целом ряде случаев наблюдается дегазация металла шва и повышение его пластических свойств. В результате достигается высокое качество сварных соединений на химически активных металлах и сплавах, таких как ниобий, цирконий, титан, молибден и др. Хорошее качество электронно-лучевой сварки достигается также на низкоуглеродистых, коррозионно-стойких сталях, меди и медных, никелевых, алюминиевых сплавах.

Недостатки электронно-лучевой сварки:

Возможность образования несплавлений и полостей в корне шва на металлах с большой теплопроводностью и швах с большим отношением глубины к ширине;

Для создания вакуума в рабочей камере после загрузки изделий требуется длительное время.

Лазерная сварка. Сущность и основные преимущества сварки лазерным лучом

При облучении поверхности тела светом энергия квантов (порций) света поглощается этой поверхностью. Образуется теплота, температура поверхности повышается. Если световую энергию сконцентрировать на малом участке поверхности, можно получить высокую температуру. На этом основана сварка световым лучом оптического квантового генератора - лазера.

Основные элементы лазера - это генератор накачки и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры.

При работе в импульсном режиме существенный недостаток твердотельного лазера - низкий КПД (0,01...2,0 %). Более высокую мощность и больший КПД обеспечивают лазеры, работающие в непрерывном режиме, например твердотельный лазер на алюмоит-триевом гранате, активированном атомами неодима (приблизительно 1 %). Еще более высокий КПД и мощность у газовых лазеров. В качестве активной среды в них применяют чаще всего СО2 или смесь газов, генераторами накачки могут служить искровые разрядники или электронный луч.

Типичная конструкция газового лазера - это заполненная газом трубка, ограниченная с двух сторон строго параллельными зеркалами: непрозрачным и полупрозрачным (рис. 2). В результате электрического разряда между введенными в трубку электродами возникают быстрые электроны, которые возбуждают газовые молекулы. Возвращаясь в стабильное состояние, эти молекулы образуют кванты света так же, как и в твердотельном лазере. Газовые лазеры могут работать в непрерывном режиме. Для сварки используют твердотельные и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия.

Рис. 2. Схема газового лазера:

1 - разрядная трубка; 2 - непрозрачное зеркало; 3 - источник питания; 4 - вакуумный насос; 5 - полупрозрачное зеркало

Лазерную сварку производят на воздухе или в среде защитных газов: аргона, СО2. Вакуум, как при электронно-лучевой сварке, здесь не нужен, поэтому лазерным лучом можно сваривать крупногабаритные конструкции. Лазерный луч легко управляется и регулируется, с помощью зеркальных оптических систем легко транспортируется и направляется в труднодоступные для других способов места. В отличие от электронного луча и электрической дуги на него не влияют магнитные поля, что обеспечивает стабильное формирование шва. Лазерная сварка вилки с карданным валом автомобиля по сравнению с дуговой сваркой увеличивает срок службы карданной передачи в три раза, потому что более чем вдвое уменьшается площадь сечения сварного шва, в несколько раз -время сварки. Деформации вилки, вызывающие преждевременный износ, практически отсутствуют.

Основные энергетические характеристики процесса лазерной сварки - это плотность Е мощности лазерного излучения и длительность t его действия. При непрерывном излучении t определяется продолжительностью времени экспонирования, а при импульсном - длительностью импульса. Превышение верхнего предела Е вызывает интенсивное объемное кипение и испарение металла, приводящее к выбросам металла и дефектам шва. На практике лазерную сварку ведут при Е=106...107 Вт/см2. При Е < 105 Вт/см2 лазерное излучение теряет свое основное достоинство - высокую концентрацию энергии. Изменение Е и t позволяет сваривать лазерным лучом различные конструкционные материалы с толщиной от нескольких микрометров до десятков миллиметров.

Скорость лазерной сварки непрерывным излучением в несколько раз превышает скорости традиционных способов сварки плавлением. Например, стальной лист толщиной 20 мм электрической дугой сваривают со скоростью 15 м/ч за 5...8 проходов, ширина шва получается 20 мм. Непрерывным лазерным лучом этот лист сваривается со скоростью 100 м/ч за 1 проход, получают ширину шва 5 мм. Однако лазерная сварка импульсным излучением по скорости сопоставима с традиционными способами сварки.

Технологические особенности процесса лазерной сварки

Лазерную сварку можно производить со сквозным и с частичным проплавлением. Сварные швы одинаково хорошо формируются в любом пространственном положении. При толщине свариваемых кромок менее 0,1 мм и при сварке больших толщин с глубоким проплавлением по-разному происходит формирование шва и различны подходы к выбору параметров режима сварки. При сварке как непрерывным, так и импульсным излучением малых толщин используют более мягкие режимы, обеспечивающие лишь расплавление металла в стыке деталей без перегрева его до температуры интенсивного испарения. Сварку сталей и других относительно малоактивных металлов можно в этом случае выполнять без дополнительной защиты зоны нагрева, что существенно упрощает технологию, тогда как сварку с глубоким проплавлением ведут с защитой шва газом, состав которого подбирают в зависимости от свариваемого материала.

Основные параметры режима импульсной лазерной сварки - это энергия и длительность импульсов, диаметр сфокусированного излучения, частота следования импульсов, положение фокального пятна относительно поверхности свариваемых деталей. Длительность лазерного импульса должна соответствовать тепловой постоянной времени для данного материала, приближенно определяемой по формуле:

ф = д2/(4б),

где д и б - соответственно толщина и коэффициент температуропроводности свариваемого материала.

Значения ф для тонких деталей (д = 0,1...0,2 мм) составляют несколько миллисекунд. Соответственно длительность импульса нужно выбирать, например, для меди 0,0001...0,0005 с, для алюминия 0,0005...0,002 с, для сталей 0,005...0,008 с. При увеличении д более 1,0 мм ф возрастает и может значительно превосходить достижимую длительность лазерных импульсов. Поэтому лазерная сварка металлов толщиной более 1,0 мм импульсным излучением затруднена.

Наиболее распространена лазерная сварка импульсным излучением в электронной и электротехнической промышленности, где сваривают угловые, нахлесточные и стыковые соединения тонкостенных деталей. Хорошее качество соединений обеспечивается сваркой лазерным лучом тонких деталей (0,05...0,5 мм) с массивными.

Наиболее часто встречающиеся дефекты при лазерной сварке больших толщин - это неравномерность проплавления корня шва и наличие полостей в шве. Для снижения вероятности образования пиков проплавления при сварке с несквозным проплавлением рекомендуют повышать скорость сварки и отклонять лазерный луч от вертикали на 15... 17° по направлению движения луча. При сварке со сквозным проплавлением неравномерность проплава устраняют, применяя остающиеся или удаляемые подкладки.

Повысить эффективность процесса лазерной сварки можно, увеличивая проплавляющую способность луча. Перспективно применение для этого импульсных режимов сварки. При частоте импульсов 0,4... 1 кГц и при длительности импульсов 20...50 мс глубина проплавления может быть увеличена в 3...4 раза по сравнению с непрерывным режимом. При импульсном режиме КПД луча в 2...3 раза выше, чем при непрерывном. Однако импульсная сварка требует очень точной наводки луча на стык, более высокого качества подготовки кромок к сварке, а ее скорость в несколько раз уступает скорости сварки с непрерывным излучением.

Широкое применение лазерной сварки сдерживается экономическими соображениями. Стоимость технологических лазеров пока еще высока, что требует тщательного выбора области применения лазерной сварки. Однако, если применение традиционных способов не дает желаемых результатов либо технически неосуществимо, можно рекомендовать лазерную сварку. К таким случаям относится необходимость получения прецизионной (высокоточной) конструкции, форма и размеры которой не должны меняться в результате сварки. Лазерная сварка целесообразна, когда она позволяет значительно упростить технологию изготовления сварных изделий, выполняя сварку как заключительную операцию, без последующей правки или механической обработки. Экономически эффективна лазерная сварка, когда необходимо существенно повысить производительность, поскольку скорость ее может быть в несколько раз больше, чем у традиционных способов.

При изготовлении крупногабаритных конструкций малой жесткости или с труднодоступными швами, а также при необходимости соединения трудно свариваемых, в том числе разнородных материалов, лазерная сварка может оказаться единственным процессом, обеспечивающим качественные сварные соединения.

Плазменная сварка

Плазменная дуга характеризуется весьма высокой температурой (до 30000 0С) и широким диапазоном регулирования ее технологических свойств.

По-сравнению с аргонодуговой сваркой в связи с более высокой проплавляющей способностью плазменная сварка имеет следующие преимущества:

повышенную производительность;

меньшую зону термического влияния;

более низкие деформации при сварке;

пониженный расход защитных газов;

более высокую стабильность горения дуги;

меньшую чувствительность качества шва от изменения длины дуги (ввиду её неизменной геометрии по длине

Для получения плазменной дуги служит устройство, называемое плазмотроном. Существует два способа подключения плазмотрона для генерации дуги прямого действия (рисунок 2,а) и для генерации дуги косвенного действия, называемой плазменной струёй (рисунок 2,б).

Плазмотроны, подключаемые для генерации дуги называют плазмотронами прямого действия, а для генерации плазменной струи косвенного действия. Чаще плазмотроны косвенного действия конструктивно отличаются от плазмотронов прямого действия системой охлаждения соплового узла плазмотрона, у первых она более эффективна.

В плазмотронах прямого действия плазменная дуга возбуждается между стержневым (как правило, вольфрамовым) электродом, вмонтированным в газовую камеру, и свариваемым изделием. Сопло электрически нейтрально от электродного (катодного) узла и служит для сжатия и стабилизации дуги.

В плазмотронах косвенного действия плазменная дуга создается между электродом и соплом, а поток плазмы выдувает плазменную струю.

Рисунок 2. Схемы плазмообразования

Для плазменной сварки металлов обычно применяют плазмотроны с дугой прямого действия.

Сжатие столба дуги происходит следующим образом: рабочий газ, проходящий через столб дуги, нагревается, ионизируется и выходит из сопла плазмотрона в виде плазменной струи.

Плазменная дуга прямого действия имеет почти цилиндрическую форму, немного расширяющуюся у поверхности изделия.

Плазменная дуга косвенного действия (струя) имеет форму ярко выраженного конуса с вершиной, обращенной к изделию и окруженной факелом. Слой газа, омывающий столб дуги снаружи, остается относительно холодным, образуя тепловую и электрическую изоляцию между плазменной дугой и каналом сопла. Плотность тока дуги в плазмотронах достигает 100 А/мм2, а температура 15000 - 30000 0С.

Плазменная струя, истекающая из плазматрона с дугой прямого действия, совмещена со столбом дуги в отличие от плазматронов с дугой косвенного действия и поэтому характеризуется более высокой температурой и тепловой мощностью.

Процесс возбуждения дуги непосредственно между электродом и изделием осуществить очень трудно. В связи с этим сначала возбуждается дуга между электродом и соплом (дежурная), а затем при касании ее факела изделия происходит автоматическое зажигание основной дуги между электродом и изделием. Дежурная дуга при устойчивом процессе горения основной дуги отключается. Дежурная дуга обычно питается от того же источника, что и основная, через токоограничивающие сопротивления.

В плазмотронах с дугой прямого действия в изделие вводится дополнительное тепло за счет электронного тока и КПД их значительно выше, чем у плазмотронов с дугой косвенного действия. В связи с этим плазмотроны с дугой прямого действия целесообразно применять для сварки, резки, наплавки, а плазмотроны с дугой косвенного действия для напыления, нагрева и т.п.

Плазменная дуга может быть использована:

при сварке тонколистового материала толщиной менее 1 мм, включая тугоплавкие металлы;

при сварке металлов с неметаллами;

для наплавки и нанесения покрытий путем расплавления электронной или дополнительно подаваемой в дугу присадочной проволоки;

для пайки;

разделительной резки и поверхностной обработки различных металлов.

Комбинированная сварка

В последние годы разрабатываются процессы сварки полимеров, основанные на использовании двух и более видов энергии. Особенно эффективными оказались сочетания энергии ультразвука с другими видами энергии: тепловой, световой, трения, энергии поверхностно-активных веществ. Основное достоинство такого сочетания состоит в расширении технологических возможностей сочетающихся видов энергии, повышении качества полимерных сварных соединений и стабильности процесса. Важным является и то, что комбинированные процессы сварки проще управляются, менее чувствительны к отклонениям параметров режимов сварки и к влиянию различных побочных факторов. Эти процессы обладают также высокой универсальностью. К таким комбинированным видам сварки относятся:

1. Сварка изделий из фторопласта-4 теплом и ультразвуком.

2. Фрикционно-ультразвуковая сварка.