Электронно-лучевая сварка и наплавка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Электронно-лучевая сварка

1.1 Достоинства электронно-лучевой сварки

1.2 Недостатки электронно-лучевой сварки

1.3 Установка электронно-лучевой сварки прецизионных изделий УЭЛС-905АМ

2. Общие сведения о наплавке

2.1 Электронно-лучевая наплавка

Заключение

Список использованных источников



Введение

Сварка - один из наиболее широко распространенных технологических процессов. К сварке относятся собственно сварка, наплавка, сварко-пайка, склеивание, пайка, напыление и некоторые другие операции^[1].

С помощью сварки соединяют между собой различные металлы, их сплавы, некоторые керамические материалы, пластмассы, стекла и разнородные материалы. Основное применение находит сварка металлов и их сплавов при сооружении новых конструкций, ремонте различных изделий, машин и механизмов, создании двухслойных материалов. Сваривать можно металлы любой толщины. Прочность сварного соединения в большинстве случаев не уступает прочности целого металла.

Сварку можно выполнять на земле и под водой в любых пространственных положениях. Возможность выполнения сварки в космосе была доказана советскими летчиками-космонавтами Т. С. Шониным и В. Н. Кубасовым. На борту космического корабля «Союз-6» они впервые осуществили сварку коррозионностойкой стали и титанового сплава в условиях космического вакуума и невесомости.

Соединение при сварке достигается за счет возникновения атомно-молекулярных связей между элементарными частицами соединяемых тел. Сближению атомов мешают неровности поверхностей в местах, где намечено осуществить соединение деталей, и наличие на них загрязнений в виде окислов, органических пленок и адсорбированных газов.

В зависимости от методов, примененных для устранения причин, мешающих достижению прочного соединения, все существующие разновидности сварки (а их насчитывается около 70) можно отнести к трем основным группам:

- сварка давлением (сварка в твердом состоянии);

- сварка плавлением (сварка в жидком состоянии);

- сварка плавлением и давлением (сварка в жидко-твердом состоянии).

При сварке плавлением соединение деталей достигается путем локального расплавления металла свариваемых элементов - основного металла - по кромкам в месте их соприкосновения или основного и дополнительного металлов и смачивания твердого металла жидким. Расплавленный основной или основной и дополнительный металлы самопроизвольно (спонтанно) без приложения внешнего усилия сливаются, образуя общую так называемую сварочную ванну. По мере удаления источника нагрева происходит затвердевание - кристаллизация металла сварочной ванны и формирование шва, соединяющего детали в одно целое. Металл шва при всех видах сварки плавлением имеет литую структуру.

Для расплавления металла используют мощные источники нагрева. В зависимости от характера источника теплоты различают электрическую и химическую сварку плавлением: при электрической сварке начальным источником теплоты служит электрический ток, при химической в качестве источника теплоты используют экзотермическую реакцию горения газов (газовая сварка) или порошкообразной горючей смеси (термитная сварка).

Впервые мысль о возможности практического применения «электрических искр» для плавления металлов высказал в 1753 г. академик Российской Академии наук Г.Р. Рихман, выполнивший ряд исследований атмосферного электричества. Практической проверке такого мнения способствовало создание итальянским ученым А. Вольта гальванического элемента (вольтова столба). В 1802 г. профессор Санкт-Петербургской военно-хирургической академии В. В. Петров, используя мощный гальванический элемент, открыл явление электрической дуги. Он также указал возможные области ее практического применения. Независимо от В. В. Петрова, но несколько позже (1809 г.), электрическую дугу получил английский физик Г. Деви.

Для практического осуществления электрической сварки металлов потребовались многие годы совместных усилий физиков и техников, направленных на создание электрических генераторов. Важную роль сыграли открытия и изобретения в области магнетизма и электричества.

Первые электромагнитные генераторы были созданы в 70-х годах XIX в. До этого имели место лишь отдельные попытки осуществления электрической сварки металлов с помощью гальванических элементов. Так, в 1849 г. американец К. Стэт получил английский патент на соединение металлов с помощью электричества. Однако этот патент не был реализован на практике. Глубокая разработка вопросов электрической сварки металлов началась позже.

В 1882 г. русский изобретатель Н.Н. Бенардос предложил способ прочного соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока. Он практически осуществил способы сварки и резки металлов электрической дугой угольным электродом. Ему также принадлежит много других важных изобретений в области сварки (спирально-шовные трубы, порошковая проволока и др.)- Электрическая дуговая сварка получила дальнейшее развитие в работах Н.Г. Славянова. Вспособе Н.Г. Славянова (1888 г.) в отличие от способа Н.Н. Бенардоса металлический стержень одновременно является и электродом, и присадочным металлом. Н.Г. Славянов разработал технологические и металлургические основы электродуговой сварки. Он применил флюс для защиты металла сварочной ванны от воздуха, предложил способы наплавки и горячей сварки чугуна, организовал первый в мире электросварочный цех. Н.Н. Бенардос и Н.Г. Славянов положили начало автоматизации сварочных процессов, создав первые устройства для механизированной подачи электрода в дугу.

Дальнейшее развитие электрической дуговой сварки несколько замедлилось в связи с конкуренцией газовой сварки кислородно-ацетиленовым пламенем. В начале XX в. этот способ обеспечивал более высокое качество сварных швов, чем дуговая сварка голым электродом.

Положение изменилось, когда в 1907 г. шведский инженер О. Кьельберг применил металлические электроды с нанесенным на их поверхность покрытием. Это покрытие предохраняло металл шва от вредного воздействия воздуха (окисления и азотирования) и стабилизировало горение дуги. Применение покрытых электродов обеспечило резкое повышение качества сварных соединений. Ручная электродуговая сварка плавящимся электродом начала широко применяться на заводах США, Англии, Австро-Венгрии и других стран.

Отсталая промышленность дореволюционной России так и не смогла в должном объеме использовать дуговую сварку. Промышленное применение этого вида сварки в нашей стране началось только после победы Великой Октябрьской социалистической революции. Уже в начале 20-х годов под руководством В. П. Вологдина были изготовлены сварные котлы, а несколько позже - суда и другие ответственные конструкции. В конце первой четверти XX в. ручная дуговая сварка плавящимся электродом стала основным способом сварки в нашей стране и во всем мире.

Все время, развиваясь и совершенствуясь, ручная дуговая сварка не утратила своего ведущего положения и в настоящее время.

Освоена сварка специальных сталей, цветных и легких металлов и других материалов, и для этих условий достигнута равнопрочность сварного соединения с основным металлом.

Наряду с внедрением и совершенствованием ручной дуговой сварки во всех странах проведены работы по изысканию новых способов защиты зоны дуги от окружающего воздуха и по механизации основных сварочных операций. Уже в начале 20-х годов в различных странах были созданы специальные механизмы - автоматы для сварки и наплавки плавящимся электродом с наносимыми на их поверхность или вводимыми внутрь стержня специальными веществами или же с окружающей дугу газовой защитой.

Однако эти автоматы не получили промышленного применения, так как обеспечивали лишь небольшое повышение производительности труда по сравнению с ручной сваркой.

Новый этап в развитии механизированной дуговой сварки в нашей стране начался в конце 30-х годов, когда на основе идей, выдвинутых еще Н. Г. Славяновым, коллективом Института электросварки АН УССР под руководством академика АН УССР Евгения Оскаровича Патона был разработан новый способ сварки, получивший название - автоматическая сварка под флюсом. В середине 40-х годов сварка под флюсом была применена и для полуавтоматического процесса.

Сварка под флюсом за счет увеличения мощности сварочной дуги и надежной изоляции плавильного пространства от окружающего воздуха позволяет резко повысить производительность процесса, обеспечить стабильность качества сварного соединения, улучшить условия труда и получить значительную экономию материалов, электроэнергии и средств.

Высокое качество сварного соединения и равнопрочность его с основным металлом предопределяют применение сварки под флюсом при изготовлении конструкций и аппаратуры, работающих в условиях глубокого холода, высоких температур, сверхвысоких давлений, агрессивных жидких и газовых сред и нейтронного излучения. Способ используют для соединения большинства находящих промышленное применение металлов и сплавов.

Особенно широко сварка под флюсом применяется в Советском Союзе, который по техническому уровню развития и по глубине научной разработки основ этого способа сварки занимает ведущее положение. Возможности автоматической сварки под флюсом еще далеко не исчерпаны, и можно ожидать дальнейшего ее развития и совершенствования.

Способ сварки под флюсом за рубежом впервые появился в США (фирма Линде). Пути развития этого способа в зарубежных странах несколько отличались от отечественных. Различие в основном заключалось в конструкциях сварочных установок и в применяемых сварочных материалах.

В конце 40-х годов получил промышленное применение способ дуговой сварки в защитных газах. Газ для защиты зоны сварки впервые использовал американский ученый А. Александер еще в 1928 г. Однако в те годы этот способ сварки не нашел серьезного промышленного применения из-за сложности получения защитных газов. Положение изменилось после того как для защиты были использованы пригодные для массового применения газы (гелий и аргон в США, углекислый газ в СССР) и различные смеси газов.

Сварку неплавящимся (угольным) электродом в углекислом газе впервые осуществил Н. Г. Остапенко. Затем усилиями коллективов ЦНИИТМАШа, Института электросварки им. Е. О. Патона и ряда промышленных предприятий был разработан способ дуговой сварки в углекислом газе плавящимся электродом.

Использование дешевых защитных газов, улучшение качества сварки и повышение производительности процесса обеспечили широкое применение этого способа главным образом при полуавтоматической сварке различных конструкций. Объем применения полуавтоматической сварки в защитных газах из года в год возрастает. Ее широко используют вместо ручной сварки покрытыми электродами и полуавтоматической сварки под флюсом. Для полуавтоматической сварки находят применение также порошковая и активированная проволоки, не требующие дополнительной защиты. Интенсивные работы ведутся по исследованию и промышленному применению разновидности дугового процесса, так называемой сварки сжатой (плазменной) дугой.

Серьезным достижением отечественной сварочной техники явилась разработка в 1949 г. принципиально нового вида электрической сварки плавлением, получившего название электрошлаковой сварки. Электрошлаковая сварка разработана сотрудниками Института электросварки им. Е. О Патона в содружестве с работниками заводов тяжелого машиностроения. Разработка этого вида сварки позволила успешно решить весьма важные для дальнейшего развития промышленности вопросы качественной и производительной сварки металла практически неограниченной толщины и механизации сварки вертикальных швов.

На основе электрошлакового процесса в Советском Союзе создан новый способ рафинирования металла, получивший название электрошлакового переплава.

Развитие сварочной техники неразрывно связано с изысканием новых источников теплоты для плавления металла. Одним из таких источников является концентрированный поток электронов в вакууме, на основе которого в конце 50-х годов французскими учеными был создан новый вид сварки, получивший название электроннолучевого процесса. Электроннолучевая сварка находит достаточно широкое практическое применение при соединении тугоплавких химических активных металлов и сплавов и ряда специальных сталей.

В последнее десятилетие для сварки начали применять оптические квантовые генераторы - лазеры. В ближайшие годы можно ожидать дальнейших серьезных успехов в развитии и промышленном применении лучевых сварочных процессов.

Электрическая сварка плавлением достигла высокого уровня развития и стала ведущим технологическим процессом, позволяющим создавать рациональные конструкции для всех без исключения отраслей промышленности из любых практически применяющихся металлов и сплавов различной толщины. Технология электрической сварки плавлением строится на серьезной научной основе, использующей и обобщающей огромный опыт ученых, работников производства и научных коллективов - представителей различных стран и различных научных школ и направлений.

Большой вклад в развитие научных основ технологии электрической сварки металлов и сплавов плавлением внесли советские ученые в области сварки. К ним принадлежат созданный Е. О. Патоном коллектив Института электросварки им. Е. О. Патона, коллективы: МВТУ им. Н. Э. Баумана, ИМЕТа им. А. А. Байкова, ЦНИИТМАШа, ВНИИАВТОГЕНМАШа, ленинградская школа сварщиков, а также многочисленные кафедры сварки технических вузов страны.



1. Электронно-лучевая сварка

лучевой плавка сварка прецизионный

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) явилась одним из перспективных и быстро развивающихся способов соединения различных металлов, в первую очередь тугоплавких, химически активных и разнородных, качественных сталей, высокопрочных сплавов на основе алюминия и титана.

Электронно-лучевая сварка основана на использовании тепла, которое выделяется при торможении остросфокусированного потока электронов, ускоренных до высоких энергий. Явление термического воздействия электронных пучков на твердые материалы было известно давно. В частности, это явление было отмечено в докладе В. Гроува, прочитанного в Лондонском Королевском обществе в апреле 1852 г.

Однако только благодаря развитию вакуумной техники и электронной оптики этот источник нагрева получил широкое применение сначала в сварочной, а затем в металлургической технике. Толчком, послужившим поиску новых способов соединения материалов, явились трудности сварки таких металлов, как молибден, тантал, ниобий, вольфрам, цирконий, которые обнаружились в середине 60-х гг. прошлого века. Эти металлы составляют группу трудносвариваемых, так как обладают высокой температурой плавления и химической активностью. Это предполагает использование высококонцентрированных источников тепла и серьезной защиты зоны сварки.

В процессе ЭЛС в вакууме порядка 10^-4 мм рт. ст. обеспечивается практически полное отсутствие примеси вредных газов. Высокая концентрация энергии в электронном луче до 109 Вт/см² при минимальной площади пятна нагрева до 10^-7 см2 способствует уменьшению термических деформаций при сварке, незначительным структурным превращениям в зоне нагрева и обеспечивает формирование сварного шва с ярко выраженной кинжальной формой (рис.1) проплавления.

Рис. 1 Схема переноса жидкого металла при электронно-лучевой сварке: 1 - электронный луч; 2 - передняя стенка кратера; 3 - зона кристаллизации; 4 - путь движения жидкого металла

Процесс сварки реализуется в специальных установках, принципиальная схема одной из них изображена на рис. 2.

Рис. 2 Принципиальная схема установки для электронно-лучевой сварки: 1 - высоковольтный источник питания; 2 - магнитное отклоняющее устройство; 3 - телескопическое устройство для наблюдения; 4 - сварочная камера; 5 - электронная пушка; 6 - вентиль; 7 - диффузионный насос; 8 - освещение; 9 - вакуумный вентиль; 10 - роторный форвакуумный насос; 11 - пульт управления движением детали; 12 - электрический пульт управления



Разработка техники и технологии ЭЛС связана с работами французских и американских инженеров Д.А. Стора, Д. Бриолы, В.Л. Вимена, которые были опубликованы в 1957-58 гг. В эти же годы в СССР в Московском энергетическом институте под руководством Н.А. Ольшанского и Институте электросварки им. Е.О. Патона под руководством Б.А. Мовчана независимо от работ иностранных ученых также были проведены исследования по применению электронно-лучевой сварки.

При создании сварочных электронных пушек были решены многие вопросы, которые не возникали ранее в электронном приборостроении. Для сварки потребовались пучки электронов с малыми поперечными размерами, причем на значительном расстоянии от пушки и в условиях существенного рассеяния на остаточных газах и парах свариваемых металлов.

Были сведены к минимуму погрешности электронно-оптической системы. Технологические и электронно-оптические характеристики пушки с однокаскадной электростатической фокусировкой были улучшены введением в конструкцию ускоряющего электрода.

Дальнейшим шагом в развитии ЭЛС явилось применение так называемой комбинированной фокусировки, когда в электростатическом поле эмиссионной системы осуществляется предварительное формирование пучка, а окончательное - в области электромагнитной фокусирующей линзы.

Основные параметры режима электронно-лучевой сварки (таблица 1)^[3]:

- сила тока в луче;

- ускоряющее напряжение;

- скорость перемещения луча по поверхности изделия;

- продолжительность импульсов и пауз;

- точность фокусировки луча;

- степень вакуумизации.



Таблица 1 Режимы электронно-лучевой сварки

Металл	Толщина, мм	Режим сварки	Ширина шва, мм
		ускоряющее напряжение, кВ	сила тока луча, мА	скорость сварки, м/ч
Вольфрам	0,5	18...20	40...50	60	1,0
	1,0	20...22	75...80	50	1,5
Тантал	1,0	20...22	50	50	1,5
Сталь типа 18-8	1,5	18...20	50...60	60...70	2,0
	20,0	20...22	270	50	7,0
	35,0	20...22	500	20	-
Молибден + вольфрам	0,5 + 0,5	18...20	45...50	35...50	1,0

Сварку электронным лучом можно успешно применять в нижнем положении вертикальным лучом, вертикальным и горизонтальным швом на вертикальной стене (горизонтальным лучом) с неполным и сквозным проплавлением.

Сварка в нижнем положении рекомендуется для толщин до 40 (стали) и до 80 мм (титановые и алюминиевые сплавы).

Горизонтальным лучом со сквозным проплавлением сваривают металлы толщиной до 400 мм. Типичная взаимосвязь глубины проплавления с параметрами сварки представлена на рис. 5.6. Конструкция соединения для однопроходной ЭЛС выполняется с учетом глубокого проникновения луча в металл (рис. 5.7).

Толщина зазора в стыке составляет 0,1--0,2 мм при глубине шва =20ч30 мм и 0,3 мм при глубине шва >30 мм. В общем случае, зазор должен быть меньше диаметра луча.



Рис. 3 Типы конструкций стыка при ЭЛС

При ЭЛС используют ряд технологических приемов для улучшения качества шва:

- сварку наклонным лучом (отклонение в направлении перемещения на 5--7°) для уменьшения пор и несплошностей и создания более равномерных условий кристаллизации;

- сварку с присадкой для легирования металла шва или восстановления концентрации легкоиспаряющихся в вакууме элементов;

- сварку на дисперсной подкладке для улучшения выхода паров и газов из канала (подкладка толщиной ~40 мм из гранул или рубленой сварочной проволоки);

- сварку в узкую разделку (0,8--8 мм) в нижнем положении за счет наплавки присадки в прямоугольную разделку кромок;

- тандемную сварку двумя электронными пушками, из которых одна осуществляет проплавление, а вторая (меньшей мощности) формирует либо корень канала, либо хвостовую часть ванны. При квазитандемной сварке используют один луч, но периодически отклоняя его, например, в хвост ванны, получают практически два луча;

- предварительные проходы для проверки позиционирования луча и очистки и обезгаживания кромок свариваемых металлов;

- двустороннюю сварку одновременно или последовательно двух противоположных сторон стыка примерно на половину толщины стыка. Одновременную двустороннюю сварку осуществляют как с общей ванной, так и с раздельными;

- развертку электронного луча: продольную, поперечную, Х-образную, круговую, по эллипсу, дуге и т. п. с амплитудой порядка диаметра луча и частотами до 1--2 кГц для создания более благоприятных газо- и гидродинамических условий формирования канала (резонансные режимы нагрева). Двойное преломление луча в процессе развертки позволяет, например, расширить корневую часть канала, что необходимо для подавления корневых дефектов;

- расщепление луча (за счет отклоняющей системы) для одновременной сварки двух и более стыков (точек);

- модуляцию тока луча (обычно с частотой 1--100 Гц) для управления теплоподачей в сварной шов;

- «косметическое» заглаживание -- повторный проход для ремонта видимых дефектов шва как с внешней, так и с внутренней сторон. В некоторых случаях «косметические» проходы осуществляют с присадкой.

1.1 Достоинства электронно-лучевой сварки

Достоинства электронно-лучевой сварки:

- 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 резко 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 электроннолучевой сварки достигается также на низкоуглеродистых, коррозионно-стойких сталях, меди и медных никелевых, алюминиевых сплавах.

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, величина вакуума. Для перемещения луча по поверхности изделия используют перемещение изделия или самого луча с помощью отклоняющей системы. Отклоняющая система позволяет осуществлять колебания луча вдоль и поперек шва или по более сложной траектории. Низковольтные установки используют при сварке металла толщиной свыше 0,5 мм для получения швов с отношением глубины к ширине до 8:1. Высоковольтные установки применяют при сварке более толстого металла с отношением глубины к ширине шва до 25:1.

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). При увеличенных зазорах (для предупреждения подрезов) требуется дополнительный металл в виде технологических буртиков или присадочной проволоки. В последнем случае появляется возможность металлургического воздействия на металл шва. Изменяя величину зазора и количество дополнительного металла, можно довести долю присадочного металла в шве до 50%.

1.2 Недостатки электронно-лучевой сварки

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;

1.3 Установка электронно-лучевой сварки прецизионных изделий УЭЛС-905АМ

Установка предназначена для прецизионной сварки в вакууме точных изделий и узлов из конструкционных сталей, алюминия, меди и их сплавов, тугоплавких и активных металлов толщиной от 0,05 до 5 мм в условиях серийного производства.

Рис 4. Установка электронно-лучевой сварки прецизионных изделий УЭЛС-905АМ

Установка электронно-лучевой сварки УЭЛС-905АМ (с плазменным катодом) состоит из:

- вакуумной камеры;

- вакуумной системы, основания;

- вакуумопровода;

- насоса вакуумного пластинчато-роторного;

- электронно-лучевой пушки ПЭЛ-901;

- системы охлаждения пушки ПЭЛ-901;

- источника высоковольтного;

- пульта управления;

- видеокамеры;

- видеомонитора.

Рабочая вакуумная камера расположена консольно и обеспечивает оптимальные условия для работы оператора. В вакуумной камере могут быть смонтированы:

- восьмипозиционный вращатель деталей с горизонтальной осью вращения (диаметр 45 мм не более), (высота - не более 140мм);

- восьмипозиционный вращатель с вертикальной осью вращения (диаметр 45 мм высота 140 мм) и возможностью наклона не менее ± 45 град.

Установка оснащена однопозиционным вращателем для сварки крупногабаритных изделий (до диаметра 200 мм), который может устанавливаться в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях и обеспечивает сварку с вертикальной, так и с горизонтальной осью вращения. Установка оснащена координатным столом для сварки прямоугольных контуров, системой наблюдения через иллюминатор, видеокамерой и монитором. Установка обеспечивает высокую надежность и стабильность в течение длительного срока эксплуатации. Перемещающаяся верхняя плита с подвижным вакуумным уплотнением с расположенной на ней электронно-лучевой пушкой позволяет получать линейные сварочные швы и обеспечивает наведение луча на стык в процессе сварки кольцевых швов при максимальном использовании объема камеры.

Режимы сварки:

- непрерывный;

- импульсный;

- точечный.

Установка УЭЛС-905АМ имеет малое время вакуумирования, разделение основных рабочих движений: вращение изделия и перемещения пушки, упрощенное управление вакуумной системой. Производительность: до 60 шов/ч



2. Общие сведения о наплавке

Наплавка предусматривает нанесение расплавленного металла на оплавленную металлическую поверхность с последующей его кристаллизацией для создания слоя с заданными свойствами и геометрическими параметрами. Наплавку применяют для восстановления изношенных деталей, а также при изготовлении новых деталей с целью получения поверхностных слоев, обладающих повышенными твердостью, износостойкостью, жаропрочностью, кислотостойкостью или другими свойствами. Она позволяет значительно увеличить срок службы деталей и намного сократить расход, дефицитных материалов при их изготовлении. При большинстве методов наплавки, так же как и при сварке, образуется подвижная сварочная ванна. В головной части ванны основной металл расплавляется и перемешивается с электродным металлом, а в хвостовой части происходят кристаллизация расплава и образование металла шва. Наплавлять можно слои металла как одинаковые по составу, структуре и свойствам с металлом детали, так и значительно отличающиеся от них. Наплавляемый металл выбирают с учетом эксплуатационных требований и свариваемости.

Наплавка может производиться на плоские, цилиндрические, конические, сферические и другие формы поверхности в один или несколько слоев. Толщина слоя наплавки может изменяться в широких пределах - от долей миллиметра до сантиметров. При наплавке поверхностных слоев с заданными свойствами, как правило, химический состав наплавленного металла существенно отличается от химического состава основного металла. Поэтому при наплавке должен выполняться ряд технологических требований. В первую очередь таким требованием является минимальное разбавление направленного слоя основным металлом, расплавляемым при наложении валиков. Поэтому в процессе наплавки необходимо получение наплавленного слоя с минимальным проплавлением основного металла, так как в противном случае возрастает доля основного металла в формировании наплавленного слоя. Это приводит к ненужному разбавлению наплавленного металла расплавляемым основным. Далее при наплавке необходимо обеспечение минимальной зоны термического влияния и минимальных напряжений и деформации. Это требование обеспечивается за счет уменьшения глубины проплавления регулированием параметров режима, погонной энергии, увеличением вылета электрода, применением широкой электродной ленты и другими технологическими приемами.

Рис. 5 Схема наплавки слоев и тел вращения

Технология наплавки различных поверхностей предусматривает ряд приемов нанесения наплавленного слоя: ниточными валиками с перекрытием один другого на 0,3-0,4 их ширины, широкими валиками, полученными за счет поперечных к направлению оси валика колебаний электрода, электродными лентами и др. Расположение валиков с учетом их взаимного перекрытия характеризуется шагом наплавки (рис.5).

Наплавку криволинейных поверхностей тел вращения выполняют тремя способами (рис.5): наплавкой валиков вдоль образующей тела вращения, по окружностям и по винтовой линии. Наплавку по образующей выполняют отдельными валиками так же, как при наплавке плоских поверхностей. Наплавка по окружностям также выполняется отдельными валиками до полного замыкания начального и конечного участков их со смещением на определенный шаг вдоль образующей. При винтовой наплавке деталь вращается непрерывно, при этом источник нагрева перемещается вдоль оси тела со скоростью, при которой одному обороту детали соответствует смещение источника нагрева, равное шагу наплавки. При наплавке тел вращения необходимо учитывать возможность стекания расплавленного металла в направлении вращения детали. В этом случае целесообразно источник нагрева смещать в сторону, противоположную направлению вращения, учитывая при этом длину сварочной ванны и диаметр изделия.

Выбор технологических условий наплавки производят, исходя из особенностей материала наплавляемой детали. Наплавку деталей из низкоуглеродистых и низколегированных сталей обычно производят в условиях без нагрева изделий. Наплавка средне- и высокоуглеродистых, легированных и высоколегированных сталей часто выполняется с предварительным нагревом, а также с проведением последующей термообработки с целью снятия внутренних напряжений.

Нередко такую термообработку (отжиг) выполняют после наплавки для снижения твердости перед последующей механической обработкой слоя. Для выполнения наплавки в основном применяют способы дуговой и электрошлаковой сварки. При выборе наиболее рационального способа и технологии наплавки следует учитывать условия эксплуатации наплавленного слоя и экономическую эффективность процесса.

При наплавке присадочный материал наносится на оплавленную металлическую поверхность изделия. В процессе последующего охлаждения металл кристаллизуется. В результате образуется наплавленный слой, который создается сваркой плавлением.

Электронно-лучевая наплавка. При них наплавляемая поверхность с нанесенным на нее присадочным материалом оплавляется лазерным лучом или пучком электронов. Этим способом на углеродистую сталь наплавляют сплавы на основе никеля и других сплавов. Для наплавки целесообразно применять лазеры с непрерывным излучением. Транспортирование присадочного материала в зону наплавки выполняется инертным газом, который защищает расплавленный металл от взаимодействия с окружающей средой. Лазерная сварка может выполняться различными присадочными материалами: фольгой, проволоками, пастой с металлическим порошком. Если наплавляют присадочным порошком, подбирается такой режим, при котором порошок полностью расплавляется. В связи с высокой концентрацией энергии и спецификой электронно-лучевого нагрева этот способ наплавки характеризуется высокой производительностью, минимальным растворением основного металла в наплавляемом, небольшими деформациями наплавляемого изделия.

2.1 Электронно-лучевая наплавка

Поверхность изделия предварительно очищают оплавлением электронным лучом без подачи наплавляемого материала.

Известен способ формирования защитного покрытия. Сущность этого изобретения заключается в том, что на защищаемую поверхность металлической детали напыляют порошковый защитный материал интерметаллид Ni₃Аl и затем оплавляют его электронным пучком в вакууме на глубину, не превышающую толщину этого слоя.

Недостатком известного способа формирования защитного покрытия является то, что в процессе порошкового напыления происходит насыщение покрытия газом, а при последующем оплавлении электронным лучом в вакууме этот газ приводит к повышению пористости покрытия, что не способствует повышению физико-механических свойств наплавляемого изделия.

Известен способ электронно-лучевой наплавки, при котором создают на поверхности тела вращения зону оплавления с помощью электронного луча, развернутого в линию по образующей, подают порошковый материал в зону оплавления и придают обрабатываемому изделию вращательно-поступательное перемещение.

Недостатки указанного способа заключаются в нерациональном использовании порошкового материала и мощности электронного луча. При разворачивании электронного луча в одну линию вдоль участка образующей и подаче порошкового материала в зону оплавления происходит экранирование электронного луча от изделия, что приводит к снижению температуры зоны оплавления, неполному расплавлению порошкового материала, т.е. к потерям наплавляемого материала и мощности электронного луча. Кроме того, указанные недостатки известного способа не позволяют добиться полного переплава и равномерности наплавки, не увеличивая мощности электронного луча сверх меры, с точки зрения допустимых деформаций изделия за счет его чрезмерного нагрева, что в конечном итоге ограничивает технологические возможности способа и не способствует повышению физико-механических свойств наплавляемых изделий.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является способ электронно-лучевой наплавки, при котором на поверхности наплавляемого изделия создают зону расплава электронным лучом с линейной разверткой в виде нескольких параллельных линий, наплавляемый материал подают в зону расплава, а наплавляемому изделию сообщают перемещение, при этом наплавляемый порошковый материал подают в промежуток между линиями развертки, а порошковому материалу сообщают направление подачи, перпендикулярное относительно перемещения наплавляемого изделия.

Недостатком данного известного способа является то, что при формировании наплавки из порошкового материала дисперсного состава (до 40 мкм) и особенно легких сплавов, в частности, на основе алюминия, часть порошка разлетается под действием электростатических сил, возникающих вследствие заряда порошинок рассеянными и отраженными электронами, и реактивных сил, возникающих в результате разрыва прочной окисной оболочки (пленки) частиц порошка вследствие роста внутреннего давления из-за разогрева и расширения материала частиц при их попадании под электронный пучок. В результате этого снижаются производительность и экономичность процесса наплавки.

Основной технической задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности и экономичности способа электронно-лучевой наплавки вследствие повышения коэффициента использования наплавляемого материала при улучшении качества наплавляемого слоя на поверхности изделия.

Поставленная задача достигается тем, что в способе электронно-лучевой наплавки на поверхности наплавляемого изделия создают зону расплава электронным лучом, наплавляемый порошковый материал подают в зону расплава, наплавляемому изделию сообщают перемещение, а наплавляемому порошковому материалу сообщают направление подачи, перпендикулярное относительно перемещения наплавляемого изделия.

Новым является то, что одновременно с наплавляемым порошковым материалом в направлении перемещения изделия подают наплавочный материал в виде проволоки или ленты на расстоянии по вертикали от наплавляемой поверхности в зону прохождения электронного луча с плотностью энергии, достаточной для плавления материала.

Оптимальным является подача наплавочного материала на расстоянии не менее 1 см по вертикали.

При этом в зависимости от решаемых задач по защите изделий от износа, упрочнению и восстановлению изношенных поверхностей наплавочный материал в виде проволоки или ленты может быть выполнен из металла или сплава, соответствующего материалу наплавляемого изделия, а порошковый материал из того же сплава или сплава, содержащего легирующие элементы.

Одновременная с порошковым материалом подача наплавочного материала в направлении перемещения изделия на расстоянии не менее 1 см по вертикали от наплавляемой поверхности в зону прохождения электронного луча с плотностью энергии, достаточной для плавления материала, повышает производительность и экономичность предложенного способа электронно-лучевой наплавки вследствие повышения коэффициента использования наплавляемого материала, т.к. позволяет полностью предотвратить разлет легких порошковых материалов, покрытых прочной окисной пленкой.

Диапазон расстояний не менее 1 см между поверхностью наплавляемого изделия и подаваемой наплавочной проволокой или лентой объясняется следующими обстоятельствами: - во-первых, при использовании такого диапазона обеспечивается одновременный прогрев поверхности наплавляемого изделия до высоких температур, ее очистка и создание так называемой ювенильной ("абсолютно чистой") поверхности с подготовкой материала (путем перевода атомов этой поверхности в сильно возбужденное состояние) и взаимодействию с наплавляемым материалом, а также расплавление наплавочного материала (порошкового, проволоки или ленты); - во-вторых, при использовании указанного диапазона обеспечивается высокая скорость подачи наплавочного материала (проволоки или ленты), его интенсивное и полное расплавление с образованием однородных по размеру капель. При этом реализуются условия попадания капель расплавленного наплавляемого материала в жидкую ванну расплава, образованную на поверхности наплавляемого изделия из ранее наплавленной проволоки или ленты и порошка, без разбрызгивания, что значительно снижает потери материала; - в-третьих, при указанном диапазоне исключается необходимость строгого регулирования зазора между поверхностью наплавляемого изделия и торцом проволоки или ленты при нарастании слоев наплавляемого материала (покрытия), что позволяет наносить покрытия большой толщины (до 10 мм), например, из алюминиевых (силуминовых) сплавов, однородные по строению с плотной дисперсной структурой и высокими физико-механическими свойствами (прочность при растяжении и изгибе, твердость и др.) и эксплуатационными свойствами (износостойкость, антифрикционность, ударная вязкость и т.д.).

При использовании расстояния ниже указанного диапазона не будет обеспечиваться высокая скорость подачи наплавочного материала вследствие недостаточности зазора между поверхностью наплавляемого изделия и торцом проволоки или ленты и невозможности нанесения покрытия большой толщины, а также сложности технической реализации.

Верхняя граница указанного расстояния определяется плотностью энергии электронного луча, создающего зону расплава.

Способ электронно-лучевой наплавки реализован на базе сварочной электронно-лучевой установки ЭЛУ-5, дополнительно оборудованной устройством подачи проволоки, порошковым питателем и блоком развертки луча.

Для наплавки используется промышленно выпускаемая алюминиевая проволока и порошковые материалы из алюминиевых сплавов СвАК-5, СвАК10, СвАК12, СвАМг6, СвАМг7, а также материалы, содержащие Si, Mg, Cu, Ni, Mn. Наплавка происходит путем подачи проволоки в зону прохождения электронного луча на расстоянии не менее 1 см по вертикали от поверхности зоны расплава и подачи порошкового материала с помощью порошкового питателя в зону расплава, создаваемую электронным лучом из материалов изделия и проволоки.

Производилась наплавка поршней из сплава АЛ-25. Проведенные физико-механические испытания наплавленных изделий показали, что использование предложенного способа позволяет при сохранении значений твердости, плотности и прочности покрытий повысить на 15-20% коэффициент использования порошкового материала и на 30-40% производительность процесса наплавки изделий.

Таким образом, предлагаемый способ электронно-лучевой наплавки повышает производительность и экономичность предложенного способа электронно-лучевой наплавки вследствие повышения коэффициента использования наплавочного материала при улучшении качества наплавляемого слоя на поверхности изделия.

Известны различные композиционные, тугоплавкие материалы для покрытий. Перечисленные выше материалы используют для получения износо-, жаростойких и других покрытий на изделиях способами, отличными от предлагаемого способа электронно-лучевой наплавки. Эти изделия не вполне удовлетворяют всевозрастающим требованиям к ним при их эксплуатации.

Известен патент РФ 2060297 С1, МКИ С 23 С 4 /04, С 22 С 29/00, 20.05.1996, в котором в качестве порошкового материала для нанесения износостойкого газотермического покрытия используют порошок дисперсно-упрочненного композиционного материала, который позволяет сформировать покрытие, состоящее из тех частиц твердой фазы и связующего материала, из которого состоит композиционный материал^[9].

Однако известно, что плазменные покрытия отличаются повышенным содержанием активных газов. Растворенные газы могут покидать металлическую решетку только путем диффузии с образованием сферических пор.

С другой стороны, при плазменном нанесении покрытия из указанного композиционного материала на изделие не обеспечивается возможность очистки напыляемой поверхности изделия от растворенных газов.

Недостатком известного порошкового материала является то, что при использовании в процессе плазменного напыления дисперсно-упрочненного композиционного материала не достигаются высокие физико-механические свойства плазменного покрытия из-за наличия растворенных газов в приповерхностном слое напыляемой поверхности изделия и в частицах порошка композиционного материала из-за четкой границы раздела поверхность изделия - напыленное покрытие и из-за пониженной плотности покрытия, и следовательно, плазменные покрытия из дисперсно-упрочненных композиционных материалов не могут служить в тяжелых условиях ударно-абразивного износа.

Известен способ плазменной наплавки порошкообразными материалами, который включает создание зоны оплавления на наплавляемом изделии при помощи плазмотрона и подачу наплавляемого порошкового материала в зону оплавления.

Однако применение порошковых смесей в известном способе не позволяет получать наплавку с равномерно распределенными по объему металлической составляющей дисперсно-упрочняющих тугоплавких включениями с одинаковым фазовым составом в наплавленном слое из-за значительного объема жидкометаллической ванны, в которой в течение относительно продолжительного времени происходит взаимодействие дисперсно-упрочняющих включений с расплавленным металлом, значительно перегретым выше температуры его плавления. Кроме того, высокая скорость двухфазного потока и относительно большое пятно соударения наплавляемого порошкового материала с наплавляемым изделием приводит к значительным безвозвратным потерям наплавляемого порошкового материала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ электронно-лучевой. В данном способе на поверхности наплавляемого изделия создают зону оплавления лучом с линейной разверткой в виде нескольких параллельных линий, наплавляемому изделию сообщают перемещение, а наплавляемый порошковый материал подают в зону оплавления первой линии развертки в направлении перемещения изделия.

Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает очищение поверхности изделия от окисных пленок и растворенных газов в приповерхностном слое изделия зоны оплавления, что не обеспечивает получение наплавляемых изделий с высокими физико-механическими свойствами. Использование промышленных порошков не удовлетворяет всевозрастающим требованиям к изделиям при их эксплуатации.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение технологических возможностей способа электронно-лучевой наплавки и повышение физико-механических свойств наплавляемых изделий за счет взаимодействия с наплавляемой порошковой смесью в зоне оплавления, приводящей к экзотермической реакции между компонентами смеси и смешиванию с упрочняющей составляющей.

Электронно-лучевая наплавка - процесс управляемый: изменяя режимы (мощность, количество проходов и т. д.), изменяя качественные и количественные соотношения компонентов наплавляемого материала, можно в широких пределах задавать состав и структуру наплавляемого слоя, что дает возможность получать изделия с наплавкой, отвечающие различным требованиям их эксплуатации, например, износостойкости, жаростойкости, дугостойкости и др.

Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом способе электронно-лучевой наплавки на поверхности металлического изделия создают зону оплавления электронным лучом с линейной разверткой в виде нескольких параллельных линий, наплавляемый материал подают в зону оплавления, а наплавляемому изделию сообщают перемещение.

Новым является то, что наплавляемую поверхность изделия предварительно очищают оплавлением электронным лучом без подачи наплавляемого материала, развертку электронного луча выполняют перпендикулярно направлению перемещения изделия, причем очистку и наплавку производят последовательно, а в качестве наплавляемого материала используют смесь термореагирующих порошков.

В качестве наплавляемого материала используют смесь порошков, термически реагирующих под воздействием электронного луча, или порошок дисперсно-упрочненного композиционного материала. Данные альтернативные признаки в совокупности с другими признаками изобретения обеспечивают получение одного и того же технического результата, а именно: расширение технологических возможностей предлагаемого способа и повышение физико-механических свойств наплавляемых изделий за счет взаимодействия с наплавляемой порошковой смесью в зоне оплавления, приводящей к экзотермической реакции между компонентами смеси и смешиванию с упрочняющей составляющей.



Заключение

Современный уровень электронно-лучевой технологии - интегрирование в одной многофункциональной установке таких видов обработки как сварка, пайка, термическая очистка, зональный отжиг и закалка, наплавка и модифицирование поверхности. Выгода от использования таких установок достигается благодаря повышению качества изделий (поскольку при переходе от одного к другому виду обработки сохраняется идеальная рабочая среда - вакуум) сокращению в десятки и сотни раз межоперационного времени, экономному расходованию энергии, более полной загрузке оборудования в условиях малосерийного и единичного производства.

За счет этого достигается:

- изготовление особо точных сварных конструкций толщиной 0,1 - 150 мм;

- соединение деталей сложного сечения в различных пространственных положениях;

- получение сверхпрочных облегченных конструкций гарантированного качества.

Размеры обрабатываемых деталей: от миниатюрных до 2,5 x 2,5 x 16 м.

А так же обеспечивается:

- работоспособность сварных соединений на уровне основного материала;

- снижение трудоемкости изготовления деталей в 2,5-3 раза;

- сокращение цикла термической обработки в 10 раз и энергозатрат в 100 раз;

- увеличение коррозионной и износостойкости деталей, поверхность которых подвергалась модифицированию.

Размещено на Allbest.ru