2.18 Зварювання неплавким електродом

Зварювання неплавким електродом ведеться на постійному струмі тільки прямої полярності (крім зварювання Al) для зменшення окиснення і руйнування неплавкого електроду.

W–дуги поділяються на дуги з катодною плямою і дуги без катодної плями. Дуги з катодною плямою мають на 10% вищі U_к і U_ст та на 10–15% більшу температуру стовпа дуги.

Зварювання неплавким електродом в середовищі аргону. Зварювання неплавким електродом в середовищі аргону має нелінійну ВАХ (рисунок 2.33).

Рисунок 2.33 — ВАХ при зварюванні неплавким

електродом в середовищі аргону

До 100 А — ВАХ спадаюча, після 100 А — зростаюча.

Вольт–лінійна характеристика (ВЛХ) для зварювання неплавким електродом приведена на рисунку 2.34. Такий вид ВЛХ пояснюється залежністю анодної напруги від довжини дуги.

Рисунок 2.34 — ВЛХ при зварюванні неплавким

електродом в середовищі аргону

Температура стовпа дуги дорівнює 15000 К.

Зварювання неплавким електродом в середовищі гелію. При зварювання неплавким електродом в середовищі гелію ВАХ має стрибкоподібну форму (рисунок 2.35).

Рисунок 2.35 — ВАХ при зварюванні неплавким

електродом в середовищі гелію

Такий вид ВАХ пояснюється тим, що до 150 А дуга горить в парах аноду, а вище 150 А — в парах іонізованого гелію. При зварюванні в середовищі гелію відсутній пінч–ефект. Температура стовпа дуги дорівнює 25000 К. Це пояснюється тим, що теплопровідність гелію в 10–15 разів більша, потенціал іонізації більший, приблизно в 10 разів гелій легший, а тому для отримання такого ж ступеня іонізації необхідна більша температура. Потужність джерела живлення при зварюванні вольфрамовим електродом витрачається в такому співвідношенні:

— при малих струмах: до 40% на катоді, 20–30% на аноді, 30–40% в стовпі;

— при великих струмах: 8–12% (можливо до 25%) на катоді, 80–85% на аноді, решта в стовпі.

2.19 Плазмові процеси

Плазмовий розряд — це стиснутий дуговий розряд з інтенсивним плазмоутворенням. В залежності від виду аноду розрізняють:

1) плазмовий розряд прямої дії (рисунок 2.36, а);

2) плазмовий розряд непрямої дії (рисунок 2.36, б).

1 — катод; 2 — канал—сопло; 3 — плазмовий розряд;

4 — стовп плазмового розряду; 5 — виріб

Рисунок 2.36 — Схема плазмотрону

В канал-сопло подається плазмоутворюючий газ: аргон, гелій, азот, водень, пари води або їх суміші. Найбільша температура в парах води (50000 К). Плазмоутворюючий газ виконує наступні функції:

1) захист аноду від окиснення (руйнування);

2) охолодження аноду і каналу;

3) стабілізація процесу;

4) передача тепла в зону зварювання;

5) передача матеріалу, який напилюється, в робочу зону.

Нема такого газу, який би виконував усі ці функції, тому використовують суміш газів.

Плазмотрони використовуються для зварювання і напилення.

Докладніше по п. 2 дивись [9, 10, 13, 14].

3 Термічні недугові джерела енергії

3.1 Електронно–променевий нагрів

3.1.1 Електронно–променевий нагрів та його використання

1 — вакуумна камера; 2 — електронна пушка; 3 — катод;

4 — анод; 5 — магнітна лінза; 6 —система, що відхиляє промінь;

7 — виріб; 8 — маніпулятор; 9 — джерело живлення;

10 — електронний промінь; 11 — високовакуумний насос;

12 — форвакуумний насос

Рисунок 3.1 — Схема електронно–променевого нагріву

Інструментом є електронний промінь. Нагрів виробу здійснюється за рахунок перетворення кінетичної енергії електронів в теплову при гальмуванні їх в приповерхневих шарах твердого тіла. Потужність електронного променя визначають параметри:

1) прискорювальна напруга між анодом і катодом (десятки, сотні кіловольт);

2) струм пучка, mA;

3) величина вакууму (10^-4–10^-5 мм рт. ст.).

Електронний промінь використовується для зварювання, різання, нагріву, плавки, розмірної обробки, напилювання.

В технічному відношенні розрізняють три способи зварювання з використанням електронного променя:

1) зварювання без присаджувального матеріалу з глибинним («кінжальним») проплавленням (використовується для зварювання матеріалів товщиною 3 – 100 мм);

2) зварювання з присаджувальним матеріалом (використовується для зварювання матеріалів товщиною від 5 до 200 мм);

3) прецизійне зварювання без утворення парогазового каналу і без розбризкування (використовується для зварювання матеріалів товщиною від 1 мкм до декількох міліметрів).

За допомогою цього методу можна зварювати чорні, кольорові метали та їх сплави, кераміку, металокераміку.

3.1.2 Основні фізичні характеристики електронного променя

Основними фізичними характеристиками електронного променя є:

1. Швидкість електрону, який вилетів з пушки, без релятивістської поправки

. (3.1)

2. Потужність, яка передається променем виробу

, (3.2)

де — ефективний коефіцієнт корисної дії процесу;

U — прискорювальна напруга, кВ;

І — струм пучка електронів, mА.

3. Глибина, на яку проникає електрон в тверде тіло (см)

, (3.3)

де U — прискорювальна напруга;

— густина речовини.

Таблиця 3.1 — Глибина проникання електрона в алюміній (   г·см^-3)

в залежності від величини прискорювальної напруги

Прискорювальна напруга, кВ	10	50	100
Глибина проникнення, см	0,76	19,4	77,5

Електрон, проникаючи в тверде тіло, при зіткненні з вузлами кристалічної гратки, розсіює свою енергію. На глибині h відбувається найбільша передача енергії електрона тілу

. (3.4)

При цьому виділяється така кількість енергії, що в середині тіла відбувається локальний вибух і миттєве розплавлення матеріалу. Теплота і розплавлений метал вириваються на поверхню, яка при цьому звільняється від оксидних плівок. Утворюються благоприємні для зварювання умови. Цей спосіб особливо ефективний при зварюванні металів, які мають на поверхні тугоплавкі оксиди. Електронний промінь — внутрішнє джерело нагріву.

3.1.3 Взаємодія електронного променя з речовиною

1 — електронно–променеве зварювання; 2 — дугове зварювання

Рисунок 3.2 — Види форм шва

Коефіцієнт форми шва (h/d) при електронно–променевому зварюванні дорівнює 10 – 15, при дуговому зварюванні дорівнює 1. Основна причина відмінності коефіцієнтів форми шва знаходиться у величині тиску р_заг.

При електронно–променевому зварюванні

, (3.5)

де р₁ — тиск на розплавлену ванну металу за рахунок електронного

бомбардування;

р₂ — тиск «віддачі» матеріалу, який випаровується;

р₃ — тиск за рахунок вторинних і теплових електронів (виходять

з нагріваємого тіла після входження в нього електронів);

р₄ — тиск за рахунок рентгенівського випромінювання

(рентгенівське випромінювання — один з головних

недоліків електронно–променевого зварювання).

Взагалі .

3.1.4 Тепловий баланс електронно–променевого зварювання

Рівняння теплового балансу електронного-променевого зварювання має вигляд

, (3.6)

де W — енергія електронного пучка, який виходить з пушки;

W_ос — втрати енергії в оптичній системі;

W_в — енергія, яка підводиться до виробу;

, (3.7)

де W₁ — втрати енергії на аноді;

W₂ — втрати енергії, пов’язані з іонною складовою;

, (3.8)

де W_вин — енергія виносу;

W_пр — втрати енергії на проплавлення металу.

, (3.9)

де W₃ — втрати енергії на випаровування розплавленого металу;

W₄ — втрати енергії, пов’язані з вторинною електронною емісією;

W₅ — втрати енергії, пов’язані з термоелектронною емісією;

W₆ — втрати енергії, пов’язані з електромагнітним випроміню-ванням;

W₇ — втрати енергії, пов’язані з теплопровідністю виробу.

Ефективний коефіцієнт корисної дії електронно-променевого зварювання дорівнює 75 – 90 %. ККД проплавлення 60%.