Лекция 1.3. Специальные способы сварки плавлением.
Сварка с расплавлением
2.1. Лучевая
2.1.1. Электронно-лучевая (ЭЛС) – сварка с использованием энергии электронов, разогрев происходит непосредственно в самом веществе.
2.1.2. Световым лучом – сварка с использованием энергии концентрированного луча оптического диапазона (гелиосварка).
2.1.3. Лазером – сварка за счет теплоты монохроматического когерентного излучения.
2.2. Газоэлектрическая
2.2.1. Плазменная – сварка с использованием плазмы — потока ионизированного газа с температурой до 20 тыс. К (и более).
2.2.2. Атомно-водородная – сварка за счет теплоты, выделяемой при превращении атомарного водорода в молекулярный.
2.3. В специальных условиях
2.3.1. Термитная – сварка за счет теплоты сгорания порошкообразных смесей металлов с окислами других металлов (термитов).
2.3.2. В защитных камерах – использование защитных кожухов (микрокамер) с вакуумной или газовой защитой ванны расплавленного металла и околошовной зоны.
2.3.3. Подводная сварка и резка – обработка материалов дуговыми и другими методами в подводных условиях.
2.3.4. Наплавка поверхностного слоя со специальными свойствами.
2.3.5. В микроэлектронике.
Высокочастотная сварка. Особенность высокочастотного метода нагрева состоит в выделении тепловой энергии в массе нагреваемого металла и в возможности значительной концентрации электромагнитной энергии токов высокой частоты (f=10–5000 кГц) в поверхностных слоях нагреваемого металла.
При нагреве током высокой частоты металлы помещают в магнитное поле высокой частоты, созданное током, протекающим по индуктору. В металле при этом индуктируется электродвижущая сила, вызывающая в нем ток.
Высокочастотная сварка основана на использовании законов электромагнитной индукции и полного тока, и несколько явлений (поверхностного эффекта, эффекта близости и др.).
Плазменная сварка – это сварка с помощью направленного потока плазменной дуги. Имеет много общего с технологией аргонной сварки.
Плазмой называется частично или полностью ионизированный газ, состоящий из нейтральных атомов и молекул, а также электрически заряженных ионов и электронов. В таком определении обычная дуга может быть названа плазмой. Однако по отношению к обычной дуге термин «плазма» практически не применяют, так как обычная дуга имеет относительно невысокую температуру и обладает невысоким запасом энергии по сравнению с традиционным понятием плазмы.
Для повышения температуры и мощности обычной дуги и превращения ее в плазменную используются два процесса: сжатие дуги и принудительное вдувание в нее плазмообразующего газа.
Электронно-лучевая сварка. Электроны применяют в технике для возбуждения свечения люминофоров, нанесенных на экран электронно-лучевых трубок катодных осциллографов и телевизоров. Эффекты, вызываемые электронами при бомбардировке вещества, используются в электронных микроскопах, электронных умножителях, рентгеновских трубках, масс-спектрографах и во многих других устройствах и приборах.
Электрон представляет собой элементарную электрически заряженную частицу, имеющую отрицательный заряд е = 1,6·10–19 Кл; массу me = 9.1·10–31кг; радиус rе = 2,82·10–15 м. Число электронов в атоме зависит от типа вещества и равно его атомному номеру в периодической системе элементов Д.И. Менделеева.
Широкое применение электронов связано с тем, что электрон, являясь наименьшей устойчивой заряженной элементарной частицей материи, может быть наиболее простым способом получен в свободном состоянии. В большинстве случаев, подведя соответствующую энергию, можно вызвать выход электронов с поверхности металла. Наиболее часто для получения свободных электронов используют термоэлектронные катоды, в которых, как правило, металлы нагреваются до таких температур, при которых электроны приобретают достаточную скорость, чтобы покинуть металл и перейти в окружающее катод пространство, в результате чего возникает эмиссия электронов. Величина тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры катода, работы выхода и свойств поверхности (уравнение Ричардсона—Дэшмана).
Сущность процесса сварки электронным лучом в вакууме состоит в использовании кинетической энергии электронов, быстро движущихся в глубоком вакууме. При бомбардировке электронами поверхности металла подавляющая часть кинетической энергии электронов превращается в тепло, которое и используется для расплавления металла.
При использовании этого источника тепла для сварки необходимо получить свободные электроны, сконцентрировать и сообщить им большую скорость с целью увеличения их энергии, которая должна превратиться в тепло при торможении электронов в свариваемом металле.
Сварка электронным лучом расширяет область использования сварных соединений с прорезными швами и электрозаклепами.
Лазерная сварка (ОКГ).
Лазер (оптический квантовый генератор) – название от английского LAZER: light amplification by stimulated emission radiation – усиление света путем использования индуцированного излучения.
Создание и современное развитие квантовой электроники связано с работами лауреатов Ленинской и Нобелевской премий академиков Н.Г. Басова, А.М. Прохорова. По характеристике академика Н.Г.Басова, «лазер – это устройство, в котором энергия (тепловая, химическая, электрическая) преобразуется в энергию электрического магнитного поля – лазерный луч. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью ее передачи на значительные расстояния. Лазерный луч можно сфокусировать в пятно диаметром порядка световой волны и получить плотность энергии соизмеримой с плотностью энергии ядерного взрыва».
В основу принципа действия квантового генератора и усилителя положено индуцированное излучение, которое связано с поглощением электромагнитных волн или фотонов атомными системами. При поглощении фотона его энергия передается атому, который переходит в «возбужденное» квантовое состояние.
Через некоторый промежуток времени атом может спонтанно излучить эту энергию в виде фотона и возвратиться в основное состояние. Пока атом находится в возбужденном состоянии, его можно побудить испускать фотон под воздействием внешнего фотона («падающей волны»), энергия которого в точности равна энергии фотона, испускаемого атомом при спонтанном излучении. Такое излучение называется индуцированным.
В результате падающая волна усиливается волной, излучаемой возбужденным атомом. Важным в этом процессе является то, что испускаемая волна в точности совпадает по фазе с той, под действием которой она возникла. Это явление используется в квантовых усилителях. Квантовые генераторы преобразуют электрическую, световую, тепловую или химическую энергию в монохроматическое когерентное излучение электромагнитных волн ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазона.
Излучатель возбуждается и генерирует свет под действием энергии системы накачки: твердотельные и жидкие активные элементы возбуждаются светом импульсных ламп; газовые смеси в основном накачиваются энергией газового разряда; полупроводниковые излучатели используют энергию электрического тока, протекающего через область р—n-перехода. Разработаны системы, которые позволяют использовать для накачки газовых лазеров тепло и энергию химических реакций. В зависимости от энергетических параметров системы накачки лазер работает в импульсном или непрерывном режиме.
Гелиосварка. Нагрев лучистой энергией обладает некоторыми преимуществами по сравнению с другими способами, а именно возможность термической обработки материалов независимо от их электрических и магнитных свойств; бесконтактным подводом энергии к изделию (причем источник и нагреваемый объект могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга); незначительным механическим воздействием на зону нагрева; возможностью передачи энергии через оптически прозрачные оболочки, что позволяет проводить процессы сварки и пайки в контролируемой газовой атмосфере и в вакууме.
В установках для сварки и пайки световым лучом можно использовать такие источники излучения, как Солнце, угольная дуга, дуговые газоразрядные лампы и лампы накаливания. наиболее перспективным и удобным излучателем для технологических целей являются дуговые неоновые лампы сверхвысокого давления.
Атомно-водородная сварка.
Плавление металла происходит за счет тепла, выделяемого при превращении атомарного водорода в молекулярный водород, и за счет тепла независимой дуги, горящей между двумя вольфрамовыми электродами.
Тепловой эффект от излучения дуги и от сгорания молекулярного водорода в наружной зоне пламени незначителен по сравнению с эффектом рекомбинации атомов водорода.
Температура атомно-водородного пламени составляет ~ 3700 °С, что по концентрации тепла приближает этот способ сварки к сварке в среде защитных газов. Водород при этом способе сварки передает тепло от дуги к изделию вначале за счет поглощения его при реакции диссоциации, а затем путем выделения при рекомбинации атомов водорода. Высокая активность водорода обеспечивает хорошую защиту металла шва от вредного воздействия кислорода и азота воздуха.
При атомно-водородной сварке дуга горит между двумя вольфрамовыми электродами, расположенными под углом. В зону дуги можно подавать чистый водород или азотно-водородные смеси, получаемые при диссоциации аммиака. Питание дуги осуществляется от источников переменного тока.
Из-за высокого охлаждающего действия реакции диссоциации водорода и высокого потенциала ионизации водорода напряжение источника питания дуги, требуемое для ее зажигания, должно быть 250–300 В. Напряжение горения дуги 60–120 В. Сила тока дуги 10–80 А.
Зажигание дуги осуществляется коротким замыканием вольфрамовых электродов, обдуваемых водородом, или, лучше, замыканием электродов на угольную (или графитовую) пластинку при обдувании струей газа, так как в этом случае обеспечивается легкое зажигание дуги и не требуется повышенного напряжения холостого хода источника питания. После зажигания дуги расстояние от концов электродов до поверхности изделия устанавливают в пределах 4–10 мм. Это зависит от мощности атомно-водородного пламени и толщины свариваемого металла.