4.4.12. Лазерная сварка

Лазерная сварка впервые стала применяться в радиоэлектронике при из­готовлении электронных приборов. Для сварки использовались лазеры с твердым рабочим телом, работающие в импульсном режиме. Имея сравни­тельно небольшую мощность, низкий КПД, подобные лазерные установки не могли найти применения для изготовления конструкций. Однако создание мощных газовых лазеров непрерывного действия, имеющих более высокий КПД, чем твердотельные, внесло существенные коррективы в развитие ла­зерной сварки, в том числе в расширение использования ее в промышленности.

При выборе лазерной сварки необходимо учитывать, что она обеспечи­вает высококонцентрированный нагрев, а размеры самого пят­на соответствуют диаметру не более десятых долей миллиметра. Поэтому лазерная сварка позволяет получать швы с минимальным расплавлением металла, снижает напряжения и деформации в сварных конструкциях по сравнению с другими способами сварки.

Импульсной лазерной сваркой сваривают чаще всего между собой про­волоку или проволоку с более массивными деталями, при этом лазерный луч позволяет вести сварку без зачистки контактов от изоляции, что увеличивает производительность сварки.

Непрерывная лазерная сварка металлов значительных толщин производится газовыми лазерами. При сварке непрерывным лазерным лучом боль­шой мощности приходится устранять экранирующее влияние ионизирован­ного облака, которое возникает при взаимодействии лазерного луча с атмо­сферой и испаряющимся металлом. Облако рассеивает луч и препятствует нагреву металла сварочной ванны. Устраняют облако, сдувая струёй газа, чаще всего аргона, направляя ее перпендикулярно оси луча. Одновременно инертный газ защищает металл от окисления. Применение для защиты вме­сто аргона гелия или смеси гелия с водородом увеличивает проплавление лазерным лучом, но более легкий, чем аргон, гелий плохо вытесняет облако плазмы.

Непрерывная сварка лазером обеспечивает значительно большие скоро­сти сварки по сравнению с импульсной.

4.5. Термомеханические методы сварки

4.5.1. Контактная сварка

Контактная сварка относится к одному из наиболее распространенных видов сварки. Различают несколько способов контактной сварки: стыковая, точечная, шовная.

Стыковая сварка. Стыковая сварка является разновидностью контактной сварки, при которой соединение осуществляется по всей поверхности соприкосновения свариваемого изделия.

При стыковой сварке детали 3 (рис. 4.10) закрепляют в зажи­мах (электродах) стыковой машины. Зажим 4 установлен на под­вижной плите 5, перемещающейся в направляющих станины. Зажим 2 укреплен на неподвижной плите 1. Вторичная обмотка сварочного трансформатора соединена с зажимами машины гибкими шинами 6. Питание трансформатора осуществляется от сети переменного тока через включающее устройство 7. Перемещение плиты и сжатие свариваемых деталей осуществляется механизмом осадки Р.

Рис. 4.10. Схема стыковой ма­шины

Стыковую сварку с разогревом кромок деталей до пластическо­го состояния называют сваркой сопротивлением, а при разогреве кромок деталей до оплавления — сваркой оплавлением.

При сварке сопротивлением детали, зажатые в электродах машины, сжимаются небольшим усилием, обеспечивающим образование физического контакта свариваемых поверхностей. Затем включается ток, металл разогревается до пластического состояния и производится осадка, сопровождающаяся пластически­ми деформациями и образованием активных центров взаимодейст­вия. В результате образуется соединение, характерное для процес­сов сварки в твердой фазе.

Сварку сопротивлением применяют для деталей малого сечения (диаметром до 20 мм), так как при сварке стержней большого диа­метра наблюдается их неравномерный нагрев по сечению.

При сварке сопротивлением требуется тщательная подготовка свариваемых поверхностей (шлифовка) с обеспечением плотного прилегания одной поверхности к другой.

Сварку оплавлением успешно используют для элементов с малым периметром (круг, квадрат) и элементов с большим перимет­ром (тонкостенные трубы, листы, угольники и т. д.).

При этом способе сварки различают сварку прерывис­тым и непрерывным оплавле­нием. При прерывистом оплавлении зажатые детали под то­ком приводятся в кратковре­менное соприкосновение и вновь разводятся на неболь­шое расстояние. При разведе­нии деталей между их торцами происходит электрический раз­ряд, сопровождающийся оп­лавлением торцов.

Замыкания и размыкания сварочной цепи повторяются до появ­ления на контактируемых поверхностях тонкого защитного слоя жидкого металла. Затем включается механизм осадки. Сварку прерывистым оплавлением используют в тех случаях, когда возникает необходимость в предварительном подогреве сва­риваемых деталей (для сплавов, склонных к закалке).

При непрерывном оплавлении происходит энергичный нагрев металла, непосредственно прилегающего к стыку. После образова­ния тонкого защитного слоя жидкого металла на торцах деталей благодаря непрерывному оплавлению и последующему сдавливанию происходит образование сварного соединения так же, как и при прерывистом оплавлении.

Способ не­прерывного оплавления удобен, главным образом, для массового производства однотипных деталей.

Сварка оплавлением имеет ряд преимуществ перед сваркой со­противлением: достигается более высокое качество соединения, поверхности деталей не требуют шлифовки; свариваются детали с сечением сложной формы, а также детали с различными сечения­ми; легко свариваются разнородные металлы (быстрорежущая и углеродистая сталь, медь и алюминий и т. п.).

Точечная сварка. При точечной сварке детали 1 (рис. 4.11) устанавливают внахлестку и сжимают усилием Р между двумя медными электродами 2.

Рис. 4.11. Схемы точечной сварки:

а — двухсторонней; б — односторонней

При протекании тока через медные электроды и свариваемые детали происходит очень быстрый нагрев металла деталей, заклю­ченного между электродами. При этом внутренние слои металла нагреваются быстрее наружных. Это объясняется тем, что контактное сопротивление между электродом и деталью меньше контакт­ного сопротивления между деталями. Кроме того, охлаждаемые водой медные электроды интенсивно отводят теплоту от места их контакта с деталью.

Обычно нагрев металла в месте контакта деталей 1 (рис. 4.12) зажатых электродами 2, заканчивается образованием ядра 3, металл которого находится в жидко-пластическом состоянии. После этого выключается ток и прекращается давление. За время паузы между выключением тока и снятием давления металл ядра затвердевает, образуя точечное сварное соединение.

Точечная сварка в зависимости от расположения электродов по отношению к свариваемым деталям может быть дву- и односторонней. При двусторонней сварке (рис. 4.11, а) две или три детали сжимают между электродами 2. При односторонней сварке ток (рис. 4.11, б) распределяется между верхним 1 и нижним 2 листами. При этом нагрев и образование ядра осуществляется только той частью тока, которая протекает через нижний лист. Для того чтобы увеличить ток, проходящий через нижний лист, применяют медную подкладку 3.

Рис. 4.12. Схема образования точечного

соединения

Односторонней точечной сваркой можно соединять детали одновременно в двух точках. Этот принцип положен в основу работ многоточечных машин.

Цикл сварки имеет четыре следующие стадии: сжатие свариваемых деталей между электродами; включение тока и разогрев ме­талла контакта между свариваемыми деталями (ядра) до жидко-пластического состояния; выключение тока и снятие усилия с электродов.

Точечную сварку применяют при изготовлении изделий из низ­коуглеродистых, углеродистых, низколегированных конструкцион­ных сталей, нержавеющих сталей, алюминия, меди и их сплавов. Толщина свариваемых металлов в среднем составляет 0,5…6 мм.

Для регулирования времени протекания тока используют меха­нические, электромагнитные и электронные прерыватели.

Шовная сварка. При шовной сварке (рис. 4.13) так же, как и при точечной сварке, листы 1 собирают внахлестку и зажимают между медными роликами 2 (электродами). При проте­кании тока по сварочной цепи и отсутствии вращения электрода образуется сварная точка. Однако, если роликам сообщить враща­тельное движение с одновременным пропусканием тока по сварочной цепи, то точка будет превращаться при этом в сплошной герметичный шов.

В сварочной практике находят применение два цикла шовной сварки: 1) с непрерывным и 2) с прерывистым протеканием тока.

Рис. 4.13. Схема шовной сварки

Цикл непрерывного протекания тока применяют для сварки изделия из низкоуглеродистой стали толщиной до 1 мм. Цикл прерывистого протекания тока имеет более высокую стабильность процесса и обеспечивает высокое качество сварного соединения при малой зоне термического влияния; его применяют для сварки нержавеющих сталей, алюминиевых и медных сплавов.

Шовную сварку используют в массовом производстве при изго­товлении различных сосудов. Толщина свариваемых листов в сред­нем может быть 0,3…3 мм.