Материаловедение и технология конструкционных материалов

Низкоуглеродистые и низколегированные стали сваривают­ ся без особых затруднений. Сварку ведут нормальным пламенем и, как правило, без флюсов. Расход горючего газа устанавлива­

Диаметр присадочной проволоки выбирается в зависимости от толщины свариваемого металла:

Для неответственных конструкций в качестве присадочного материала применяют сварочную проволоку Св-08 и Св-08А, при сварке ответственных конструкций — Св-08Г, Св-08ГА, Св-ЮГА и Св-14ГС.

При сварке меди возникает ряд трудностей, обусловленных ее физико-механическими свойствами. Медь склонна к окислению с образованием тугоплавких оксидов, поглощению газов расплав­ ленным металлом, обладает высокой теплопроводностью, большим коэффициентом линейного расширения при нагревании.

Склонность к окислению вызывает необходимость применения при сварке специальных флюсов, защищающих расплавленный металл от окисления и растворяющих образующиеся оксиды, переводя их в шлаки. Высокая теплопроводность требует при­ менения более мощного пламени, чем при сварке стали. Мощ­ ность пламени при сварке меди толщиной до 4 мм выбирают из расчета расхода 150...175 дм3/ч ацетилена на 1 мм толщины, при толщине до 8...10 мм — 175...225 дм3/ч.

Сварка проводится восстановительной зоной, расстояние от конца ядра до свариваемого металла — 3...6 мм. Применяется левый и правый способы сварки, но предпочтительнее правый способ с наклоном мундштука горелки к свариваемому изделию 40...50°, а присадочной проволоки — 30...40°. Свариваемые изде­ лия рекомендуется устанавливать под углом 10° к горизонтальной плоскости, сварка при этом ведется на подъем.

В качестве присадочного материала при сварке меди толщи­ ной до 5 мм применяют прутки из меди диаметром 1,5...3 мм, свыше 5 мм — медную проволоу диаметром более 5 мм, содер­ жащую 0,2...0,7 % фосфора или 0,2 % фосфора и 0,15...0,30 % кремния.

Электронно-лучевая сварка

Этот способ сварки основан на использовании для нагрева и расплавления свариваемых деталей энергии электронного луча.

Электронный луч представляет собой сжатый поток электронов, перемещающихся с большой скоростью от катода к аноду в силь­ ном электрическом поле. При соударении электронного потока с твердым телом более 99 % кинетической энергии электронов переходит в тепловую, которая расходуется на нагрев этого тела. Температура в месте соударения может достигать 5000...6000 °С.

В установках для электронно-лучевой сварки (рис. 19.29) про­ исходит эмиссия электронов на катоде 1 электронной пушки. Электроны формируются в пучок прикатодным электродом 2, расположенным непосредственно за катодом, и ускоряются под действием разности потенциалов между катодом и анодом 3, со­ ставляющей 20...150 кВ и выше. Затем они фокусируются в виде луча и направляются специальной отклоняющей магнитной си­ стемой 4 на обрабатываемое изделие 5. Фокусировкой достига­ ется высокая удельная мощность (от 5 до 105 кВт/м2 и выше). Ток электронного луча невелик (от нескольких миллиампер до единиц ампер).

Рис. 19.29. Схема установки (а) и «кинжальное» проплавление (б) при электронно-лучевой сварке (Flt F2 — сечения швов при дуговой

и электронно-лучевой сварке)

ду высокой концентрации энергии в пятне нагрева и высокого температурного градиента происходит преимущественное ис­ парение металла. Далее по мере нагрева металл плавится и об­ разуется сварочная ванна. Потоки паров, истекая в вакуум, силой реакции воздействуют на жидкий металл, вытесняя его из зоны нагрева. При этом оголяемые глубинные слои металла, восприни­ мая энергию электронов, плавятся, испаряются и вытесняются, пока не наступает динамическое равновесие всех сил, действую­ щих на жидкий металл. В результате в его толще образуется канал с большим отношением глубины к диаметру. Восприни­ мающая энергию электронного пучка боковая поверхность ка­ нала имеет площадь, во много раз превышающую сечение пучка. Канал устойчив, так как при заполнении хотя бы части его жид­ ким металлом резко увеличивается количество поглощаемой этим металлом энергии, он вскипает и испаряется.

Характерной особенностью электронно-лучевой сварки при высокой мощности являются большие скорости переноса жид­ кого металла из зоны плавления в зону кристаллизации. В верхней части сварочной ванны жидкий металл выносится на поверх­ ность свариваемого изделия и образует усиление, площадь попе­ речного сечения которого достигает 10...15 % общей площади поперечного сечения сварочной ванны. Электронно-лучевой сварке толстого металла присущи колебания глубины проплав­ ления, но при правильной фокусировке и стабильных парамет­ рах пучка они не превышают 5 % общей глубины проплавления.

Применение электронно-лучевой сварки при изготовлении изделий из тугоплавких и химически активных материалов (Mo, W, Nb, Та и др.) позволяет получить сварные соединения с узкой зоной термического влияния и малыми деформациями без обогащения металла шва вредными примесями. При сварке высокотеплопроводных материалов (меди, алюминия и их спла­ вов) обеспечиваются высокий термический коэффициент плав­ ления и возможность получения узких и глубоких швов при сравнительно малой мощности электронных пучков. При свар­ ке изделий из сталей обеспечивается большая глубина проплав­ ления и, следовательно, высокая производительность процесса при изготовлении конструкций из толстостенных заготовок.

Для электронно-лучевой сварки характерны как обычные типы соединений, так и принципиально новые. Общее требование ко всем типам соединений — точная сборка деталей перед сваркой.

Обычно отклонение оси пучка электронов от сварного стыка в процессе сварки не должно превышать 0,2...0,3 мм. При тол­ щине свариваемых пластин до 5 мм допустимая величина зазо­ ра, как правило, не превышает 0,05...0,07-мм. При увеличении толщины пластин до 20 мм допустимая величина зазора возрас­ тает до 0,1 мм, но не более.

19.10. Лазерная сварка

В последнее время в сварочной практике находят применение оптические квантовые генераторы (ОКГ), так называемые лазе­ ры. При лазерной сварке нагрев и плавление металла осуществ­ ляются мощным световым лучом, получаемым от специальных твердых или газовых излучателей. Для управления сформиро­ ванным излучателем лучом служат специальные оптические си­ стемы. Вакуум при сварке лазером не нужен, и сварка может осуществляться на воздухе даже на значительном расстоянии от генератора.

Лазерная сварка вследствие высоких значений плотности те­ пловой мощности в облучаемой зоне характеризуется высокой локальностью нагрева. Она позволяет сваривать металлы с раз­ личными теплофизическими характеристиками, в труднодоступ­ ных местах, поскольку это бесконтактный способ сварки, а также в любой прозрачной для данного излучения атмосфере или среде. В настоящее время для данной сварки применяются импульс­ ные твердотельные лазеры и газовые лазеры непрерывного дей­ ствия.

Принципиальная схема импульсной сварочной установки по­ казана на рис. 19.31. Стержень активного материала 4 (напри­ мер, рубина) и импульсная лампа накачки 3 размещены в по­ лости осветителя 2. Электрическая энергия источника питания 1 преобразуется лампой накачки в световую энергию. Под воздей­ ствием света активный материал переходит в состояние, в котором он способен усиливать и генерировать свет определенной длины волны. Чтобы улучшить условия генерации, стержень активно­ го вещества помещают между двумя зеркалами, очень точно отъюстированными по отношению к стержню. Эти два зеркала и стержень активной среды образуют резонатор. Для вывода из­

лучения из полости резонатора одно из зеркал делают частично прозрачным. Вышедший из резонатора пучок 5 собирается лин­ зой 6, и в плоскости, где размеры пучка наименьшие, а плот­ ность мощности наиболее высокая, располагают свариваемые детали 7.

Рис. 19.31. Схема установки для лазерной сварки

Режим импульсной лазерной сварки определяется вводимой в свариваемые детали энергией лазерного излучения, длительно­ стью импульса и радиусом светового пятна на облучаемой поверх­ ности свариваемых деталей.

При сварке стыковых соединений возможны три технологи­ ческие схемы нагрева:

1)фокусировка пятна нагрева на стык соединения — приме­ няется при сходных теплофизических свойствах свариваемых металлов. В результате получается практически симметричный сварной шов;

2)смещение пятна нагрева в сторону более тугоплавкого ме­ талла — применяется в том случае, когда один из свариваемых металлов значительно более тугоплавкий. При этом происходит преимущественный нагрев и плавление более тугоплавкого ме­

талла. Плавление менее тугоплавкого металла осуществляется за счет теплоты, передаваемой его кромке от расплава;

3) сварка с преимущественным нагревом менее тугоплавкого металла. В этом случае сварное соединение образуется в резуль­ тате процесса сварки-пайки.

Импульсная лазерная сварка стыковых соединений требует тщательной подгонки кромок свариваемых деталей.

Импульсные твердотельные лазеры применяют для сварки де­ талей в микроэлектронике и приборостроении, где важно полу­ чать малоразмерные швы с минимальным разогревом окружающе­ го зону сварки материала. Сварка может вестись как отдельными точками, так и герметичными швами при последовательном на­ ложении точек с их перекрытием.

Мощные газовые лазеры позволяют проплавлять за один про­ ход, как и при электронно-лучевой сварке, значительные тол­ щины.

Так же как и электронно-лучевая сварка, сварка лазером дает узкий шов «кинжального» типа с малыми деформациями свари­ ваемых деталей, что позволяет применять этот способ для соеди­ нения окончательно обрабатываемых узлов и деталей-

Лазерную сварку можно с успехом применять для получения различных типов сварных соединений из многих однородных и разнородных металлов.

ГЕСТ! Плазменная сварка

Сварка плазменной дугой находит все Ьолее широкое приме­ нение в различных отраслях техники.

По сравнению со сваркой в инертных газах в связи с более высо­ кой проплавляющей способностью плазменная сварка имеет сле­ дующие преимущества: повышенную производительность, мень­ шую зону термического влияния, более низкие деформации при сварке, пониженный расход защитных газов, более высокую ста­ бильность горения дуги и меньшую чувствительность качества шва к изменению длины дуги.

Для получения плазменной дуги служит устройство, называе­ мое плазмотроном. Существуют два типа плазмотронов — с дугой прямого (рис. 19.32, а) и косвенного (рис. 19.32, б) действия.

В плазмотронах прямого действия плазменная дуга возбуж­ дается между стержневым (как правило, вольфрамовым) электро­ дом 1, вмонтированным в газовую камеру 2, и свариваемым изде­ лием 4. Сопло 3 электрически нейтрально и служит для сжатия и стабилизации дуги.

Рис. 19.32. Схемы устройства плазмотронов:

а— с дугой прямого действия; б — с дугой косвенного действия

Вплазмотронах косвенного действия плазменная дуга воз­ буждается между электродом 1 и соплом 3.

Процесс возбуждения дуги непосредственно между электро­ дом и издедием осуществить очень трудно. В связи с этим снача­ ла возбуждается дуга между электродом и соплом (дежурная), а затем при касании ее факелом изделия происходит автоматиче­ ское зажигание основной дуги между электродом и изделием. Дежурная дуга обычно питается оттого же источника, что и ос­ новная, через токоограничивающее сопротивление.

Сжатие столба дуги происходит следующим образом: рабочий газ, проходящий через столб дуги, нагревается, ионизируется

ивыходит из сопла плазмотрона в виде плазменной струи. В ка­ честве плазмообразующих газов применяют азот, аргон, водо­ род, гелий, воздух и их смеси. Газ выбирают в зависимости от процесса обработки и вида обрабатываемого материала.

Плазменная струя дуги прямого действия имеет почти ци­ линдрическую форму, немного расширяющуюся у поверхности изделия. Плазменная дуга косвенного действия имеет форму ярко выраженного конуса с вершиной, обращенной к изделию

иокруженной факелом.

Слой газа, омывающий столб дуги снаружи, остается относи­ тельно холодным, образуя тепловую и электрическую изоляцию между плазменной дугой и каналом сопла. Плотность тока дуги в плазмотронах достигает 100 А/мм2, температура — 15 ООО...

30 ООО °С.

Плазменная струя, истекающая из плазмотрона с дугой пря­ мого действия, совмещена со столбом дуги в отличие от плазмо­ тронов с дугой косвенного действия и поэтому характеризуется более высокой температурой и тепловой мощностью.

Плазменная дуга может быть использована:

□при сварке тонколистового материала (менее 1 мм), вклю­ чая тугоплавкие металлы;

□сварке металлов с неметаллами;

□наплавке и нанесении покрытий путем расплавления элек­ тродной или дополнительно подаваемой в дугу присадочной про­ волоки;

□пайке, разделительной резке и поверхностной обработке

различных материалов.

Термическая резка

Получили распространение несколько способов термической резки металлов:

□газокислородная;

□кислородно-флюсовая;

□дуговая резка металлическим электродом;

□кислородно-дуговая;

□воздушно-дуговая;

а плазменно-дуговая.

Газокислородная резка заключается в сжигании металла в струе кислорода и удалении этой струей образующихся окси­ дов. При горении железа в кислороде выделяется значительное количество теплоты по реакции

3Fe + 202 = Fe30 4 + Q.

Для начала горения металл подогревают до температуры его воспламенения в кислороде (например, сталь до 1000... 1200 °С). Металл нагревается в начальной точке реза подогревающим