Технология конструкционных материалов

Минимальная скорость соударения, при которой создается доста­ точное для сварки давление в точке контакта, определяется по фор­

где dt, d2, — толщины свариваемых пластин; о т — предел текучести материала метаемой пластины.

Скорость соударения v0 зависит от скорости детонации D и угла соударения у:

v0 = 2D sin(y/2).

Скорость детонации для применяемых при сварке взрывом ВВле­ жит в пределах 2000...4500 м/с. Тогда скорость соударения v0 для ме­ таллических материалов составляет 200...700 м/с. При определении толщины заряда используют параметр г, который представляет отно­ шение половины массы ВВ к массе пластины:

РоЯр

М , ’

где р0 — плотность ВВ; # 0 —1/2 толщины заряда; dt — толщина метае­ мой пластины; р, — плотность пластин.

Для малых углов соударения (у = 3...120), которые применяются при сварке взрывом, давление в зоне соударения определяют из выра­ жения

Р = рУо>

где р, — плотность метаемой пластины; v0 — скорость соударения ме­ таемой пластины.

Для сварки металлических материалов г принимают 0,5...2. Давле­ ние за ударной волной для различных ВВ составляет 3...12 ГПа. Оно резко падает за счет разлета продуктов детонации. Для увеличения времени воздействия давления разлет продуктов детонации ограни­ чивают, располагая над зарядом преграду.

Метаемая пластина подвергается двойному изгибу и совместно

снеподвижной пластиной интенсивной пластической деформации

взоне соударения. Амплитуда волны в зоне соединения определяется

режимами сварки и пластичностью метаемого материала. Чем выше пластичностьметаемого материала, тем больший объем материала уча­ ствует в интенсивной пластической деформации в зоне соединения.

Сварка взрывом ведется без нагрева и с нагревом свариваемых за­ готовок. Режимы сварки определяются пластическими характеристи­ ками и гомологическими температурами свариваемых материалов. При сварке взрывом материалов с резко различающимися физико­ механическими свойствами тепловые процессы, протекающие в зоне соединения, играют определяющую роль. Повышение уровня внут­ ренней энергии и пластичности свариваемых материалов при нагреве приводит к увеличению объема материала, вовлекаемого в интен­ сивную пластическую деформацию в зоне соединения, что снижает плотность внутренней энергии в этой зоне, облегчает условия отвода тепла и позволяет расширитьдиапазон режимов качественной сварки материалов с различающимися физико-механическими свойствами. При сварке с нагревом заготовки размещаются в вакуумном контей­ нере, что предотвращает интенсивное окисление поверхности (для тугоплавких материалов). Процесс сварки взрывом с нагревом пол­ ностью автоматизирован.

Сварка труб взрывом осуществляется по схеме внутреннего и на­ ружного плакирования (рис. 20.7). Трубы устанавливают с зазором друг к другу. Заряд ВВ размещают соответственно внутри или снару­ жи метаемой трубы. При наличии в сварочном зазоре газа или воздуха в процессе сварки создается ударно-сжатый поток. Его взаимодейст­ вие со свариваемой поверхностью приводит к образованию на метае­ мой поверхности волнового профиля еще до соударения, что повы­ шает прочность соединения.

Более эффективно наружное плакирование, которое сопровожда­ ется объемной пластической деформацией метаемойтрубы и приводит к упрочнению материала. Если высокоскоростная деформация сталь­ ных труб происходит при сварке с нагревом выше температур фазовых превращений, то в структуре сталей наблюдается образование мартен­ сита деформации (как и при высокочастотной термомеханической об­ работке). Это приводит не только к повышению Прочности, но и к со­ хранению пластичности и вязкости материала. Для сварки взрывом с нагревом хрупких тугоплавких материалов (Cr, Mo, W) характерно формирование мелкозернистойячеистой структуры с высокими физи- ко-механическими свойствами.

Рис. 20.7. Схема внутреннего (а) и наружного (б) плакирования трубы взрывом:

1 —электродетонатор; 2 — взрывчатое вещество; 3— защитный элемент; 4 — плакируемаятруба; 5— плакирующаятруба; 6— сварочныйзазор; 7— оправка; 8— защитный слой; 9— матрица

Сваркой взрывом можно изготавливать волокнистые компози­ ционные материалы, размещая в сварочном зазоре упрочняющие элементы (волокна, высокопрочную проволоку); композиты из хи­ мически несовместимых компонентов, которые получить другими методами невозможно; панельные конструкции; полые обогревате­ ли; сотовые конструкции; слоистые трубы; биметаллический инст­ румент; слоистые мишени для распылительных систем; переходни­ ки из разнородных материалов и др.

Сварка взрывом позволяет не только соединять большие по разме­ рам поверхности листов, труб, заготовок и конструкций, осуществлять микросварку взрывом тонких фольг и элементов микроэлектроники, но и изготавливать биметаллические, слоистые, композиционные ма­ териалы с заданными свойствами (металл — стекло, керамика — ме­ талл и т. п.).

Сварку взрывом осуществляют в специальных камерах и на откры­ том пространстве. Она не требует сложного оборудования и может быть автоматизирована. Сварка взрывом является промежуточной операцией при прокатке, волочении, экструзии слоистых материалов.

Сварка взрывом не требует нагрева свариваемых частей и протекает независимо от площади соединения практически мгновенно, как это свойственно всем взрывным процессам, в течение миллионных долей секунды. Она позволяет получать монолитные соединения практиче­ ски неограниченной площади. При этом процесс сварки осуществля­ етсятемлегче, чем больше отношение площади соединения к толщине метаемой части металла.

20.6. Электронно-лучевая сварка

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

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

В установках для электронно-лучевой сварки (рис. 20.8) происхо­ дит эмиссия электронов на катоде 1электронной пушки. Электроны формируются в пучок прикатодным электродом 2, расположенным непосредственно за катодом, и ускоряются под действием разности потенциалов между катодом и анодом 3, составляющей 20... 150 кВ и выше. Затем они фокусируются в виде луча и направляются специ­ альной отклоняющей магнитной системой 4на обрабатываемое изде­ лие 5. Фокусировкой достигается высокая удельная мощность (от 5 до 105 кВт/м2 и выше). Ток электронного луча невелик (от несколь­ ких миллиампер до единиц ампер).

При перемещении заготовки под неподвижным лучом образуется сварной шов. Иногда при сварке перемещают сам луч вдоль неподвиж­ ных кромок с помощью отклоняющих систем. Отклоняющие системы используют также и для колебаний электронного луча поперек и вдоль шва, что позволяет регулироватьтепловое воздействие на металл. Про­ цесс сварки осуществляется в вакуумных камерах.

Параметрами процесса электронно-лучевой сварки являются ус­ коряющее напряжение f/ycK; сила тока пучка 1П;расстояние от пушки до изделия d и до плоскости фокусировки пучка Ь;скорость сварки vCB; глубина вакуума р. Изменяя перечисленные параметры процесса сварки, удается в широких пределахизменятьформусварочной ванны.

2 1

5

Рис. 20.8. Схемаустановки (о) и «кинжальное» проплавление (б) при электронно-лучевой сварке (F„ F2 —сечения швов при дуговой и электронно-лучевой сварке)

Сварку тонколистовых металлов (до 1...3 мм) обычно выполняют расфокусированным пучком электронов при небольших значениях удельной мощности в пятне нагрева (рис. 20.9, а). По термодеформа­ ционному циклу такая сварка почти не отличается от аргонно-дуго- вой сварки неплавящимся электродом.

При сварке толстолистовых металлов (рис. 20.9, б) используют острофокусные пучки электронов. Процесс сварки толстолистового металла состоит из следующих этапов. Вначале ввиду высокой кон­ центрации энергии в пятне нагрева и высокого температурного гра­ диента происходит преимущественное испарение металла. Далее по мере нагрева металл плавится и образуется сварочная ванна. Потоки паров, истекая в вакуум, силой реакции воздействуют на жидкий ме­ талл, вытесняя его из зоны нагрева. При этом оголяемые глубинные слои металла, воспринимая энергию электронов, плавятся, испаря­ ются и вытесняются, пока не наступает динамическое равновесие всех сил, действующих на жидкий металл. В результате в его толще образуется канал с большим отношением глубины к диаметру. Вос­ принимающая энергию электронного пучка боковая поверхность канала имеет площадь, во много раз превышающую сечение пучка. Канал устойчив, так как при заполнении хотя бы части его жидким металлом резко увеличивается количество поглощаемой этим ме­ таллом энергии, он вскипает и испаряется.

Рис. 20.9. Схема электронно-лучевой сварки металлов малой (а) и большой (б) толщины:

1—направление испарения металла; 2—пучокэлектронов; 3— направление выноса металла в верхней части сварочной ванны; 4 — фронт кристаллиза­ ции; 5—направление перемещения изделия; б— поперечнаяусадка металла сварного шва

Характерной особенностью электронно-лучевой сварки при вы­ сокой мощности являются большие скорости переноса жидкого ме­ талла из зоны плавления в зону кристаллизации. В верхней части сварочной ванны жидкий металл выносится на поверхность свари­ ваемого изделия и образует усиление, площадь поперечного сечения которого достигает 10... 15 % общей площади поперечного сечения сварочной ванны. Электронно-лучевой сварке толстого металла при­ сущи колебания глубины проплавления, но при правильной фоку­ сировке и стабильных параметрах пучка они не превышают 5 % об­ щей глубины проплавления.

Применение электронно-лучевой сварки при изготовлении изде­ лий из тугоплавких и химически активных материалов (Mo, W, Nb, Та и др.) позволяет получить сварные соединения с узкой зоной терми­ ческого влияния и малыми деформациями без обогащения металла шва вредными примесями. При сварке высокотеплопроводных мате­ риалов (меди, алюминия и их сплавов) обеспечиваются высокий тер­ мический коэффициент плавления и возможность получения узких и глубоких швов при сравнительно малой мощности электронных пуч­ ков. При сварке изделий из сталей обеспечивается большая глубина проплавления и, следовательно, высокая производительность про­ цесса 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 свар­ ки не должно превышать 0,2...0,3 мм. При толщине свариваемых пла­ стин до 5 мм допустимая величина зазора, как правило, не превышает 0,05...0,07 мм. При увеличении толщины пластин до 20 мм допусти­ мая величина зазора возрастаетдо 0,1 мм, но не более.

20.7. Лазерная сварка

В последнее время в сварочной практике находят применение опти­ ческие квантовые генераторы (ОКГ), так называемые лазеры. При ла­ зерной сварке нагрев и плавление металла осуществляются мощным световым лучом, получаемым от специальных твердых или газовых излучателей. Для управления сформированным излучателем лучом служат специальные оптические системы. Вакуум при сварке лазером не нужен, и сварка может осуществляться на воздухе даже на значи­ тельном расстоянии от генератора.

Лазерная сварка вследствие высоких значений плотности тепловой мощности в облучаемой зоне характеризуется высокой локальностью нагрева. Она позволяет сваривать металлы с различными теплофизи­ ческими характеристиками, в труднодоступных местах, поскольку это бесконтактный способ сварки, а также влюбой прозрачной для данно­ го излучения атмосфере или среде. В настоящее время для данной сварки применяются импульсные твердотельные лазеры и газовые ла­ зеры непрерывного действия.

Принципиальная схема импульсной сварочной установки показа­ на на рис. 20.10. Стержень активного материала 4 (например, рубина) и импульсная лампа накачки 3 размещены в полости осветителя 2. Электрическая энергия источника питания 1 преобразуется лампой накачки в световую энергию. Под воздействием света активный мате­ риал переходит в состояние, в котором он способен усиливать и гене­ рировать свет определенной длины волны. Чтобы улучшить условия генерации, стержень активного вещества помещают междудвумя зер­ калами, очень точно отъюстированными по отношению к стержню. Эти два зеркала и стержень активной среды образуют резонатор. Для вывода излучения из полости резонатора одно из зеркал делают час­

тично прозрачным. Вышедший из резонатора пучок 5 собирается линзой 6, ив плоскости, где размеры пучка наименьшие, а плотность мощности наиболее высокая, располагают свариваемые детали 7.

Рис. 20.10. Схемаустановкидля лазерной сварки

Режим импульсной лазерной сварки определяется вводимой в сва­ риваемые детали энергией лазерного излучения, длительностью им­ пульса и радиусом светового пятна на облучаемой поверхности свари­ ваемых деталей.

При сварке стыковых соединений возможны три технологические схемы нагрева:

1)фокусировка пятна нагрева на стык соединения — применяется при сходных теплофизических свойствах свариваемых металлов. В ре­ зультате получается практически симметричный сварной шов;

2)смещение пятна нагрева в сторону более тугоплавкого метал­

ла — применяется в том случае, когда один из свариваемых металлов значительно более тугоплавкий. При этом происходит преимущест­ венный нагрев и плавление более тугоплавкого металла. Плавление менее тугоплавкого металла осуществляется за счет теплоты, переда­ ваемой его кромке от расплава;

3) сварка с преимущественным нагревом менее тугоплавкого ме­ талла. В этом случае сварное соединение образуется в результате про­ цесса сварки-пайки.

Импульсная лазерная сварка стыковых соединений требует тща­ тельной подгонки кромок свариваемых деталей.

Импульсные твердотельные лазеры применяют для сварки деталей в микроэлектронике и приборостроении, где важно получать малораз­ мерные швы с минимальным разогревом окружающего зону сварки материала. Сварка может вестись как отдельными точками, так и гер­ метичными швами при последовательном наложении точек с их пере­ крытием.

Мощные газовые лазеры позволяют проплавлять за один проход, как и при электронно-лучевой сварке, значительные толщины.

Так же как и электронно-лучевая сварка, сварка лазером дает уз­ кий шов «кинжального» типа с малыми деформациями свариваемых деталей, что позволяет применять этот способ для соединения окон­ чательно обрабатываемых узлов и деталей.

Лазерную сварку можно с успехом применять для получения раз­ личных типов сварных соединений из многих однородных и разно­ родных металлов.

20.8. Плазменная сварка

Сварка плазменной дугой находит все более широкое применение в различных отраслях техники.

По сравнению со сваркой в инертных газах в связи с более высокой проплавляющей способностью плазменная сварка имеет следующие преимущества: повышенную производительность, меньшую зону тер­ мического влияния, более низкие деформации при сварке, понижен­ ный расход защитных газов, более высокую стабильность горения дуги и меньшую чувствительность качества шва к изменению длины дуги.

Для получения плазменной дуги служит устройство, называемое плазмотроном. Существуетдва типа плазмотронов — с дугой прямого (рис. 20.11, а) и косвенного (рис. 20.11, б) действия .

Вплазмотронахпрямого действия плазменнаядуга возбуждается ме­ жду стержневым (как правило, вольфрамовым) электродом 7, вмонти­ рованным в газовую камеру 2, и свариваемым изделием 4. Сопло 3 электрически нейтрально и служит для сжатия и стабилизации дуги.

Вплазмотронахкосвенногодействия плазменная дуга возбуждается между электродом 7 и соплом 3.

Процесс возбуждения дуги непосредственно между электродом и изделием осуществить очень трудно. В связи с этим сначала возбуж­