11-12-2012_09-23-52 / 12 опимезация св-конст

Производство сварных конструкций глава 11

Электроннолучевая сварка

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) в вакууме применяется для сварки специальных сталей, тугоплавких и химически активных металлов, например, тантала, циркония, молибдена и др. Целесообразно использование ее для сварки титановых и алюминиевых сплавав, а также для соединения разнородных металлов.

Вследствие значительной концентрации энергии в пучке швы получаются с минимальной зоной расплавленного металла и большой глубиной проплавления. Электронным пучком можно сваривать изделия без разделки кромок толщиной от 0,2 до 200 мм и более за один проход и как правило без присадки. Сварка электронным пучком расширяет область использования сварных соединений с прорезными швами и позволяет сваривать конструкции, в которых есть элементы, недоступные для сварки другими способами.

Источником нагрева служит сфокусированный поток электронов, который формируется электронно-лучевой пушкой, состоящей из катода, управляющего электрода, анода и электромагнитной фокусирующей системы (рис.11.23). Электроны ускоренные электроннолучевой пушкой обладают большой кинетической энергией, которая в результате торможения в металле превращается в значительное количество тепла.

Сварка осуществляется в вакууме 10^-1 – 10^-5мм рт. ст. в специальных камерах. Вакуум позволяет сваривать химически активные материалы и сохранять траекторию движения электронов без значительного рассеивания электронного пучка. Процесс ЭЛС обеспечивает высокий эффективный КПД процесса (0,85...0,95). Производительность процесса ЭЛС в 1,5 – 2 раза выше, чем при дуговой сварке.

Электронный пучок практически безинерционен, что позволяет производить его модуляцию как по величине тока, так и по траектории движения по поверхности изделия. При прямоугольных или синусоидальных поперечные колебания или круговой развертке (синусоидальные колебания в двух взаимно перпендикулярных координатах) в широком диапазоне частот (10 – 1000 Гц) с амплитудой колебаний 0,5...5,0 мм достигается распределение тепловой энергии при сварке металла. Это позволяет избежать характерных для ЭЛС дефектов, к которым относятся корневые дефекты, несплавления кромок, поры в корне шва, подрезы и др.

Основным недостатком процесса ЭЛС являются высокая стоимость оборудования. Применение современных систем слежения за процессом ЭЛС позволяют снизить до минимума наличие других недостатков процесса, полностью автоматизировать процесс, обеспечить стабильность и повторяемость параметров сварки, а следовательно обеспечить качество сварной конструкции.

Лазерная сварка и резка.

Особенностью лазерной сварки является получение плотности энергии в месте сварки того же порядка, что и при использовании электронного пучка с образованием узкого и глубокого проплавления, и с малой величиной остаточных деформация.

Лазер представляет собой оптический квантовый генератор, создающий когерентное излучение определенной длины волны. По виду активного вещества излучателя лазеры разделяют на твердотельные и газовые, работающие в импульсном режиме и режиме постоянного излучения.

В современных твердотельных лазерных сварочных установках (рис.11.24,а) в качестве активного элемента может использоваться монокристалл рубина, стекло с примесью неодима или других редкоземельных элементов; эти лазеры работают в импульсном режиме излучения. В качестве генератора возбуждения здесь использована газоразрядная лампа.

Твердотельные лазеры имеют довольно низкий КПД, и их применение для обработки металлов сильно ограничено.

Для технологических целей используются в основном газовые лазеры (рис. 11.24, б) с непрерывным излучением. Их КПД может быть на порядок больше (выше 30%), мощность их достигает 25 кВт и более. Активный элемент такого лазера может представлять углекислый газ с добавками азота и гелия; эта среда возбуждается стационарным тлеющим разрядом. Плотность энергии в пятне нагрева (его диаметр в зависимости от фокусировки луча может быть 0,1...1,5 мм) достаточно высока (до 10¹⁰ Вт/см²).

Лазерным лучом можно сваривать различные композиции металлов: золото - кремнии, германий - золото, никель - тантал, медь - алюминий и др. Сварку металлов можно веста на воздухе, в инертной атмосфере и в вакууме через прозрачные оболочки. Возможность точной дозировки энергии делает этот метод пригодным для сварки микросоединений различных изделий в радиоэлектронной промышленности.

В машиностроении использование газовых лазеров непрерывного действия позволяет сваривать материалы толщиной до 15 мм.

Электрошлаковая сварка

Электрошлаковая сварка (ЭШС) основан на расплавления металла теплотой, выделяемой при прохождении тока через расплавленный шлак. Свариваемые детали с определенным зазором устанавливаются вертикально (рис. 11.25).

Автомат передвигается по поверхности листа по специальной зубчатой рейке, установленной рядом с выполняемым швом. Шов формируется между торцами листов в зазоре, с обеих сторон закрытом неподвижной подкладкой и водоохлаждаемым ползуном. Процесс начинается как дуговой на подкладной планке при неподвижной дуге. По мере наведения шлаковой ванны дуга гаснет (шунтируется), и процесс расплавления идет за счет теплоты, выделяемой при протекании тока через расплавленный шлак.

Теплота равномерно распределяется по объему сварочной ванны и приводит к оплавлению кромок и расплавлению электродной проволоки. Такое распределение теплоты особенно благоприятно при сварке больших толщин, что позволяет за один проход сваривать элементы различных конструкций толщиной 100 мм и более. Преимуществом процесса является высокая производительность, сравнительная простота, возможность автоматизации. В качестве электрода применяют проволочные системы (одна или несколько проволок), электродные пластины или плавящиеся мундштуки. Выбор системы и конструкции автомата диктует толщина и форма свариваемых кромок.

Методика расчета производственных расходов

Разработка технологического процесса сварки требует определения количества расходных материалов, нормирование времени на выполнение основных и вспомогательных операций.

Расход материалов, амортизация производственного, оборудования и трудозатраты при изготовлении сварных конструкций непосредственно влияют на себестоимость конструкции. Естественно всякое производство подчиняется законам экономии. Снижение производственных расходов снижает себестоимость продукции и даёт возможность не только повысить прибыль предприятия, но и снизить цену продукции.

Определение количества расходных материалов:

1. Материалы, расходуемые при основном процессе сварки:

• Плавящиеся (штучные) электроды.

• Сварочная проволока.

• Неплавящиеся (вольфрамовые) электроды.

• Защитные флюсы.

• Защитные газы.

• Электроэнергия.

• Вода.

2. Материалы, расходуемые при подготовительных операциях к сварке конструкций:

• Режущий и абразивный инструмент при механической и газы при газопламенной подготовке свариваемых кромок.

• Жидкости, кисти и ткань при очистке, обезжиривании и обезвоживании поверхностей свариваемых кромок.

3. Материалы, расходуемые при выполнении контрольных проверок и испытаниях готовой продукции:

• Рентгеновская пленка.

• Растворы для капиллярного контроля.

• Образцы свидетели для металлографических исследований и испытаний на разрыв для определения механических свойств металла сварного соединения.

Для обеспечения сварного соединения практически всегда необходимо введение некоторого количества присадочного металла либо в процессе сварки, либо при выполнении отделочных проходов. Это количество присадочного металла зависит формы разделки свариваемых кромок, наличия зазора, наличие усиления шва.

Площадь сечения сварного соединения состоит из зоны расплавленного основного металла и зоны наплавленного металла (Рис. 11.26).

Рис.11.26. К расчету количества присадочного металла при сварке без разделки кромок.

Также можно представить Х, V, К, U - образную разделку кромок(Рис. 11.27).

При расчете расхода присадочного металла вычисляется площадь разделки или зазора и площадь усиления шва

F_н = F_1-1 + F_1-2 + F₂ + F₃

При сварке угловых соединений площадь наплавленной зоны определяется по заданному катету:

F_н = k²/2

Объем наплавленного металла зависит от длины шва:

V_н = F_н 

Вес наплавленного металла:

P_н = V_н 

Однако при расчете необходимого количества присадочного металла нужно учитывать следующие факторы:

• разбрызгивание металла при сварке. Этот фактор зависит от типа электродов метода сварки, приемов сварки, режимов сварки и т.п. Меньшее количество разбрызгивания металла можно наблюдать при автоматической сварке под флюсом, при сварке погруженной дугой или при «щелевой» сварке;

• остатков плавящихся электродов (огарков);

• при автоматической сварке некоторое количество присадочной проволоки остается в бухте или кассетах, концевые отходы при заправке в автомат, отходы при перегибах, расходуются на сварку выводных планок.

При сварке неплавящимся электродом наблюдаются потери вольфрама при переточке вольфрамового электрода и в виде огарков длинной менее 40 мм при ручной сварке и менее 100 мм при автоматической.

Коэффициенты расхода присадочного материала на 1 кг наплавленного металла колеблется в пределах 1,05 – 1,10. При этом коэффициент расхода вольфрама составляет 0,02.

Расход инертного газа в зависимости от толщины свариваемых листов и диаметра проволоки составляет в среднем 18 м³/кг. В случае сварки с поддувом обратной стороны расход газа может увеличиваться в 2 – 2,5 раза.

При сварке под флюсом только примерно 30% его превращается в шлак остальное можно использовать повторно.

При расчете общего количества сварочных материалов на изготовление конструкции необходимо также учитывать расход материалов на выполнение:

• Прихваток.

• Отделки швов.

• Исправления дефектов сварных швов (10% - проволока и 20% инертный газ).

• Дополнительные работы – подбор режимов (1%), сварка выводных планок (1%), подготовка и аттестация сварщиков (20 – 40 кг проволоки и 50 – 80 кг металла на одного сварщика).

Ориентировочные значения расхода сварочных материалов при аргонодуговой прихватке деталей титановых конструкций представлены в таблице 12.10.

Таблица 12.10. Ориентировочные значения расхода сварочных материалов при аргонодуговой прихватке

Толщина свариваемого металла, мм	Расход на прихватку 100 м сварных соединений
	Проволока, кг	Вольфрам, кг	Аргон, м3
10 – 15	5,1	0,066	35
25 – 35	7,7	0,1	54
35 - 130	10	0,18	100

Оптимальный выбор способа и метода сварки, применение автоматизации и механизации процесса, использование современного сварочного оборудования и энергосберегающих технологий позволяют повысить эффективность сварочного производства.

9