98. Дуговая сварка в защитных газах

Сварка в защитных газах включает в себя группу способов сварки, для которых защита расплавленного металла от атмосферы осуществляется путём подачи в зону горения дуги через сварочную горелку газа, вытесняющего из этой зоны воздух. Способы сварки в защитных газах отличаются друг от друга видом применяемого газа, а также схемами процесса. Наиболее распространены две схемы – сварка плавящимся и сварка неплавящимся электродом. В качестве защитного могут использоваться активные газы – СО2 и смесь СО2 + О2, инертные газы Ar, He, а также смеси инертных и активных газов Ar + СО2; Ar + СО2 + О2; Ar + О2. Сварка неплавящимся электродом производится только в инертных газах. Это объясняется быстрым окислением и низкой стойкостью неплавящегося электрода в активных газах.

Качество защиты нагретого и расплавленного металла при сварке зависит не только от вида защитного газа, но и от способа защиты. В производстве сварных конструкций находят применение три основных способа защиты свариваемого узла или зоны сварки от взаимодействия с воздухом: общая защита, местная защита и струйная защита.

При общей защите свариваемый узел полностью помещают в камеру, которая затем вакуумируется и заполняется защитным газом. При работе сварщик находится вне камеры.

Как правило, вытекающая из сопла горелки сплошная струя защитного газа симметрична оси электрода. Выходящая из сопла горелки струя защитного газа смешивается с окружающим его воздухом, в результате чего зона чистого защитного газа исходного состава (ядро) представляет собой сужающийся конус, к которому примыкает периферийная зона с промежуточным составом газа.

Защитные свойства газовой струи зависят от теплофизических свойств газа и параметров его истечения. С увеличением плотности защитного газа повышается устойчивость его струи, что затрудняет ее «сдувание» внешними потоками воздуха или других газов.

Сварка в инертных газах производится неплавящимся вольфрамовым электродом или плавящимся электродом, по химическому составу близким к составу свариваемого материала, она может осуществляться вручную, полуавтоматически и автоматически.

Этот вид сварки удобен для выполнения соединений в любых пространственных положениях, легко поддается механизации, позволяет наблюдать за сварочной ванной в процессе работы, имеет довольно высокую производительность, достигающую при ручной сварке 40-50 м/ч, а при автоматической 200 м/ч.

В производстве сварных конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей широкое применение находит полуавтоматическая, меньше – автоматическая сварка в углекислом газе. Сущность сварки в среде CO2 состоит в том, что дуга горит в среде защитного газа, оттесняющего воздух от зоны сварки и защищающего расплавленный металл от кислорода и азота воздуха

99. Принцип устройства лазеров. Особенности технологи сварки.

При лазерной сварке в качестве источника тепла используется интенсивный остронаправленный пучок света, излучаемый оптическим квантовым генератором.

В основу принципа работы оптического 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 испустить фотон под воздействием внешнего фотона ("падающей волны"), энергия которого в точности равна энергии фотона, испускаемого 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.

Принцип работы оптического квантового генератора целесообразно рассмотреть на примере лазера, использующего рубин в качестве излучателя. Рубин - это окись алюминия, в которой небольшое число атомов алюминия замещено атомами хрома. Обычно в квантовых генераторах используют бледно-розовый рубин, содержащий 0,05 % хрома.

Используемый в лазере розовый кристалл рубина обрабатывается в виде стержня. Его торцы полируют до получения оптически плоской поверхности, затем их подвергают серебрению для получения отражающих поверхностей. Выходной конец кристалла является полупрозрачным. Рубиновый стерженек помещают вблизи электронной лампы вспышки, служащей источником широкополосного света для оптической накачки. В квантовом генераторе на кристалле рубина атомы хрома, находящиеся в исходном состоянии (1), поглощают фотоны и переходят на один из расположенных выше уровней (2). Часть энергии они передают кристаллической решетке, вызывая повышение температуры, и переходят при этом на метастабильный уровень (3).

Затем под действием индуцирующих фотонов, испускаемых другими атомами хрома, они излучают фотоны характеристической длины волны, возвращаясь опять в исходное состояние.

При освещении лампой (вспышками) рубинового стержня большинство атомов хрома переводится в возбужденное состояние. При спонтанном испускании возбужденным атомом фотона параллельно оси кристалла фотон побуждает другой возбужденный атом испустить второй фотон (индуцированный). Этот процесс продолжается лавинообразно, поскольку фотоны, отражаясь от торцов кристалла, движутся по кристаллу в осевом направлении. Интенсивность пучка растет в результате многократного отражения от обоих торцов стержня. В этом случае, если интенсивность света от импульсной лампы превысит некоторый критический уровень, начинает появляться эффект квантового усиления, и тогда с полупрозрачного торца в течение тысячных долей секунды выбрасывается интенсивный поток фотонов. Выходной пучок является узконаправленным, мощным, монохроматическим и когерентным.

Излучение является узконаправленным вследствие того, что испускаются волны, лишь многократно отраженные и не испытавшие сколько-нибудь существенного отклонения от оси рубина. Излучение является мощным, так как индуцированное излучение возбужденных атомов происходит гораздо раньше, чем произошло бы спонтанное излучение.

Преимущества лазерной сварки: Возможность получения швов с минимальным расплавлением металла и, как следствие, минимальными остаточными напряжениями и деформациями в конструкциях. Кроме того, при этом удается достичь минимума отрицательного воздействия на структуру и свойства зоны термического влияния соединения. Возможность сварки вне вакуума, через прозрачные среды, в труднодоступных местах.

Недостатки лазерной сварки: Относительно низкий КПД лазерных установок. Значительно меньшие мощность и возможность сварки металлов больших толщин по сравнению с ЭЛС.

Особенности технологии лазерной сварки связаны, в основном, с необходимостью снизить отражение луча от поверхности свариваемого металла, исключить выброс металла из сварочной ванны под воздействием паров интенсивно испаряющегося металла и выделяющихся из него газов, при сварке больших толщин металлов - с необходимостью защиты сварочной ванны от взаимодействия с воздухом.