Газовая сварка и резка металлов.

Электрошлаковая сварка.

 

Электрошлаковая сварка

E-mail

Главной особенностью электрошлаковой сварки (ЭШС) является принципиальное различие процесса электрошлаковой сварки в его начале и дальнейшем протекании, когда сварочная цепь электрического тока проходит по электроду, жидкому шлаку и основному металлу, обеспечивая расплавление основного и присадочного металлов, а также постоянно поступающего в ванну специального флюса. Ванна расплавленного шлака за счет меньшей, чем у расплавленного металла плотности, постоянно находясь в верхней части расплава, исключает воздействие окружающего воздуха на жидкий металл и очищает капли электродного металла, проходящие через шлак, от вредных примесей.

Разработано несколько способов электрошлаковой сварки (рис. XII.1). Наибольшее практическое применение имеет электрошлаковая сварка проволочным электродом (одним или несколькими) с колебаниями или без колебаний, пластинчатым электродом большого сечения, плавящимся мундштуком.

Схема процесса и разновидности электрошлаковой сварки

XII.1. Схема процесса и разновидности электрошлаковой сварки

а — одним проволочным электродом с неподвижной осью или с колебанием электрода; б — двумя проволочными электродами с их колебанием; в — пластинчатыми электродами; г — плавящимся мундштуком; 1 — свариваемая деталь; 2 — ванна расплавленного шлака; 3 — электрод; 4 — расплавленные электродный и основной металлы; 5 — сварной шов; 6 — пластинчатый электрод; 7 — мундштук; 8 — медные пластины

Электрошлаковая сварка имеет следующие технико-экономические достоинства: высокую устойчивость процесса, мало зависящую от рода тока, и нечувствительность (благодаря тепловой энергии шлаковой ванны) к кратковременным изменениям тока и даже его прерыванию; электрошлаковый процесс устойчив при плотностях тока 0,2—300 А/мм2 и возможен при использовании проволочных электродов диаметром 1,6 мм и менее и пластинчатых электродов сечением 400 мм2 и более;

высокую производительность. По скорости плавления присадочного металла электрошлаковая сварка вне конкуренции. Она позволяет допускать нагрузку на электрод до 10 000 А;

высокую экономичность процесса. На плавление равных количеств электродного металла при ЭШС затрачивается на 15—20% меньше электроэнергии, чем при дуговой сварке. Расход флюса меньше, чем при дуговой сварке, в 10—20 раз и составляет около 5% расхода электродной проволоки;

 

отсутствие необходимости в специальной подготовке кромок свариваемых деталей и малую чувствительность их к качеству обработки;

 

высокое качество защиты сварочной ванны от воздуха;

 

недефицитность и сравнительно низкую стоимость сварочных материалов;

 

возможность получения за один проход сварных соединений теоретически любой толщины.

 

Недостатками электрошлаковой сварки являются:

 

производство сварки только в вертикальном или в близком к вертикальному положению (отклонение от вертикали не более 30°) свариваемых плоскостей;

недопустимость остановки электрошлакового процесса до окончания сварки. В случае вынужденной остановки в сварном шве возникает дефект. В таком случае сварной шов подвергают ремонту или полностью удаляют и вновь заваривают;

крупнозернистая структура в металле шва и зоне термического влияния и связанная с этим низкая ударная вязкость металла сварного соединения при отрицательных температурах;

необходимость изготовления и установки перед сваркой технологических деталей (планки, «стартовые карманы», формирующие устройства и др.).

Электрошлаковая сварка применяется при сварке прямолинейных, криволинейных и кольцевых швов. Минимальная толщина деталей, образующих стыковое соединение при ЭШС без технологических затруднений, находится в пределах 25—30 мм. Экономически целесообразнее использовать ЭШС при изготовлении толстостенных конструкций, а также при изготовлении конструкций из низко- и среднеуглеродистых, низко-, средне- и высоколегированных сталей, чугуна и цветных металлов (алюминия, титана). Кроме того, ЭШС применяют для наплавки различных сплавов на низкоуглеродистые и низколегированные стали.

 

Электрошлаковой сваркой могут быть выполнены стыковые, угловые и тавровые соединения с конфигурацией шва: прямолинейной, кольцевой, переменного сечения, переменной кривизны.

 

Самым распространенным и простым с точки зрения техники сварки является стыковое соединение. Угловые и тавровые соединения встречаются реже, поскольку по технологическим или конструктивным соображениям их заменяют стыковыми соединениями.

 

Подготовка деталей к сборке и сварке

Пригодность деталей к ЭШС в основном определяется чистотой обработки торцевых поверхностей свариваемых кромок и состоянием боковых поверхностей кромок, по которым будут перемещаться устройства, формирующие шов.

 

Для сварки металла толщиной до 200 мм торцевые поверхности кромок подготовляют газорезательными машинами. Величина отдельных гребешков и выхватов не должна превышать 2—3 мм, а максимальное отклонение от прямоугольности реза должна быть не более 4 мм. При толщинах металла свыше 200 мм, а также для кольцевых швов и деталей из легированных сталей в большинстве случаев применяют механическую обработку.

 

Боковые поверхности деталей, выполненных из проката, обычно зачищают от ржавчины и окалины наждачными кругами. Боковые поверхности литых и кованых деталей подвергают механической обработке на ширину 60—80 мм от торца кромки с чистотой R 80— R 40. В тех случаях, когда применяют для сварки неподвижные формирующие устройства (медные водоохлаждаемые или стальные привариваемые), боковые поверхности литых деталей не обрабатывают.

 

При сборке стыковых соединений прямолинейных швов смещение кромок (депланация) не должно превышать 2—3 мм. При сварке деталей разной толщины перед сборкой более толстую кромку сострагивают или на тонкую кромку устанавливают по всей длине стыка выравнивающую планку, которую после сварки сострагивают. При сварке деталей разной толщины используют специальные ступенчатые ползуны. Случайные смещения кромок не должны превышать 1—2 мм.

 

Допуски на смещение кромок для кольцевых швов меньше. Максимальная разность диаметров стыкуемых деталей не должна превышать ±0,5 мм, а наибольшее смещение кромок при сборке должно быть не более 1 мм. При сварке кольцевых швов цилиндрических изделий большого диаметра с малой толщиной стенки, свальцованных из проката без механической обработки кромок, смещение кромок не должно превышать 3 мм.

 

При сборке под сварку для уменьшения депланации листов обычно используют шайбы-пластины с двумя круглыми отверстиями или другие приспособления. Эти пластины пропускают в зазор между листами, а в отверстия (диаметром ≈40 мм) забивают цилиндрические клинья со скосом.

 

Перед сваркой сборочные приспособления следует удалять и заменять закрепляющими устройствами, которыми чаще всего служат скобы, привариваемые с тыльной стороны стыка. При большой толщине листов, когда скорость сварки невелика, вместо скоб можно применять пластины, привариваемые односторонними швами с лицевой стороны и удаляемые в процессе сварки, фиксирующие скобы или пластины устанавливают через 500—800 мм. Пластины приваривают так, чтобы шов заканчивался за 60—80 мм от торцевой поверхности кромок.

 

Для получения точных размеров готового сварного изделия необходимо собирать детали с зазором, учитывающим деформации соединяемых деталей при сварке. Следует различать расчетный, сварочный и сборочный зазоры. Сварочный зазор обычно принимают на 1—12 мм больше расчетного.

 

В действительности изделие собирают с большим так называемым сборочным зазором. Сборочный зазор в нижней части стыка равен сварочному зазору. В верхней части стыка сборочный зазор следует увеличивать на 2—4 мм на каждый метр длины стыка.

 

Электрошлаковые швы формируют с помощью водоохлаждаемых ползунов или медных подкладок, а также приваривающимися подкладками или замковыми соединениями.

 

Для начала электрошлакового процесса и выведения его за пределы сварного соединения используют входной карман и выходные планки.

 

Возбуждение электрошлакового процесса

Возбуждение элсктрошлакового процесса заключается в расплавлении флюса и нагреве образовавшейся шлаковой ванны до рабочей температуры.

 

В производстве находят применение следующие способы наведения шлаковой ванны: «твердый старт», когда сварочный флюс вначале плавится теплом электрической дуги во входной планке, а затем шунтируется подсыпаемым и расплавляющимся флюсом, и «жидкий старт», когда в пространство, образуемое свариваемыми деталями и формирующими водоохлаждаемыми устройствами, заливают жидкий флюс, который предварительно расплавляют в отдельной печи.

 

При «твердом старте», желательно принимать более высокое сварочное напряжение (в процессе горения дуги), чем при стабильном электрошлаковом процессе. Для более легкого возбуждения дуги на дно входной планки засыпают металлический порошок, стружку, термитные смеси или устанавливают металлические вставки.

 

Сварочные материалы и оборудование

Флюсы для электрошлаковой сварки должны удовлетворять следующим требованиям:

 

быстро и легко устанавливать электрошлаковый процесс в широком диапазоне напряжений и сварочных токов;

обеспечивать достаточное проплавление кромок основного металла и удовлетворительное формирование поверхности шва без подрезов и наплывов;

расплавленный флюс не должен вытекать в зазоры между кромками и формирующими шов устройствами при существующей точности сборки и отжимать ползуны от свариваемых кромок;

образовывать шлак, легко удаляющийся с поверхности шва;

способствовать предотвращению пор, неметаллических включений и горячих трещин в металле шва.

Для ЭШС применяют плавленые флюсы. Лучшими технологическими свойствами при сварке углеродистых и низколегированных сталей обычной прочности обладают флюсы АН-8, АН-8М, АН-22. Флюсы ФЦ-7 и АН-348-А мало пригодны для сварки швов большой протяженности. Процесс с применением этих флюсов характеризуется меньшей устойчивостью при повышенных скоростях подачи электродной проволоки. Положительные результаты при сварке углеродистых сталей дает флюс АН-348-В, обладающий большей электропроводимостью и меньшей температурой плавления по сравнению с флюсом АН-348-А. Устойчивый электрошлаковый процесс и качественные швы на таких же сталях обеспечивает флюс АН-47.

 

Для сварки легированных сталей повышенной прочности типа 25ХНЗМФА, 20Х2М и других применяется флюс АН-9. Легированные и высоколегированные стали сваривают под флюсом АНФ-1, АНФ-7, 48-ОФ-6. Хорошие результаты получаются при сварке коррозионностойких и углеродистых сталей с использованием флюса АН-45.

 

Для начала электрошлакового процесса применяют флюс АН-25. Он электропроводен в твердом состоянии и имеет высокую электропроводимость в расплавленном состоянии.

 

Электрошлаковую сварку и наплавку чугуна ведут на флюсах АНФ-14 и АН-75.

 

Флюс перед употреблением прокаливают в электрической печи согласно требованиям паспорта или технических условий при 300— 700 °С в течение 1—2 ч. Толщина слоя флюса 80—100 мм.

 

При ЭШС электродным металлом может быть проволока, пластина, труба и лента. Как правило, используют проволоку сплошного сечения диаметром 3 мм, но можно применять проволоку и других диаметров (1—2 или 5—6 мм).

 

Химический состав электродного металла выбирают в соответствии с основным металлом и требованиями к служебным характеристикам металла шва. Лучшим вариантом ЭШС считается такой, когда металл шва и основной близки по химическому составу и механическим свойствам. Такая однородность сварного соединения обеспечивает наилучшие условия для изготовления сварного изделия и его эксплуатации.

 

Наиболее просто это достигается применением в качестве электродного металла пластин или стержней по химическому составу, аналогичных основному металлу.

 

При сварке плавящимся мундштуком, когда мундштуки представляют собой набор трубок из низкоуглеродистой стали, металл шва легируют, используя проволоку соответствующего состава.

 

Благодаря большой хорошо перемешивающейся ванне расплавленного металла электрошлаковую сварку возможно вести несколькими электродами, которые значительно отличаются один от другого по химическому составу, и получать металл заданного состава.

 

При ЭШС иногда применяют дополнительно присадочные металлические материалы, подаваемые в шлаковую ванну. Они расплавляются за счет теплоты в шлаке и попадают в металлическую ванну, участвуя в образовании шва. Дополнительное легирование металла шва возможно через покрытие плавящегося мундштука.

 

Для электрошлаковой сварки используют комплекс оборудования, включающий сварочную аппаратуру и вспомогательное оборудование. Такой комплекс называется сварочной установкой. Установки для ЭШС подразделяют на универсальные и специальные. На монтаже в основном применяют универсальные установки. Для каждого способа ЭШС существуют различные установки, которые укомплектованы сварочным аппаратом и источником сварочного тока.

 

Электронно-лучевая сварка.

Электронно-лучевая сварка
Вводная статья о методе сварки электронным лучем
Электронно-лучевая сварка - сварка с высокой концентрацией теплоты, отличной защитой. Сущность процесса состоит в использовании кинетической энергии потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме. Для уменьшения потери кинетической энергии электронов за счет соударения с молекулами газов воздуха, а также для химической и тепловой защиты катода в электронной пушке создают вакуум порядка 10~4-10~6 мм рт. ст.
Достоинства электронно-лучевой сварки
1) Высокая концентрация ввода теплоты в изделие, которая выделяется не только на поверхности изделия, но и на некоторой глубине в объеме основного металла. Фокусировкой электронного луча можно получить пятно нагрева диаметром 0,0002-5 мм, что позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. В результате можно получить швы, в которых соотношение глубины провара к ширине до 20: 1 и более. Появляется возможность сварки тугоплавких металлов (вольфрама, тантала и др.), керамики и т. д. Уменьшение протяженности зоны,"термического влияния снижает вероят-ность рекристаллизации основного металла в этой зоне.
2) Малое количество вводимой теплоты. Как правило, для получения равной глубины проплавления при электронно-лучевой сварке требуется вводить теплоты в 4-5 раз меньше, чем при дуговой. В результате резко снижаются коробления изделия.
3) Отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла газами. Наоборот, в целом ряде случаев наблюдается Дегазация металла шва и повышение его пластических свойств. В результате достигается высокое качество сварных соединений на химически активных металлах и сплавах, таких как ниобий, Цирконий, титан, молибден и др. Хорошее качество электроннолучевой сварки достигается также на низкоуглеродистых, коррозионно-стойких сталях, меди и медных никелевых, алюминиевых сплавах.

Проплавление при электронно-лучевой сварке обусловлено в основном давлением потока электронов, характером выделения теплоты в объеме твердого металла и реактивным давлением испаряющегося металла, вторичных и тепловых электронов и излучением. Возможна сварка непрерывным электронным лучом. Однако при сварке легкоиспаряющихся металлов (алюминия, магния и др.) эффективность электронного потока и количество выделяющейся в изделии теплоты уменьшаются вследствие потери энергии на ионизацию паров металлов.
В этом случае целесообразно сварку вести импульсным электронным лучом с большой плотностью энергии и частотой импульсов 100-500 Гц. В результате повышается глубина проплавления. При правильной установке соотношения времени паузы и импульса можно сваривать очень тонкие листы. Благодаря теплоотводу во время пауз уменьшается протяженность зоны термического влияния. Однако при этом возможно образование подрезов, которые могут быть устранены сваркой колеблющимся или расфокусированным лучом.
Основные параметры режима электронно-лучевой сварки - сила тока в луче, ускоряющее напряжение, скорость перемещения луча по поверхности изделия, продолжительность импульсов и пауз, точность фокусировки луча, величина вакуума. Для перемещения луча по поверхности изделия используют пере-мещение изделия или самого луча с помощью отклоняющей системы. Отклоняющая система позволяет осуществлять колебания луча вдоль и поперек шва или по более сложной траектории. Низковольтные установки используют при сварке металла толщиной свыше 0,5 мм для получения швов с отношением глубины к ширине до 8:1. Высоковольтные установки применяют при сварке более толстого металла с отношением глубины к ширине шва до 25: 1.
Перед сваркой требуется точная сборка деталей (при толщине металла до 5 мм зазор не более 0,07 мм, при толщине до 20 мм зазор до 0,1 мм) и точное направление луча по оси стыка (отклонение не больше 0,2-0,3 мм). При увеличенных зазорах (для предупреждения подрезов) требуется дополнительный металл в виде технологических буртиков или присадочной проволоки. В последнем случае появляется возможность металлургического воздействия на металл шва. Изменяя величину зазора и количество дополнительного металла, можно довести долю присадочного металла в шве до 50%.
Недостатки электронно-лучевой сварки: возможность образования несплавлений и полостей в корне шва на металлах с большой теплопроводностью и швах с большим отношением глубины к ширине; для создания вакуума в рабочей камере после загрузки изделий требуется длительное время.

Установки для электронно-лучевой сварки
Вкратце о установках для ЭЛС, ее составляющих.
Для создания электронного луча требуется довольно глубокий вакуум, такой, чтобы средняя длина свободного пробега электронов была больше расстояния от катода, где они образуются, до свариваемого изделия.

Установки для ЭЛС состоят из следующих основных узлов: вакуумной камеры с откачной системой, сва-рочной электронной пушки, создающей электронный луч, сварочного стола и системы перемещения деталей, источника силового питания электронной пушки, системы управления установкой. В зависимости от размеров свариваемого изделия в электроннолучевых установках используют камеры соответствующих размеров, позволяющих перемещать изделие для получения сварных швов заданной конфигурации.
Часто в камере размещают сварочные манипуляторы на несколько изделий, позволяющие осуществлять их смену, не открывая камеры, это значительно увеличивает производительность установок. Так как поперечные размеры источника сварочной теплоты - электронного луча в этих установках малы, к точности работы манипуляторов предъявляются повышенные требования. Так, отклонение свариваемого стыка от необходимого положения допускается от нескольких микрометров до 0,2 мм; отклонение скорости сварки не должно превышать ±1% от номинала.
Электронный луч - источник теплоты, разогревающий и расплавляющий металл, создается электронной пушкой, питающейся от силового выпрямителя, блока нагрева катода, а управление энергетическими параметрами луча - от блока управления модулятором (регулируется сила тока в луче), блока фокусировки (регулируется поперечное сечение луча) и блока отклонения луча (определяется местонахождение луча на детали и перемещение луча по ней).
Скорость перемещения луча по детали при сварке - скорость сварки определяется скоростью перемещения или вращения самой детали или скоростью отклонения луча. Механизмы сварочного манипулятора питаются от блока питания системы перемещения детали. Система питания вакуумных насосов и система измерения степени вакуума в различных частях установки также выделены в отдельный блок общей схеме электропитания.
Работа всех отдельных блоков общей электросхемы согласуется с помощью блока коммутации и управления.

Электронные пушки для ЭЛС
Статья об устройстве электронных пушек (схема ЭЛС), виды пушек.
Схема электронно-оптической системы

 

1 - изделие; 2 - электронный луч; з - катод; 4 - прикатодный - управляющий электрод; S - анод; с - кроссовер; 7 - магнитная линза; 8 - система отклонения пучка; 9 - фокусное пятно; а0 - половинный угол расхождения луча; а1 - половинный угол сходимости луча на изделии; dкр - диаметр кроссовера; dфп - диаметр луча в фокусе

Электронные пушки.
Электроннолучевая пушка предназначена для создания электронного луча, который и служит источником сварочной теплоты. Параметры электронного луча, соответствующие технологическому процессу сварки, определяют основные требования к конструкции электронной пушки (табл. 34). В сварочных установках электронная пушка состоит из следующих основных элементов: катод-источник электронов; анод - электрод с отверстием в середине для пропускания луча к изделию, подключенный к положительному полюсу силового выпрямителя; фокусирующий прикатодный олектрод (модулятор), регулирующий силу тока в луче; фокусирующая магнитная линза; отклоняющая магнитная система.
В диодных пушках прикатодный электрод имеет потенциал катода, в триодных - на него подается отрицательный относительно катода потенциал Uм для управления силой тока в пушке. Комбинированные, т. е. с электростатической и электромагнитной фокусировкой пучка одновременно, пушки наиболее распространены в сварочных установках (рис. 85). В них применяются термоэлектронные катоды, ток эмиссии которых определяется уравнением Ричардсона
Ie = Ae * T^2 * Sk * e^(-b/T)
где Sк - эмиттирующая площадь катода; Т - абсолютная температура катода; Ае, b - константы, характеризующие материал катода.
В сварочных установках катоды обычно изготовляют из тугоплавких металлов (тантала, вольфрама) или из гексаборида лантана. Конструкции катода уделяется особое внимание, так как условия его работы чрезвычайно тяжелые: высокая температура и интенсивное разрушение под влиянием ионной бом-бардировки, а требования к точности и сохранению размеров его при работе очень высокие. От самых незначительных деформаций катода зависят в сильной степени параметры электронного луча. Обычно срок службы катода составляет не более 20 ч непрерывной работы, редко до 50 ч.

Мощность электронного луча определяется произведением Рл = Uускор.*Iл и регулируется путем изме-нения тока в нем (Iл), что в любых электронных пушках достигается изменением температуры нагрева
катода. Но такой способ очень инерционен и неудобен тем, что эта зависимость нелинейна. Новый тепловой режим, а следовательно, и новое значение тока, устанавливаются лишь через несколько секунд.
Более распространен метод регулирования тока путем подачи отрицательного, относительно катода, потенциала на управляющий катод Uм величиной 1-3 кВ. Скорость установления тока луча при импульсном открывании электронной пушки А.852.19 составляет примерно 2 мА/мкс. Для импульсного управления током луча в электрической схеме установки предусмотрены специальные электронные схемы, которые вырабатывают сигнал, подаваемый на модулятор. Обычно схема позволяет также плавно управлять величиной тока в луче.
Плотность тока в луче можно регулировать, меняя его диаметр на изделии без изменения величины общего тока, с помощью магнитной линзы. Такая линза представляет собой катушку с током, ось которой совпадает с осью луча. Для повышения эффективности работы ее помещают в ферромагнитный экран. В этом случае магнитное поле концентрируется в узком немагнитном зазоре. Фокусное расстояние линзы (f, см) - расстояние от середины этого зазора до минимального сечения прошедшего сквозь линзу пучка -определяется конструкцией линзы, анодным напряжением пушки и током, протекающим по обмотке линзы.

Фокусное расстояние линейно зависит от анодного напряжения установки, но не зависит от силы тока в луче. Параметры сварного шва непосредственно зависят от постоянства энергетических характеристик электронною луча, в том числе его диаметра, так как его величина определяет удельную мощность луча. Поэтому в электронно-лучевых установках особое внимание уделяется постоянству анодного напряжения. Применяют специальные меры для стабилизации его, что позволяет устранить влияние колебания напряжения сети, пульсаций силового выпрямителя и т. п.
Отклоняющие системы применяют для установки луча на шов или некоторой корректировки его положения относительно стыка, перемещения луча вдоль оси стыка при выполнении сварного шва; периодического отклонения луча при сварке с поперечными или продольными колебаниями луча и при слежении за стыком во время сварочной операции. Магнитное поле направлено поперек направления движения электронов, а сила, отклоняющая траекторию электрона, действует перпендикулярно оси луча и направлению магнитного поля.
Поскольку электронный пучок при отклонении расфокусируется, то в сварочных установках отклонение его осуществляется на небольшие углы, не более 7-10 град.
При сварке толстолистовых металлов, а также при сварке в промежуточном вакууме и при атмосферном давлении неизбежно повышение ускоряющего напряжения, так как этим путем прежде всего можно заметно уменьшить рассеяние пучка. Однако повышение ускоряющего напряжения затрудняет совмещение луча со стыком, требует специальной защиты персонала от рентгеновского излучения; аппаратура усложняется.

Рабочие камеры для ЭЛС
Статья об устройстве рабочих вакуумных камерах для ЭЛС
Ввиду необходимости вакуума в камере, где образуется и формируется поток электронов, в большинстве случаев при электронно-лучевой сварке и само изделие размещают внутри вакуумной камеры, чтобы устранить рассеяние электронов на атомах и молекулах газов. Это также обеспечивает хорошую защиту металла шва. Но с другой стороны, это существенно ограничивает возможности применения такого способа сварки главным образом вследствие ограничения размеров свариваемых изделий и малой производительности процесса, так как много времени уходит на подготовку деталей к сварке. Поэтому наряду с высоко вакуумными установками разрабатывают и такие, где электронный луч выводится из камеры пушки, в которой поддерживаете* высокий вакуум, и сварка производится в низком вакууме (10-2 - 10-1 мм рт. ст.).
Специальные установки разрабатывают для микросварки в производстве модульных элементов и различного рода твердых радиосхем. Особенности заключаются в первую очередь в точном дозировании тепловой энергии, перемещении луча по изделию с помощью отклоняющих электрических и магнитных полей, совмещении нескольких технологических функций, выполняемых электронным лучом в одной камере. Поскольку вакуумные камеры в вакуумные системы стоят наиболее дорого, рациональности выбор* их конструкций уделяется большое внимание.
Все из существующих конструкций можно разделить условие на следующие группы: 1) универсальные установки для сварке изделий средних размеров; 2) универсальные и специализированные для микросварки малогабаритных деталей; 3) специализированные установки для сварки изделий малых и средних размеров 4) установки для сварки крупногабаритных изделий с полной герметизацией; 5) установки для сварки крупногабаритных изделий с частичной герметизацией места стыка; 6) установки для сварки в промежуточном вакууме.
Установки первой группы предназначены в основном для использования в исследовательских и заводских лабораториях а также в промышленности при единичном и мелкосерийном производстве. Они имеют вакуумные камеры объемом 0,001-4,0 м; и манипуляторы для перемещения свариваемых деталей, позволяющие осуществлять возможно более универсальные перемещения при выполнении сварных швов. Такие установки снабжают также системами наблюдения за областью сварки. Электронная пушка стационарная или перемещается внутри камеры с целью начальной установки луча на стык.
Установки для сварки крупногабаритных деталей отличаются наличием дорогостоящих вакуумных камер большого объема куда детали помещаются целиком. Часто электронные пушки которые имеют гораздо меньшие размеры, чем изделие, размещают внутри камеры. Сварной шов выполняется при перемещении самой электронной пушки. Иногда, особенно при сварке обе чаек кольцевыми швами, на камере размещают несколько пушек позволяющих за счет ликвидации продольного перемещения изделия также уменьшить размеры камеры.
Для снижения затрат на оборудование и повышения производительности установок последние выполняют иногда лишь с местным вакуумированием в области свариваемого стыка. Тогда откачиваемый объем сокращается, размеры установки в целом также получаются меньше, чем в том случае, если все изделие помещать в камеру. Иногда, например при сварке трубопроводов непосредственно при их укладке, без местного вакуумирования, задачу решить не представляется возможным.

В некоторых случаях рабочая камера установки может быть откачана лишь до промежуточного вакуума (10-1 - 10~2 мм рт. ст.). Диффузионный насос для откачки рабочей камеры становится ненужным (для камеры пушки он по-прежнему необходим, но малой мощности и малогабаритный). В таких установках лучепровод, соединяющий камеру пушки с камерой детали, проектируют с учетом создания необходимого перепада давлений между камерами; иногда в лучепроводе предусматривают даже промежуточную ступень откачки.
В электронно-лучевых установках особо важное значение приобретает точность изготовления и сборки свариваемых деталей и слежение за положением луча относительно свариваемого стыка. В системах слежения используют вторично-эмиссионные датчики, сигнал с которых преобразуется и направляет электронный луч на стык с помощью отклоняющих катушек.
Принцип работы такой системы заключается в следующем. При попадании электронного луча на поверхность металла из последнего выбиваются вторичные электроны, летящие в обратном направлении в камеру. Поставленынй на их пути датчик выделяет сигнал, пропорциональный их количеству, и передает его в систему управления положением луча. Число вторичных электронов зависит от состояния и формы поверхности металла, на которую попадает луч. Их число максимально при гладкой поверхности, пер-пендикулярной лучу, и уменьшается, если луч пересекает неровности. При попадании луча в глубокие полости число вторичных электронов уменьшается практически до нуля, так как все они поглощаются стенками полости.
Разработанная для контроля за положением луча относительно стыка система типа "Прогноз" работает следующим образом. Луч, сваривающий металл, периодически с частотой 20-50 Гц выводится из ванны, на большой скорости пересекает стык перед сварочной ванной (на расстоянии 5-7 мм) и мгновенно возвращается обратно. Вывод луча из ванны столь кратковременен, что на параметрах шва это не сказывается.
При пересечении лучом стыка происходит скачкообразное изменение сигнала вторичных электронов. Положение этого импульса сравнивается с положением луча при отсутствии тока в отклоняющей системе и при необходимости автоматически корректируется непосредственно в процессе сварки. Такая система обеспечивает точность слежения за стыком, исчисляемую сотыми долями миллиметра, и является исключительно быстродействующей.
В систему "Прогноз" заложены блоки, позволяющие управлять перемещениями луча, необходимыми в технологическом отношении: вести сварку с продольными, поперечными и кольцевыми колебаниями луча, выполняемыми с различной заданной скоростью и по различному закону.

Контактная стыковая сварка.

 

Контактная стыковая сварка — высокопроизводительный и в значительной мере автоматизированный способ получения соединений. Доля стыковой сварки, преимущественно оплавлением, составляет ~10% контактной сварки. Этот способ также относится к электротермодеформационным процессам (ГОСТ 2601—84), но в отличие от точечной и шовной сварки возможно и соединение без расплавления металла за счет его глубокой пластической деформации.

Нагрев свариваемого металла

При нагреве необходимо достичь заданную температуру в стыке и прогреть околошовную зону на определенную глубину для обеспечения необходимой степени деформации на стадии осадки. При сварке сопротивлением основная доля теплоты (85—90%) выделяется на сопротивлении деталей, так как r_д.д быстро снижается, а r_э.д остается в течение всего процесса на довольно низком уровне (рис. 21.2). Температурное поле определяется решением дифференциального уравнения теплопроводности классическими методами или на ЭВМ. Поле одномерно (рис. 21.3,а), градиенты температур по сечению близки к нулю.

Прогрев околошовной зоны увеличивается при использовании импульсов тока большой длительности.

При сварке оплавлением температурное поле определяется главным образом уровнем сопротивлений перемычек (r_д.д), который зависит от их числа и размеров (рис. 21.2,6). Поэтому поле отличается значительной неравномерностью по длине детали (рис. 21.3,6) ив ряде случаев и по сечению (детали с большим или развитым сечением, начальные этапы процесса). Одним из наиболее значимых параметров режима является скорость оплавления. Уменьшение этой скорости вызывает снижение градиентов температур и по сечению деталей. Обычно скорость оплавления повышают по мере развития процесса для обеспечения общей устойчивости процесса, например, по линейному закону (жесткая программа) или связывают с параметрами управления: I_св, температурой торцов и т. д.

При сварке сечений до 100 см² рекомендуют предварительный нагрев деталей током (по схеме сварки сопротивлением), что облегчает возбуждение оплавления, снижает неравномерность нагрева. Большие сечения рекомендуется сваривать при программном регулировании тока (вторичного напряжения) и скорости оплавления или использовать импульсное оплавление. В последнем случае на основное поступательное движение плиты машины накладывается колебание, например, с частотой 3—45 Гц и амплитудой 0,1—0,8 мм, что вызывает периодическое изменение зазора между деталями, повышение на 10—15% температуры в околошовной зоне; в три—четыре раза уменьшается время оплавления и расход электроэнергии.

Технология стыковой сварки

Свариваемые материалы и требования к конструкциям

Стыковая сварка сопротивлением применяется в основном для соединений малоуглеродистых сталей, проволоки из алюминия и меди. Имеются также сведения о непосредственном соединении разнородных металлов, например меди с фехралем, стали, чугуна с медью и алюминием или через промежуточные прокладки, дополнительно легирующие шов. Стыковой сваркой оплавлением успешно соединяют все конструкционные металлы — от алюминиевых сплавов и сталей до жаропрочных и титановых сплавов.

Особое внимание обращается на рациональную конструкцию (форму) торцов деталей, которая должна обеспечить равномерный нагрев деталей и одинаковую деформацию (рис. 21.4), защиту торцов от окисления и деформацию металла (рис. 21.4,б — кольцевой выступ при сварке сопротивлением, сфера, конус и т. д.), установку в токоподводящие зажимы машины. Формы и размеры обеих деталей должны быть приблизительно одинаковыми: отличие по диаметрам ≤15%, по толщине ≤10%.

Подготовка к сварке