Файл: Севбо П.И. Комплексная механизация и автоматизация сварочного производства.pdf

Недостатки:

1)невозможность или нецелесообразность сварки металла тол­ щиной менее 20—25 мм, а также угловых швов, что существенно ограничивает область применения рассматриваемого способа;

2)необходимость располагать свариваемый шов в вертикальном положении;

3)металл шва имеет ярко выраженную литую структуру с не­ сколько пониженными пластическими свойствами;

4)при сварке некоторых сталей, в частности котельных, длитель­ ное температурное воздействие на металл околошовной зоны вызы­ вает его перегрев и изменяет структуру, образуя характерную зону крупного зерна с пониженными пластическими свойствами, особен­ но ударной вязкостью (охрупчивание металла). Поэтому некоторые ответственные конструкции после сварки приходится подвергать сложной термообработке — нормализации с отпуском;

5)недопустимы или крайне нежелательны остановки процесса сварки в середине шва, так как в этом месте почти неизбежно по­ явление непроваров, усадочных трещин и других дефектов. После такой вынужденной остановки приходится удалять весь дефектный участок шва.

Области рационального применения:

1.Единичное и серийное производство толстостенных сварных изделий в тяжелом машино-, котло-, гидротурбо-, судостроении и др.,

втом числе изготовление уникальных по своим размерам и весу сварнолитых и сварнокованых стальных элементов крупных ма­ шин, которые другим способом изготовить невозможно или крайне невыгодно.

2.Сварные соединения из алюминия и его сплавов толщиной 60—200 мм, в том числе стыковые соединения больших сечений —

до 200 000 ммг.

ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВАЯ СВАРКА

При электроннолучевой сварке источником нагрева является электронный луч — направленный поток быстродвижущихся (уско­ ренных) электронов, кинетическая энергия которых превращается в тепловую при ударе их о поверхность свариваемого изделия. Ско­ рость ударяющихся электронов ѵ = 100 000 км/сек и поэтому, не­ смотря на их незначительную массу, кинетическая энергия электро-

m xfl

нов— очень велика.

Тепловая энергия, образующаяся при торможении электронов, расплавляет металл в месте сварного соединения. Схема установки для электроннолучевой сварки приведена на рис. 12.

75

Поток электронов генерируется специальным устройством — электронной пушкой. В этой пушке источником (излучателем) элект­ ронов служит вольфрамовый или металлокерамический катод 1 пе­ ременного тока (тока накала), питаемый низковольтным трансфор­ матором 9. При пропускании тока катод разогревается до высокой температуры и становится источником эмиссии электронов (излуча­

жения источника нагрева относительно свариваемого изделия или по мере перемещения изделия относительно источника нагрева, что бывает чаще, происходит затвердевание свариваемой ванны и обра­ зование шва. Металл шва так же, как и при других способах свар­ ки плавлением, имеет литую структуру.

Высокая концентрация энергии, достигаемая при фокусировке электронного луча, позволяет значительно увеличить удельную энер­ гию, сосредоточив ее на малой площади. Это обеспечивает получение узкого и глубокого провара шва и узкой околошовной зоны. Сече­ ние шва при этом способе сварки может иметь форму острого клина или ножа, вследствие чего такие швы называют «кинжальными».При дуговой сварке форма сечения шва приближается к полуокружнос­ ти; кинжальные швы при этом способе сварки получить невозможно.

Сварка ведется при непрерывном воздействии электронного луча на изделие или при периодическом прерывании электронного луча, что позволяет снизить нагрев основного металла. Частота импуль­

76

сов регулируется с таким расчетом, чтобы отдельные расплавленные точки, образующиеся в период воздействия электронного луча, пе­ рекрывали друг друга.

Характерной особенностью электроннолучевой сварки, суще­ ственно ограничивающей область ее применения, является то, что процесс должен происходить в вакууме — 10~4 мм pm. cm. и глуб­ же. Вакуум необходим для того, чтобы энергия электронов не рас­ ходовалась на ионизацию газов, а также для получения особо чисто­ го металла шва. Поэтому установки для электроннолучевой сварки снабжаются герметичной вакуумной камерой 5, в которой и ведется весь процесс сварки. Вакуум поддерживается во время сварки при помощи непрерывно работающих вакуумных и диффузионных насо­ сов, откачивающих воздух и образующиеся при сварке газы через патрубок 7.

Свариваемые детали 4 загружаются в камеру через люк или крышку и устанавливаются на каретку или вращатель, осуществляю­ щие рабочее движение изделия относительно электронного луча. Электропривод механизма вращения обычно располагается вне ка­ меры и соединяется с рабочим органом механизма, например с план­ шайбой, при помощи ведущего вала 6, пропущенного сквозь стенку камеры с соответствующим герметичным уплотнением.

Существует другая схема, когда электронная пушка с помощью механизма движения перемещается относительно свариваемого изде­ лия, но при этой системе имеются трудности, связанные с токоподводом к движущейся электронной пушке, особенно учитывая высо­ кое напряжение. Однако в некоторых условиях применение такой схемы целесообразно.

Наблюдение за процессом сварки ведется через смотровое окно 8, имеющееся в вакуумкамере. Хотя электронный луч невидим, но место сварки отчетливо видно по раскаленному пятну на сваривае­ мом изделии. Для устранения опасности поражения током высокого напряжения камера и свариваемая деталь заземлены.

Сварочные электронные пушки и установки для электроннолу­ чевой сварки в зависимости от величины ускоряющего напряжения делятся на три группы: пушки, работающие в диапазонах соответ­ ственно 30, 60 и 150 кв [3]. Установки первой группы (до 30 кв) не требуют биологической защиты от рентгеновского излучения и поз­ воляют формировать электронный луч с диаметром около 1 мм. Для установок второй и третьей групп необходима специальная биологи­ ческая защита от рентгеновских излучений, выполняемая в виде свинцовых щитов. Эти установки работают при малых токах элек­ тронного луча, выраженных в миллиамперах, что улучшает условия работы катода, который является самым уязвимым местом свароч­ ной установки. В этих установках (с высоким ускоряющим напря­

77

жением) обеспечивается возможность получения электронного луча очень малого диаметра — 0,3 мм и меньше.

Непосредственно после сварки на тех же установках может производиться и термообработка сварного соединения, если она необходима. Нагрев для термической обработки осуществляется расфокусированным («размазанным») электронным лучом. Для пи­ тания сварочных электронных пушек применяют специальные вы­ прямители.

В последнее время в Советском Союзе и за рубежом получила распространение электроннолучевая сварка в низком вакууме (Ю—1— 10~2 мм ргп. cm.). Этот высокопроизводительный технологи­ ческий процесс, благодаря низкому вакууму, который можно создать за очень короткое время, сравнительно легко поддается комплекс­ ной механизации и автоматизации. В будущем его будут применять в автомобилестроении, приборостроении и других отраслях промыш­ ленности с массовым производством однотипных деталей.

За последние годы создан метод электроннолучевой сварки в ат­ мосфере инертных газов и даже в воздухе. Этот метод был вызван естественным стремлением избавиться от ограничений, связанных с применением вакуумной камеры, однако при этом возникают су­ щественные недостатки этого способа сварки: более короткий рабо­ чий участок луча и необходимость иметь высокое ускоряющее на­ пряжение (выше 150/cö) для удовлетворительной работы и нужной геометрии зоны проплавления. Кроме того, эта модификация явля­ ется неудовлетворительной для сварки некоторых металлов вслед­ ствие охрупчивания шва, возникает также необходимость усилен­ ной защиты обслуживающего персонала от рентгеновских лучей, а скорости сварки при этом более низкие. По всем этим причинам электроннолучевая сварка в воздухе и в среде инертных газов пока еще не получила широкого распространения в промышленности.

Преимущества электроннолучевой сварки:

1)возможность получения очень узких швов («кинжальных») с глубоким проплавлением при минимальной погонной энергии;

2)небольшая зона термического влияния и минимальное из­ менение физико-химических свойств металлов в околошовной зоне;

3)высокое качество сварных соединений: стойкость против обра­ зования холодных трещин вследствие устранения перегрева метал­ ла в околошовной зоне; высокая прочность соединений из термиче­ ски упрочненной стали, превышающая прочность соединений, вы­ полненных аргоно-дуговой сваркой; низкое содержание газов в

металле шва; 4) минимальные коробление и деформации, что обеспечивает вы­

сокую точность сварных изделий и позволяет производить их свар­ ку после окончательной обработки свариваемых деталей;

76

5)возможность соединения разнородных металлов;

6)высокая скорость сварки; по данным американской фирмы «Га­

мильтон — Стандарт» при сварке в низком вакууме (10-' — ІО-2 мм pm. cm.) на установках мощностью 25 кет скорость сварки достигает 10—20 м/мин при глубине проплавления соответственно 4,5—2,5 мм, причем качество не уступает сварке вольфрамовым электродом в аргоне;

7)экономичность процесса сварки в низком вакууме благодаря высокой скорости сварки, возможности быстрого создания вакуума

ивозможности применения шагающих вакуумных камер;

8)широкий диапазон толщин свариваемого металла (от 230 мм до нескольких тысяч ангстрем);

9)возможность автоматического программного управления и комплексной автоматизации сварочного процесса (но не сварочного производства в целом);

10)пониженный расход электроэнергии (к. п. д.— до 90%) и отсутствие необходимости применения дорогостоящих инертных га­ зов делают этот процесс сварки достаточно экономичным, несмотря на высокую стоимость и сложность сварочного оборудования.

Недостатки:

1)сравнительно высокие капитальные затраты (особенно для свар­ ки крупногабаритных изделий), сложность оборудования и его экс­ плуатации;

2)технологический процесс сборки и сварки изделий усложнен добавочными операциями по вакуумированию камеры, вводу и вы­ воду изделий из камеры, что существенно затрудняет комплексную автоматизацию всего сварочного производства и снижает произво­ дительность сварочных установок;

3)при сварке в низком вакууме и особенно в атмосфере требует­ ся очень высокое ускоряющее напряжение (150 кв и выше) и соот­ ветствующая биологическая защита.

Области рационального применения:

1.Наиболее эффективно применение при изготовлении небольших деталей из тугоплавких химически активных металлов (вольфрам, титан, ниобий, цирконий, молибден и др.), а также из нержавеющих сталей, алюминия, никеля и сплавов на их основе.

2.Применение сварки в низком вакууме в автомобилестроении (блоки шестерен, рулевые колонки и др.) и других отраслях машино­ строения с массовым производством сварных изделий небольшого размера из специальных сталей.

3.Применение электроннолучевой сварки в следующих отраслях промышленности: в атомной энергетике — для сварки в высоком ва­ кууме деталей тепловыделяющих элементов и соответствующих уз­ лов атомного реактора из химически активных и тугоплавких

79