Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

ня кромок. Для зварювання водогазопровідних труб у будь-якому просторовому положенні розроблена установка УДК-2701, для зварювання труб діаметром 57, 89, 106 та 114 мм безпосередньо на трасі будівництва трубопроводу – пересувна установка УДС-1 [128].

Машини мають уніфіковані вузли, що дозволяє їх швидко переналагоджувати для виготовлення різних виробів. Зварювальна дуга живиться від випрямляча або перетворювача з крутоспадною зовнішньою характеристикою. Осадка здійснюється пневмогідравлічним пристроєм.

У вітчизняній промисловості застосовують зварювальні установки МД–102, МД–103, К–872. Остання призначена для використання в польових умовах та зварювання труб діаметром 76…219 мм при товщині стінки 2,5…16 мм. Потужність названих установок дорівнює відповідно

45, 60 та150 кВ·А, ачасзварювання– 12,5…14,0; 14,0…22,0; 12,0…100,0 с.

3.4.3. Дугове зварювання в контрольованій атмосфері та у вакуумі

Зварювання в контрольованій атмосфері (schweissen in kontrolierter atmosphere, welding under controlled atmosphere, сварка в контролируемой атмосфере) – це зварювання, здійснюване в камері, заповненій газом певного складу.

Дугове зварювання металів звичайно виконується з газовим, шлаковим або газошлаковим захистом дуги і зварювальної ванни. При зварюванні активних і тугоплавких металів захисним середовищем дуги та металу шва є інертні гази, однак для цих металів необхідний захист не лише розплавленого металу, але і металу навколошовної зони, оскільки взаємодія деяких металів із газами повітря починається з температур 300…500 °С. Тому зварювання ведуть із використанням захисних приставок (мікрокамер) або спеціальних камер, в яких розміщують зварювану деталь. Мікрокамери дозволяють захистити ванну розплавленого металу та значну частину металу навколошовної зони, нагрітого до високих температур.

405

Використання мікрокамер поліпшує технологічний процес, особливо при зварюванні великогабаритних виробів, але не завжди гарантує високу якість зварних з'єднань. Для більш надійного захисту активних металів зварювання проводять у стаціонарних камерах. Камери заповнюються інертним газом або газовою сумішшю певного складу. Вони мають люки для завантаження та вивантаження виробів, ілюмінатори і герметичні вводи гумових рукавичок для ручного зварювання, керування зварювальними пристроями та допоміжними механізмами.

Застосування камер дозволяє створити інертну або активну атмосферу з мінімальним вмістом кисню й азоту та забезпечити більш стабільні механічні властивості з'єднань. Для створення контрольованої атмосфери необхідно видалити з камери повітря перед заповненням її інертним газом. Для цього камеру продувають певний час інертним газом, що збільшує витрати газу. Більш ефективним є попереднє вакуумування камери. Після завантаження камери виробами, що зварюються, і зварювальними матеріалами камера герметизується й у ній створюється вакуум 1…0,01 Па. Для прискорення дегазації стінок камери в процесі вакуумування вони можуть нагріватися гарячою водою, що циркулює по водяній сорочці. Після видалення повітря камеру заповнюють інертним газом до атмосферного тиску. У процесі зварювання інертний газ нагрівається і тиск у камері зростає, що призводить до виштовхування рукавичок з камери. Для запобігання розриву при вакуумуванні та виштовхування рукавичок при зварюванні тиск з обох сторін рукавичок підтримують однаковим, що забезпечується конструкцією люків вводу рукавичок. Тиск у камері контролюють за допомогою мановакуумметра. Зварювання ведуть на тих же режимах, що і при звичайному зварюванні в інертних газах. Якість захисту металу частково можна оцінити за зовнішнім виглядом металу шва. Поява на ньому та в навколошовній зоні кольорів мінливості свідчить про поганий захист металу.

406

Розвиток зварювальної науки і техніки сприяв розробці більш надійних та ефективних технологій дугового зварювання у вакуумі

[91,113,153].

Існування електричного розряду і дугове зварювання у вакуумі можливі при наявності заряджених часток – переносників зарядів. Тому у вакуумі дуговий розряд розвивається в парах металу або при введені в дугу невеликої кількості інертного газу. Дуга збуджується у вакуумі 1…0,01 Па між водоохолодним катодом і виробом, який є анодом. Якщо газ не вводиться, то дуга горить у парах матеріалу катода [153]. Напруга горіння вакуумної дуги близька до потенціалу іонізації матеріалу катода і для більшості металів дорівнює 15…35 В. Такий розряд має широкий діапазон сили струму – від декількох ампер до кілоампер, що дає можливість використовувати його для різних цілей. При цьому змінюються розміри та форма катода. У розглянутих у розділі 2 вакуумних дугових насосах катоди мають велику площу, по якій хаотично переміщаються катодні плями. Аналогічний розряд існує й у дугових вакуумних плазмотронах для напилення. Розряд підтримується ерозією в мікроплямах катода, щільність потужності в яких досягає 104…108 Вт/см2. Це забезпечує протікання локальних процесів ерозії на інтегрально-холодній поверхні катода. Сила струму, при якій установлюється стаціонарне горіння дуги, визначається матеріалом катода. Стабілізація дуги на катоді досягається застосуванням зовнішнього аксіального магнітного поля або установкою електростатичного екрана, який охоплює бічну поверхню катода. Кількість теплоти, яка вводиться в основний метал, регулюють зміною довжини дугового проміжку.

Збудження дуги у вакуумі можливе різними способами. Використовують коротке замикання збуджуючого електрода з катодом і випаровування матеріалу катода в місці зіткнення при протіканні електричного струму, збудження осцилятором електричного розряду в газі, невелика порція якого подається в розрядний проміжок тощо.

407

Для живлення дуги застосовують зварювальні випрямлячі, захист яких від перенапруги при гасінні дуги забезпечується увімкненням паралельно дузі конденсатора.

Застосовують дугове зварювання у вакуумі з неплавким порожнім катодом та стабілізацією дуги шляхом введення в розряд невеликих кількостей інертного газу, наприклад аргону, як показано на рис.3.62 [113].

Рис.3.62. Схема зварювання у вакуумі дуговим розрядом з порожнім катодом:

1 – катод; 2 – мундштук; 3 – водяне охолодження; 4 – подача аргону; 5 – дуговий розряд; 6 – виріб

Катод виготовляють у вигляді трубки діаметром 2,0…8,0 мм із тугоплавких металів (тантал, вольфрам). Катодний вузол являє собою мундштук 2 з водяним охолодженням 3, на виході з мундштука встановлюють трубку 1, згорнуту з вольфрамової або танталової фольги. Через отвір катода подається аргон 4 з витратою (3…9)·10–7 м3/с (1…3 л/год). Витрата газу – один із головних параметрів процесу. Розряд 5 характеризується високою стабільністю і за характером впливу на метал, що зварюється, займає проміжне положення між електронним променем і плазмовим струменем. При малих силах струму розряд має дифузну форму. У цьому випадку дугу можна додатково стабілізувати магнітним полем і одержати струми 4…5 А. Стовп розряду з порожнім катодом за своїми фізичними властивостями є фактично низьковольтним потужнострумовим електронним променем, легко керованим магнітним полем.

В ІЕЗ ім. Є.О. Патона для виготовлення зварних конструкцій із хімічноактивних металів і сплавів, вузлів електронних і електровакуумних приладів, а також для інших видів термічної обробки металів

408

розроблено спосіб зварювання стиснутою дугою у вакуумі [91]. Суть способу полягає в тому, що у вакуумну камеру вводиться плазмотрон, у який подається в невеликій кількості аргон. Із камери газ безперервно видаляється вакуумним насосом. Дуга горить між катодом плазмотрона і виробом-анодом, розміщеним усередині камери. Схему установки для зварювання стиснутою дугою у вакуумі показано на рис.3.63 [91].

Рис.3.63. Схема установки для зварювання стиснутою дугою у вакуумі:

1 – вакуумна камера; 2 – система плазмоутворюючого газу; 3 – діодна розв'язка; 4 – комутатор струму; 5 – розжарювальний трансформатор; 6 – автотрансформатор; 7 – плазмовий пальник; 8 – розжарюваний катод; 9 – виріб (анод)

Для мікроплазмового зварювання у вакуумі можна використовувати без істотних переробок вакуумні камери більшості установок для електронно-променевого зварювання, зварювання в контрольованій атмосфері та дифузійного зварювання. Вакуумна система камери повинна забезпечувати вакуум 0,1…0,6 Па при натіканні газу 1…3 л/год. Таку продуктивність можуть забезпечити бустерні та механічні насоси. Наприклад, для невеликих камер – це насос БН-3 з форвакуумним насосом ВН1МГ.

Плазмоутворюючим газом звичайно є аргон марки А, чистота якого достатня для зварювання більшості металів і сплавів. Мікроплаз-

409

мове зварювання у вакуумі можна виконувати в безперервному або імпульсному режимі. Витрата газу регулюється за допомогою натікача газу типу Т-19. Термоемісія електронів із розжареного катода сприяє збудженню дугового розряду. Після збудження дуги живлення катода від розжарювального трансформатора припиняється. Схему плазмотрона для дугового зварювання у вакуумі показано на рис.3.64.

Дослідження і досвід застосування дугового зварювання у вакуумі показують, що воно має широкі можливості і перспективу розвитку.

Рис.3.64. Пальник для дугового зварювання у вакуумі:

1 – корпус пальника; 2 – металевий екран; 3 – трубка водяного охолодження; 4 – трубка подачі плазмоутворюючого газу; 5 – струмопідвід розжарюваного катода; 6 – струмопідвід пальника; 7 – керамічна вставка; 8 – фторопластова вставка; 9 – металева втулка; 10 – розжарюваний катод з вольфрамового дроту; 11 – порож-

ній катод

3.4.4. Зварювання та споріднені технології в космосі

Вивчення космічного простору неможливе без створення в космосі великогабаритних заселених космічних систем, станцій та баз, розрахованих на тривалу роботу людей. Для створення таких об'єктів

410

необхідно застосовувати технології з'єднання різноманітних космічних конструкційних матеріалів, таких, як алюміній, титан, магній, їх сплави, високолеговані та жароміцні сталі, електротехнічні та нові матеріали тощо. Найбільш перспективними технологіями обробки та з'єднання матеріалів у космічних умовах є зварювання, паяння, різання та напилення у вакуумі [104].

При використанні в космосі земних технологій зварювання та споріднених процесів необхідно враховувати особливості космічного середовища.

Основними відмінностями космічного середовища від земного, які в тій або іншій мірі впливають як на технологічні процеси, так і на умови функціонування пристроїв та діяльності операторів-космо-

навтів, є [104]: невагомість (мікрогравітація), космічний вакуум, існування різких світло-тіньових границь, підвищена агресивність косміч-

ного середовища, що обумовлена високою концентрацією атомарного та іонізованого кисню, вакуумне ультрафіолетове випромінювання Сонця, вплив на матеріали та їх з'єднання протонів та електронів радіаційних поясів Землі, а також вплив мікрометеоритних частинок природного та штучного походження.

У зв'язку зі впливом градієнта гравітаційного поля Землі, функціонуванням різноманітних агрегатів, нерівномірним розподілом маси космічного корабля, обертанням його навколо центра мас тощо на космічному кораблі ніколи не реалізується стан, коли сили, що діють на об'єкт, дорівнюють нулю. Тому звичайно застосовується термін "мік-

рогравітація", що характеризує стан об'єкта, при якому сума усіх сил, діючих на об'єкт, набагато менша, ніж на Землі. Цей стан оцінюють за допомогою коефіцієнта, який є співвідношенням прискорення (g), наданого тілу діючою силою, до прискорення вільного падіння на поверхні Землі (g0). Коефіцієнт g/g0 знаходиться в інтервалі 10–7…10–5 для об'єктів, що вільно рухаються в космічному просторі,

411

10–6…10–2 – для об'єктів, які закріплені на борту космічного корабля, та може короткочасно зростати до 5·10–1 при маневрах космічного апарата.

Існування мікрогравітації призводить до різких змін характеру протікання фізичних процесів у рідких і газових середовищах та багатофазних системах, що мають рідку, тверду та газову фази. При цьому істотно зменшується гравітаційна конвекція та різко збільшується роль хімічної і термокапілярної конвекції, практично повністю відсутній розподіл фаз за рахунок різниці густини речовин, значно зростає вплив сил поверхневого натягу та адгезії. Теплота масообмін в умовах мікрогравітації визначаються процесами теплопровідності та дифузії. Мікрогравітація істотно впливає також на дії оператора-зварника.

Тиск залишкової атмосфери у діапазоні висот 250…500 км дорівнює приблизно 5·10–4 Па. Такий тиск широко застосовують при зварюванні і споріднених технологіях у земних умовах. Особливість косміч-

ного вакууму полягає в дуже великій (миттєвій) швидкості видалення газів, які утворюються у ході процесу, та суттєвій відмінності складу газового середовища в земному та космічному вакуумі. Насамперед, у

космічному вакуумі дуже великий вміст атомарного та іонізованого кисню. Наприклад, при висоті польоту близько 260 км в 1 см3 космічної атмосфери сумарна кількість атомів та іонів кисню дорівнює (2,1…2,5)·109, а при зростанні висоти польоту до 500 км – (0,39…1,7)·108.

Потрібно враховувати також те, що космічний простір є повністю відкритим. Тому застосування способів зварювання, в яких використовуються пари або гази, є проблематичним.

За рахунок великої швидкості переміщення космічних об'єктів у відкритому космосі виникає певний градієнт тиску між лобовою та тильною сторонами корабля. На лобовій стороні відбувається ущільнення середовища, що призводить до зростання тиску на величину до 102 Па від оточуючого середовища. На тильній стороні, навпаки, ви-

412

никає зниження тиску на величину до 103 Па. Це явище має назву "вакуумна тінь" і його також необхідно враховувати при розробці технологій зварювання в космосі.

Існування в космосі різких світло-тіньових границь має два прояви та пов'язане з відсутністю густої атмосфери, що ускладнює процеси теплообміну. При обертанні навколо Землі космічні об'єкти за один оберт двічі переходять з освітленої Сонцем зони до тіньової і навпаки. При цьому на освітленій Сонцем стороні космічного апарата поверхня може нагріватися до 150 ºС, а іноді і більше, у той час як на тіньовій поверхні температура може знижуватися до –120 ºС. Близько розташовані освітлені та тіньові поверхні можуть мати великий градієнт температур, оскільки теплообмін відбувається лише за рахунок випромінювання з поверхні та теплопровідності матеріалу. Систематичне термоциклювання зварних конструкцій при обертанні навколо Землі супроводжується термодеформаціями і термічними напруженнями, що може суттєво впливати на тривалість експлуатації космічних об'єктів у відкритому космосі.

Підвищена агресивність космічного середовища пов'язана з високим вмістом у космічному вакуумі атомів та іонів кисню, що спричиняє підвищення концентрації розчинного кисню в металі. Це може суттєво погіршити властивості зварного з'єднання. Ще більше впливає кисень на матеріали, які знаходяться в паровій фазі в процесі нанесення покриття. Процеси окиснення істотно прискорюються під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця. При цьому відбувається інтенсивне корозійне руйнування поверхні як основного матеріалу, так і зварних та паяних з'єднань.

Слід відзначити також вплив на матеріали мікрочастинок природного походження, таких, як мікрометеоритний та космічний пил.

Ці частинки мають велику кінетичну енергію, яка при їх зустрічі з поверхнею космічних апаратів перетворюється на теплову та механічну.

413

Зіткнення з такими частинками призводить до структурних перетворень у металі, а також різноманітних дефектів та мікротріщин. Під впливом термоциклювання, окиснення та опромінення ці дефекти збільшуються та розвиваються. Їх накопичення може суттєво зменшити втомну міцність конструкційних матеріалів і з'єднань та призвести до руйнування конструкції.

При виборі способів зварювання в космосі необхідно враховувати як загальні вимоги до зварювання, так і специфічні космічні вимоги –

найвища надійність з'єднань, безпечність, мала енергомісткість, мінімальні маса та габарити обладнання.

Зважаючи на вищеназвані вимоги, можна зробити висновок, що дифузійне та холодне зварювання, зварювання вибухом, магнітноімпульсне та контактне зварювання, які не пов'язані з наявністю великої кількості газів і розплавленого металу в робочій зоні, не зустрінуть суттєвих перешкод для використання в космосі. Але сфера застосування цих способів обмежена їх малою універсальністю. Контактне та магніт- но-імпульсне зварювання, крім того, пов'язані з існуванням потужних магнітних полів та необхідністю громіздкого устаткування. Зварювання тертям також вимагає наявності громіздкого обладнання і застосування суттєвих механічних зусиль до з'єднуваних деталей, що є небажаним у безопорному просторі. Ультразвукове та високочастотне зварювання характеризуються великим енергоспоживанням, малою універсальністю, високим рівнем акустичних та електричних перешкод.

Найбільш перспективними способами зварювання в космосі є поширені в промисловості методи зварювання плавленням з викорис-

танням таких джерел теплоти, як електрична дуга, плазма та елект-

ронний промінь. Застосування в космосі світлового променя та лазерів стримується складними системами спостереження за розташуванням Сонця, малим к.к.д. та запиленням оптичних приладів парами розплавлених матеріалів.

414