Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

Дугове, плазмове та електронно-променеве зварювання були всебічно досліджені в ІЕЗ ім. Є.О. Патона. Їх порівняльні характеристики за розподілом електричної енергії, яку вони споживають, показано на рис.3.65 [104].

Рис.3.65. Розподіл електричної енергії між силовим джерелом живлення і кабелями (1), інструментом (2) та деталлю (3) при електронно-променевому (а), дуговому (б) і плазмовому (в) зварюванні в умовах кос-

мічного вакууму та мікрогравітації

Завдяки тривалим дослідженням ІЕЗ ім. Є.О. Патона була створена та в 1969 р. випробувана на космічному кораблі "Союз-6" перша автоматична зварювальна установка "Вулкан". Вона передбачала використання в космосі зварювання електричною дугою низького тиску плавким електродом, стиснутого дугою низького тиску з порожнім катодом та електронним променем. Обсяг досліджень, виконаних ІЕЗ ім. Є.О. Патона з 1965 до 1990 років, показано на рис.3.66 [104].

Перші експерименти зі зварювання і різання в космосі на автоматичній установці "Вулкан" виконали в жовтні 1969 р. космонавти Г. Шонін і В. Кубасов.

Спроба зварювання стиснутою дугою з порожнім катодом не дала позитивних результатів, оскільки розряд не забезпечував розплавлення металу товщиною 1 мм. Зварювання дугою низького тиску плавким електродом та електронним променем показало стабільність процесів, хоча отримати якісні шви не вдалося через нерівномірність руху робочого стола. Новий зразок автоматичної зварювальної установки "Вул- кан-2" передбачав лише два способи зварювання – електронно-про-

415

меневе та вакуумно-дугове зварювання плавким електродом. У 1972 р. була випробувана автоматична електронно-променева зварювальна установка на американській орбітальній станції "Скайлеб" [104]. Для ручного виконання технологічних процесів у відкритому космосі в ІЕЗ ім. Є.О. Патона був створений та в 1984 р. випробуваний у відкритому космосі універсальний ручний електронно-променевий інструмент

(УРІ).

Рис.3.66. Наземні дослідження (а) та космічні експерименти (б) по зварюванню, які виконані в ІЕЗ ім. Є.О. Патона протягом 1965–1990 років:

– випробування в літаючій лабораторії; – випробування у вакуумній камері; – випробування в гідробасейні; – експерименти всередині космічної станції; – експерименти у

відкритому космосі

Дослідження показали, що при електродуговому зварюванні в космосі тиск парів металу недостатній для існування локалізованого розряду. Дуга характеризується наявністю великих активних плям, які блукають на поверхнях електродів, та низькою проплавляючою дією. В умовах мікрогравітації краплі металу на плавкому електроді можуть досягати великих розмірів. Найбільш ефективним способом управління переносом електродного металу є зварювання модульованим струмом у вигляді окремих імпульсів.

416

До початку 80-х років минулого століття було визначено опти-

мальне джерело нагрівання – електронний промінь. Найбільш перспективним методом зварювання було визнано електронно-променеве зварювання, яке має такі переваги: раціональне використання космічного вакууму; можливість з'єднання практично всіх матеріалів, що використовується в космічній техніці, а іноді і різнорідних; використання великої частки енергії (до 80 %) для нагрівання виробу; можливість плавного регулювання щільності енергії за рахунок фокусування електронного променя; малі розміри та маса обладнання. Слід відзначити також універсальність електронно-променевого джерела теплоти. Його можна використовувати для зварювання, різання, паяння, напилення та термічної обробки.

Електронно-променеві пушки космічної зварювальної апаратури призначені для обробки лише тонколистових конструкцій. Це дозволяє використовувати низьковольтні короткофокусні пушки з великим кутом сходження променя та виготовляти їх досить простими, надійними, безпечними та малогабаритними. Енергоживлення зварювальних установок здійснюється від спеціального високовольтного блока. Оскільки система силового енергоживлення сучасних космічних об'- єктів має номінальну напругу 27 В постійного струму при значних коливаннях (до 15 %) напруги, то живлення установок вимагає багатоступеневого перетворення електричної енергії. Електронні пушки мають прискорюючу напругу до 10 кВ.

Дослідження показали, що ЕПЗ металів малих товщин у космосі мало відрізняється від наземного. Космічний вакуум сприяє якісному зварюванню, але може призвести до випаровування летких елементів. Концентрація водню в металі шва знижується. Концентрація кисню дещо збільшується. Мікрогравітація є причиною підвищеної небезпеки утворення пор та несплавлень, викликаних оксидними включеннями. Для попередження цих дефектів рекомендується використання

417

електронного променя модульованої потужності з амплітудою сили струму від 20 до 80 % номінального значення [104].

ЕПЗ дозволяє виконувати в космосі всі види зварних з'єднань. Механічні властивості з'єднань при правильно вибраній технології не гірші, ніж при зварюванні в наземних умовах. Макрота мікроструктура зварних з'єднань істотних відмінностей не мають. Небезпека утворення пропалів при зварюванні у космосі значно менша, оскільки немає витікання зварювальної ванни під дією сили тяжіння. Це полегшує заварювання отворів та виконання ремонтних зварювальних робіт при підвищених зазорах.

Відсутність сили тяжіння ускладнює різання металів. Під дією поверхневих сил розплавлений метал стягується на більш холодні ділянки кромок, що робить їх непридатними для зварювання. Для різання використовують максимально сфокусований електронний промінь та примусове охолодження однієї з кромок для стягування на неї розплавленого металу.

Основні проблеми паяння в космосі пов'язані з вибором припоїв. Оскільки при малій гравітації роль поверхневих сил зростає, то використання припоїв, які добре змочують з'єднувані матеріали, забезпечує високу якість з'єднань. Нагрівання деталей проводиться розфокусованим променем.

Виконані дослідження та набутий досвід показують, що зварювання і споріднені технології забезпечують виготовлення, монтаж та ремонт великогабаритних конструкцій у космосі. При цьому можливе їх повне виготовлення в космосі, виготовлення на Землі та розгортка або складання з окремих елементів у космосі [104,106].

3.4.5. Різання водяним струменем

Різання водяним струменем (wasserstrahlschneiden, резка водяной струёй) – це різання з видаленням матеріалу за допомогою високошвидкісного струменя води внаслідок його удару, тиску та абразивного впливу, процесів ерозії і кавітації.

418

Руйнування металу в зоні різання розпочинається з поверхні матеріалу під впливом удару рідини. Це відбувається з кожною новою ділянкою матеріалу, яка в процесі різання нагрівається і потрапляє під струмінь. Далі струмінь заглиблюється в матеріал та, утворюючи дуже великі напруження, руйнує його. Зруйновані частки матеріалу під впливом високо енергетичного струменя діють як абразив. Для різання деяких металів абразив вводиться у струмінь. Різання супроводжується процесами ерозії та кавітації.

Промислове використання водяного струменя розпочалося в 1936 р. в американській та радянській гірській промисловості для видобутку вугілля та каменю. З 1949 р. американська компанія "Gilsonte Corp" почала використовувати водяний струмінь для видобутку мінералів. Перше використання водяного струменя для різання технологічних матеріалів відбулося в 1961 р. З 1971 р. пристрої для різання водяним струменем застосовуються у виробництві меблів для різання покритих панелей. У 1975/76 роках на авіаційному заводі Boеing (м. Сіетл, США) було застосовано різання водним струменем синтетичних матеріалів. Створення підсилювачів тиску та необхідних периферійних пристроїв дозволило використовувати технологію різання водяним струменем в індустрії будівельних матеріалів, а також для обробки металів і сплавів. У середині 80-х років 20-го століття відбувся вихід на ринок абразивно-струменевих різальних систем, а в 1990 р. уже близько 1500 систем різання водяним струменем працювали в промисловості.

Головними параметрами різання водяним струменем є тиск води (2000…5000 ат); діаметр сопла для формування струменю (0,1…0,3 мм); відстань між соплом та виробом (10…30 мм) та швидкість різання.

Важливе значення має склад рідини, яка використовується для різання (вода, вода з абразивом, наприклад MgO, SiO2, Al2O3 тощо).

Швидкість різання залежить від матеріалу та його товщини. Для деяких матеріалів швидкість різання, за даними SLV M-V, наведено в табл.3.9.

419

Таблиця 3.9. Швидкість різання (мм/хв) водяним струменем деяких

матеріалів

Матеріал		Товщина матеріалу, мм
	5	10	15	20		25	50
Алюміній	2100	980	600	530		400	140
Титан	1100	500	320	280		150	50
Нержавіюча сталь	1000	450	220	190		110	40
Скло	4000	2800	800	650		410	100

Основними перевагами різання водяним струменем є відсутність аерозолів та пилу, оскільки утворені в процесі різання частки миттєво зв'язуються та видаляються водою; відсутність механічних та термічних пошкоджень кромок матеріалу; високий коефіцієнт використання матеріалів завдяки вузькому зазору різання, який відповідає діаметру сопла; можливість різання як по контуру, так і можливість початку та припинення процесу в будь-якому місці заготовки; можливість розрізання вибухонебезпечних матеріалів. Процеси різання легко піддаються автоматизації.

До недоліків процесу слід віднести необхідність забезпечення надвисоких тисків води та стійкості сопла проти зносу. Для виготовлення сопел використовують спеціальні матеріали, у тому числі сапфір.

Різання водяним струменем застосовують в автомобільнобудівній промисловості при виготовленні деталей кузова автомобілів та обробки панелей приладів і заготовок для амортизаторів; в електротехніч-

ній та електронній промисловості для різання ізолюючих матеріалів та електронних плат; в авіабудівній промисловості, машинобудуванні та при виготовленні космічної техніки для різання деталей зі скла і синтетичних матеріалів, обробки за допомогою абразивного струменя деталей великих парових турбін, різання високолегованих хромонікелевих сталей, титану, алюмінію та інших матеріалів, на кромках різу яких термічні перетворення є неприпустимими.

420

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1.Абрикосов А.А. Основы теории металлов. – М.: Наука, 1987. –

520 с.

2.Акопьянц К.С., Нестеренков В.М., Назаренко О.К. Электронно-

лучевая сварка сталей толщиной 60 мм с продольными колебаниями луча // Автоматическая сварка. – 2002. – № 9. – С.3–5.

3.Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. – М.:

Физматгиз, 1963. – 472 с.

4.Бакши О.А. Механическая неоднородность сварных соединений. – Челябинск: ЧПИ, 1981. – 46 c.

5.Балакин В.И., Хренов К.К. Роль вакуума при холодной сварке

//Автоматическая сварка. – 1966. –№ 2. – С.7–9.

6.Бачин В.А. Диффузионная сварка стекла с металлами. – М.: Машиностроение, 1986. – 182 с.

7.Башенко В.В., Лопота В.А., Штернин Л.А. Применение мощ-

ного лазерного луча в сварочной технике. – Л.: ЛДНТП, 1986. – 32 с.

8.Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1968. – Т.1.– 596 с.

9.Бокштейн С.3. Строение и свойства металлических сплавов. – М.: Металлургия, 1971. – 495 с.

10.Будова рідких, аморфних та кристалічних матеріалів / С.І. Си-

доренко, М.В. Білоус, М.О. Васильєв та інші. – Миколаїв: УДМТУ, 1999. – 264 с.

11.Ван Бюрен. Дефекты в кристаллах. – М.: ИЛ, 1962. – 584 с.

12.Величко О.А., Молчан И.В., Моравский В.Э. Современное со-

стояние технологии лазерной сварки // Автоматическая сварка. – 1977. –

№ 5. – С.44–50.

13.Взаимодействие между ниобием и нержавеющей сталью при ударной сварке с промежуточной прослойкой / Г.К. Харченко,

421

А.И. Игнатенко, Л.Н. Лариков и др. // Автоматическая сварка. – 1977. –

№8. – С.14–19.

14.Вилль В.И. Сварка металлов трением. – Л.: Машиностроение, 1970. – 181 с.

15.Гаген Ю.Г., Таран В.Д. Сварка магнитоуправляемой дугой. – М.: Машиностроение, 1970. – 160 с.

16.Гарофало Ф. Законы ползучести и длительной прочности металлов: Пер. с англ. Ю.Г. Андреева. – М.: Металлургия, 1968. – 304 с.

17.Гельман А.С. Основы сварки давлением. – М.: Машинострое-

ние, 1970. – 312 с.

18.Герцрикен С.Д., Дехтярь И.Я. Диффузия в металлах и сплавах в твёрдой фазе. – М.: Изд-во физ.-мат. лит., 1960. – 564 с.

19.Герцрикен С.Д., Мазанко В.Ф., Фальченко В.М. Импульсная обработка и массоперенос в металлах при низких температурах. – К.: Наукова думка, 1991. – 208 с.

20.Глуханов Н.П., Богданов В.Н. Сварка металлов при высокочастотном нагреве. – М.–Л.: Машгиз, 1962. – 190 с.

21.Голобородько Ж.Г., Квасницкий В.В. Влияние плазмообра-

зующей среды при резке на образование пор при сварке судокорпусных сталей // Зб. наук. праць УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2002. –

№3(381). – С.25–31.

22.Головенко С.А. Сварка прокаткой биметаллов. – М.: Метал-

лургия, 1976. – 160 с.

23.Головченко В.С., Доброленский В.П., Мисюров И.П. Тепловая резка металлов в судостроении. – Л.: Судостроение, 1975. – 272 с.

24.Голубев В.С., Лебедев Ф.В. Инженерные основы создания технологических лазеров. – М.: Высшая школа, 1987. – 206 с.

25.Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. – М.: Ме-

таллургия, 1967. – 403 с.

26.Горячая обработка металлов в вакууме и инертной среде

422

/ Ф.Е. Долженков, Ю.И. Кривоносов, Д.И. Пирязев и др. – К.: Технiка, 1969. – 200 с.

27. Горячие трещины при сварке жаропрочных сплавов

/ М.Х. Шоршоров, А.А. Ерохин, Т.А. Чернышова и др. – М.: Машино-

строение, 1973. – 224 с.

28.Грецкий Ю.Я., Максимов С.Ю. Влияние компонентов на формирование металла шва при ручной сварке под водой // Автоматиче-

ская сварка. – 1994. – № 7. – С.15–17.

29.Грецкий Ю.А., Максимов С.Ю. Металлургические особенности подводной мокрой сварки покрытыми электродами // Автоматиче-

ская сварка. – 1995. – № 1. – С.10–15.

30.Грецкий Ю.А., Максимов С.Ю. Структура и свойства соединений низколегированных сталей при подводной мокрой сварке покрытыми электродами (обзор) // Автоматическая сварка. – 1995. – № 5. –

С.7–11.

31.Григорович В.К. Жаропрочность и диаграммы состояния. – М.: Металлургия, 1968. – 324 с.

32.Григорьянц А.Г., Соколов А.А. Лазерная резка металлов: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1988. – 127 с.

33.Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н. Лазерная сварка металлов: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1988. – 207 с.

34.Данченко М.Е., Нефедов Ю.Н. Подводная резка порошковой проволокой с использованием сварочного полуавтомата // Автомати-

ческая сварка. – 1990. – № 1. – С.70–71.

35.Данченко М.Е., Нефедов Ю.Н. Подводная резка штучными электродами (обзор) // Автоматическая сварка. – 1993. – № 8. – С.35–37.

36.Данченко М.Е., Савич И.М., Нефедов Ю.Н. Влияние гидроста-

тического давления на технологические параметры подводной дуговой резки порошковой проволокой // Автоматическая сварка. – 1989. –

№1. – С.48–49.

37.Данченко М.Е., Савич И.М., Нефедов Ю.Н. Подводная дуговая

423

резка порошковой проволокой // Автоматическая сварка. – 1989. –

№4. – С.59–61.

38.Диффузионная сварка в вакууме дисперсионно-твердеющих жаропрочных сплавов с прокладками / Г.В. Ермолаев, Н.П. Житников,

В.М. Заболотский, В.А. Игнатов, В.Ф. Квасницкий // Судостроитель-

ная промышленность. Сер.: Сварка. – 1988. – Вып. 6. – С.13–23.

39.Диффузионная сварка в вакууме хрома с медью / Г.К. Харчен-

ко, Ю.В. Фальченко, О.А. Новомлинец и др. // Автоматическая сварка. – 2002. – № 7. – С.41–42.

40.Диффузионная сварка материалов: Справочник / Под. ред. Н.Ф. Казакова. – М.: Машиностроение, 1981. – 271 с.

41.Диффузионная сварка титана / Э.С. Каракозов, Л.М. Орлова, В.В. Пешков и др. – М.: Металлургия, 1977. – 272 с.

42.Драгунов В.К. Влияние конструктивных особенностей соединения на формирование швов при ЭЛС разнородных сталей и сплавов // Сварочное производство. – 2002. – № 8. – С.17–22.

43.Драгунов В.К., Гончаров А.Л. Методы определения отклонения электронного пучка при сварке намагниченных деталей // Сварочное производство. – 2002. – № 9. – С.3–9.

44.Дудин А.А. Магнитно-импульсная сварка металлов. – М.: Ме-

таллургия, 1979. – 128 с.

45.Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. – М.: Мир, 1964. – 715 с.

46.Зуев И.В. Обработка материалов концентрированными потоками энергии. – М.: МЭИ, 1998. – 162 с.

47.Зуев И.В., Родякина Ф.В., Волков Д.Е. Методика расчёта ре-

жимов ЭЛС с учётом экспериментальных значений термического КПД // Сварочное производство. – 1996. – № 2. – С.27–29.

48.Иванов В.Л., Локай В.И. Высокотемпературные охлаждаемые турбины. – М.: Машиностроение, 1971. – 279 с.

424