4.17. Сущность, схема, технологические возможности лучевых способов сварки.

Электронно-лучевая сварка.

Электронный луч представляет со­бой сжатый поток электронов, пере­мещающийся с большой скоростью от катода к аноду в сильном электричес­ком поле. При соударении электронно­го потока с твердым телом более 99% кинетической энергии электронов пере­ходит в тепловую, расходуемую на нагрев этого тела. Температура в месте соударения может достигать 5000— 6000° С. Электронный луч образуется за счет эмиссии электронов с нагретого в вакууме [133(10~4~ 10~5) Па] катода с помощью электростатических и эле­ктромагнитных линз фокусируется на поверхности свариваемых материалов .

В установках для электронно-луче­вой сварки электроны, испускаемые катодом электронной пушки, форми­руются в пучок электродом, рас­положенным непосредственно за ка­тодом, ускоряются под действием раз­ности потенциалов между катодом и анодом, составляющей 20—150 кВ и выше, затем фокусируются в ви­де луча и направляются специальной отклоняющей магнитной системой на обрабатываемое изделие. На формирующий электрод подается отрицательный или нулевой по от­ношению к катоду потенциал. Фоку­сировкой достигается высокая удель­ная мощность луча. Ток электронного луча не­велик— от нескольких миллиампер до единиц ампер.

При перемещении заготовки под не­подвижным лучом образуется сварной шов. Иногда при сварке перемещают сам луч вдоль неподвижных кромок с помощью отклоняющих систем. От­клоняющие системы используют также и для колебаний электронного луча поперек и вдоль шва, что позволяет сваривать с применением присадочного металла и регулировать тепловое воз­действие на шов.

В современных установках для свар­ки, сверления, резки или фрезерования электронный луч фокусируется на пло­щади диаметром менее 0,01 см, что позволяет получить большую удельную мощность.

При сварке электронным лучом те­плота выделяется непосредственно в са­мом металле, который, частично ис­паряясь, оттесняет расплав в сторону, противоположную направлению сварки.

Высокая концентрация теплоты в пя­тне нагрева позволяет испарять такие материалы, как сапфир, рубин, алмаз, стекло, образуя в них отверстия. Не­значительная ширина шва и нагретой зоны основного металла способствует резкому снижению деформаций свар­ного соединения. Кроме того, проведе­ние процесса в вакууме обеспечивает получение зеркально-чистой поверхно­сти шва и дегазацию расплавленного металла.

Электронно-лучевой сваркой изготов­ляют детали из тугоплавких химиче­ски активных металлов и их сплавов (вольфрамовых, титановых, ниобиевых, циркониевых, молибденовых и т. п.), а также из алюминиевых и титановых сплавов и высоколегиро­ванных сталей. Металлы и сплавы можно сваривать в однородных и раз­нородных сочетаниях, со значительной разностью толщин, температур плав­ления и других теплофизических свойств. Минимальная толщина свари­ваемых заготовок составляет 0,02 мм, максимальная — до 100 мм.

Электронно-лучевой сваркой можно соединять малогабаритные изделия, применяемые в электронике и прибо­ростроении, и крупногабаритные изде­лия длиной и диаметром несколько метров.Лазерная сварка. Применяемый для расплавления ме­талла при сварке лазерный луч пред­ставляет собой вынужденное монохро­матическое излучение, длина волны которого зависит от природы рабочего тела лазера-излучателя и может быть в диапазоне 0,1 —1000 мкм. Оно воз­никает в результате вынужденных ска­чкообразных переходов возбужденных атомов рабочих тел лазеров на более низкие энергетические уровни. При этом возбужденный атом отдает эне­ргию в виде фотонов с частотой, свойственной материалу применяемого рабочего тела. Испускание света можно инициировать воздействием внешнего фотона, обладающего энергией, соот­ветствующей разнице энергий атомов в возбужденном и нормальном со­стояниях. В результате такого воз­действия генерируются два фотона с одинаковой частотой, которые распространяются в направлении вектора внешнего фотона.

Одновременно может протекать и об­ратный переход. Поэтому для получе­ния заметной генерации вынужденного излучения необходимо добиваться та­кого состояния рабочих тел, при ко­тором превалировали бы переходы с возникновением новых фотонов. Это­го состояния искусственно достигают воздействием различных источников энергии — световой, тлеющего электри­ческого разряда, химических процессов и др., с помощью которых производят так называемую «накачку» рабочих тел.

Твердотельные лазеры обычно имеют относительно небольшую мощность.

Для получения непрерывного излуче­ния большей мощности применяют так называемые газо­вые лазеры. Рабочим веществом у них чаще всего является СО2, который в смеси с аргоном и гелием специаль­ными насосами прогоняется через раз­рядную камеру с тлеющим электричес­ким разрядом. В камере происходит возбуждение молекул СО2. В резонаторной камере энергия возбужденных частиц формируется в световой поток большей мощности, который выводится наружу, фокусируется и направляется на обрабатываемую поверхность мате­риала. Лазерный луч при встрече с препят­ствием (обрабатываемым материалом) частично отражается от его поверх­ности, частично ею поглощается, пе­реходя в теплоту. Для увеличения доли полезно используемой энергии нужно повышать коэффициент поглощения. Для этого перед обработкой таких материалов, у которых отражательная способность велика (Ag, Cu, A1 и др.), поверхность покрывают специальными «зачерняющими» покрытиями.

Основными параметрами режимов лазерной обработки являются мощ­ность излучения, диаметр пятна фо­кусировки, скорость перемещения об­рабатываемого материала относитель­но луча.

Преимуществами лазерной сварки яв­ляются возможность вести процесс на больших скоростях — до 500 м/ч, узкий («ниточный», «кинжальный») шов, чрез­вычайно малая зона разогрева, прак­тически отсутствие деформаций изделия после сварки.

Большая плотность мощности, до­стигаемая в остросфокусированном ла­зерном луче (значительно выше, чем в сварочной дуге, и на порядок выше, чем в электронном луче), позволяет получать особые эффекты при обработ­ке материалов. Например, можно до­стичь скоростей нагрева нескольких десятков и даже сотен тысяч градусов в секунду. Металл в этих условиях может интенсивно испаряться. Такие режимы используются для прошивки отверстий или при резке. Интенсивный сосредоточенный на­грев обычно обусловливает и чрезвы­чайно большую скорость охлаждения материала после прекращения воздей­ствия луча (тысячи градусов в секунду). Можно создать условия охлаждения, при которых обрабатываемый матери­ал после расплавления охлаждается с такой скоростью, что процессы кри­сталлизации с образованием упорядо­ченной структуры происходить не ус­певают; при затвердевании образуется аморфный слой, обладающий специфи­ческими свойствами.

В то же время расфокусированный лазерный луч может быть и очень «мягким», что позволяет его исполь­зовать в качестве универсального ис­точника нагрева для сварки, резки, наплавки, термообработки и др.