книги / Сущность и техника различных способов сварки плавлением

В промышленности все более широкое применение находят тугоплавкие и химически активные металлы и сплавы. Поэтому для их сварки необходимо применять источники с высокой кон­ центрацией теплоты, а для защиты расплавленного и нагретого металла использовать среды, содержащие минимальное количе­ ство водорода, кислорода и азота. Этим условиям отвечает сварка электронным лучом.

Сущность и техника сварки электронным лучом. Сущ­ ность процесса состоит в использован™ кинетической энергии потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакуу­ ме. Для уменьшения потери кинетической энергии электронов за счет соударения с молекулами газов воздуха, а также для хими­ ческой и тепловой защиты катода в электронной пушке создают вакуум порядка КГ4-!О"6 мм рт. ст.

Сварка электронным лучом имеет значительные преимуще­

ства:

1. Высокая концентрация ввода теплоты в изделие, которая выделяется не только на поверхности изделия, но и на некоторой глубине в объеме основного металла. Фокусировкой электронно­ го 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 полу­ чить швы, в которых соотношете глубины провара к ширине до 20:1 и более. Появляется возможность сварки тугоплавких метал­ лов (вольфрама, тантала и др.), керамики и т.д. Уменьшение про­ тяженности зоны термического влияния снижает вероятность 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 ме­ талла газами. Наоборот, в целом ряде случаев наблюдается дега­ зация металла шва и повышение его пластических свойств. В ре­ зультате достигается высокое качество сварных соединений на химически активных металлах и сплавах, таких как ниобий, цир­ коний, титан, молибден и др. Хорошее качество электроннолуче­ вой сварки достигается также на низкоуглеродистых, коррозион-

но-стойких сталях, меди и медных, никелевых, алюминиевых сплавах.

При сварке электронным лучом проплавление имеет форму конуса (рис. 56). Плавление металла происходит на передней стенке кратера, а расплавляемый металл перемещается по боко­ вым стенкам к задней стенке, где он и кристаллизуется.

Рис. 56. Схема переноса жидкого металла при электронно-лучевой сварке: 1 - электронный луч; 2 -передняя стенка кратера; 3 - зона кристаллизации; 4 - путь движения жидкого металла;

5 - направление сварки

Проплавление при электронно-лучевой сварке обусловлено в основном давлением потока электронов, характером выделения теплоты в объеме твердого металла и реактивным давлением ис­ паряющегося металла, вторичных и тепловых электронов и излу­ чением. Возможна сварка непрерывным электронным лучом. Од­ нако при сварке легкоиспаряющихся металлов (алюминия, маг­ ния и др.) эффективность электронного потока и количество вы­ деляющейся 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 про­ плавления. При правильной установке соотношения времени пау­ зы 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.

Режимы элект ронно-лучевой сварки

		Толщина,	Режим сварки
	Металл		Ускоряющее	Сила тока	Скорость	Ширина
		мм	напряжение,	луча, мА	сварки,	шва, мм
		0,5	кВ		м/ч
	Вольфрам		18-20	40-50	60	1.0
		1,0	20-22	75-80	50	1,5
	Тантал	1,0	20-22	50	50	1,5
	Сталь типа 18-8	1,5	18-20	50-60	60-70	2,0
		20,0	20-22	270	50	7,0
		35,0	20-22	500	20	-
	Молибден+вольфрам	0,5+0,5	18-20	45-50	35-50	1,0

Основные параметры режима электронно-лучевой сварки - сила тока в луче, ускоряющее напряжение, скорость перемеще­ ния луча по поверхности изделия, продолжительность импульсов и пауз, точность фокусировки луча, величина вакуума (табл. 5). Для перемещения луча по поверхности изделия используют пе­ ремещение изделия или самого луча с помощью отклоняющей системы. Отклоняющая система позволяет осуществлять колеба­ ния луча вдоль и поперек шва или по более сложной траектории. Низковольтные установки используют при сварке металла тол­ щиной 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.

Основные типы сварных соединений, рекомендуемые для электронно-лучевой сварки, приведены на рис. 57. 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 под­ резов) требуется дополнительный металл в виде технологических буртиков или присадочной проволоки. В последнем случае появ­ ляется возможность металлургического воздействия на металл шва. Изменяя величину зазора и количество дополнительного ме­ талла, можно довести долю присадочного металла в шве до 50%.

Рис. 57 Типы сварных соединений при сварке электронным лучом:

а- стыковое (моэ/сет быть с бортиком для получения усиления шва);

б- замковое; в - стыковое деталей разной толщины; г —угловые; d u e - стыковые при сварке шестерен; ж —стыковые с отбортовкой

кромок

Недостатки электронно-лучевой сварки: возможность обра­ зования 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.

Сущность и техника сварки лучом лазера. В настоящее время сварка лучом лазера по экономическим соображениям имеет еще незначительное применение в промышленности. Из­ лучение лазера с помощью оптических систем может быть сфо­ кусировано в пятно диаметром в несколько микрометров или ли­ нию и т.д. При этом по концентрации энергии оно на несколько порядков превышает остальные сварочные источники энергии. Лазерная сварка ведется либо на воздухе, либо в аргоне, гелии, в СО2 и в других различных пространственных положениях. Оно с помощью оптических систем легко передается в труднодоступ­ ные места. Для сварки используются твердотельные и газовые ла­ зеры. Твердотельные лазеры могут быть непрерывного и им­ пульсного действия. В виду большой концентрации энергии в пятне нагрева форма провара при сварке схожа с таковой при сварке электронным лучом. Использование лазеров с короткими импульсами обычно приводит к бурному испарению металла из сварочной ванны.

Основными параметрами луча лазера являются его мощ­ ность, длительность импульса и диаметр светового пятна на сва­ риваемой поверхности. Расфокусировка луча также влияет на

глубину проплавления основного металла. При положительных расфокусировках глубина проплавления изменяется более резко. Поглощение световой энергии основным металлом зависит от со­ стояния его поверхности, поглощательной способности (часть светового потока, отражаясь, теряется).

Высокая концентрация теплоты в световом пятне лазера по­ зволяет практически все металлы довести не только до расплав­ ления, но и до кипения. Поэтому его можно использовать для сварки тугоплавких металлов. Однако мощность квантовых гене­ раторов до последнего времени была невелика и позволяла сва­ ривать металл толщиной до 1 мм. Поэтому луч лазера в основном используют для сварки однородных и разнородных металлов в радиоэлектронике. Однако в последнее время появились лазеры с большой энергией луча. Они позволяют сваривать и резать раз­ личные металлы и неметаллы толщиной до десятков милиметров.

Лазерную сварку с глубоким проплавлением ведут, как пра­ вило, без присадочного металла. Присадочный металл использу­ ют для повышения свойств шва или при увеличенных зазорах между кромками. Выполняется она в большинстве случаев в за­ щитной среде. Скорость импульсной сварки с глубоким проплав­ лением значительно ниже, чем при непрерывном излучении.

Сварку металла малой толщины (до 1 мм) ведут как непре­ рывным, так и импульсным лучом, как правило, без присадки и защитной среды. Однако при сварке активных металлов газовая защита зоны сварки необходима. Процесс лазерной резки заклю­ чается в расплавлении металла. Удалению его способствует до­ полнительно подаваемый газ. В результате образуется узкий рез, качество кромок которого сопоставимо с механической обработ­ кой. Резка может выполняться непрерывным или импульсивным лучом. При использовании в качестве дополнительного газа ки­ слорода скорость резки увеличивается, а процесс напоминает га­ зовую резку.

9. ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ СВАРКА

Этот способ широко используют в промышленности для со­ единения металлов повышенной толщины: стали и чугуна раз­ личного состава, меди, алюминия, титана и их сплавов. К пре­ имуществам способа относится возможность сварки за один про­ ход металла практически любой толщины, что не требует удале­ ния шлака и соответствующей настройки сварочной установки перед сваркой последующего прохода, как при других способах сварки. При этом сварку выполняют без снятия фасок на кром­ ках. Для сварки можно использовать один или несколько прово­ лочных электродов или электродов другого увеличенного сече­ ния. В результате этого достигается высокая производительность и экономичность процесса, повышающиеся с ростом толщины свариваемого металла.

К недостаткам способа следует отнести то, что электрошлаковая сварка технически возможна при толщине металла более 16 мм и за редкими исключениями экономически выгодна при сварке металла толщиной более 40 мм. Способ позволяет свари­ вать только вертикальные швы. При сварке некоторых металлов образование в металле шва и околошовной зоны неблагоприят­ ных структур требует последующей термообработки для получе­ ния необходимых свойств сварного соединения.

Сущность способа. Расплавленные флюсы образуют шла­ ки, которые являются проводниками электрического тока. При этом в объеме расплавленного шлака при протекании сварочного тока выделяется теплота. Этот принцип и лежит в основе электрошлаковой сварки (рис. 58). Электрод (1) и основной металл (2) связаны электрически через расплавленный шлак (3) (шлаковая ванна). Выделяющаяся в шлаковой ванне теплота перегревает его выше температуры плавления основного и электродного метал­ лов. В результате металл электрода и кромки основного металла оплавляются и ввиду большей плотности металла, чем шлака, стекают на дно расплава, образуя ванну расплавленного металла

(4) (металлическую ванну).

4

7

T

Рис. 58. Схема процесса электроиллаковой сварки

Электродный металл в виде отдельных капель, проходя че­ рез жидкий шлак, взаимодействует с ним, изменяя при этом свой состав. Шлаковая ванна, находясь над поверхностью расплавлен­ ного металла, препятствует его взаимодействию с воздухом. При правильно подобранной скорости подачи электрода зазор между торцом электрода и поверхностью металлической ванны остается постоянным.

Свариваемый металл, шлаковая и металлическая ванны удерживаются от вытекания обычно специальными формирую­ щими устройствами - подвижными или неподвижными медными ползунами (5), охлаждаемыми водой (6), или остающимися пла­ стинами. Верхняя кромка ползуна располагается несколько выше зеркала шлаковой ванны. Кристаллизующийся в нижней части металлической ванны расплавленный металл образует шов (7). Шлаковая ванна, находясь над поверхностью металлической ван­ ны, соприкасаясь с охлаждаемыми ползунами, образует на них тонкую шлаковую корку, исключая тем самым непосредственный контакт расплавленного металла с поверхностью охлаждаемого ползуна и предупреждая образование в металле шва кристаллиза­ ционных трещин.

Расход флюса при этом способе сварки невелик и обычно не превышает 5% массы наплавленного металла. Ввиду малого ко­ личества шлака легирование наплавленного металла происходит в основном за счет электродной проволоки. Доля основного ме­ талла в шве может быть снижена до 10-20%. Вертикальное поло­ жение металлической ванны, повышенная температура ее верх­ ней части и значительное время пребывания металла в расплав­ ленном состоянии способствуют улучшению условий удаления

газов и неметаллических включении из металла шва. По сравне­ нию со сварочной дугой шлаковая ванна - менее концентриро­ ванный источник теплоты. Поэтому термический цикл электрошлаковой сварки характеризуется медленным нагревом и охлаж­ дением основного металла. Отклонение положения оси сваривае­ мого шва от вертикали возможно не более чем на 15° в плоскости листов и на 30-45° от горизонтали.

Так как выделение теплоты в шлаковой ванне происходит главным образом в области электрода, максимальная толщина основного металла, свариваемого с использованием одной элек­ тродной проволоки, обычно ограничена 60 мм. При сварке ме­ талла большей толщины электроду в зазоре между кромками со­ общают возвратно-поступательное движение (До 150 мм) или ис­

пользуют	несколько	неподвижных	или перемещающихся
(рис. 59)	электродов.	В этом случае	появляется возможность

сварки металла сколь угодно большой толщины.

Техника сварки. Электрошлаковый процесс устойчиво протекает при плотностях тока около 0,1 А/мм2 (при дуговой сварке порядка 20-30 А/мм2). Поэтому возможна замена прово­ лочных электродов на пластинчатые (рис. 60) или ленточные электроды. Однако, если невозможно использование механизма подачи пластинчатых электродов (недостаток места над изделием и др.) и при сварке изделий сложного сечения (пластинчатый электрод должен быть неподвижен) для компенсации недостатка металла для заполнения пространства между электродами и элек­ тродами и кромками основного металла используют способ свар­ ки плавящимся мундштуком. В этом случае пластинчатый элек­ трод по форме может повторять форму свариваемых кромок и быть составным (рис. 61).

Токоподвод к электродной проволоке осуществляется через скользящий контакт с пластинчатым расплавляющимся электро­ дом (мундштуком). Один из приемов наплавки плоских поверх­ ностей показан на рис. 62, а. При контактно-шлаковой сварке (рис. 62, б) стержней различного поперечного сечения после об­ разования металлической ванны требуемого объема происходят выключение сварочного тока и осадка верхнего стержня. Этим способом можно приваривать стержни к плоской поверхности.

Устойчивость электрошлакового процесса, форма шва и глу­ бина проплавления основного металла зависят от параметров ре­ жима сварки. К основным параметрам относятся: скорость сварки vCB, сварочный ток /св, скорость подачи электродов vn n, напряжение сварки С/св, толщина металла, приходящаяся на один электрод, расстояние между электродами 2. Вспомогательные составляющие режима: зазор между кромками йр, состав флюса, глубина шлако­ вой ванны Ашв, скорость возвратно-поступательных движений электрода, его «сухой» вылет /э, сечение электродов и др. Глубина шлаковой ванны в зависимости от силы сварочного тока изменя­ ется от 25 до 70 мм. Скорость возвратно-поступательного движе­ ния электрода 25-40 м/ч. Сухой вылет электрода 60-80 мм. Влия­ ние некоторых параметров режима сварки на ширину провара по­ казано на рис. 63, б-е.

С увеличением силы тока увеличивается скорость расплав­ ления электрода и растет глубина металлической ванны Ам.в. Ши­ рина шва изменяется незначительно (рис. 63, б). С увеличением скорости подачи электрода vnp (обычно составляет 100-500 м/ч) конец электрода погружается в шлаковую ванну более глубоко. Это уменьшает напряжение сварки С/св, глубину металлической ванны Амв и ширину шва Ьпр (рис. 63 в и д). Коэффициент формы шва (формы металлической ванны) \|/ = bnp/hMb уменьшается с ростом силы тока и повышается с увеличением диаметра элек­ трода и напряжения сварки.

Рис. 62. Схемы электрогилаковой наплавки (а) и контактной шлаковой сварки (б). Стрелками обозначено:

А- направление перемещения формулирующего ползуна;

Б- возвратно-поступательные движения электродов; В - направление

подачи стержня в шлаковую ванну