Электронно-лучевая сварка

1. катод;

2. формирующий электрод;

3. анод;

4. электростатическая линза;

5. электронно-магнитная линза;

6. изделие.

Электронный луч – сжатый пучок электронов перемещается со скоростью близкой к скорости света от катода (1) к аноду (3) в сильном электрическом поле. При соударении электронного потока с телом (заготовкой) более 90% кинетической энергии переходит в тепловую, которая расходуется на нагрев этого тела. Температура соударения колеблется в пределах 5000 -6000 ⁰С. Электронный луч образуется за счет эмиссии электронов с нагретого катода, формируется в пучок формирующим электродом (2), расположенным за катодом, далее пучок электронов ускоряется под действием разницы потенциалов (U = 50 – 150 кВ) между катодом и анодом. Затем, с помощью электростатической (4) и электронно-магнитной (5) линз направляется на обрабатываемое изделие (6). В современных установках электронный луч может фокусироваться на площади 0,001мм², что позволяет получить большую удельную мощность луча. При дуговой сварке металл нагревается и плавится за счет распространения теплоты от поверхности в глубину, при этом форма шва получается полукруглой, а при сварке электронным пучком теплота выделяется непосредственно в самом металле и сама теплота более интенсивна на некоторой глубине. Отношение глубины к поверхности сварного шва доходит до 20/1 (“кинжальный шов”).

Высокая концентрация тепла в пятне нагрева позволяет сваривать такие твердые материалы как сапфир, рубин, алмаз, стекло. Малая ширина зоны проплавления даёт возможность резко уменьшить деформацию заготовок, за счёт вакуума обеспечивается зеркальная поверхность соединения и дегазация расплавленного металла.

Такой сваркой изготавливают детали из тугоплавких химически активных металлов и их сплавов, даёт возможность сваривать мелкие детали, применяющиеся в электронике и приборостроении, с толщиной до 0,02 мм, а также крупногабаритные изделия длиной и диаметром в несколько метров.

Плазменная сварка

Данный вид сварки применяется для больших металлических элементов с большой толщиной, где необходимо применять источники теплоты с температурой выше температуры столба сварочной дуги. Такие температуры получают с помощью плазмотронов. Плазменная струя представляет собой направленный поток газа имеющий температуру 10000 -20000 ⁰С. Плазму получают пропуская газ через столб сжатой дуги. Плазменную дугу применяют для сварки высоколегированных сталей, сплавов титана, никеля, молибдена, вольфрама, а также для резки металлов (плазменная резка).

По сравнению с аргонно-дуговой сваркой, плазменная сварка имеет несколько преимуществ: более концентрированный источник теплоты, обладающий большей проплавляющей способностью, что позволяет сваривать металл толщиной до 15 мм без предварительной разделки кромок и использования присадочного материала, при этом снижается тепловое воздействие на свариваемый металл, уменьшаются сварочные деформации.

Плазменная дуга обладает более высокой стабильностью горения, что обеспечивает высокое качество шва. Всё это позволяет выполнять микроплазменную сварку металлов толщиной 0,025 – 0,8 мм при токе 0,5 – 10 А. увеличивая силу тока и расход газа можно получить проникающую плазменную дугу, вследствие чего резко возрастают тепловые мощности дуги, скорость истечения и давления плазмы, то есть мы можем получить процесс резки.

Недостаток такого вида сварочных работ – это недолговечность горелок вследствие частого выхода из строя сопел и электродов.

Контактная сварка

Данная сварка относится к видам сварки с кратковременным нагревом места соединения, с оплавлением или без оплавления, осадкой разогретых заготовок. Сварные соединения формируются в процессе пластической деформации. Место соединения разогревается протекающим по металлу электрическим током, причем максимальное количество теплоты выделяется в месте соединения

Q_max = I²Rt (1)

по закону Джоуля – Ленца. Здесь

R = Rз + Rк + Rэ,

где Rз – сопротивление заготовок по длине L;

Rк – сопротивление в месте контакта;

Rэ – сопротивление электродов.

Rк имеет наибольшее значение из-за неровностей поверхности стыка даже после тщательной обработки заготовок, их поверхности соприкасаются только в отдельных точках, следовательно действительное значение сечения металла в месте стыка, через который протекает электрический ток, меньше сечения самих заготовок. Кроме того на поверхностях имеются плёнки оксида и участки локальных загрязнений с низкой электропроводимостью, всё это также способствует электросопротивлению контактов. В месте контакта металл нагревается до температуры, при которой металл становится пластичным, или до оплавления металла. Сдавливание происходит до сближения межатомных расстояний пока не произойдёт сварка поверхности.

По типу сварного соединения контактная сварка делится на стыковую, точечную и роликовую (шовную).

Стыковая сварка.При стыковой сварке происходит соединение по всей поверхности соприкосновения. Этим способом можно сваривать заготовки с сечением сложной формы, а также разнородные металлы, углеродистые стали, медь, алюминий. Наиболее распространёнными деталями для сварки в сык являются трубчатые конструкции, колёса, кольца, рельсы, швеллер, уголок, тавр, двутавр, железобетонная арматура.

Стыковая сварка может быть оплавлением или сопротивлением. Если разогрев происходит до термопластичности заготовок – это сварка сопротивлением, а если до оплавления кромок – то это сварка оплавлением.

Точечная сварка. Данный вид сварки имеет наибольшую производительность и распространение. С её помощью производят сварку листов в пакет (двух и более), прутков и т.д. Прочность соединения превосходит заклёпочное соединение. Заготовки собирают внахлёст и зажимают с усилием Р между двумя электродами. Соприкасающиеся с электродами поверхности заготовок разогреваются меньше, чем в точке соприкосновения внутренних поверхностей заготовок. Нагрев производится до термопластичного состояния наружных поверхностей и до оплавления внутренних, после чего отключают электрический ток, и снимают усилие Р, прикладываемое к заготовкам. В месте сварки образуется литая точка литого металла, имеющая форму чечевицы.

Электроды должны обладать высокой электро- и теплопроводностью, а также сохранять высокую твёрдость при температуре в 400 ⁰С. Для обеспечения твёрдости электродов их изготавливают из красной меди, протянутой в холодном состоянии, а также используют сплавы меди с германием, цинком, кадмием. Данные добавки применяются для пластичности меди при протяжке. В середине электроды имеют водоохлаждаемые каналы. Многоточечные сварочные машины могут одновременно сваривать до 50 точек и мощность таких сварочных машин достигает до 60 кВа.

Роликовая (шовная) сварка. Для получения ровного плотного шва электроды выполняются в виде роликов, между которыми пропускаются заготовки. При передвижении роликов по заготовкам получают непрерывающиеся друг с другом сварные точки, образующие герметичный сварной шов.

Такой вид сварки применяют для сварки баков, труб, котлов. Толщина свариваемых изделий колеблется от 0,2 до 3 мм, сварочный ток – до 20000 А и усилия на ролики достигают до 600 кг. Скорость сварки V= 2 м/мин. Ролики могут быть как с охлаждением, так и без него.

На практике применяют три способа шовной сварки:

1. непрерывный способ – шовная сварка выполняется непрерывным швом при постоянном давлении роликов и постоянной подачи электрического тока в процессе сварки;

2. прерывистый способ – когда с непрерывным вращением роликов при постоянном давлении при сжатии, но сварочная цепь периодически размыкается и замыкается, шов получается высокого качества по сравнению с первым способом, где требуется тщательная зачистка поверхности, равномерная толщина листов и однородность химического состава металла. При небольших отклонениях от этих условий сварной шов получается низкого качества с прожогами и с не свариваемыми участками;

3. прерывистый способ с периодическим вращением роликов – когда электрическая цепь размыкается в момент остановки роликов (шаговая сварка).

Параметрами режимов роликовой (шовной) сварки являются: плотность тока, удельное усилие сжатия, время протекания электрического тока (время определяется косвенно), которое определяется из конструктивных особенностей установки, от теплофизических свойств материала, конфигурации стыков и размеров заготовки.