Книги, научные публикации Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 | 4 | 5 |

МНСТЕРСТВО ОСВТИ НАУКИ УКРАпНИ Укранський державний морський технчний унверситет мен адмрала Макарова В.В. КВАСНИЦЬКИЙ ...

-- [ Страница 4 ] --

6 - вдбивач Випаровування титану вдбуваться за допомогою електродугово го розряду мж катодом анодом. Анодом служить корпус 1 насоса, катодом - титановий диск 3. Випаровування титану обумовлено висо кою концентрацю енерг в катоднй плям електрично дуги постй ного струму. Щльнсть струму в плям досяга 1010Е1011 А/м2. Катод на пляма безперервно хаотично перемщуться по поверхн катода, забезпечуючи рвномрне випаровування титану з поверхн диска. Ти тановий диск пдтримуться нтегрально холодним. Збудження дуги вдбуваться спецальним електродом 4. Оскльки дуга горить у парах титану, то вона зберга свою стабльнсть при будь-якому низькому тиску залишкових газв. Напруга збудження дуги склада 25Е35 В, сила струму стабльного горння дуги - 120Е140 А при напруз 20Е21 В. Швидксть випаровування титану (3,6Е4,7)10Ц6 кг/с. Для зменшення швидкост випаровування з метою бльш економного ви користання титану застосовують перодичний режим горння дуги.

При цьому, чим нижчий тиск залишкових газв, тим довшою пауза мж моментами увмкнення насосу. При випаровуванн титану на стн ках насоса безперервно утворються свжа активна плвка, що погли на активн гази. Насос ма вдбивач 6 впускной патрубок 2. Для вд качки нертних газв до випускного патрубка 5 приднуться паромас ляний дифузйний насос, швидксть д якого повинна складати 2Е5 % швидкост д електродугового насоса. Швидксть д електро дугових насосв склада 10Е100 м3/с при тисков 10Ц4 Па, граничний залишковий тиск при вдкачц нертних газв склада 10Ц5 Па.

Високий вакуум з вдкачкою нертних газв можна отримати, та кож використовуючи онно-гетерн та магнтн електрорядн насоси.

Принцип д онно-гетерних насосв заснований на поглинанн газв плвкою титану, яка перодично або безперервно наноситься з одночас ною вдкачкою нертних газв вуглеводнв шляхом х онзац та уло влювання позитивних онв. онзаця здйснються електронами, як емту термокатод. Граничний залишковий тиск онно-гетерних насо св склада близько 10Ц7 Па. Швидксть д максимальна в дапазон 10Ц4Е10Ц6 Па склада у насосв ГИН-05М1 - 0,45 м3/с, у ГИН-5 - 4,5 м3/с. Результатом розвитку онно-гетерних насосв стали орбтрон н онно-гетерн насоси, в яких за рахунок збльшення пробгу елект ронв нтенсивнсть онзац газу рзко збльшуться.

Магнтн електророзрядн насоси, на вдмну вд онно-гетерних, не мають високотемпературних елементв електродно системи. Для одержання активних плвок для онзац газв у них використовуть ся електричний розряд викликане ним катодне розпилення титану.

Електрична система (анод катод) розмщуться в магнтному пол, перпендикулярному до поверхн катода. При наявност на електродах рзниц потенцалв у деклька кловольт мж ними утворються елект ричний розряд, який завдяки магнтному полю стабльно пдтримуть ся в широкому дапазон тискв. Позитивн они газв, що утворюються внаслдок зткнення електронв з молекулами, прискорюються елект ричним полем у напрямку катода проникають у нього, викликаючи розпилення матералу катода (титану). Розпилений титан осда голо вним чином на анод. Активн гази (азот, кисень) зв'язуються на св жоутворенй на анод плвц в стабльн хмчн сполуки (нтриди, ок сиди). Аргон вдкачуться завдяки адсорбц його онв на катод. Так насоси можуть бути неохолоджуван типу НМД охолоджуван типу НМДО. Швидксть д рзна, наприклад, у НМД-1 склада 1,2 м3/c, у НМД-0-0,63-1 - 0,6 м3/с. - насоси досить складн в експлуатац, ма ють тривалий перод запуску, а також, як онно-гетерн, бояться рз кого пдвищення тиску. Тому для технологчних процесв найбльш широко використовують гетерн випаровувальн насоси.

Сучасний рвень розвитку вакуумно технки дозволя комплекту вання необхдними насосами будь-яких технологчних установок залеж но вд технчного завдання. Розрахунки вакуумних систем детально розглянут в пдручниках та спецальнй тератур [102,108,115,130].

Зварювальн установки. В установках для дифузйного зварювання у вакуум звичайно застосовують механчн насоси об'мно д дифузй н паромаслян насоси. Схему найбльш просто установки УДСВ-ДТ для дифузйного зварювання деталей турбн показано на рис.2.91.

Рис.2.91. Схема вакуумно установки УДСВ-ДТ для дифузйного зварювання деталей лопаток газових турбн:

1 - дифузйний насос;

2, 12 - вакуумн електромагнтн крани;

3 - плита каркасу;

4 - вакуумний затвор;

5 - сильфонний ввд штока;

6 - гдроцилндр;

7 - манометр;

8 - колона гдровузла;

9 - вакуумна камера;

10 - гдравлчний насос;

11 - масляний бак;

13 - форвакуумний насос;

14 - каркас установки Установка ма форвакуумний насос 13 типу ВН-1МГ, дифузйний насос 1 типу Н5-СМ1, електромагнтний кран 12 для напуску повтря в камеру 9, масляний бак 11 два вакуумних електромагнтних крани 2, один з яких служить для з'днання форвакуумного насоса з робо чою камерою, а другий - для з'днання з дифузйним насосом. На тек столтовй плит 3, розмщенй на каркас 14, установлена робоча ва куумна камера 9, ручний гдравлчний насос 10 вузол гдравлки, що складаться з двох колон 8, з'днаних верхньою нижньою траверса ми. До верхньо траверси крпиться трьохпоршневой гдравлчний ци ндр 6, що забезпечу стискування деталей пдйом штокв. Тиск ма сла в гдросистем вимрюють манометром 7. Зусилля стискування вд поршнв гдроцилндра передаться на детал через три штоки, розта шован в однй площин введен у вакуумну камеру через сильфонн ущльнення 5. Три штоки дозволяють рвномрно розподляти зусилля по великй площ зварювання. Максимальне зусилля стискування де талей склада 50 кН. Воно створються за допомогою ручного гдрав чного пресу 6 з максимальним тиском масла 15 МПа.

Зварюються детал у вакуумнй камер 9. Корпус робочо вакуумно камери об'мом 54 л виготовлено з нержавючо стал. Вона ма сорочку для водяного охолодження. Вдкидна передня стнка з оглядовим вк ном з спецального скла даметром 160 мм щльно притискаться до корпуса камери через гумове ущльнення спецальними пристроями.

Вакуумна камера з'днана з дифузйним насосом 1 через вакуумний за твор 4 типу ДУ-160. Попереднй вакуум у робочй камер створються форвакуумним насосом 13, а високий вакуум - дифузйним паромасля ним насосом 1. Вакуум 1,310Ц2 Па створються в робочй камер за 5 хв.

Робота на установц ведеться в такй послдовност. Перед зварю ванням детал зачищають знежирюють. Пдготовлен до зварювання детал встановлюють у камеру 9. Вдкачка повтря до тиску в 13,3 Па ведеться форвакуумним насосом 13, а потм дифузйним 1. Коли досяг нуто необхдного вакууму, детал нагрвають до температури зварю вання. В установц передбачене ндукцйне нагрвання деталей стру мами високо частоти. Температура зварювання вимрються за допо могою двох термопар.

При досягненн необхдно температури зварювання детал стис кають заданим зусиллям витримують у такому стан протягом визна ченого часу. Час зварювання звичайно склада клька хвилин.

Псля закнчення зварювання закривають вакуумний затвор 4, вдкривають кран 12 напуску повтря в камеру. При цьому форвакуум ний насос вдкачу повтря з дифузйного насоса. У робочй камер ведеться вивантаження - завантаження деталей.

Аналогчно побудован нш установки з ндукцйним нагрванням, бльшсть з яких розроблена пд кервництвом проф. М.Ф. Казакова в дома пд назвою СДВУ (СДВУ-21, СДВУ-24, СДВУ-ЗОЛ, СДВУ-50 то що) [51]. ндукцйне нагрвання використовуться також в установках СН-335, А306.08, СЖМ2.327. Електронно-променеве джерело нагрвання ма установка А30К.14, радацйне нагрвання - установки СДВУ-38, СДВУ-40, А306.21, А308.13. В установц СДВУ-13 зварюван поверхн очищаються ультразвуком, що дозволя успшно з'днувати активн ме тали. Для зварювання дроту будь-яко довжини призначена установка СДВУ-21. Установки СДВУ-15-2, А306.06, УДС-3 мають дв зварювальн камери, що дозволя ефективнше використовувати джерело нагрвання.

Найбльш широко застосовують установки з ручним напвавтоматич ним управлнням, хоча створен установки з автоматичним програмним управлнням процесом зварювання [51].

Перерахован зварювальн установки працюють при вакуум до 1,310Ц2Е6,610Ц3 Па, який забезпечують дифузйн паромаслян насо си. Для зварювання високоактивних металв сплавв побудован ви соковакуумн установки.

Схему високовакуумно установки ВВУ-1Д, створено Укрансь ким державним морським технчним унверситетом (УДМТУ) спльно з НВО "Енергя", показано на рис.2.92.

Унверсальна установка ВВУ-1Д призначена для дифузйного зва рювання паяння складних за конфгурацю та громздких вузлв з тугоплавких активних металв, жаромцних сплавв, композицйних керамчних матералв, нанесення покриттв припов методами онно плазмового та термчного напилення. Об'м робочо камери склада 3,53 м3, максимальна температура деталей - 1600Е1800 С. В установц передбачено радацйне нагрвання та нагрвання струмами високо час тоти. Потужнсть нагрвального пристрою склада 120 кВА.

Рис.2.92. Схема високовакуумно установки ВВУ-1Д:

1 - форвакуумний насос НВЗ-20;

2 - вакуумний агрегат АВП-2;

3 - бустерний насос БН-3;

4 - форвакуумний насос ВН-6ГМ;

5 - електродуговий вакуумний насос АВЭД-40/80;

6 - вузол гдравлки;

7 - вакуумна камера Вакуумна камера оснащена допомжними механчними манпулято рами та механзованими пристроями, як забезпечують виконання техно логчного циклу виготовлення парт деталей без розгерметизац камери.

В установц ВВУ-1Д вакуум 1,310Ц5 Па створються за допомо гою форвакуумних насосв НВЗ-20 ВН-6ГМ, бустерного насоса БН-3, вакуумного агрегату АВП-2 та електродугового вакуумного на соса АВЭД-40/80. Форвакуумний насос ВН-6ГМ вдкачу з камери повтря до 13,3 Па потм вимикаться. Подальша вдкачка ведеться насосами НВЗ-20, БН-3, АВП-2 АВЭД-40/80.

Загальний вигляд установки ВВУ-1Д показано на рис.2.93.

Рис.2.93. Загальний вигляд унверсаль но високовакуумно установки ВВУ-1Д Бльш детально будову установки ВВУ-1Д розглянуто в робот [60], а нших установок - у пдручнику [130].

2.7.4. Особливост та сфери застосування. Основною особлив стю дифузйного зварювання можливсть регулювання в широких нтервалах параметрв режиму, що дозволя з'днувати практично будь-як матерали без змни х будови та властивостей. При цьому необхдно враховувати важливий вплив на процес зварювання не ли ше температури, тиску, часу середовища, але й пдготовки з'днува льних поверхонь. Так, якщо при зварюванн напвпровдникв не до пускаються пластичн деформац, або при з'днанн магнтв певна максимально допустима температура, то особливу роль вдграють способи пдготовки поверхонь х активац, вакуум або газове сере довище та х взамозв'язок з основними параметрами режиму зварю вання. Наприклад, у табл.2.10 наведено два режими зварювання мд з нкелем при температурах 900 та 400 С, але при нижчй температур для отримання вакуумнощльного з'днання проводилися ретельна пдготовка поверхн та зварювання в надвисокому вакуум 10Ц6 Па.

При зварюванн магнтв для зниження температури використовують певн прокладки або гальванчн покриття мддю. При з'днанн рзно рдних металв, як утворюють крихк прошарки, зменшують промжн метали. Це забезпечу можливсть з'днання практично будь-яко ком бнац металв, сплавв неметалв.

При зварюванн у вакуум поверхня деталей не тльки захищать ся вд подальшого забруднення, наприклад, газами, оксидами, але й очищуться в результат процесв десорбц, сублмац або розчинення оксидв та дифуз х углиб металу. ДЗВ не потребу спецальних дро тв, електродв, припов, флюсв, захисних газв тощо. Це значно ско рочу транспортн витрати.

У парт деталей, що виготовляються за допомогою дифузйного зварювання, звичайно спостергаться стабльнсть якост з'днання.

Це забезпечуться сталстю параметрв процесу: температури, тиску, часу зварювання, ступеня розрдження та пдготовки поверхн. Висока стабльнсть механчних показникв зварного з'днання цлком обрун товано дозволя застосовувати вибрковий контроль виробв та актив ний контроль параметрв режиму зварювання. Це досить важливо в тих випадках, коли вдсутн прост, дешев та надйн методи контро лю якост зварних з'днань.

Основн параметри дифузйного зварювання - температура, тиск, вакуум час зварювання - легко програмуються, що дозволя створю вати устаткування з мнмальним використанням ручно прац.

Досить важлива особливсть способу - можливсть з'днання де талей незалежно вд розмру, перерзу деталей, що зварюються, фор ми х поверхонь. Вони впливають лише на вибр конструкц нагрва льних та притискних пристров. Наприклад, спосб дозволя успшно зварювати нкелеву фольгу товщиною 3 мкм та алюмнву фольгу товщиною 8 мкм з масивними деталями, тобто товщини з'днуваль них матералв можуть знаходитися в широких межах вд мкрометрв (фольга) до масивних виробв [93].

Дифузйне зварювання дозволило в 10Е12 разв пдвищити тер мн служби, яксть надйнсть ряду деталей, розробити принципово нов конструкц машин, приладв, спростити технологю та замнити дефцитн дорог матерали, а також скоротити обсяг х витрат шля хом виготовлення композицйних виробв. За допомогою дифузйного зварювання отриман й освон в промисловому виробництв з'днання таких пар металв сплавв, як виконати ншими видами зварювання або зовсм не було можливост, або вдавалося з великими трудноща ми. Виготовлено вироби складно конфгурац з жаромцних, високо легованих, тугоплавких активних металв, надтвердих, твердих спла вв та неметалчних матералв: керамки, кварцу, скла, графту, ситал лу, сапфру тощо [51].

Дифузйне зварювання вд багатьох нших способв зварювання вдрзняють висока ггнчнсть, вдсутнсть ультрафолетового ви промнювання, шкдливих газових видлень, пилу тощо. Витрати енер г в 4Е6 разв менш, нж при контактному зварюванн одних тих же деталей, а ресурс роботи останнх значно бльший.

Спосб дифузйного зварювання знайшов застосування в найрз номантнших галузях промисловост для одержання як мнатюрних, так великогабаритних виробв з металв, керамки, скла та нших ма тералв. За його допомогою виготовляють так складн точн конят рукц, як апарати, плакован срблом, для хмчно промисловост (ви сота 3 м даметр 1,8 м);

металокерамчн гермовводи, вузли з фериту металокерамки, високостйк штампи, пружн елементи датчикв, вольфрамов сопла тальних апаратв, багатошаров панел, модул пневмонки, колеса турбн радального типу, лопатки турбн, порист трубки для хмчно газово промисловост, клапани, гльзи цилндрв двигунв, ювелрн вироби та багато ншого. У судновому машинобу дуванн за допомогою дифузйного зварювання виготовляють елемен ти катодного захисту (з нерозчинними платиново-титановими анода ми) пдвдно частини корпусу судна гребних гвинтв вд корозйних корозйно-механчних руйнувань, детал з жаромцних сплавв, арма туру тощо.

Недолк дифузйного зварювання - велика тривалсть процесу.

Для усунення цього недолку розроблен багатопозицйн багатока мерн (роторного типу) установки, установки безперервно д з шлю зуванням, з спецальними завантажувальними бункерами, розмщен ними в робочй камер, а також здйснються нтенсифкаця процесу зварювання з застосуванням високих швидкостей деформування, термоциклування, промжних прокладок, у тому числ високодисперс них порошкв та нших прийомв.

Застосування дифузйного зварювання надал буде сприяти тех нчному прогресу в рзних галузях технки. Важливе значення воно ма при створенн зварюванн композицйних багатошарових мате ралв, сфера застосування яких постйно зроста.

2.8. Зварювання прокатуванням Зварювання прокатуванням (welzschweissen;

roll welding;

сварка прокаткой) - це зварювання тиском, що виконуться прокатними вал ками, як деформують попередньо нагрт вд зовншнього джерела тепла заготовки. Спосб використовуться звичайно для отримання бметалв [22]. Температуру нагрвання вибирають таким чином, щоб вона була нижчою найлегкоплавкшого з'днання дано пари металв, тобто щоб з'днання вдбувалось у твердому стан. - температури для деяких пар металв наведено в табл.2.11 [26].

Таблиця 2.11. Температури плавлення (С) металв та х легкоплавких твердих розчинв (m) та евтектик (е) Метали Cr Cu Fe Mo Nb Ni Ta Ti V Zr Cr 1800 1075,e 1507,m 1860,т 1600,e 1345,e 1700,e 1390,e - 1300,e Cu - 1083 1083 1083 1083 1083 1083 880,e 1083 885,e Fe - - 1535 1440,e 1360,e 1440,e 1410,e 1085,e 1470,т 934,e Mo - - - 2620 2300,т 1315,e 2620 1660 1100,т 1520,e Nb - - - - 1470 1175,e 2470,т 1660,т 1810,т 1600,т Ni - - - - - 1453 1360,e 955,e 1203,e 961,e Ta - - - - - - 330 1660,т 1900,т 1850,e Ti - - - - - - - 1660 1620,т 1610,т V - - - - - - - - 1900 1230,e Zr - - - - - - - - - Бметал - матерал, який складаться з деклькох шарв рзнорд них металв, мж якими по всй контактнй поверхн сну металчний зв'язок, а тому бметал ма властивост його складових, котрих не ма монометал. Використання бметалв забезпечу значну економю де фцитних металв. Тому бметали та багатошаров матерали знаходять все бльш широке застосування в промисловост.

Двошаров пакети, збран для прокатування у вакуум, показано на рис.2.94 [26].

Заготовки для отримання бметалв звичайно являють собою па кет, збраний з пластин вдповдних металв. Для отримання багато шарових матералв пакет складають з певно клькост пластин, як на кнцях скрплюються заклепками або гвинтами, якщо пластини при прокатуванн деформуються приблизно однаково (див. рис.2.94,а).

Вдносно широк пакети скрпляють двома заклепками на передньому кнц, тобто з сторони початку прокатування (рис.2.94,б). Якщо очку ться значна нервномрнсть деформац шарв, то для вльного по довження при прокатуванн в пластин, яка деформуться менше, ро биться паз (рис.2.94,в), а пластина, котра бльше деформуться, ро биться короткою (рис.2.94,г). Оскльки при прокатуванн бметалчних пакетв звичайно вдбуваться значний вигн, то з сторони початку прокатування встановлюють спецальн приставки (рис.2.94,в). При прокатуванн пакетв значних розмрв з приблизно однаковою тов щиною м'якого та твердого металв (наприклад, перехдникв сталь + титан) для обмеження розширення м'якого металу його зсуву в сторону застосовують пакети з боковими буртами (рис.2.94,г).

а в б г Рис.2.94. Двошаров пакети для прокатування у вакуум:

1 - заклепка;

2 - пластина плакуючого металу;

3 - пластина основного металу;

4 - спе цальна приставка для початку прокатування Складання пакетв ведуть перед прокатуванням. З'днувальн по верхн пластин зачищають металчною щткою, перед складанням пластини, та заклепки знежирюють ацетоном.

Основними параметрами процесу температура та величина деформац при прокатуванн (величина обтиснення пакета), але важ ливе значення ма середовище прокатування.

Температура прокатування повинна забезпечувати з'днання у твердому стан. Тому вона повинна бути, у крайньому раз, на 40Е50 С нижчою вд температури утворення найбльш легкоплавко го сполучення (табл.2.11). Необхдно враховувати також вплив темпе ратури на рст зерна та дифузйн процеси.

Величина обтиснення при прокатуванн повинна бути меншою границ пластичност, яка визначаться вдносним обтисненням Н/Н, при котрому починаться порушення суцльност металу в даних умо вах деформац (Н - початкова товщина).

Для попередження газонасичення та окиснення металу застосо вують прокатування в стальних оболонках;

нагрвання в попередньо вакуумованих ампулах, соляних ваннах, середовищ водню або нерт них газв, але сама деформаця на повтр погршу властивост мета в та з'днання. Насичення приповерхневого шару металв газами значно зменшу границю пластичност металу. Тому найбльш перс пективн процеси, при яких нагрвання, прокатування та охолодження вдбуваються в глибокому вакуум або нертних газах, що особливо важливо для високоактивних металв. У роботах Ф.к. Долженкова встановлено, що газонасичення та окиснювання титану залежить не лише вд глибини вакууму, але вд величини зазору мж пластинами [26]. Наприклад, при нагрванн пластин стал титану ВТ1-1 у ва куум 10Ц3Е10Ц2 Па рзниц в стан зовншньо поверхн титану по верхн, яка контактувала з сталлю, не спостергалося, але при 10Ц1 Па величина зазору суттво впливала на стан поверхн титану, що видно з рис.2.95. Нагрвались пластини протягом 1 год. при температур 1000 С та натканн 7 мкм/с.

У малому зазор при нагрванн склад газу змнються. Молекули кисню взамодють з титаном, окиснюючи його;

азот при температур 1000 С реагу з титаном мало. Тому азот у зазор надал перешкоджа проникненню кисню. Чим менший зазор, тим меншим окиснювання титану. Тому щльний контакт пластин титану стал при нагрванн сприя пдвищенню якост зварних з'днань при прокатуванн.

а б Рис.2.95. Залежнсть приросту маси пластини титану розмром 20203 мм, що знаходилася мж стальними пластинами, товщини на нй оксидно плвки (а) та мкротвердост приповерхневого шару (б) вд величини зазору мж пластинами Вплив величини пластично деформац при прокатуванн рзних бметалв показано на рис.2.96 [26].

з рис.2.96 видно, що збльшення величини деформац пдвищу мцнсть з'днань. При плакуванн залза нкелем при температур 1100 С висока мцнсть з'днань досягаться при деформац 15 %, а при плакуванн стал Ст3 мддю при 1000 С - уже при 5 %, причому руйнування бметалу Ст3 + мдь проходить по мд.

Дослдженнями з'днань титану ВТ1 з мддю М1 установлено, що при деформац 15 % вдбуваться дифузйне зварювання металв з утворенням мцного з'днання [26]. При прокатуванн двох пластин з жаромцного нкелевого сплаву ЭИ602 при температур 1200 С об тисненн пакета 30Е40 % границ листв на мкроструктур не виявле но, а мцнсть з'днань була близькою до мцност основного металу.

Аналогчн результати отримано при зварюванн мж собою стал Ст при 1200 С з обтисненням в обох випадках 20 % бльше.

Для пдвищення якост з'днання при прокатуванн бметалу в ря д випадкв використовують прошарки (пдшари), принципи вибору яких т ж сам, що при дифузйному зварюванн.

Рис.2.96. Залежнсть мцност при зрз з'днань бметалв вд величини обти снення пакета при температурах:

1 - 1200 С, Ст3 + 1Х18Н9Т;

2 - 1320, 3 - 1120;

4 - 1200;

5 - 1020;

залзо + 1Х18Н9Т;

6 - 1100, залзо + нкель Н1;

7 - 1000, Ст3 + мдь;

8 - 880, титан + цирконй;

9 - 1200, титан + тантал;

10 - 1200, титан + нобй;

11 - 780, титан + мдь;

12 - 1200, ти тан + молбден;

13 - 1200, молбден + нобй;

14 - 1100, нобй + титан;

15 - 960, цир конй + нобй Забезпеченню високо якост з'днань при деформац прокату ванням або пд дю певно стискуючо сили сприя використання явища утворення вакууму в зольованому об'м внаслдок взамод газв повтря з металами та самодовльного очищення металчних по верхонь вд оксидв при нагрванн металв в умовах, як виключають безперервний доступ нових порцй повтря до хнх поверхонь. Це явище було виявлено в ЕЗ м. к.О. Патона [89].

Схема зварювання з самодовльним очищенням металу вд оксид них плвок поляга в тому, що зазор мж деталями герметизують шля хом обварювання по контуру. Потм детал з герметизованим зазором нагрвають деформують зовншнм тиском або прокатуванням. Зварю вання за цю схемою в ЕЗ було названо автовакуумним зварюванням тиском (АЗТ). Гаряче прокатування бметалв та з великою клькстю шарв за схемою АЗТ успшно використовуться в металург.

2.9. нш способи зварювання тиском Державний стандарт Украни ДСТУ 3761.2-98 "Зварювання та спорднен процеси" (частина 2) передбача також нш способи зва рювання тиском, крм розглянутих вище. Вони вдрзняються вд роз глянутих способом нагрвання.

Газопресове зварювання (gasschweissen;

gas pressure welding;

газопрессовая сварка) - зварювання тиском, пд час якого з'днуван поверхн заготовок попередньо нагрвають теплом спалюваних газв.

Пчне зварювання (feuerschweissen;

pressure welding with fur nace heating;

печная сварка) - зварювання тиском, пд час якого на грвання вдбуваться в печах або горнах.

ндукцйне зварювання (induction welding;

индукционная свар ка) - зварювання тиском з нагрванням з'днуваних поверхонь заготовок ндукованим у них електричним струмом. Цей спосб подну зварюван ня струмами високо та промислово частот, як розглянуто в п.2.6.

Ковальське зварювання (hammerschweissen;

forge welding, hammer welding;

кузнечная сварка) - зварювання тиском, у процес якого попередньо нагрт заготовки з'днують ударами молота чи ншими мпульсними зусиллями. Цей спосб вдомий з давнх часв, але сьогодн промислового значення не ма, оскльки не забезпечу надй ного очищення зварюваних поверхонь.

У науковй тератур зустрчаються також нш назви способв зварювання. Наприклад, у робот [76] та нших вживаються термни "мкрозварювання тиском", "ультразвукове мкрозварювання", "тер мокомпресйне зварювання" тощо. Пд термокомпресю розумють метод з'днання металв з металами та неметалами з нагрванням при вдносно низьких тисках (напруженнях). Як вдзначаться в робот [76], бльш правильною назвою цього способу "мкрозварювання тиском", оскльки проблеми зварювання пов'язан з мнатюрнстю де талей (нтегральн та гбридн нтегральн схеми), а не з зварюваними матералами (алюмнв або золот провдники даметром 10Е300 мкм, напилен плвки з цих же матералв, ковар, Si, SiO2).

З подальшим розвитком технки технологй будуть з'являтися нов назви та способи зварювання, але, як видно з роздлу 2, вс проце си при розглянутих способах зварювання тиском, вписуються в уза гальнену схему роздлу 1.

вально ванни. У робот [53] для попередження виплеску рекоменду ться застосовувати повне проплавлення, електронний промнь з най меншими можливими даметром кутом сходження, розгортку проме ня з подвйним заломленням, можливу меншу швидксть зварювання, розмщувати фокус променя в зон проплавлення. Перелчен заходи сприяють формуванню стабльного каплярного канала в зварювальнй ванн з оптимальним об'мом розплавленого металу.

ЕПЗ дозволя отримувати вузьк шви "ножово" форми, в яких глиби на проплавлення перевищу ширину бльше як у 10 разв. мпульсна мо дуляця струму променя дозволя це спввдношення значно збльшити.

У робот [2] запропонована частота мпульсно д променя, що дорвню власнй частот коливань зварювально ванни. Для цього по передньо розраховували частоту коливань зварювально ванни. Розра хунки та експериментальн дослдження показали, що дапазон частот коливань розплавленого металу знаходиться в нтервал вд десяткв до сотень герц. Тому частота розгортки променя була вибрана 130 Гц.

Розгортка мла форму подовжнх коливань. Розмр розгортки (подвй на амплтуду) складав 3 мм. Промнь мпульсно перекидався в напря мку хвостово частини ванни, а потм майже весь перод рухався за напрямком зварювання. Форму змни сили струму в котушц вдхи лення променя показано на рис.3.8.

Рис.3.8. Форма змни сили струму в котушц вдхилення променя:

Т - перод розгортки;

t1 - час переносу променя у хвостову частину ванни;

t2 - час руху променя вд хвостово частини в напрямку зварювання;

t - поточний час При розгортц променя з поздовжнми коливаннями на вдмну, наприклад, вд зварювання з поперечними коливаннями або круговою розгорткою отримали вузьк шви, причому з заокругленням кореня шва при неповному проплавленн.

Макрошлфи стал 12Х2Н4МД товщиною 57 мм при наскрзному та неповному проплавленн показано на рис.3.9 [2].

Рис.3.9. Наскрзне (а) непо вне (б) проплавлення стал 12Х2Н4МД з поздовжнми коливаннями променя та макрошлф стал 10Х18Н9Т при однопрохдному типово му ЕПЗ без мпульсно д (в) а б в При наскрзному (рис.3.9,а) проплавленн (U = 60 кВ;

I = 235 мА;

h = 42 (h - глибина проплавлення;

Всер - vзв = 18 м/год) отримали Bсер середня ширина шва), Всер = 1,35 мм. При неповному (рис.3.9,б) про h = 38, Всер = 1,42 мм ( = 215 мА, решта плавленн отримали Bcep параметрв однаков з попереднм випадком). В обох випадках виконували поздовжн коливання променя з частотою f = 130 Гц та розмром розгортки 3 мм. Для порвняння на рис.3.9,в показано макрошлф з типовим ЕПЗ при U = 60 кВ, I = 170 мА, vзв = 10 м/год, h = 16, Всер = 3,1 мм. При мпульснй д променя проплавлення Bcep бльш глибоким, вузьким та рвномрним по глибин внаслдок витс нення металу у хвостовй частин ванни утворення парогазового кана лу, по якому проника промнь при його поверненн. Вдповдно зроста глибина зварювально ванни та зменшуться ширина, але об'м мета лу ванни залишаться той же.

У робот [152] вивчали вплив модуляц струму на формування зварного шва при зварюванн стал 12Х18Н10Т товщиною 10 мм з ча стотою модуляц 230Е630 Гц. Виявлено, що при найбльшй глибин проплавлення частота модуляц струму променя залежить вд поло ження фокально площини променя вдносно поверхн металу. Також установлено, що модуляця струму в оптимальному дапазон частот дозволя збльшити глибину проплавлення на 20Е25 % при однй тй же потужност променя.

У ряд випадкв виника необхднсть легування металу шва, на приклад, для компенсац втрачених елементв за рахунок випаровуван ня, забезпечення стйкост металу проти гарячих трщин тощо. У таких випадках використовують присадн матерали [111]. Технологчно най бльш простим варантом зварювання з нанесеними необхдними еле ментами на зварюван кромки у вигляд покриття. Для нанесення по криття можуть застосуватися будь-як газотермчн або термчн методи.

Використовують також прокладки вставки будь-яко форми хмчно го складу. Розроблено ЕПЗ з автоматичною подачею в зону зварювання присадного матералу у вигляд дроту (крупки), що значно ускладню процес зварювання в зв'язку з збльшенням параметрв режиму зварю вання, але дозволя виконувати як зварювання, так наплавлення.

Для розрахунку параметрв режиму ЕПЗ розроблено деклька ме тодик. Наприклад, у робот [47] рекомендовано визначати режими за тепловою ефективнстю.

Теплова ефективнсть проплавлення металу при зварюванн ви значаться повним тепловим коефцнтом корисно д (к.к.д. пропла влення пр), тобто добутком ефективного к.к.д. в та термчного к.к.д.

т [114]. Нагадамо, що ефективний к.к.д. в - це вдношення клькост теплово енерг, уведено в метал, до клькост енерг, видлено джерелом, або вдношення потужност q теплового джерела, дючого в метал, до потужност Р електронного променя:

q в =. (3.5) P Ефективнсть використання введено в метал енерг характеризу ться термчним к.к.д. т, який визначаться як вдношення клькост теплоти, необхдно для проплавлення металу, до вс теплоти, уведе но в метал виробу:

Fпрvзв H пл т =, (3.6) q де FпрvзвHпл - умовний тепловмст проплавленого за одиницю часу ос новного металу;

Fпр - площа проплавлення;

vзв - швидксть зварюван ня;

Hпл - питомий об'мний тепловмст розплавленого металу, що мс тить приховану теплоту плавлення.

Повний к.к.д.

пр = в т. (3.7) Для ЕПЗ з глибоким проплавленням ефективний к.к.д. практично дорвню одиниц, тому теплова ефективнсть фактично залежить ли ше вд термчного к.к.д. [47]. Термчний к.к.д. залежить вд режиму зварювання, геометр шва, теплофзичних властивостей матералу. У зв'язку з складнстю процесв передач теплоти в канал проплавлення розрахунок термчного к.к.д., залежно вд виду апроксимац променя як джерела теплоти, да значн розбжност. Авторами роботи [47] експериментально встановлено, що при ЕПЗ максимальне значення термчного к.к.д. т для сталей склада близько 0,48 (при q/h = 4,0Е4,5 кВт/см та q/(hvзв) = 5,5Е6,5 кДж/см2, де q - ефективна потужнсть променя;

h - глибина проплавлення;

vзв - швидксть зва рювання);

для титанового сплаву т = 0,6 (при q/h = 2 кВт/см, q/(hvзв) = 7,3 кДж/см2);

для алюмнвого сплаву т = 0,17Е0, (q/h = 4Е6 кВт/см, q/(hvзв) = 5Е6 кДж/см2).

Залежнсть термчного к.к.д. ЕПЗ вд параметра q/h для сталей на ведено на рис.3.10 [47].

Рис.3.10. Залежнсть тер мчного к.к.д. ЕПЗ вд пара метра q/h для сталей аусте нтного (темн точки) та перлтного (свтл точки) класв Аналогчний вигляд ма залежнсть т = f(q/h) для сплавв алюм ню та титану. Значення т max для цих матералв при вдповдних па раметрах q/h та q/(hvзв) наведено в табл.3.1.

Таблиця 3.1. Максимальн значення термчних к.к.д. та вдповдн м параметри q/h та q/(hvзв) для сплавв алюмню, титану коро зйностйко стал Сплави Корозйностйка Параметри сталь алюмню титану qеф/h, кВт/см 4,2 2,0 4, qеф /(hvзв), кДж/см2 5,35 7,3 5, т max 0,165 0,62 0, Виходячи з максимального термчного к.к.д. (див. табл.3.1), для необхдно глибини проплавлення h знаходять потужнсть променя qеф з спввдношення qеф = const (за даними табл.3.1). (3.8) h Оскльки ефективний к.к.д. близький до одиниц, то qеф = q. При скорююче напруження визначаться типом електронно гармати. У нашй промисловост широко застосовують електронн гармати УЛ-141 (60 кВ, 60 кВт). Знаючи ефективну теплову потужнсть qеф та прискорююче напруження U, знаходять силу струму променя .

Швидксть зварювання vзв,см/с, знаходять з спввдношення qеф = const (за даними табл.3.1). (3.9) hvзв Даметр променя d визначаться за рвнянням [47] 4qеф d=, (3.10) hvзв H кип де Hкип - тепловмст металу, що кипить.

Ширину шва В (ширину прямокутника висотою h, площа якого дорвню площ поперечного перерзу шва Fпр) визначають за рвнян нями [47]:

при зварюванн в безперервному режим 4dqеф B= H h т ;

(3.11) пл при зварюванн в мпульсному режим 4tqеф B= H h т, (3.11,а) пл т де Нпл - тепловмст розплавленого металу;

t - тривалсть мпульсу.

Методику розрахунку рекомендовано для сплавв алюмню тов щиною < 28 мм, титанових сплавв < 108 мм, корозйностйко ста л < 25 мм.

Наприклад, розглянемо розрахунки параметрв режиму зварюван ня сплавв алюмню, титану та корозйностйко стал з глибиною проплавлення вдповдно 2, 5 та 3 см [47]. Користуючись даними табл.3.1 та рвняннями (3.5)Е(3.9), знайдемо параметри режимв та шва. Результати наведено в табл.3.2.

Таблиця 3.2. Параметри режимв ЕПЗ та зварних швв Сплави Корозйностйка Схема зварювання Параметри сталь алюмню титану h, см 2 5 q, кВт 8,4 10 12, U, кВ 60 60 I, А 0,14 0,17 0, vзв, см/с 0,78 0,28 0, d, см 0,2 0,19 0, B, см 0,29 0,42 0, Якщо зварювання виконуться променем з рвномрною круговою розгорткою, то при вдомй оптимальнй швидкост перемщення про меня vзв для даного матералу глибини проплавлення h частота f та даметр D кругово розгортки (даметр кола, яке опису центр елект ронного променя на поверхн зварюваних деталей) пов'язан спввд ношенням vзв = fD. (3.12) Слд вдзначити, що максимальна глибина проплавлення не зав жди оптимальна за тепловою ефективнстю. Наприклад, при ЕПЗ стал 12Х18Н10Т максимальному значенню термчного к.к.д. т = 0,41 вд повдають глибина проплавлення h = 11 мм та найбльш сприятлива за механчними властивостями мкроструктурою мнмальна глибина зони термчного впливу (ЗТВ) (hзтв = 0,2 мм), але при т = 0,37 мамо h = 16 мм hзтв = 0,3 мм, а при т = 0,26 мамо h = 25 мм hзтв = 1,6 мм [47].

Для зварювання гартованих сталей у робот [129] запропоновано нженерну методику розрахунку параметрв режиму зварювання з глибоким проплавленням за необхдним термчним циклом. Для цього спочатку слд визначити за даграмою термокнетичного розпаду аус тенту або розрахунком оптимальну для даного матералу швидксть охолодження. Потм знаходять параметри режиму ЕПЗ шляхом вир шення рвняння термчного циклу зварювання вдносно середньо швидкост охолодження з врахуванням рвняння теплового балансу за час перемщення електронного променя в напрямку зварювання на вд стань, що дорвню даметру електронно плями на вироб. Автори ро боти припускали, що шов ма постйну ширину по глибин, яка не зм нються з часом, втрати енерг на випаровування та на розсювання електронв вдсутн, а розплав знаходиться при температур плавлення.

Термчний цикл зварювання визначають за вдомим рвнянням [114] 3 v h dT (0, t ) = 2c[T (0, t ) T0 ] зв, (3.13) dt IU де - сила струму;

U - напруга;

vзв - швидксть зварювання;

h - тов щина металу;

- коефцнт теплопровдност;

с - питома теплом нсть;

- густина;

Т0 - початкова температура.

Тепловий баланс в зон зварювання E1 = E2 + E3, (3.14) де Е1 - енергя, яка пдводиться електронним променем за час перем щення на один даметр електронно плями;

Е2 - енергя, яка витрача ться на нагрвання плавлення металу шва;

Е3 - енергя, яка витрача ться на тепловдвд з бокових стнок шва, що пропорцональна град нту температур.

Енергя, що пдводиться електронним променем, d E1 = IU, (3.15) vзв де d - даметр елементарно плями на вироб, що дорвню d = dп + dр (dп - даметр променя;

dр - даметр розгортки);

U - прискорююча на пруга;

- сила струму променя.

Енергя, що витрачаться на нагрвання та плавлення металу шва, E2 = 2hd 2[c(Tпл Т 0 ) + L ], (3.16) де Тпл - температура плавлення;

L - питома теплота плавлення.

Енергя, що вдводиться з бокових стнок шва, Т E3 = 2hd 2, (3.17) vзв t T де - граднт температур на границ плавлення.

t У робот [129] визначено наближене значення температурного граднта за формулою роботи [154] отримано значення Е3:

1 v + c зв (Tпл T0 ).

E3 = 2hd 2 (3.18) vзв d Тепловий потк у напрямку, протилежному напрямку зварювання, не враховували, а тепловий потк у напрямку зварювання вд перед ньо стнки каналу зварювально ванни враховували в Е2 (пдгрв но вих длянок шва).

З урахуванням (3.15), (3.16), (3.18) знайдемо потужнсть променя:

UI = dvзвh [2c(Tпл Т 0 ) + L] + 2h (Tпл Т 0 ). (3.19) Розв'язуючи рвняння (3.13) з урахуванням (3.19), вдносно серед ньо швидкост охолодження у заданому температурному нтервал, знаходимо для ос шва [158] 4c(T1 T0 ) (T2 T0 ) 2 T1 T = =, (3.20) t d[2c(Tпл Т 0 ) + L] + (Tпл T0 ) (T1 + T2 2T0 ) vзв де t - час, протягом якого температура шва зменшуться вд Т1 до Т2.

Визначивши даметр електронно плями при зварюванн розгор нутим променем з умов яксного формування шва при заданй товщин металу, забезпечення стйкост проти гарячих трщин та нших факто рв або за рвнянням (3.10), швидксть охолодження в заданому нтер вал температур залежно вд швидкост зварювання vзв знаходять з рв няння (3.20). Для визначення оптимально для даного матералу швид кост охолодження можна змнювати також нш параметри. На приклад, на рис.3.11 показано вплив на швидксть охолодження пара метрв режиму ЕПЗ стал 18Х11МНФБ (ЭП291) [129].

Рис.3.11. Залежнсть швидкост охо лодження в температурному нтервал 600Е500 С стал ЭП291 вд швидко ст зварювання vзв (1 - 4 - Т0 = 20;

120;

180;

350 С вдповдно) та вд даметра електронно плями d (5 - vзв = 12;

6 - 36 м/год). Експериментальн значення при Т0 = 20 С позначено кружками, при 180 С - трикутниками Фзичн константи стал ЭП291 для розрахунку були прийнят такими:

с = 690 Дж/(кгС);

= 26,8 Вт/(мС);

L = 2,75105 Дж/кг;

= 7470 кг/м3, Тпл = 1390 С. У розрахунках впливу швидкост зварювання даметр електронно плями прийнято постйним, який дорвню 2,8 мм.

Розподл максимальних температур навколо рухомого нйного джерела теплоти на вдстан у вд границ проплавлення визначають за рвнянням [154] cvзв h 1 = 2e y+. (3.21) Tmax T0 Tпл T IU Пдставивши у (3.21) значення IU з (3.19), знаходять L + 2 (Tпл Tmax ) vзв d 2c + Tпл T y=. (3.22) vзвc 2e (Tmax T0 ) Результати розрахункв за рвнянням (3.22) для стал ЭП291 наве дено на рис.3.12 [129].

За графками, зображеними на рис.3.11 3.12, можна вибрати ре жим зварювання, який забезпечить оптимальн структуру та властиво ст з'днань.

Рис.3.12. Залежнсть ширини зони термчного впливу вд швидкост зварювання стал ЭП291 при Тmax = 800 С рзнй температур попереднього пдгрву:

1 - 20 С;

2 - 180 С;

3 - 350 С Слд вдзначити, що при вибор параметрв режиму ЕПЗ необхд но враховувати х вплив на формування шва, не допускаючи виплескв та виткання розплавленого металу, утворення несплавлень, пор та нших дефектв, на що також впливають як фокусна вдстань (вд фо кусуючо нзи до фокусу), так робоча вдстань до поверхн детал, а також положення фокусу променя вдносно ц поверхн. У бльшост випадкв змна робочо вдстан Lр в нтервал 200Е350 мм суттво не вплива на процес зварювання. Вплив положення фокально площини вдносно лицьово поверхн виробу було розглянуто вище. Це поло ження задають силою струму фокусуючо нзи, але необхдно врахо вувати, що для кожно зварювально гармати своя залежнсть мж струмом фокусуючо нзи фокусною вдстанню. Вона зв'язана з рз ними емсйними властивостями катодв, максимальними струмами променя (сила струму при мнмальному потенцал на керуючому електрод бля 220 В), конструктивними особливостями тощо. Тому важливе значення ма дагностика електронного променя в установках для ЕПЗ (визначення положення фокуса вдносно поверхн детал, ма ксимально густини струму та розподлу по перерзу променя, мн мального даметра та кута сходження променя). Комп'ютеризовану систему дагностики електронного променя розглянуто в робот [125].

ЕПЗ дозволя отримувати з'днання, для яких застосовують спо соби зварювання плавленням, однак його переваги найбльш повно реалзуються при виготовленн стикових з'днань. Для деяких з'днань придатне лише ЕПЗ, наприклад, однопрохдне зварювання розташова них на рзнй висот стикових швв проникаючим променем. За допо могою ЕПЗ можна отримувати з'днання з прорзними швами, викону вати зварювання у вузьких щлинах та важкодоступних мсцях. Деяк типи з'днань при ЕПЗ показано на рис.3.13.

г д е Рис.3.13. Деяк типи з'днань при ЕПЗ:

а, б - стиков;

в, г - з прорзними швами;

д - тавро ве з прорзним швом;

е - однопрохдне зварювання трьох стикв;

- стикове з'днання деталей цилнд рично форми;

ж - з'днання внапуск деталей жа рово труби ж Загальною вимогою для з'днань усх типв висока точнсть складання деталей пд зварювання. Допустим зазори в зварних стиках не повинн перевищувати 0,1 мм при товщин до 10 мм та 0,2 мм при бльших товщинах. Кромки, що зварюються, повинн бути ретельно очищен знежирен, тому що при контакт рдкого металу з органч ними речовинами останн у вакуум миттво випаровуються, викли каючи мкровибухи дефекти у шв.

На рис.3.13,, наприклад, показано пдготовку кромок при ЕПЗ деталей цилндрично форми з конкретними товщинами. Так детал складають з натягом зазором мж з'днуваними кромками не бльше 0,02 мм. Для точного наведення променя на стик з зовншньо сторо ни виконано скс кромок з кутом 45 глибиною 0,5 мм. Зварювання ведеться з повним проплавленням детал меншо товщини таким чи ном, щоб кнець проплавлення металу шва виводився пд внутршню цилндричну поверхню. Режим зварювання: U = 28 кВ;

= 180 мА;

vзв = 45 м/год;

вакуум 10Ц2 Па.

На рис.3.13,ж показано з'днання внапуск деталей турбнно жа рово труби з жаромцного сплаву розфокусованим променем. З'д нання не дозволяють використати одну з важливих особливостей ЕПЗ (високу концентрацю енерг), тому для них звичайно застосовують ЕПЗ тод, коли це необхдно для даного матералу або конструкц у зв'язку з ншими перевагами ЕПЗ.

Мкроструктуру металу з'днання, яке показане на рис.3.13,, на ведено на рис.3.14.

а б Рис.3.14. Мкроструктура стикового з'днання жаромцного нкелевого сплаву ЭП202 (ХН67ВМТЮ):

а - псля зварювання, 400;

б - метал шва псля термчно обробки, 100;

1 - шов;

2 - основний метал з рис.3.14 видно, що псля зварювання метал шва ма стовпчаст кристалти, як в стиковому з'днанн зустрчаються в центр шва. В обох з'днаннях кристалти ростуть перпендикулярно поверхн тепло вдводу. Псля термчно обробки, що полягала в аустензац при 1200 С та наступному старнн при 850 С, чтко видно границ стовп частих кристалтв (див. рис.3.14,б). У центр шва спостергаться знач на рзнозернистсть металу. Зона термчного впливу дуже вузька. Ос новний метал зберга свою структуру майже до поверхн проплав лення.

Вдхилення ос потоку електронв вд стика при зварюванн повин не бути не бльше 0,2Е0,3 мм. Воно виклика значн складнощ при зварюванн, якщо один або обидва зварюван метали феромагнтними.

Складнощ пов'язан з наявнстю електромагнтних полв, як взамод ють з електронним променем та вдхиляють його вд стика [43,86, 96].

Це призводить до утворення дефектв зварного з'днання у вигляд не проварв. Магнтн поля найбльш часто обумовлен залишковою намаг нченстю, яка формуться в феромагнтних матералах при обробц та пдготовц до зварювання. Рвень магнтного поля залежить вд хмчно го складу та структури зварювальних матералв. Найбльш небезпечна намагнченсть уздовж напрямку зварювання, оскльки промнь у цьому випадку вдхиляться перпендикулярно н стика.

При складанн виробу з окремих деталей, що мають рзний на прям намагнченост, важко передбачити напрямки результуючого магнтного потоку та вдхилення електронного променя. Крм того, магнтне поле при ЕПЗ розподлене нервномрно, вдхилення проме ня змнються залежно вд значення ндукц в канал проплавлення та над ним [43]. Вдхилення променя, в основному, проходить над по верхнею виробу, тобто за рахунок магнтних полв мж виробом та електронною гарматою. Вдхилення променя також зроста з збль шенням товщини зварюваного металу та при зниженн прискорюючо напруги [86].

У загальному випадку на вдхилення променя впливають ус три складов магнтного поля, що спрямован вздовж кожно з осей X, Y, Z.

Однак основний вплив на вдхилення перпендикулярно стику ма по довжня вдносно стика складова магнтно ндукц [43]. Вважаться, що при ЕПЗ металв мало та середньо товщини рвень залишково магнтно ндукц не повинен перевищувати 0,5 мТл [151]. Автори роботи [43] вважають це значення завищеним.

Методика визначення параметрв вдхилення променя наведена в робот [96]. У робот [43] також запропонован залежност вдхилення електронного променя вд режимв зварювання деталей та розрахун ково-експериментальна методика визначення вдхилення променя при ЕПЗ по значеннях залишково магнтно ндукц, вимряно прибором МХ-10.

Вдхилення електронного променя суттво вплива на формування шва при ЕПЗ рзнордних металв, що необхдно враховувати при роз робц технолог зварювання. Так, у робот [42] рекомендуться змен шувати глибину проплавлення, зварювання в деклька проходв тощо.

Для запобгання негативному впливу залишково магнтно ндук ц конструкц перед ЕПЗ розмагнчують шляхом установки на неру хом конструкц електричних контурв з струмом, що змнються за певною програмою, перемщення рухомих конструкцй вдносно елек тричного контуру з змнним струмом постйно амплтуди, пропус кання через конструкцю електричного струму, що змнються за за даною програмою, та нше.

На яксть та властивост з'днань при ЕПЗ стотно вплива ваку ум, що обумовлено низьким парцальним тиском залишкових газв.

Якщо в особливо чистому аргон марки А мститься 0,005 % кисню та 0,01 % азоту, то навть у низькому вакуум 1,33 Па вмст кисню скла да 0,0003 % та азоту 0,001 %. У звичайно використовуваному при ЕПЗ вакуум 10Ц1Е10-Ц2 Па вмст цих газв склада вдповдно не бль ше 310Ц6 та 10Ц5 %. Нагрвання та плавлення у вакуум сприя дегаза ц пдвищенню механчних властивостей металу. Це особливо чтко виявляться при зварюванн активних тугоплавких металв. Змен шення вмсту газв у шв призводить до значного пдвищення його пластичност. Найбльш легко видаляться водень, тому що бльшсть з'днань металв з воднем розпадаються при вдносно низьких темпе ратурах нагрвання. До того ж водень ма високу дифузйну рухли всть у твердих металах.

Висок захисн властивост вакуумного середовища пдтверджен експериментально при зварюванн активних та тугоплавких металв шляхом порвняння якост металу швв, виконаних електричною ду гою в камер з аргоном та ЕПЗ у вакуум. Так, при зварюванн цирко ню - одного з найбльш активних геттерв, твердсть металу шва, отриманого в аргон, майже в 2 рази вища, нж отриманого у вакуум.

В останньому випадку твердсть металу шва близька до твердост вд паленого основного металу. Високу яксть вакуумного захисту пдтвер джують експерименти з молбденом - надзвичайно чутливим до газв металом. Пластичнсть з'днань, виконаних у вакуум, майже в два рази вища, нж отриманих у камер з контрольованою атмосферою.

При ЕПЗ металв великих товщин ступнь вакууму в робочй ка мер суттво вплива на глибину проплавлення. Тому для стабльного проплавлення необхдно забезпечувати стабльний вакуум у процес зварювання.

Енергю електронного променя можна використовувати також для рзання та наплавлення металв [52,149], термчно обробки, дифу зйного зварювання тощо.

3.1.3. Зварювальне устаткування. Електронно-променева тех нологчна установка складаться з робочо вакуумно камери з люками завантаження вивантаження виробв, оглядовими вкнами механз мами перемщення виробв, вакуумно системи з вакуумними насосами, одн або деклькох електронних гармат з системами електроживлення, контрольно-вимрювально апаратури [98]. Залежно вд напруги, яка прискорю електрони, розрзняють гармати низьковольтн (20ЕЗ0 кВ), високовольтн (100Е200 кB) з промжною напругою (30Е100 кВ).

Залежно вд призначення гармати забезпечують рзну локальнсть на грвання. Вони можуть бути стацонарними або перемщуваними у ва куумнй камер. Розмри вакуумних камер електронно-променевих установок визначаються габаритами виробв, для зварювання яких вони призначен. Створен робоч вакуумн камери рзних об'мв, у тому чи сл об'мом у сотн кубчних метрв з використанням вдповдного ваку умного обладнання, що було розглянуто в розд.2.

Електронн гармати. Технологчна електронна гармата - склад ний електронний прилад, у процес створення якого було виршено ряд принципових питань [95,98]. Для фокусування електронного про меня до мнмальних розмрв при значнй його потужност необхдно, щоб розштовхування електронв у промен, х розсювання в газах парах, теплов швидкост, а також погршност електронно оптики не перешкоджали збиранню електронв. У перших гарматах пучок елект ронв формувався тльки за допомогою прикатодного електрода без додаткових фокусуючих систем (рис.3.15,а). Анодом тако гармати була сама деталь. Електростатичне фокусування не дозволя одержати високу густину енерг в промен. Недолк системи - мала вдстань мж гарматою деталлю. На початку шстдесятих рокв минулого сто ття створен гармати з прискорюючим електродом, який знаходиться пд потенцалом детал (рис.3.15,б). Застосування такого електрода дозволя збльшити вдстань катода гармати вд детал, полегшу спо стереження за процесом зварювання, запобга електричним пробоям.

Ще бльш досконалою гармата з електростатичним електромагнт ним фокусуванням, яке забезпечу електромагнтна фокусуюча систе ма, показана на рис.3.15,в.

Пдвищенню напруги електронно-променевих гармат та енерг електронв перешкоджа недостатня електрозоляцйна стйксть ваку умного промжку анодЦкатод. При напругах вище 50 кВ моврнсть електричних пробов мж анодом катодом зроста. Тому для одер жання електронного променя високо енерг застосовують електро нно-оптичн системи, в основу яких покладено принцип прискорення електронв у прискорювальнй трубц з однордним електричним по лем уздовж ос. Пучок електронв мало енерг, що вийшов з като да, формуться поступово прискорються в трубц, досягаючи на ви ход з не максимально енерг. Схему граднтно електронно оптично гармати показано на рис.3.15,г.

Рис.3.15. Електронно-оптичн системи зварювальних гармат:

а - однокаскадна без електрода, який прискорю електрони;

б - однокаскадна з анодом для прискорення електронв;

в - комбнована з електростатичним електромагнтним фокусуванням;

г - з прискорювальною трубкою;

1 - катод;

2 - прикатодний електрод;

3 - траекторя електронв;

4 - деталь;

5 - анод для прискорення електронв;

6 - кроссовер (мнмальний перерз променя);

7 Цфокусуюча магнтна нза;

8 - електромагнтна сис тема, що вдхиля промнь;

9 - фокусна пляма;

0 - половинний кут розходження проме ня псля кроссовера;

1 - половинний кут сходження променя на детал;

dкр - даметр крос совера, dф.п - даметр плями у фокус Фокусування електронного променя здйснюють одню або дво ма магнтними нзами. У гарматах з одню нзою для зменшення даметра променя на детал потрбно зменшувати вдношення М = b/а (рис.3.15,б), тобто розташовувати нзу далеко вд анода близько до детал. При наявност двох нз першу з них розташовують близько до анода, що зменшу даметр електронного променя в основнй нз.

Лнзи виконують у вигляд котушок з великим числом виткв у залз ному екран особливо форми.

Для перемщення корегування електронного променя по стику використовують магнтн системи. Для зварювання металв товщиною 3Е5 мм придатн системи з кутовим вдхиленням променя. При зва рюванн великих товщин така система може давати перекос шва вд носно вертикально площини стика. Тому для таких товщин доцльно застосовувати дв пари систем, розташованих на рзнй висот, що за безпечують паралельний перенос променя. Вдхиляючу систему зви чайно виготовляють у вигляд чотирьох котушок, з'днаних послдов но попарно розташованих пд кутом 180 одна до ншо. Це плоск котушки з даметром d умовного цилндра. Змнюючи струм у котуш ках, можна встановлювати промнь у будь-якй точц забезпечувати його рух по складних тракторях. Число ампер-виткв пари котушок, необхдне для вдхилення пучка електронв з енергю U на кут, ви значаться рвнянням (I)вдх = 2,65 d U sin, (3.23) l де - сила струму в котушц;

- число виткв котушки;

l - ширина котушки.

У промисловост застосовуться автоматична система спрямуван ня променя по стику. Для цього в ЕЗ м. к.О. Патона запропоновано використовувати ефект зниження вторинно емс електронв при проходженн зондувального електронного пучка через стик кромок.

Основну роль у формуванн електронного променя вдгра при катодна електронно-оптична система - прожектор гармати. У бльшост випадкв у прожекторах зварювальних гармат використовують три електродн системи. Вони складаються з катода, керуючого електрода з отвором та прискорюючого анода. Керуючий електрод ще назива ють фокусуючим або прикатодним рдше - модулятором. Катодний вузол гармати крпиться на високовольтному золятор. Живлення до прожектора гармати податься броньованим високовольтним кабелем.

Сила струму променя регулються шляхом подач негативного керую чого потенцалу на прикатодний електрод прожектора, змною при скорюючо напруги або, рдше, змною сили струму розжарення като да. У випадку мпульсно-модульованого режиму зварювання на при катодний електрод подаються негативн прямокутн мпульси моде люючо напруги.

Катоди електронних гармат працюють у жорстких умовах, обу мовлених високотемпературним нагрванням, онним бомбардуван ням, окисненням забрудненням парами металв, що зварюються. Для виготовлення катодв використовують вольфрам, тантал та нш туго плавк метали з низькою роботою виходу електронв. Застосовують лантанборидн (LаВ6) катоди, як мають високу емсйну здатнсть при вдносно низькй робочй температур (1600 С). По мр металзац поверхн катода тугоплавкими металами для збльшення емс його робочу температуру необхдно пдвищувати до 1900Е2000 С. Конят руктивно катоди виконують з прямим або з непрямим нагрванням.

Катоди з непрямим нагрванням мають бльш рвномрну по поверхн щльнсть емс еквпотенцальними. Лантанборидн катоди виго товляють з непрямим нагрванням. Катоди можуть бути у вигляд плоско спрал, штирев, плоск тощо. Для одержання в промен вели ких потужностей застосовують гармати з плоским катодом.

Загальний вигляд гармати ES 30/5 з регульованою прискорюю чою напругою 30 кВ регульованою потужнстю променю 6 кВт пока зано на рис.3.16. У гармат застосовано триелектродну систему фор мування електронних пучкв масивний вольфрамовий катод, що на грваться за допомогою електронного бомбардування.

Рис.3.16. Електронна гармата ES 30/ нституту Манфреда фон Арденне (Дрезден):

1 - вирб;

2 - вдхиляюча магнтна система;

3 - фокусуюча магнтна нза;

4 - пдклю чення до вакуумно системи;

5 - катодний вузол;

6 - анод;

7 - магнтна юстровка;

8 - вакуумний вентиль;

9 - система спостере ження Разом з гарматами, як мають термоелектронн катоди, розробле но газорозрядн гармати. Принци пову схему газорозрядно гармати з формуванням електронного пучка за рахунок онного бомбардування катода показано на рис.3.17 [98].

Рис.3.17. Принципова схема газорозрядно гар мати з формуванням пучка за рахунок онного бомбардування катода:

1 - деталь;

2 - плазма;

3 - прискорюючий електрони промжок;

4 - катод;

5 - електрони;

6 - анод;

7 - робочий простр гармати;

8 - вторинн та вдбит електрони У цй гармат катод 4 явля собою алюмнвий блок з сферичною вимкою, радус яко приблизно дорвню вдстан вд катода до виробу.

На деякй вдстан вд катода знаходиться анод 6 з апертурним отвором.

Зварювана деталь 1 розмщуться в центр кривизни вимки на катод ма електричний зв'язок з анодом. Робочий простр 7 гармати заповню ться нертним газом до тиску 20 Па. При подач на катод високого не гативного потенцалу в камер збуджуться тлючий розряд. Плазма формуться мж анодом деталлю. Позитивн они прискорюються по лем мж анодом катодом (прискорюючий промжок 3) при попаданн на катод вибивають з нього електрони 5, що вилтають перпендикуляр но поверхн катода. Кожен он, який попада на катод, вибива 5Е електронв, що забезпечу формування могутнього пучка електронв.

Поблизу катода електричне поле форму кончний пучок емтованих електронв, який фокусуться в точку на детал. Цифрою 8 позначено вдбит вторинн термоелектрони вд детал. Положення фокуса вд напруги не залежить. При вдстан мж деталлю катодом до 100 мм рзниц потенцалв бльше 10 кВ розсювання електронв газом невели ке близько 75 % енерг передаться детал.

Для виготовлення катода використовують алюмнй, тому що вн ма високий коефцнт вторинно електронно емс при онному бом бардуванн низьку швидксть розпилення. Вибором вдповдно форми катода можна фокусувати електронн пучки в точку, ню або кльце.

ншим типом газорозрядних гармат гармати з порожнм като дом. Вони можуть працювати в режим гарячого або холодного като да. У першому випадку електронний пучок усередин порожнього ци ндричного катода формуться пд дю електричного поля або за ра хунок термоелектронно емс, а також вторинно емс пд дю он ного бомбардування. У результат бомбардування внутршн стнки катода нагрваються. В ншому випадку електронний пучок утворю ться в порожнин катода при онзац атомв аргону в тлючому роз ряд в результат вторинно емс електронв вд онного бомбарду вання. Промнь фокусуться за допомогою електромагнтно системи.

Перевагою газорозрядних гармат те, що вони працюють при значно бльших тисках, нж гармати з розжарюваним катодом. - гармати можна використовувати в рзних технологчних процесах.

На рис.3.18 показано схему електронно системи газорозрядно камери гармати з плазмовим катодом, у якй для генерац плазми ви користовуються низьковольтний розряд з порожнм катодом [101].

Рис.3.18. Схема електродно системи газороз рядно камери з порожнм катодом:

1 - прискорюючий електрод;

2 - емсйний канал;

3, 5 - емттерний та порожнй катоди вдповдно;

4 - анод Розряд збуджуться в електроднй сис тем з трьома холодними електродами: по рожнм катодом 5, анодом 4 та додатковим електродом 3, що в бльшост випадкв ма потенцал Uр порожнього катода. Порожнй катод та анод мають цилндричну форму, додатковий катод, розмще ний проти порожнього катода, - плоский. Порожнй катод ма систему дозованого напуску робочого газу. У розряднй камер створються ак сальне магнтне поле. Розряд збуджуться в розряднй камер при тиску 1Е5 Па напруз 350Е450 В. Емттерний катод ма емсйний канал даметром 1,8 мм для вдбору електронв. Для емс та прискорення електронв мж катодом 3 прискорюючим електродом 1 податься на пруга U до 50 кВ. Вдбран з плазми електрони формуються в промнь фокусуються магнтним полем фукусуючо системи.

У ВАТ "Новосибрський завод хмконцентратв" електронн гар мати потужнстю до 5 кВт з плазмовим катодом використовують у склад модернзованих енергокомплексв типу У-250, ЭЛА-50/5, ЭЛА- в умовах поточних автоматизованих нй зварювання. Вони мають ряд переваг перед гарматами з термокатодами, зокрема високу надй нсть та ресурс роботи в умовах нтенсивного випаровування металу.

Система електричного живлення електронно-променево гармати включа в себе високовольтне джерело прискорюючо напруги з ме режею живлення катода та джерело струму фокусуючо вдхиляючо систем.

Одню з головних вимог до систем електроживлення електро нно-променевих гармат висока стабльнсть енергетичних парамет рв, тому що навть короткочасн порвняно мал х змни можуть с тотно вплинути на параметри шва. Коливання прискорюючо напруги призводять не лише до коливань потужност променя, але й до змни фокусування та кута вдхилення. Тому для зварювання рекомендуть ся використовувати стаблзовану апаратуру. Щоб зменшити пульсац напруги, установлюють фльтри, як складаються з конденсаторв дроселв, що значно ускладню системи електроживлення гармат. Ве ликогабаритне устаткування для електронно-променевого зварювання забезпечуться промисловими телевзйними установками.

Залежно вд глибини вакууму установки ЕПЗ подляються на три класи: для зварювання у високому вакуум (10Ц2Е10Ц3 Па), промжно му вакуум (10Ц1 Па) та з виводом електронного променя в середовище з атмосферним тиском. У високовакуумних установках можна отри мати гостросфокусований електронний промнь з високою концент рацю енерг в плям нагрвання. При зварюванн в промжному ва куум концентраця енерг суттво знижуться за рахунок збльшення розсювання електронв. Для зварювання при атмосферному тиску ха рактерна низька концентраця енерг внаслдок великого розсювання електронного променя при проходженн через газове середовище мж гарматою та виробом. У цьому випадку електронний промнь форму ться у високому вакуум (10Ц2Е10Ц3 Па) за допомогою спецальних пристров виводиться в середовище нертного газу або на повтря. Од ним з варантв виводу променя в газове середовище створення еле ктронних гармат з ступнчастою вдкачкою. У гармат видляться деклька камер, з яких ведеться автономна вдкачка газв. У мжелект родному промжку створються вакуум до 10Ц2 Па, але з виходом про меня тиск зроста. Вдом й нш способи виводу променя електронв в атмосферу, наприклад запирання вихдного отвору за допомогою над звукового газового струменя або застосування вкна з танталово фо льги, що пропуска електрони не пропуска газ.

За ступенем спецалзац установки подляються на унверсальн спецалзован. У промисловост експлуатуться велика кльксть ун версальних та спецалзованих установок [98]. В установках типу ЭЛУ (ЭЛУ-1, ЭЛУ-13 та н.) використовуються електронн гармати ЭП-60, ЭП-60М, ЭП-60/2,5, ЭП-60/1 ОМ з прискорюючою напругою 60 кВ та потужнстю в промен 2,0Е10,0 кВт. За конструкцю ц установки подбн, але вдрзняються габаритами вакуумних камер, конструкцю зварювальних манпуляторв та допомжних механзмв, а також пара метрами електронно-оптичних систем. Якщо унверсальна установка ЭЛУ-2 ма вакуумну камеру даметром 500 мм довжиною 400 мм, то установка ЭЛУ-13 ма камеру розмрами 1000034005400 мм.

Загальний вигляд унверсально установки У-570 показано на рис.3.19 [98].

Вакуумна камера установки виконана з нержавючо стал товщи ною 25 мм. п габарити 120012001200 мм. У верхнй частин камери зроблене вкно даметром 1020 мм, що закриваться поворотною пли тою 1, на напрямних яко встановлються механзм перемщення гар мати. Унверсальний зварювальний манпулятор 4 явля собою взок з привдною й опорною бабками для зварювання виробв з горизонта льною вссю обертання та планшайбою для зварювання плоских виро бв з вертикальною вссю обертання.

Установка У-570 ма електронну гармату УЛ-141 з джерелом жи влення У-843 (енергоблок) ЭЛА-60/60. Джерела живлення оснащен контролерами для автоматичного управлння основними параметрами ЕПЗ. Вони використовуються в багатьох установках для ЕПЗ, напри клад ЭЛУ-21, У-736, УЛ-209, ЭЛУ-9 та н. Енергоблок ЭЛА-60/60 ма номнальну потужнсть променя 60 кВт, прискорюючу напругу 60 кВ, нестабльнсть прискорюючо напруги 1 %, силу струму променя 1000 мА, нестабльнсть сили струму +1 %, нестабльнсть струму фо кусування променя +10Ц2 %, живлення мереж 100 кВт.

Рис.3.19. Загальний вигляд унверсально електронно-променево установки У-570:

1 - поворотна плита;

2 - механзм перемщення гармати;

3 - електронна гармата;

4 - унверсальний зварювальний манпулятор;

5 - привд манпулятора;

6 - вакуумна систе ма;

7 - пульт управлння У промисловост використовують установки для ЕПЗ великогаба ритних виробв з локальною герметизацю, наприклад установка У-101 для зварювання труб, установка КЛ-104 для зварювання врзних елементв великогабаритних обичайок з алюмнвого сплаву АК8.

Спецалзован установки використовують для зварювання труб з труб ними дошками (УЛ-178, УЛ-206), виробв електронно технки (А.306.02, А.306.05), бметалчних стрчкових машинних пил та ножо вок (ЭЛС-101), тепловидляючих елементв атомних електростанцй (У-250 з плазмовим катодом) та багатьох нших виробв.

3.1.4. Особливост та сфери застосування електронно-проме невого зварювання. ЕПЗ одним з процесв, як належать до елект ронно-променевих технологй. нш - електронно-променеве напилення з парово фази, плавлення титану та отримання композицйних матера в з диспергованого розплаву [105]. Ус ц процеси успшно розвива ються завдяки особливостям електронно-променевих технологй. Хара ктерними особливостями можливсть високо концентрац енерг, проведення процесв у вакуум, а також повно автоматизац процесв.

Одню з головних переваг ЕПЗ висока концентраця енерг можливсть одержання вузько глибоко зони проплавления, площа яко в десятки разв менше, нж при дуговому зварюванн. При елект ронно-променевому зварюванн потрбно в 10Е15 разв менше енер г, нж при електродуговому. Висока зосередженсть нагрвання м нмальна площа зони проплавления забезпечують незначн залишков деформац виробв. Вузька зона термчного впливу зменшу небезпе ку неприпустимих змн фзико-механчних властивостей основного металу, хоча не виключа виникнення навколошовних трщин у сталях сплавах, схильних до х утворення.

нша важлива перевага ЕПЗ - можливсть використання ефектив ного вакуумного захисту полпшення властивостей металу шва в ре зультат вакуумного переплаву. Економчна доцльнсть зварювання у вакуум визначаться не лише пдвищенням фзико-механчних показ никв металу, але значно меншими витратами на створення вакууму в порвнянн з створенням захисного високочистого нертного або конт рольованого середовища. За даними роботи [120], якщо враховувати ли ше експлуатацйн витрати, електронно-променеве зварювання в 35 ра зв дешевше зварювання в камерах з контрольованою атмосферою [120].

Мнмальн деформац зварюваних виробв та висок фзико механчн властивост з'днань псля ЕПЗ дозволяють скоротити або цлком виключити наступну механчну термчну обробки.

Сучасне устаткування для ЕПЗ ма системи комп'ютерного управлння, дагностики стану та протокольне оформлення результатв зварювання. Комп'ютерна дагностика да положення фокуса, щль нсть енерг та зображення на екран дисплея поздовжнх перерзв променя, сигналзу про необхднсть замни зношеного катода тощо.

Весь процес дагностики променя займа близько 1 хв [105].

ЕПЗ широко використовують у промисловост, незважаючи на та к недолки способу, як складнсть зварювального устаткування та не обхднсть висококвалфкованих кадрв. Цим способом зварюють не лише високолегован стал сплави, активн та тугоплавк метали, але й конструкцйн стал при виготовленн виробв з малим припуском або в остаточний розмр.

ЕПЗ використовуться в енергетичному та транспортному маши нобудуванн, при виготовленн аерокосмчно технки, авацйних дви гунв та агрегатв, виробв електронно технки, тепловидляючих еле ментв атомних станцй тощо. Воно широко застосовуться при виго товленн газотурбнних установок рзного призначення для зварюван ня високолегованих сталей рзних структурних класв, жаромцних сталей сплавв, титану та його сплавв [50,55,62,127,145].

Наприклад, створення НВП "Машпроект" та ВО "Зоря" (нин Державне пдпримство "Науково-виробничий комплекс газотурбобу дування "ЗоряЦМашпроект") сучасних газотурбнних установок для морського флоту, газоперекачування та теплово енергетики стало можливим завдяки широкому застосуванню ЕПЗ. Основу нових паро газових агрегатв склада газотурбнна установка ГТГ-110, що вдзна чаться найбльшою потужнстю. Це вдносно легка енергетична уста новка потужнстю 110 МВт. Висока ефективнсть та великий ресурс роботи установки досягнуто завдяки використанню в нй зварних дис кв турбни, передньо цапфи, барабанв роторв та корпусв компресо рв високого низького тискв, деталей редукторв, жарових труб, ка мери згоряння та нших вузлв деталей. Ескзи корпуса компресора та цапфи-диска енергетично установки показано на рис.3.20 [145].

Корпус компресора явля собою товстостнну оболонку товщиною вд 60 до 110 мм. нш розмри показано на ескз. Матерал - сталь ЭП609, що мстить близько 0,06С, 10,5Cr, 1,5Ni, десят дол Cu, Mo, V, Si (%, мас.). Корпус складаться з чотирьох вдливок (див. рис.3.20,а), механчна обробка яких виконувалася за четвертим квалтетом точност.

Кромки пд зварювання оброблялися з чистотою Rа = 1,25.

а б Рис.3.20. Ескзи корпуса компресора (а) та передньо цапфи-диска (б) енергетично установки:

1, 2 - детал хвостовика цапфи;

3 - диск;

4 - проставка Заготовки перед зварюванням проходили термчну обробку: гар тування вд 1130 С з витримкою 11 год, охолодження в масл, вдпуск при 630 С з витримкою 11 год, охолодження з пччю до 200 С, дал - на повтр. Перед складанням заготовки корпуса та зразки-свдки зне жирювали ацетоном, а зварюван кромки додатково протирали спир том. Заготовки складали на план-шайб зварювально установки ЭЛУ-21, забезпечуючи радальне та торцове биття не бльше 0,1 мм, закрплювали спецальними прижимами.

Параметри зварювання вибирали з умови бездефектного стабль ного проплавлення з паралельними стнками шва та задовльного фо рмування шва з зовншньо та зворотно сторн. Зварювання викону вали горизонтальним променем з параметрами режиму: U = 60 кВ, = 560 мА, vзв = 6 м/год при товщин 110 мм та U = 60 кВ, = 370 мА, vзв = 12 м/год при товщин 60 мм. В обох випадках вакуум був 1,3310Ц2 Па, робоча вдстань Lр = 200 мм. Псля зварювання для зняття зварювальних напружень та покращення структури зварних з'днань проводили термчну обробку: вдпуск при температур 680 С з вит римкою 4 год, охолодження з пччю до 200 С, дал - на повтр.

Механчну обробку зовншнх та внутршнх поверхонь зварних з'днань проводили до частоти Rа = 1,25. Яксть зварних з'днань пере вряли ультразвуковим контролем.

При виготовленн корпуса компресора бльш складн проблеми виникають у зв'язку з необхднстю приварювання до корпуса фланцв горизонтального рознмання, але вони також успшно виршен засто суванням ЕПЗ [145].

нший приклад успшного розв'язання задач виготовлення перед ньо цапфи-диска показано на рис.3.20,б. Цапфа-диск виготовляться зварюванням чотирьох деталей, причому шов, що з'дну хвостовик (зварен детал 1 2) з диском 3, знаходиться у важкодоступному мсц.

ЕПЗ використовуться також при виготовленн ротора компресо ра газотурбнно установки. Загальний вигляд ротора компресора пс ля ЕПЗ дискв показано на рис.3.21.

Зварювання виконане на установц У-570 з гарматою У-530С при на веденн електронного променя на стик за допомогою приладу "Прицл-1".

ЕПЗ широке використову ться у всьому свт при вигото вленн деталей турбн, ракет, автомоблв тощо завдяки висо кй якост та надйност з'днань.

Наприклад, авацйне пдпримст во МТU (Мюнхен) за нформацй- Рис.3.21. Загальний вигляд ротора ком пресора низького тиску псля ЕПЗ ним проспектом фрми "Messer Griesheim GmbH" використову електронний промнь з початку 60-х рокв минулого столття. Для ЕПЗ деталей з аустентних, теплостйких та жаромцних сталей сплавв титану, алюмню, мд, а також нших матералв створене нове поколння електронно-променевого зварюваль ного устаткування з робочою камерою об'мом 11 м3. Використову ються сучасн системи числового програмного управлння, як забез печують автоматизацю процесу, контроль та запис з графчним зоб раженням усх важливих параметрв, позицй променя та часу зварю вання. Вс записи фксуються в пам'ят машини. Зварюють спрямляюч апарати, ротори, вали, корпуси турбн та компресорв, камери згорян ня тощо. На кожнй детал промнь гравру рестрацйний номер, за допомогою якого можна будь-коли вдтворити вс параметри режиму зварювання. Допускаться вдхилення прискорюючого напруження сили струму променя до 1 %, сили струму фокусуючо нзи - до 0,5 %. Разом з активним контролем якост зварювання в сучасному устаткуванн забезпечуться ультразвуковий контроль з'днань у про цес зварювання, наприклад при зварюванн роторв.

Наведен приклади свдчать про можливсть виршення складних проблем за допомогою ЕПЗ та про його перспективнсть. За формуван ням та геометрю шва до ЕПЗ близьке зварювання лазерним променем.

3.2. Лазерне зварювання 3.2.1. Суть способу. Лазерне зварювання (laserschweissen, laser strahlschweissen;

laser welding, laser beam welding;

лазерная сварка) - зварювання, пд час якого нагрвання та плавлення з'днуваних загото вок здйснюють когерентним променем монохроматичного свтла.

Для нагрвання матералв при зварюванн, паянн та нших тех нологчних процесах можна використовувати енергю свтлових про менв. Джерелами випромнювання можуть бути сонце, вугльна дуга, дугов газорозрядн лампи, лампи накалювання та оптичн квантов генератори (ОКГ). З лампових випромнювачв найбльш перспективн дугов неонов лампи надвисокого тиску [120]. Використовуються лам пи з повтряним охолодженням типу ДКСШ та з водяним охолоджен ням типу ДКСР потужнстю до 10 кВт. Тиск неону в непрацюючй лам п склада 106 Па (10 атм). Створено спецалзован установки для зва рювання та паяння. Випромнювання ламп фокусуться за допомогою елпсодного вдбивача та оптичних нз. Коефцнт корисно д установок склада 1Е2 %. Щльнсть енерг невелика. У деяких уста новках вона досяга 2600 Вт/см2. Так установки можна використову вати для зварювання металв малих товщин. Висока концентраця енерг шляхом фокусування свтлового променя сонця або ламп неможлива через те, що випромнювана ними енергя розподляться в широкому нтервал довжин хвиль та широкому тлесному кут.

Високу щльнсть енерг та локальнсть нагрвання дозволяють отримати ОКГ або лазери. Лазер - термн, який утворються з почат кових букв англйських слв, що складають фразу: посилення свтла шляхом використання стимульованого випромнювання (light ampflification by stimulated emission and radiation).

Випромнювання ОКГ характеризуться рядом ункальних вла стивостей: високою монохроматичнстю, значним ступенем когерент ност, великою потужнстю та паралельнстю руху. - властивост ви значаються природою стимульованого випромнювання. Вдомо (див.

розд.1), що положення електронв в атомах визначаться хньою енер гю. Перехд електрона з верхнього рвня на нижнй супроводжуться випромнюванням електромагнтно енерг вдповдно до рвняння М. Планка. Оскльки атоми металв являють багаторвневу електронну систему, то при нагрванн металу в атом вдбуваться велике число спонтанних (мимовльних) переходв електронв з верхнх рвнв на нижч, при кожному з яких вдбуваться випромнювання з частотою 1, 2 т. д. Ще бльш рзномантним спектр випромнювання, якщо речовина явля собою сумш атомв. Тому нагрт тла дають випром нювання в широкому дапазон довжин хвиль. В ОКГ стимулюються переходи тльки на чтко визначеному рвн, а тому хн випромню вання можна характеризувати одню частотою або довжиною хвил.

Монохроматичний промнь фокусуться нзою практично в точц на вдмну вд блого свтлового променя, що фокусуться на значнй площ, утворюючи спектр унаслдок неоднакового заломлення склом нзи свтлових хвиль рзно довжини.

З монохроматичнстю випромнювання пов'язана його когерент нсть, тобто вдповднсть характеристик випромнювання, утвореного в один час рзними рознесеними в простор джерелами (просторова когерентнсть), або тим самим джерелом, але в рзн моменти часу (ча сова когерентнсть). Чим точнше хвиля зберга свою частоту, тим вищим ступнь когерентност в час. Просторова когерентнсть обумовлю високу спрямовансть випромнювання можливсть його фокусування за допомогою оптичних систем на длянку дуже малих розмрв. Можна досягти даметра свтлово плями до деклькох мк рометрв. Це дозволя створити на поверхн, що опромнються, при сучаснй лазернй технц щльнсть теплово потужност вище 108Е109 Вт/см2, а цього достатньо не лише для плавлення, але випа ровування всх вдомих матералв.

В основ принципу д квантових генераторв пдсилювачв лежить стимульоване випромнювання збуджених атомв, тобто атомв, у яких значна кльксть електронв переведена на верхнй рвень. Такий стан називають станом з нверсною заселенстю рвнв. Вн може бути ство рений тим або ншим способом, наприклад, зовншнм джерелом ви промнювання з визначеною довжиною хвил, потоком електронв або радоактивних часток. Цей стан нестабльним, через деякий пром жок часу збуджений атом може спонтанно перейти в рвноважний стан та випромнювати енергю у вигляд фотонв. Поки атом знаходиться в збудженому стан, його можна стимулювати, тобто спонукати випуска ти енергю пд впливом зовншнього фотона. Таке випромнювання на зиваться стимульованим використовуться в квантових пдсилюва чах. Стимульоване випромнювання пдсилю випромнювання, що па да на атом. У цьому процес хвиля, що випромнються, в точност зб гаться за фазою з тю, пд дю яко вона виникла. Квантов генерато ри перетворять електричну, теплову, хмчну енерг зовншнього дже рела в енергю монохроматичного когерентного променя. В ОКГ вико ристовують рзн потужн способи збудження атомв. Початок генерац випромнювання виклика довльний перехд одного або деклькох збу джених електронв з верхнього рвня на нижнй.

Для значного посилення стимульованого (ндуктованого) випро мнювання необхдно, щоб у випромнюванн брало участь якнайбльше число збуджених атомв. Цього можна досягти, помстивши збуджен атоми мж двома дзеркалами. Випромнювання, що спрямоване пер пендикулярно дзеркалам, багаторазово вдбиваться вд них, прохо дить через збуджену речовину пдсилються. Якщо одне з дзеркал напвпрозорим, енергя вийде назовн у вигляд вузькоспрямованого потужного монохроматичного когерентного променя. Цей процес зображено на рис.3.22.

з рис.3.22 видно, що зроста амплтуда лише тих хвиль, як ру хаються перпендикулярно дзеркалам. Отримавши значне посилення, випромнювання покида активну речовину. Промнь ма вузьку спрямовансть, оскльки через напвпрозоре дзеркало випромнюються лише т хвил, як змогли тисяч разв пройти активну речовину, не вдхилившись вд поздовжньо ос резонатора. Теоретично кут розхо дження променя визначаться рвнянням = 1, рад, d де - довжина хвил променя;

d - даметр торця активно речовини.

Рис.3.22. Принцип формування вузькоспрямованого монохрома тичного когерентного променя в твердотльних лазерах:

а - два атоми (чорн кружочки) акти вно речовини знаходяться в збудже ному стан;

б - електромагнтне поле зовншнього джерела частину атомв активно речовини переводить у збу джений стан;

в - частина випромню вання збуджених атомв перпендику лярна дзеркалам;

г, д - лавиноподбне посилення стимульованого випром нювання псля його багаторазового вдбиття вд дзеркал;

е - вихд стиму льованого випромнювання через напв прозоре дзеркало Лазери можуть бути твердотльними, рдинними або газовими. У твердотльному лазер як випромнювач використовуються кристалч н або аморфн речовини, у котр вводяться домшки певних оптично активних елементв. Лазерне випромнювання обумовлене змною енергетичних станв електронв домшкових атомв. Основна речовина (матриця) безпосередньо участ в генеруванн випромнювання не бе ре, але побчно вплива на оптичн характеристики всього середови ща. Оптичноактивна речовина вводиться в матрицю в невеликих кль костях. Випромнювачем може бути рубн, силкатне або фосфатне скло з неодимом, трй-алюмнвий або алюмонатрвий гранат з не одимом тощо.

Енергетичну схему квантового генератора на кристал рубну по казано на рис.3.23,а, а оптичну - на рис.3.23,б.

а б Рис.3.23. Енергетична (а) та оптична (б) схеми квантового генератора на кристал рубну:

1 - зовншн джерело збудження атомв (ксенонова лампа);

2 - дзеркала резонатора;

3 - стержень з оптичноактивною речовиною;

4 - система фокусування випромню вання та спостереження за мсцем зварювання;

5 - цилндричне дзеркало освтлювача На рис.3.23,а показан основний стан атомв (), перехд електро нв на верхнй рвень (), метастабльний збуджений атом () та сти мульоване випромнювання з характеристичною довжиною хвил (IV).

Рубн явля собою кристал оксиду алюмню (А12О3), у якому невели ка кльксть онв алюмню замщена онами хрому Cr+++(0,03Е0,05 %).

Такий рубн ма блдо-рожевий колр. При вмст 0,5 % хрому вн на бува вишневого кольору. Кристал рубну обробляють у вигляд стер женька, даметр довжина якого визначають потужнсть випромню вання. Його торц полрують, забезпечують оптично плоск та парале льн поверхн, як пддають србленню для вдбивання променя. Вихд ний кнець кристала напвпрозорим. Вдбивн дзеркала можуть бути виготовлен окремо, мж ними встановлюють рубновий стержень.

Дзеркала та оптичноактивне середовище утворять резонатор ОКГ. Ру бновий кристал розмщують поблизу ксеноново газорозрядно лампи, яка служить джерелом широкополосного свтла для оптичного нака чування рубну.

они хрому, що знаходяться в основному стан , поглинаючи фо тони (хвиляст стрлки), збуджуються, хн електрони переходять на вищий рвень 3 у стан . Для цього з широко смуги випромнювання лампи необхдне лише випромнювання з довжиною хвил 5600. На верхньому рвн електрони можуть знаходитися (час "життя" tж) лише 210Ц7 с. Потм вони переходять на рвень 2. При цьому енергя не ви промнються, а вддаться кристалчнй гратц. На рвн 2 електрони можуть знаходитись 510Ц3 с. Оскльки час перебування електронв на рвн 2 майже на 4 порядки бльший, нж на рвн 3, то через деякий час ус електрони рвня 3 накопичуються на рвн 2. Так виника нверс не заселення електронами рвня 2 виконуться перша умова стиму льованого випромнювання. Псля цього достатньо випромнювання вд переходу на нижнй основний рвень одного з електронв, щоб почало ся лавиноподбне випромнювання з довжиною хвил близько 0,7 мкм.

У дйсност рубновий лазер ма випромнювання з довжиною хвил 1 = 0,6943 мкм та 2 = 0,6929 мкм, оскльки в твердому тл вдбува ться розщеплення рвнв (див. розд.1).

Потм процес повторються. Випромнювання, багаторазово вд биваючись вд дзеркал, змусить випромнюватися вс они активного елемента.

Псля багаторазового посилення в резонатор промнь виходить з резонатора через напвпрозоре дзеркало, збираться нзою фокусу ться на вироб (рис.3.23,б).

У зварювальних установках застосовують ОКГ, що випромню ють мпульси з енергю 10Е50 Дж тривалстю вд 1 до 10 мс. К.к.д.

рубнових лазерв не перевищу 1 %.

Принцип д, параметри можливост лазерв на рубн скл з не одимом приблизно однаков. Певна рзниця мж ними обумовлена вдмннстю у властивостях матриць та у схемах генерац випромню вання онами хрому неодиму. Концентраця активних онв неодиму в скл склада 2Е6 %, що значно бльше, нж у рубн, забезпечу велику питому енергю випромнювання. К.к.д. лазерв на скл з не одимом досяга 2Е3 %. Найбльш високий к.к.д мають напвпровд ников лазери, що використовують енергю електричного струму, який протка через область р-п переходу. пх к.к.д. досяга 70 %, однак на малих вихдних потужностях.

У рдинних лазерах як активн середовища використовуються розчини неорганчних з'днань рдкоземельних елементв (переважно неодиму) або розчини органчних речовин.

У газових лазерах активним середовищем газ, сумш газв або сумш газв з парами металу. Особливстю активного газового середо вища його висока оптична однорднсть, що дозволя застосовувати велик оптичн резонатори. При вдповдному вибор активного сере довища в газових лазерах можна здйснити генерацю випромнюван ня в будь-якй частин спектра. Важлива перевага газових лазерв - здатнсть працювати як у безперервному, так в мпульсному режи мах. Лазери характеризуються великим дапазоном потужностей до сить високим к.к.д. (до 20 %). нверсна заселенсть енергетичних рв нв у газових лазерах досягаться рзними способами (бомбардування швидкими електронами, швидке розширення попередньо нагрто га зово сумш, фотоонзаця, тлючий розряд, мпульсний розряд при атмосферному високому тисках тощо). Звдси з'явилося рзноманття назв: газорозрядний, газодинамчний, хмчний та н.

Лазери можуть бути мпульсно або безперервно д. Якщо засе ленсть верхнього рвня миттво пада до нуля, то випромнювання припиняться. Наступний мпульс випромнювання буде можливим через деякий час. Якщо в процес випромнювання заселенсть верх нього рвня пдтримуться весь час тим або ншим способом зриву випромнювання нема, то джерело енерг називають лазером безпе рервно д.

Найбльше застосування знаходять молекулярн газорозрядн ла зери на вуглекислому газ в режим замкнутого газового циклу. Робоче середовище явля собою рзн сумш з вуглекислим газом, наприклад сумш гелйЦазотЦвуглекислий газ у спввдношенн 20:20:1. Енерге тичну схему такого газового лазера показано на рис.3.24.

Рис.3.24. Коливальн енергетичн рвн молекул вуглекислого газу та азоту Енергетичн коливальн рвн Е5 молекул вуглекислого газу та Е молекул азоту спвпадають. ндуктоване випромнювання в лазер на СО2 викликане переходами Е5 Е4 (4) Е5 Е3 (5). Бльш нтенсив ним перший перехд з довжиною хвил випромнювання 10,610Ц7 м (10600 ), який може майже повнстю припиняти лазерну генерацю в переход Е5 Е3 на довжин хвил 9,610Ц7 м (9600 ). Переходи Е4 Е1 та Е5 Е1, що позначен цифрою 6, вдбуваються спонтанно.

Заселення рвня Е5 молекул вуглекислого газу в тлючому розряд вдбуваться внаслдок трьох основних процесв. Перший з них - збу дження молекул СО2 до рвня Е5 при хньому зткненн з швидкими електронами (1). Другий механзм заселення рвня Е5 молекули СО поляга в тому, що здйснюються каскадн переходи (2) на цей рвень молекули, збуджено за рахунок зткнень з електронами переходу на бльш висок енергетичн рвн, не показан на рис.3.24. Третй про цес - резонансна передача (3) збудження молекулам СО2 вд молекул азоту, як нтенсивно збуджуються в газовому розряд до рвня Е2, що збгаться з рвнем Е5 молекул вуглекислого газу. Заселенсть рвня Е за рахунок цього значно зроста. Гелй, який ма велику теплопровд нсть, вводиться в робочу сумш для зменшення температури, що збльшу нверсну заселенсть рвня Е5.

Лазерне випромнювання когерентним, монохроматичним, лег ко концентруться. Характер його взамод залежить, у першу чергу, вд щльност потужност (Вт/см2) в зон обробки, що визначаться вдношенням потужност лазерного випромнювання до площ плями, сфокусовано на поверхн матералу. Залежно вд щльност потужно ст променя вдбуваться нагрвання твердого металу, плавлення або випаровування, тобто лазерний промнь можна використовувати для термчно обробки, зварювання або руйнування матералу (рзання, пробивання отворв тощо). сну поняття порогово щльност потуж ност Е*, що визнача умову нагрвання матералу без руйнування.

Для бльшост металв зварювання ведуть при Е* < (105Е107) Вт/см2.

Особливост, закономрност, основи технолог лазерного зварювання рзання, будова та принцип роботи устаткування детально розглянут в навчальних посбниках [24,32,33,116].

3.2.2. Технологя зварювання. При зварюванн з глибоким про плавленням лазерне зварювання ма багато спльного з ЕПЗ. Перш за все це "ножове" формування металу шва з малою шириною та вели кою глибиною, що обумовлено високою концентрацю енерг в зон зварювання. Розподл енерг лазерного випромнювання при стабльному режим лазерного зварювання з глибоким про плавленням показано на рис.3.25 [33].

Рис.3.25. Схема енерговитрат при стабльно му режим проплавлення металу сфокусова ним лазерним променем:

1 - лазерний промнь;

2 - основний метал;

3 - кра тер (парогазовий канал);

4 - розплавлений метал;

5 - зварний шов;

6 - плазмовий факел Енергетичний баланс у зон зварювання визначаться системою рвнянь Qпр (Qфак + Qвдб + Qруйн ) = Qпр ;

(3.24) Qфак = Qфак + Qфак ;

(3.25) Qпр + Qфак = Qв + Qтп, (3.26) де Qпр - енергя лазерного променя;

Qфак - енергя, яка поглинаться в об'м плазмово-парового факела в кратер та над ним;

Qвдб - енергя, яка вдбиваться вд плоско поверхн основного металу дна кратера;

Qруйн - енергя продуктв руйнування;

Qпр - енергя, яка поглинаться стнками кратера в процес х фотонно-електронного бомбардування;

Qфак - енергя, яка розсються з факела в навколишн середовище;

Qфак - частина енерг факела Qфак, яка поглинаться стнками канала за ра хунок випромнювання конвекц;

Qв - повний тепловмст розплавле ного металу зварювально ванни;

Qтп - енергя, яка вдводиться вглиб основного металу шва за рахунок теплопровдност.

Наближено тепловий баланс у робот [7] розглядаться у вигляд рвняння Qпр = Qфак + Qвдб + Qруйн + Qв + Qтп. (3.27) Тод ефективний к.к.д.

( ) Qв + Qтп Qпр Qфак + Qвдб + Qруйн в = = ;

(3.28) Qпр Qпр термчний к.к.д.

Qв т = ;

(3.29) Qв + Qтп повний к.к.д. (к.к.д. проплавлення) Qв пр = в т =. (3.30) Qпр Ефективнсть передач енерг лазерного променя металу характе ризуться коефцнтом поглинання Аеф, який наближено можна ви значити рвнянням Qпр + Qф Qв + Qтп Aеф = =. (3.31) Qпр Qпр Коефцнт поглинання Аеф за фзичною суттю спвпада з ефек тивним к.к.д. в, що визначаться рвнянням (3.5).

Ефективний к.к.д. в лазерного зварювання (ЛЗ) залежить вд умов та параметрв режиму. Вплив швидкост зварювання на в пока зано на рис.3.26 [33].

Спвставлення рзного стану поверхонь показу його незначний вплив на в.

Термчний к.к.д. при ЛЗ визначаться за рвнянням (3.6), як при ЕПЗ.

Рис.3.26. Залежнсть ефективного к.к.д.

вд швидкост ЛЗ та стану поверхн стал Ст3 товщиною 3,5 мм при потужност променя 5 кВт фокуснй вдстан 215 мм:

1 - псля механчно обробки;

2 - у стан поставки;

3 - псля хмчного травлення На ефективний к.к.д. в та форму проплавлення впливають умови фо кусування променя, оскльки при цьому змнються щльнсть потужност, а вдповдно, форма та розмри парогазового каналу (рис.3.27) [7].

Рис.3.27. Залежнсть ефективного к.к.д. в вд умов фокусування променя вдносно поверхн низьковуглецево стал при ЛЗ:

Р = 5 кВт;

vзв = 16Е20 мм/с;

фокусна вдстань lф = 210 мм Максимальне поглинання випромнювання вдбуваться при загли бленн фокально площини пд поверхню виробу. Встановлено, що ве личина заглиблення залежить вд параметрв системи. Ступнь заглиб лення тим бльший, чи бльш довгофокусн системи використовуються, але максимальне заглиблення обмежуться товщиною металу [7].

Лазерний промнь найбльш концентрованим джерелом теплоти, доля теплоти, яка вдводиться в основний метал, мала. Процес зва рювання безперервним випромнюванням максимально наближаться до модел нагрвання пластин швидкоперемщуваним нйним тепло вим джерелом. Тому його термчний к.к.д. т наближаться до теоре тичного значення (т(теор) = 0,484) [106].

Повний к.к.д. (к.к.д. проплавлення пр) залежить вд потужност випромнювання та певною мрою вд швидкост зварювання (рис.3.28, 3.29) [7].

Рис.3.28. Залежнсть повного к.к.д.

вд потужност лазерного променя при нескрзному проплавленн нержавючо стал в атмосфер геля при швидкост зварювання 100 м/год Рис.3.29. Залежнсть пр вд швидкост зварювання в атмосфер геля:

Р = 3Е5 кВт;

1 - титанов сплави ( - ВТ-28, * - ПТ-3В);

2 - стал ( - Ст3;

- 0Х18Н10Т) Збльшення пр при зростанн потужност випромнювання пояс нються заглибленням парогазового каналу зменшенням втрат унас док вдбиття енерг променя. Подбний характер впливу потужност лазера на к.к.д. проплавлення збергаться в рзних газових середови щах (He, CO2, N2, Ar), але максимальне значення пр спостергаться в середовищ Не, а мнмальне - в середовищ Ar. Слд вдзначити вплив факела плазми, що утворються над парогазовим каналом, на енерге тичн характеристики променя. Параметри променя при проходженн через факел змнюються в результат поглинання частини енерг та погршення фокусування променя. Тому рекомендуться застосовува ти гази, як зменшують ступнь онзац, або здувати факел потоком нертного газу, що пдвищу ефективнсть д випромнювання [179].

Ефективнсть процесу ЛЗ променем потужного СО2-лазера зрос та при збльшенн швидкост зварювання до 28Е30 мм/с (100Е Е108 м/год), а потм стаблзуться. Це пояснються зменшенням втрат енерг за рахунок теплопровдност [7].

Установлено, що найбльш ефективне проплавлення металу вд буваться при вдхиленн променя назад вдносно напрямку зварюван ня, що пояснються зменшенням екрануючо д парогазового факела, бльш рвномрним розподлом енерг променя в канал зварювально ванни та зменшенням впливу вдбитого випромнювання на роботу квантового генератора. Оптимальний кут вдхилення променя звичай но сумарний з кутом сходження лазерного променя псля фокусуючо нзи. Вплив кута вдхилення променя на к.к.д. проплавлення пр пока зано на рис.3.30 [7].

Особливстю лазерного зварювання широкий дапазон змни режимв, що дозволя з'днувати рзн метали товщиною вд деклькох мкрометрв до десяткв млметрв з рзними механзмами проплав лення. Тому в робот [33] вс снуюч способи лазерного зварювання запропоновано розподлити за енергетичними, технологчними та еко номчними характеристиками на безперервне зварювання з глибоким проплавленням;

мпульсно-перодичне зварювання з глибоким проплав ленням;

безперервне зварювання малих товщин;

мпульсне зварювання малих товщин.

Пд лазерним зварюванням з глибоким проплавленням розумють зварювання металв товщиною бльше 1,0 мм. Процес може викону ватися як у безперервному, так в мпульсно-перодичному режим випромнювання лазера.

Рис.3.30. Залежнсть к.к.д. проплавлення вд кута вдхилення лазерного променя:

Р = 4 кВт;

vзв = 20 мм/с (72 м/год);

фокусна вдстань lф = 300 мм;

- титановий сплав ПТ-3В;

- нержавюча сталь 0Х18Н10Т Зварювання малих товщин до 1,0 мм може проводитися в безпе рервному або мпульсному режимах випромнювання. Для безперерв ного режиму використовують як газов, так твердотльн лазери по тужнстю випромнювання в безперервному режим до 1,0 кВт. мпуль сний режим забезпечуться звичайно твердотльними лазерами з енер гю випромнювання до десяткв джоулв. Матерали малих товщин зварюють як безперервними швами, так окремими точками.

За енергетичними характеристиками способи зварювання под ляють на три групи [33]. Перша група - щльнсть потужност Е = 105Е106 Вт/см2 час д t > 10Ц2 с;

друга - Е = 106Е107 Вт/см2, t < 10Ц3 с;

третя - Е = 105Е106 Вт/см2, 10Ц3< t < 10Ц2 с.

До першо групи способв належить зварювання з безперервним випромнюванням лазера з рзними довжинами хвиль. Тривалсть д t визначаться вдношенням даметра сфокусованого променя d до швидкост зварювання vзв: t = d vзв. Способи ЛЗ ц групи застосо вуються як для малих, так для великих товщин шляхом змни щль ност потужност та часу д випромнювання.

До друго групи способв належить зварювання з мпульсно перодичними режимами. Поднання високо щльност потужност з мпульснстю багаторазово д променя дозволя вести зварювання ме талв та сплавв рзних товщин при менших витратах енерг, нж при безперервному випромнюванн. Частота мпульсв склада десятки та сотн герц, а тривалсть х д менша, нж при способах першо групи.

До третьо групи способв належить зварювання, при якому утворення з'днання визначаться часом д мпульсу з утворенням точки розплаву. Поднання щльност потужност часу д мпульсу да можливсть зварювати лише мал товщини.

Способи зварювання друго групи застосовують лише для зварю вання з великою глибиною проплавлення, третьо - лише для малих товщин.

Зварювання з глибоким проплавленням при безперервному випро мнюванн виконуться з швидкостями 108Е144 м/год потужними газовими лазерами. Зварювання звичайно ведеться без присадного ма тералу лише в автоматичному режим. Зварювання в мпульсно перодичному режим вдзначаться бльш високою енергетичною ефективнстю проплавлення, але швидксть зварювання значно менша.

При необхдност можна виконувати ЛЗ з присадним матералом, який повинен подаватися точно в зону зварювання та мати даметр не бльше 1,0 мм, незалежно вд товщини деталей.

ЛЗ малих товщин може виконуватися як в мпульсному, так в без перервному режимах. Найбльш поширене мпульсне зварювання. При ЛЗ малих товщин застосовують як автоматичне, так ручне зварювання.

Основними параметрами мпульсного ЛЗ енергя мпульсу, три валсть мпульсу, даметр сфокусованого променя, положення фокуса вдносно поверхн виробу, швидксть зварювання частота мпульсв.

Крм того, слд вибирати захисне середовище, враховувати пдготов ку поверхн та необхднсть присадки [33].

Енергю мпульсу Е, необхдну для розплавлення металу без ви плеску, орнтовно знаходять за формулою 0,885Tпл tr E= Дж, (3.32) at де t - тривалсть мпульсу;

r - радус сфокусованого променя;

a - кое фцнт температуропроводност;

нш позначення зустрчалися ранше.

Тривалсть мпульсв для стал дорвню 510Ц3Е810Ц3, для мд - 10Ц4Е510Ц4, для алюмню - 510Ц4Е210Ц3 с. Бльш точн значення знаходять експериментально.

Даметр сфокусованого променя визначають у дапазон 0,05Е1,0 мм.

Фокусну вдстань нзи вибирають у дапазон 30Е100 мм. Даметр сфо кусованого променя пов'язаний з щльнстю потужност РF рвнянням 4E PF = 2. (3.33) d t Швидксть зварювання визначають лише для шовного зварюван ня за формулою vзв = df (1 k ), (3.34) де f - частота мпульсв;

k - коефцнт перекриття точок, що знахо диться в дапазон 0,3Е0,9. Для вакуумних швв вн повинен бути не меншим 0,5. Частота мпульсв у твердотльних лазерв до 20 Гц до зволя вести шовне зварювання з швидкстю до 18 м/год.

Деяк типи зварних з'днань тонких металв показано на рис.3.31 [33].

Основними параметрами режимв ЛЗ з глибоким проплавленням потужнсть випромнювання, швидксть зварювання, параметри фо кусуючо системи. нш параметри: захисна атмосфера, пдготовка деталей, параметри, що пдвищують ефективнсть проплавлення.

Оптимальним дапазоном даметрв сфокусованого променя 0,5Е1,0 мм. Фокусна вдстань нз знаходиться в дапазон 100Е250 мм. Геометричн розмри проплавлення залежать також вд положення фокуса променя вдносно поверхн виробу (рис.3.32) [7,33]. Знак мнус вдповда заглибленню фокуса в метал.

Рис.3.31. Деяк типи зварних з'днань тонких металв:

- зварювання дротикв;

- зварювання дротикв з масивними деталями;

- зварю вання деталей з вдбортовкою а б Рис.3.32. Залежнсть глибини проплавлення вд положення фокально пло щини вдносно поверхн виробу (а) та схематичне зображення впливу поло ження фокально площини на глибину проплавлення нержавючо стал при Р = 16 кВт, vзв = 300 м/год (б) Залежнсть глибини проплавлення вд швидкост зварювання по тужност лазерного променя СО2-лазера показано на рис.3.33 [7]. Для порвняння показано також аналогчн залежност для ЕПЗ. Видно, що ЛЗ за ефективнстю проплавлення займа промжне мсце мж ЕПЗ у вакуум та ЕПЗ в атмосфер.

а б Рис.3.33. Вплив швидкост зварювання (а) та потужност променя (б) на глибину проплавлення нержавючо стал при ЛЗ та ЕПЗ:

а) 1 - ЕПЗ, Р = 10 кВт;

2 - ЛЗ, 10 кВт;

3 - ЕПЗ в атмосфер, 12 кВт;

б) 1 - ЕПЗ, vзв = 16 мм/с;

2 - ЕПЗ, 41,7 мм/с;

3 - ЕПЗ, 83,8 мм/с;

4 - ЛЗ, 16,7 мм/с;

5 - ЛЗ, 41,7 мм/с;

6 - ЛЗ, 83,8 мм/с Потужнсть випромнювання та швидксть зварювання перш за все впливають на проплавлення металу, формування та геометрю шва. У робот [33] вдзначаться, що при середнх значеннях потужно ст випромнювання значних швидкостях зварювання (близько 100 м/год) глибина проплавлення h збльшуться пропорцонально потужност Р, а при зменшенн швидкост - за рвнянням h P 0, 7, (3.35) де - коефцнт пропорцональност.

Взамозв'язок основних параметрв режиму зварювання опису ться рвнянням r + a vзв P h= ln, (3.36) 2Tк r де Тк - температура кипння металу;

r - радус сфокусованого проме ня;

а - коефцнт температуропроводност.

Збльшити глибину проплавлення можна введенням у зону зва рювання елементв, як знижують ступнь онзац та екрануючу дю факела. Такими елементами можуть бути деонзатори - фтор та хлор.

Вище вдзначалося, що максимальне значення пр забезпечу ге лй. При зварюванн нержавючо стал лазерним променем потужн стю 20 кВт при швидкост 42 мм/с у середовищ гелю глибина шва склада 12,7 мм, ширина - 1,6 мм, а при зварюванн на повтр глибина зменшуться до 3,0 мм, ширина збльшуться до 12,6 мм [7]. Гелй рз ко пдвищу ефективнсть проплавлення надйним захисним сере довищем, але вн значно дорожчий нших газв. Тому в нашй промис ловост широко застосовують нший нертний газ - аргон. Оскльки в середовищ аргону глибина проплавлення мала, то при ЛЗ використо вують сумш аргону гелю. Ефективнсть проплавлення металу в га зовй сумш показано на рис.3.34 [7].

Рис.3.34. Вплив складу аргоно гелво сумш на спввдно шення коефцнтв проплав лення металу в газовй сумш пр та чистому гел пр He ла зерним променем потужнстю Р = 5 кВт при vзв = 20 мм/с, lф = 210 мм з рис.3.34 видно, що при вмст в сумш 40Е50 % гелю ефекти внсть проплавлення така ж, як в чистому гел. Крм того, сумш краще утримуться над зварним швом унаслдок збльшення густини (густина гелю He = 0,178 кг/м3, Ar = 1,78 кг/м3, повт = 1,29 кг/м3).

Ефективнсть проплавлення залежить також вд напрямку газового струменя та витрат газу. п зростанню сприя застосування вакууму.

Ефективнсть проплавлення рзко зроста (у 3Е4 рази) при вико ристанн мпульсно-перодичного режиму ЛЗ. Перодична зупинка лазерного випромнювання для розсювання пароплазмово фази в па уз мж мпульсами найбльш рацональним способом боротьби з розвитком плазмового факелу [7]. Вплив швидкост зварювання на залежнсть вдношення глибини проплавлення до середньо потужно ст променя при мпульсно-перодичному та безперервному випром нюванн показано на рис.3.35.

Рис.3.35. Залежнсть ефек тивност проплавлення вд швидкост ЛЗ при безперерв ному (крива 1) та мпульс но-перодичному (крива 2) режимах (частота мпульсв f = 300 Гц, середня потуж нсть Рсер = 3Е5 кВт, скваж нсть G = 4) Аналз результатв дослджень показу, що ефективнсть мпульс но-перодичного режиму (ПР) при швидкостях, бльших нж 15Е20 мм/с, рзко пада, тобто ПР ефективним при малих швидко стях зварювання глибокому проплавленн.

Суттве збльшення глибини проплавлення при ПР досягаться за рахунок збльшення нтенсивност лазерного випромнювання, од нак при нтенсивност, вищй певного порогового значення, утворю ться плазма в парах металу. Це призводить до збльшення тиску па рогазово сумш та виплеску металу. Для попередження виплеску роз плаву яксного формування шва необхдно, щоб тиск на передню стн ку парогазового каналу не перевищував 12 атм (за експериментальни ми даними). Вдповдно максимальна нтенсивнсть випромнювання не повинна бути бльшою (1Е2)106 Вт/см2. Для цього рвня нтенсив ност оптимальна тривалсть мпульсу, що необхдна для розгрвання металу вд температури плавлення Тпл до температури кипння Ткип, оцнються рвнянням [7] [c (Tкип Т пл ) + Н пл ] 4a, tопт (3.37) & А де, а, с, Нпл, A - вдповдно густина, температуропровднсть, пито ма тепломнсть, питома теплота плавлення, середнй коефцнт поглинання свтла в нтервал Тпл - Ткип.

Максимально допустима тривалсть мпульсу tмп визначаться умовою незначного вдведення теплоти в метал [7]:

4atмп < d. (3.38) Для даметра сфокусованого променя 1,0 мм tмп < 20 мс, що вд повда мнмальнй нтенсивност min = (1Е2)105 Вт/см2. Для змен шення охолодження поверхн парогазового каналу доцльно вибирати частоту мпульсв 600Е1000 Гц.

Перспективним застосування ПР зварювання з мпульсами складно форми або мпульсами рзно нтенсивност [7].

Ефективнсть проплавлення при безперервному режим ЛЗ можна пдвищити за рахунок осциляц положення сфокусованого променя по висот стнки канала для забезпечення постйно по глибин канала щльност потужност. Для цього використовують спецальн сканато ри, як змнюють амплтуду коливань фокусу вд 0 до 5 мм з частотою вд 0 до 150 Гц. Глибина проплавлення стал, алюмнвих титанових сплавв при скануванн може зростати на величину до 45 %.

При ЛЗ з глибоким проплавленням необхдно також забезпечува ти газовий захист металу. Типи з'днань та пдготовку деталей при ЛЗ доцльно застосовувати т ж сам, що при ЕПЗ.

Для визначення параметрв режиму ЛЗ можна використовувати нженерну методику, запропоновану в робот [7]. Оптимальн парамет ри розраховували з умови мнмальних витрат енерг на пароутворен ня, але вони повинн бути достатнми для того, щоб реактивний тиск парв видаляв з передньо стнки каналу практично весь розплав (не повинно бути багаторазового переплавлення металу). У цьому випад ку закон збереження енерг для переплавленого лазерним променем металу шва запишеться рвнянням пр Pсeр = hvзв dE + hvзв 2 E at, (3.39) де Рсер - середня потужнсть лазерного променя;

E = {c(Tкип Т пл ) + Н пл } - d питомий тепловмст розплавленого металу;

t = ;

d - даметр про vзвG меня;

G = - скважнсть ПР;

f, Т - вдповдно частота перод м fT пульсв (при безперервному режим G = 1);

h - глибина проплавлення;

2 at - розмр зони розплавлення, що врахову поширення розплав леного металу в напрямку, перпендикулярному площин шва;

t - час д мпульсу.

К.к.д. проплавлення визначаться рвнянням hvзв dE a 1 + 2.

пр = (3.40) Pсер dvзвG Величина пр легко визначаться експериментально шляхом вим ру площ поперечного перерзу шва для кожного режиму (Рсер, vзв, d), розрахунку об'му переплавленого в одиницю часу металу шва, його перемноження на питомий тепловмст длення на Рсер.

З урахуванням вдводу теплоти в основний метал за рахунок теп лопровдност рвняння теплового балансу ма вигляд ad ad + hvзв 2 E еф Рсер = hvзв dE + hvзв 2 E, (3.41) vзвG vзвG де еф - ефективний к.к.д. ЛЗ;

Е = с(Тпл - Т0) - питомий тепловмст нагртого твердого металу;

Т0 - температура навколишнього середо вища (20 С).

Псля деякого спрощення з урахуванням (3.40) рвняння (3.41) ма вигляд a dvзвG еф = пр 1 +, (3.42) a 1+ dvзвG E = де.

E Якщо врахувати, що при ЛЗ пластин термчний к.к.д. т близький до теоретичного в модел нагрвання швидкорухомим джерелом (т = 0,484), то можна прийняти 1. Для випадку високих швидко 4a < 1 рвняння (3.42) можна записати у ви стей зварювання, коли dvзвG гляд a еф = пр 1 + 2. (3.43) dvзвG З спльного ршення рвнянь (3.43) (3.40) отриман h еф = (3.44) Pсер a Edvзв 1 + 2 dvзвG h G = еф.

та (3.45) Pсер max 4aE З спльного ршення рвнянь (3.43) (3.44) знаходять коефцнт h/d:

Pсереф h = (3.46) d a d vзв E 1 + 2 dvзвG еф I сер h = або, (3.47) d a 4vзв E 1 + 2 dvзвG де сер - середня нтенсивнсть променя.

У робот [7] рвняння (3.44)Ц(3.47) використан для оцнки основ них параметрв ЛЗ широкого кола режимв стосовно конкретних мате ралв та параметрв лазерного випромнювання.

Лазерне зварювання жаромцних сплавв дослджено в робот [84] на установц ЛТ1-2М (лазер на СО2) при вивод лазерного променя в атмосферу та захист металу шва гелм. Макрошлф металу в зон проплавлення показано на рис.3.36, а параметри проплавлення наве дено в табл.3.3, у якй для порвняння також дан для низьколегова но стал.

Таблиця 3.3. Параметри проплавлення металу лазерним променем Потужнсть Швидксть Глибина Ширина B P сер Метал променя зварювання проплавлен- проплавлен h h Рсер, кВт vзв, м/год ня h, мм ня В, мм Жаромцний 3,0 62 1,0 2,5 1,30 1, нкелевий 4,0 62 3,0 3,4 1,10 1, сплав 5,0 62 4,0 3,9 0,97 1, 8,0 45 8,9 2,3 0,26 0, Низьколего- 8,0 60 6,4 2,1 0,33 1, 20,0 76 20,2 3,3 0,16 1, вана сталь 20,0 153 12,7 2,3 0,18 1, Незважаючи на рзн умови проплавлення сплаву ЭП99 стал, з табл.3.3 видно, що на 1 мм глибини проплавлення металу необхдно 0,9Е1,6 кВт потужност, залежно вд параметрв режиму.

а б Рис.3.36. Макрошлф жаромцного сплаву товщиною 2+2 мм у зон проплавлення лазерним променем рзно потужност:

а - 3,0;

б - 4,0;

в - 5,0 кВт (зменшено при дру куванн в 2 рази) в Мкроструктуру зварного з'днання сплаву ЭИ602 (ХН75МВТЮ) показано на рис.3.37.

а б Рис.3.37. Мкроструктура стикового з'днання сплаву ЭИ602 псля ЛЗ:

а - 300;

б - 100 (зменшено при друкуванн в 2 рази);

1 - шов;

2 - основний метал з макроструктури видно, що проплавлення жаромцного сплаву ма рюмкоподбну форму. Верхня частина шва розширена, а нижня ма форму ножа. Зона термчного впливу (див. рис.3.37,б) дуже вузька - практично вдсутня. Бля поверхн проплавлення стотно змни зерен основного металу не спостергаться. Мкроструктура з'днань при ЛЗ аналогчна мкроструктур при ЕПЗ. Механчн випробування зварних з'днань на короткочасну та тривалу мцнсть при 900 С показали, що ц показники знаходяться на рвн показникв основного металу.

Взамозв'язок мж потужнстю лазерного променя, швидкстю зварювання та глибиною проплавлення низьковуглецево стал в ре жим безперервного випромнювання, за даними SLV M-V, показано на рис.3.38.

Рис.3.38. Вплив швидкост зварювання в гел на гли бину проплавлення стал при рзних потужностях лазерного променя:

1 - 7,5;

2 - 12,5;

3 - 18,0;

4 - 25,0 кВт;

фокусна вдстань 300 мм Залежност, зображен на рис.3.38, охоплюють широкий нтервал змни потужност променя та швидкост зварювання. Практично вико ристовуються значно менш нтервали швидкостей зварювання. Реко мендован параметри безперервного режиму ЛЗ, що забезпечують найкращ геометрю шва, механчн властивост та технологчну мц нсть з'днань деяких матералв, наведено в табл.3.4 [33].

Таблиця 3.4. Режими ЛЗ деяких металв при безперервному випро мнюванн Потужнсть Швидксть Фокусна Заглиб Товщина, Метал променя, зварювання, вдстань, лення фо мм кВт м/год мм кусу, мм Низьковуглецев та низьколегован 3,0 3,1 110 120 1, стал (Ст3, 17ГС) Середньовуглецев 2,0 2,8 100 120 1, легован стал 3,0 3,2 100 120 1, (35, 30ХГСА) Високолегован 3,0 3,3 100 160 1, аустентн стал 5,0 5,0 75 150 1, (12Х18Н10Т) Високолегован мартенситно- 2,0 2,5 100 160 1, старюч стал 3,0 3,5 80 500 1, (08Х15Н5Д2Т) Алюмнво-магн- 2,0 2,3 100 120 - вий сплав АМг61 4,0 2,8 90 120 - Титановий сплав 3,0 3,0 80 300 +1, ВТ6 5,0 4,0 80 300 +1, Титановий сплав 2,0 4,0 160 230 Ц1, ВТ28 3,0 3,3 100 149 Ц1, 3.2.3. Технологя рзання. Пд дю лазерного променя можлив два механзми руйнування металу - плавлення та випаровування. По верхня руйнування сну по всй товщин металу рухаться за напрям ком рзання.

Рзання з випаровуванням металу вимага високих енергозатрат потужних лазерв, оскльки необхдне нагрвання матералв до темпе ратур кипння, як значно перевищують температуру плавлення, плюс ентальпя кипння. Механзм випаровування застосовують при необ хдност пробивання в матералах отворв малого даметра стацонар ним променем, наприклад, для виготовлення пористого матералу.

Енергетично бльш вигдним механзм плавлення металв у зон р зання та видалення з каналу рзання продуктв руйнування за допомогою динамчно д газв. Таке рзання називають газолазерним (ГЛР).

При ГЛР сталей та ряду сплавв як допомжний газ застосовують кисень, який викону три функц [32]:

утворюючи оксиди, сприя зменшенню вдбивання свтла вд по верхн металу;

теплота екзотермчно реакц горння металу пдсилю термчну дю променя;

струмнь кисню виносить з зони ГЛР розплавлений метал та про дукти згоряння, забезпечуючи приток кисню безпосередньо до фронту реакц горння.

Остання функця сприя утворенню чистого, яксного рзу значно бльшо глибини, нж при вдсутност кисню.

Принципову схему ГЛР показано на рис.3.39.

Рис.3.39. Принципова схема ГЛР:

1 - ширина рзу;

2 - оксидна плвка;

3 - плвка закристалзо ваного металу;

4 - фокус лазер ного променя;

5 - струмнь кис ню для рзання;

6 - напрям р зання;

7 - фокусуюча нза;

8 - подача кисню;

9 - сопло;

10 - основний метал;

11 - шлаковий струмнь При ГЛР залежно вд клькост теплоти екзотермчно реакц окис нювання видляють два механзми. Перший механзм характерний для металв, як загоряються нижче температури плавлення та нтенсивно згоряють (низько- середньовуглецев стал, титан, його сплави) з вели ким тепловим ефектом. При цьому внесок теплоти реакц горння ме талу в загальний тепловий баланс значний. У такому процес можлив два режими: керованого та некерованого (автогенного) рзання. В останньому випадку метал горить за рахунок теплоти реакц металу з киснем по всй поверхн контакту з струменем кисню. Збльшивши швидксть рзання, автогенний режим можна зробити керованим.

Другий механзм поляга в тому, що матерал не горить, а пла виться;

газовий струмнь видаля розплав з зони рзання. Цей меха нзм характерний для високовуглецевих та легованих сталей, мд то що, у яких тепловий ефект горння малий. При цьому механзм можна використовувати струмнь повтря, аргону тощо.

снують рзн схеми подач газу в зону рзання. Деяк з них пока зано на рис.3.40.

Рис.3.40. Схеми подач допомжно го газу в зону рзання:

а - спвосна з проме нем;

б - бокова;

в - кльцева а б в Газодинамчн параметри газового струменя визначаються тиском р0 газу всередин сопла, родом газу, конструкцю сопла, умовами ви ткання газу з сопла.

ГЛР може виконуватись при безперервному або мпульсно перодичному випромнюванн. Використання того або ншого випро мнювання при рзанн ма т ж особливост, що при зварюванн. м пульсно-перодичне випромнювання дозволя зменшити необхдн потужност лазера, але його продуктивнсть значно нижча, нж при безперервному випромнюванн. Цим зумовлене широке впроваджен ня у виробництво ГЛР з безперервним випромнюванням. мпульсн лазери доцльно використовувати для рзання кольорових металв з високими теплопровднстю та коефцнтом вдбивання свтла, мета в малих товщин з високими вимогами до точност рзання.

Основн параметри режимв рзання пов'язан з характеристиками випромнювання та аналогчн параметрам режимв зварювання. Серед основних факторв, як визначають продуктивнсть яксть рзання, слд вдзначити потужнсть щльнсть потужност випромнюван ня, швидксть рзання, тиск склад допомжного газу, вдстань вд зрзу сопла до поверхн матералу та здатнсть поверхн поглинати випромнювання, вид, склад властивост матералу [32].

Яксть рзання визначають наступн показники: точнсть, ше роховатсть Rz, неперпендикулярнсть (клиновиднсть) j, глибина зони термчного впливу (ЗТВ) bЗТВ, ширина рзу b, вдставання н рзу, кльксть грата (напливи на нижнй кромц металу), радус оплавлення верхньо кромки R (рис.3.41).

Рис.3.41. Показники якост рзання Найважлившими параметрами, як визначають розмрн характе ристики рзу, потужнсть Р, щльнсть потужност РF та швидксть рзання vр. Зручними для користування параметри Р/vр та Р/h (h - глибина прорзання металу;

vр - швидксть рзання). Вплив швидкост рзання на параметр Р/h та ширину рза показано на рис.3.42 [32].

з рис.3.42,б видно, що ширина рзу зменшуться з зменшенням даметра сфокусованого променя. Висока яксть поверхн рзу рзних металв забезпечуться при певних спввдношеннях мж швидкстю рзання щльнстю потужност випромнювання. Висота шероховато стей теж залежить вд швидкост рзання. На поверхн рзу можна ви длити верхню зону високо якост (зона ), де висота шероховатостей при рзанн сталей титану склада 20Е30 мкм та мало залежить вд швидкост рзання. Нижче знаходиться зона з висотою шероховато стей бльше 100 мкм, що рзко зменшуться при збльшенн швидкост рзання до 90Е120 м/год [32].

а б Рис.3.42. Вплив швидкост рзання низьковуглецево стал на параметр Р/h (а) та на ширину рза (б) при рзних даметрах сфокусованого променя Залежнсть максимально швидкост рзання вд товщини металу показано на рис.3.43.

Рис.3.43. Вплив товщини низько вуглецево стал на максимальну швидксть рзання при рзних потужностях променя:

1 - 625;

2 - 1250 Вт Взамозв'язок швидкост рзання, потужност лазерного випром нювання товщини металу, за даними SLV M-V, показано на рис.3.44.

з рис.3.43 та 3.44 видно, що ефективнсть лазерного рзання при збльшенн товщин металу пада.

Тому його звичайно застосовують для товщин до 10Е12 мм.

Рис.3.44. Залежнсть швидкост рзан ня вуглецево стал вд потужност лазерного променя при рзних товщинах металу Узагальнюючи вивчене про дослджен закономрност змни мак симально глибини яксного рзання, ширини рзу, розмрв зони тер мчного впливу шероховатост поверхн рзу при безперервному ви промнюванн вд технологчних факторв для рзних металв, у робот [32] зроблено наступн висновки:

1. Глибина яксного рзання нержавючих сталей сплавв титану зроста при збльшенн тиску допомжного газу, причому при менших тисках вплив бльший.

2. Максимальна глибина рзання вуглецевих сталей та сплавв титану зроста з пдвищенням потужност випромнювання, тиску до помжного газу та зменшенням швидкост рзання.

3. Для забезпечення мнмально ширини рзу, зони термчного впливу та шереховатост поверхн рзу обробку слд проводити на ма ксимально припустимих швидкостях, на яких можливе рзання дета лей задано товщини при певних потужност тиску допомжного газу.

4. Для пдвищення якост рзання тиск допомжного газу при р занн вуглецевих сталей повинен бути 0,05Е0,15 МПа, нержавючих сталей титанових сплавв - 0,2Е0,3 МПа.

Режими рзання деяких матералв при даметр сфокусованого променя 0,2 мм наведено в табл.3.5.

Таблиця 3.5. Параметри режимв ГЛР з безперервним випромню ванням деяких металв та показники якост рзу Показники рзання Потуж- Швидксть Тиск Товщина Шири- Шерехо Матерал нсть лазе- рзання, газу, Глибина листа, мм на р- ватсть, ра, Вт м/хв МПа ЗТВ, мм зу, мм мкм 1,02) 500 2,23 0,15 0,64 0,12 14, Вуглецева 5,2 1000 1,0 0,15 0,51 0,26 - сталь 10,02) 0,371) 1000 0,15 0,82 0,40 Нержав- 2,0 1000 3,5 0,25 0,39 0,098 - 5,02) юча сталь 1000 0,91 0,15 0,64 0,27 - 1,02) 1000 2,27 0,15 0,34 0,24 16, Титан 2,0 1000 2,2 0,15 0,344 - - 2,0 1000 0,2 0,15 0,377 - - Алюмнй 8,03) 3000 0,6 - 0,5 - - 1,03) Нкель 2000 7,9 - - - - 4,03) Молбден 4000 0,5 - - - - 1) 2) Примтки: режим рзання з низькою якстю;

даметр сфокусованого променя 0,4 мм;

3) даметр сфокусованого променя невдомий.

Для порвняння наведемо параметри мпульсно-перодичного ре жиму рзання тонколистово стал при швидкост 1,2 м/хв з високою якстю рзу [32]: енергя мпульсу 0,5 < W < 5,0 Дж при скважност м пульсу лазерного випромнювання бльше 2;

частота мпульсв до 400 Гц;

тривалсть мпульсу 0,510Ц3 < ti < 2,510Ц3 с.

Одним з основних питань розробки технолог лазерного зварюван ня, рзання або ншо обробки матералв вибр лазерного устаткування.

3.2.4. Лазерне устаткування. Устаткування для лазерно обробки матералв складаться з технологчного лазера, системи вдхилення фокусування променя, системи спостереження, устаткування для за крплення перемщення деталей, апаратури контролю параметрв та управлння процесом.

Основним елементом устаткування технологчний лазер. Для технологчних цлей у промисловост застосовуються в основному твердотльн та газов лазери. Перш технологчн установки розроблен на основ рубнового лазера. Вони були призначен для зварювання ме талв пробивання отворв у матералах. Максимальна енергя випром нювання установок СУ-1, УЛ-2, К-3М - не бльше 2 Дж, установки УЛ-20 - 20 Дж. У 1969 р. була створена установка СЛС-10-1 з викори станням лазера на неодимовому скл. Енергя випромнювання складала 8 Дж. Для точкового зварювання деталей товщиною до 1 мм розроблен бльш потужн установки "Квант-10" (15 Дж) "Квант-16" (30 Дж). Скло значно дешевше рубнових стержнв, але ма низьку теплопровднсть, що вимага зниження частоти мпульсв. Збльшення частоти мпульсв до деклькох десяткв герц стало можливим при використанн в якост активно речовини трй-алюмнвого граната, легованого неодимом.

Так лазери використан в установках для шовного зварювання з пере криттям точок типу "Квант-12" (3 Дж) "Квант-17" (4 Дж).

Значно потужнш та ефективнш технологчн установки, виго товлен на основ газових лазерв. Принципову схему газового лазера безперервно д типу ЛТ1-2М показано на рис.3.45.

Для створення в робочому контур 6 вакууму використовують ме ханчн насоси об'мно д, що приднуються через вакуумний кран 3.

Робоча сумш податься в контур через змшувач 4. Прокачування су мш по контуру здйснються циркуляцйним насосом 1. Оскльки н версна заселенсть стотно зменшуться при збльшенн температури газу, то для охолодження робоча сумш пропускаться через теплооб мнник 2. Збудження молекул здйснються в тлючому розряд, що го рить у газорозряднй камер 5.

Розряд горить мж водоохолодними катодною 6 анодною 5 пли тами, встановленими в корпус 1 камери 2, показано на рис.3.46.

Безперервне прокачування газово сумш по робочому контуру охолодження збльшують потужнсть випромнювання. Для посилен ня направлення випромнювання служать дзеркала 3 резонатора. Ви хдний промнь ма форму кльця псля виходу з установки фокусую чою оптичною системою.

Рис.3.45. Принципова схема газорозряд но лазерно установки:

1 - циркуляцйний насос;

2 - теплообмнник;

3 - вакуумний вентиль для приднання ваку умного насоса;

4 - змшувач газв;

5 - газо розрядна камера;

6 - робочий контур Рис.3.46. Схема газорозрядно камери газового лазера безперервно д:

1 - корпус;

2 - газорозрядна камера;

3 - дзеркала резонатора;

4 - оптичн нзи;

5, 6 - анодна та катодна плита вдповдно Основу установки склада газорозрядний СО2-лазер з великим обсягом активного середовища високою щльнстю випромнювання, в якому використовуться резонатор Z-подбного типу, що генеру нфрачервоне випромнювання потужнстю до 5 кВт у безперервному режим. Робоча газова сумш складаться з азоту, гелю вуглекислого газу при сумарному тиску 6,65103 Па. Робоча сумш прокачуться че рез резонатор з швидкстю 75 м/с, що забезпечу витрати газу 2,5 м3/с.

Оскльки потужнсть лазера пропорцональна числу збуджених моле кул газу, то так параметри прокачування дають можливсть одержу вати велику потужнсть лазерного випромнювання у вдносно малому об'м генерац. Розряд пдтримуться постйним струмом при напруз до 5 кВ. Трипрохдний Z-подбний резонатор ма чотири мдних охо лоджуваних дзеркала, як за допомогою спецально пдвски встанов лен в незалежн юстировочн вузли. Промнь, що ма форму кльця з внутршнм даметром 35 мм та зовншнм 45 мм, виходить з резона тора горизонтально , вдбившись вд поворотного дзеркала, пдво диться до операцйно длянки. Тут промнь через фокусуючу систему направляться на вирб, закрплений на робочому стол. Даметр фокаль но плями може бути зменшений до десятих часток млметра.

Дослдження та досвд упровадження зварювання газовим лазе ром на СО2 показали велику перспективнсть способу [12,33,157].

Промнь газового лазера можна використовувати також для рзання й нших видв обробки металу. Залежно вд технологчно операц зм нються щльнсть потоку випромнювання може вдбуватися нагр вання матералу у твердому стан, його плавлення або випаровування.

При рзанн звичайно в зону рза податься струмнь газу, що видаля продукти руйнування. Подача кисню посилю руйнування металу ре акцю окиснювання.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 | 4 | 5 |    Книги, научные публикации