Книги, научные публикации
Pages: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | МНСТЕРСТВО ОСВТИ НАУКИ УКРАпНИ Укранський державний морський технчний унверситет мен адмрала Макарова В.В. КВАСНИЦЬКИЙ СПЕЦАЛЬН СПОСОБИ ЗВАРЮВАННЯ Рекомендовано Мнстерством освти ...
-- [ Страница 3 ] --3 - контактне стикове зварювання Для порвняння на рис.2.34,а наведено дан роботи [156] щодо зварювання тертям (лня 2) стиковим контактним зварюванням (л ня 3) сталей аналогчного призначення для виготовлення випускних клапанв двигунв. Шток клапана виготовляють з низьколеговано стал, що гартуться, а головка клапана - з високолеговано аустент но стал. На вдмну вд контактного зварювання при зварюванн тер тям не утворються твердий крихкий прошарок з боку аустентно стал. Його вдсутнсть пдтверджуться результатами дослджень мкроструктури та розподлу елементв. Для зварювання при n = 1250 об/хв рекомендовано тиск нагрвання 65 МПа, час нагрвання 5 с, тиск проковки 260 МПа, що призводить до величини осадки 7 мм.
Швидкоплиннсть процесу не допуска нтенсивного розвитку дифу зйних процесв. У зон з'днання метал ма дрбнозернисту структуру.
Зварювання тертям проходить пд дю нтенсивного локалзова ного джерела теплоти, значно пластично деформац при надйному захист зварюваних поверхонь вд повтря. Це призводить до сворд но термомеханчно обробки металу.
Головною особливстю нерцйного зварювання тертям малий час нагрвання, що позитивно вплива на зварювання рзнордних ме талв, як утворюють нтерметалди, але негативно - на зварювання сталей, як гартуються. Режим зварювання при вибраному маховику однозначно визначають лише два параметри - накопичена енергя момент сил тертя в стику, тобто початкова кутова швидксть, зусилля стиснення деталей.
Слд вдзначити, що при нерцйному зварюванн з'днання утво рються при поступовому зменшенн вдносного руху поверхонь пд дю сил х тертя, тобто в умовах д осьових тангенцальних напру жень. Тому час та можливост формування нтерметалдних прошаркв рзнордними металами дуже обмежен, що визнача переваги нер цйного зварювання перед традицйною схемою.
Пдготовка торцевих поверхонь до зварювання тертям може ви конуватися найрзномантншими способами: рзанням пилкою, наж дачним кругом, на токарному верстат тощо з протиранням чистою ганчркою. Не допускаться наявнсть на них окалини. Основною ви могою пдготовки деталей забезпечення перпендикулярност по верхн тертя до ос обертання. Для деталей з одного металу допуска ться непаралельнсть поверхонь 5Е7, для рзнордних металв коли вання торця не повинне перевищувати 0,2 мм.
Зварювання деталей з однаковими розмрами перерзу та одного матералу не виклика труднощв. При зварюванн деталей з рзнорд них металв пдготовка поверхн бльш твердого з них, який мало де формуться, ма жорстк вимоги за допуском. Крм того, використо вують попередн пдгрвання торця детал з бльш твердого матералу, спецальн оправки для детал з бльш пластичного металу або збль шують на 15Е20 % даметр останньо. Довжина виходу детал з зати скачв склада 0,5Е1,5 даметру. Менше значення вдноситься до малих даметрв пластичних металв. При зварюванн стержня або труби з плоскою деталлю спостергаться асиметря температурного поля (рис.2.35,а). Тому в цьому випадку на детал з плоскою поверх нею проточують виступ або канавку, як показано на рис.2.35,бЦг.
а б в г Рис.2.35. Температурне поле в Т-подбному з'днанн (а) та пдготовка детал з плоскою поверхнею при зварюванн з стержнем (б,в) трубою (г) Накопичений досвд зварювання тертям показу, що найчастше вибирають рн = 40Е80 МПа, а рпр /рн = 2Е3. При нерцйному зварю ванн рн = рпр, а час зварювання визначаться за рвнянням (2.8).
Останнм часом аналогчна нерцйному зварюванню технологя для рзнордних металв розроблена щодо традицйного устаткування з модернзацю останнього [80,81], але при цьому рпр > рн.
Для конвенцйного зварювання тертям характерне швидке приму сове гальмування вдносного руху деталей. Це сприя утворенню якс них з'днань однордних металв, але може негативно впливати при з'днанн металв, як утворюють крихк прошарки [83]. пх товщина залежить вд тиску проковки. Вона зменшуться з збльшенням тиску змнються по радусу заготовки, але, наприклад, при конвенцйному зварюванн мд з алюмнм уникнути утворення нтерметалдв до сить важко.
Академк НАН Украни С.. Кучук-Яценко з спвробтниками розробив спосб зварювання тертям, при якому регулються гальму вання вдносного руху заготовок, що забезпечу стабльн висок по казники мцност пластичност з'днань рзнордних металв [80,81].
Циклограму такого процесу показано на рис.2.36.
Рис.2.36. Циклограма зва рювання тертям рзнорд них металв з регулюван ням гальмування вдносно го руху заготовок:
рн, рпр - тиски вдповдно на грвання проковки, n - часто та обертання;
l - осадка заго товок;
tн, tг, tпр - час вдповд но нагрвання, гальмування проковки Особливстю зварювання тертям рзнордних матералв асимет ря температурного деформацйного полв, що призводить до зм щення поверхн тертя в заготовку з меншим опором зсуву при темпе ратур зварювання. Це означа, що поверхн схоплюються на початко вй стад зварювання, хоча х з'днання може бути недосконалим. При зварюванн рзнордних сталей яксть цього з'днання надал зроста завдяки високотемпературнй деформац металу в зон стику. При зварюванн рзнордних металв, як утворюють нтерметалди, збль шення часу х контактування в нагртому стан, навпаки, призводить до незворотних шкдливих змн складу структури металу.
У роботах [80,81] встановлено, що при зварюванн алюмню з мддю та сталями вже на початку тертя вдбуваться схоплювання по верхонь. У пар алюмнй-мдь воно проходить практично миттво п сля дотику поверхонь заготовок, що обертаються. Внаслдок цього поверхня тертя змщуться в алюмнву заготовку. Величина змщен ня залежить вд швидкост руху та величини тиску (рис.2.37).
Рис.2.37. Залежнсть величини змщення поверхн тертя зм вд часу нагрвання tн при зварюванн мд з алюмнм:
1 - v = 0,75 м/с, рн = 25 МПа;
2 - 0,75;
50;
3 - 1,5;
25;
4 - 1,5;
50;
5 - 2,5;
25;
6 - 2,5;
Змщення поверхн тертя знаходили шляхом розведення заготовок при нагрванн без зупинки х руху та визначення товщини шару алюм ню, перенесеного на поверхню мд. Встановлено, що величина змщен ня залежить вд параметрв режиму зварювання, але вона спочатку збль шуться, а потм зменшуться набува усталено величини. У дапазон змни тиску нагрвання 25Е50 МПа змщення поверхн тертя в алюмн ву заготовку при зменшенн окружно швидкост вд 2,5 до 0,75 м/с збль шуться вд 0,2 до 1,1 мм для пари алюмнй АД1Цмдь вд 0,02 до 0,4 мм для пари алюмнй АД1Цсталь 12Х18Н10Т [81]. Усталена величи на змщення поверхн тертя при окружнй швидкост 2,5 м/с досягаться за час нагрвання 0,5Е1,0 с. Подальше збльшення швидкост не вплива на характер термодеформацйних процесв у зон стику.
Рух поверхн тертя на початковй стад нагрвання пояснються змцнюючою дю бльш мцного металу псля схоплювання повер хонь деформацйним змцненням - в одному напрямку та зменшен ням мцност металу з пдвищенням температури - у протилежному.
На початку тертя переважа процес змцнення, поверхня тертя (по верхня з мнмальним опором зсуву) перемщуться в алюмнй. Руй нування проходить з виривом глибинних шарв алюмню. При збль шенн часу нагрвання, внаслдок росту температури, переважа про цес зменшення мцност металу, поверхня тертя рухаться до поверх н початкового контакту, однак, унаслдок змцнюючо д бльш Твер до (мдно чи сталево) поверхн, вони не спвпадають. На усталенй стад бля бльш твердо поверхн сну тонкий прошарок деформова ного алюмню, який ускладню активацю ц поверхн витснення нтерметалдв з зони стику.
З'днання алюмню з мддю або сталлю утворються по двох по верхнях: поверхн тертя поверхн початкового контакту. Виходячи з теор з'днання матералв у твердому стан (роздл 1), зрозумло, що умови на цих поверхнях рзн. Бльш висок температури та нтенсивн тангенцальн й осьов деформац гарантують з'днання алюмню по поверхн тертя. По поверхн початкового контакту бльш мцний метал схоплються з алюмнвим прошарком, який перешкоджа розвитку тер модеформацйних процесв активац поверхонь початкового контакту.
Для активац процесв формування з'днань по поверхн початко вого контакту при зварюванн тертям за схемою з рзким гальмуван ням дуть по шляху збльшення окружно швидкост руху та тиску на грвання, але це призводить до нтенсифкац процесу утворення н терметалдв.
Розроблений спосб зварювання тертям з регульованим гальму ванням (циклограма рис.2.36), унаслдок одночасно д при проковц стискуючих осьових та тангенцальних напружень, забезпечу рзке збльшення швидкост осадки й нтенсифкацю процесу зсувно дефор мац по поверхн початкового контакту. Швидксть осадки при цьому збльшуться в 5Е7 разв порвняно з стадю нагрвання. Основними факторами, як впливають на формування нтерметалдного прошарку тривалсть стад нагрвання, величина швидксть осьово та танген цально деформацй на стад проковки [81]. Для зварювання мд з алюмнм вибрано оптимальний режим: рн = 60 МПа;
v = 1,9 м/с;
tн = 0,4 с;
рпр = 200 МПа;
tг = 0,7 с;
tпр = 6 с. Термодеформацйн умо ви формування з'днань аналогчн умовам при нерцйному зварю ванн [80].
Розроблений спосб зварювання гаранту вдсутнсть нтерметалд них прошаркв стабльнсть якост зварювання. Для його реалзац на серйному устаткуванн проведена модернзаця, що забезпечу програ мування динамки гальмування на заключнй стад зварювання. Напри клад, на серйнй машин МСТ-2001 вдаться зварювати мдь з алюмнм при даметрах заготовок до 35 мм (тиск проковки не менше 200 МПа).
Псля вдповдно модернзац на цй машин забезпечуться яксне зва рювання мд з алюмнм при даметрах заготовок 16Е55 мм [80].
Зварювання тертям з перемшуванням (ЗТП) використовуться для з'днання алюмню та його сплавв. Воно дозволя виконувати з'днан ня стиков, кутов, тавров прорзн, тавров двопрохдн тощо (рис.2.38).
Рис.2.38. Типи з'днань, виконан ЗТП:
а - стикове;
б - внапуск-стикове;
в - внапуск;
г - багатошарове внапуск;
д - двопрохдне таврове;
е - таврове прорзне;
, ж - кутов Основними параметрами режиму ЗТП : частота обертання, зу силля притискування, зусилля та швидксть перемщення нструмен та (швидксть зварювання), кут нахилу нструмента вдносно детал та розмри форма нструмента [132]. Враховуються також умови тертя залежно вд матералв нструменту детал та напруження пли ну матералу заготовок при температур деформац.
Взамозв'язок швидкост зварювання частоти обертання нстру мента видно з рис.2.39 [132].
Дефекти в зварних швах пов'язан з надмрним або недостатнм перемшуванням металу. Як видно з рис.2.39, сплав 6000 ма широкий дапазон значень швидкостей зварювання частот обертання нстру мента, на вдмну вд сплаву 5000.
Формування металу шва в значнй мр визначаться формою н струмента. Для покращення перемшування металу в кореневй частин з зворотного боку листв роблять невеликий скс кромок (рис.2.40,а) або установлюють пдкладки з канавкою (рис.2.40,б), в яку витсняться метал, формуючи невеликий валик. Вн псля зварювання видаляться механчною обробкою, забезпечуючи високу яксть коренево частини з'днань. Як видно з рис.2.27,в, пд нструментом товщина металу дещо зменшуться. Це зменшення товщин склада 0,1Е0,2 мм, але, якщо це важливо, то рекомендують створювати в зон стику потовщення металу (рис.2.40,в) шириною, близькою до даметра заплечика. Потовщення ма важливе значення також при наявност в стику зазору, який може складати до 1,25 мм при товщин листа 12 мм.
Рис.2.39. Спввдношен ня швидкост зварюван ня частоти обертання нструмента, яке дозво ля отримати яксн з'д нання алюмнвих спла вв 5000 6000 товщи ною 5 мм Рис.2.40. Пдготовка зварюваних кро мок з скосом у кореневй частин (а), пдкладка з канавкою (б) та потов щення кромок (в) Дослдження термчних циклв зварювання показали, що ЗТП харак теризуться досить високими граднтами температур. Максимальна тем пература (близько 500 С) сну дуже короткий час. При температурах 200Е300 С також метал перебува не бльше 2Е3 с. Термчний цикл при ЗТП сплаву АА6063 товщиною 4 мм з швидкстю 0,5 м/хв показано на рис.2.41. Аналогчний характер розподлу температури виявлено при зварюванн сплавв 7075 Т651 6N01 системи AlЦSiЦMg [132].
У мкроструктурнй будов зварного з'днання видляють деклька зон. Першою з боку основного металу зона, в якй метал залишаться недеформованим, змнюючи свою структуру лише пд дю темпера тури. п називають зоною термчного впливу (ЗТВ). Дал, ближче до центру знаходиться зона, в якй вдбуваються значн пластичн дефор мац нагрвання. п називають зоною термомеханчного впливу (ЗТМВ). За цю зоною розташовано ядро з'днання.
Рис.2.41. Термчний цикл при ЗТП алюмн вого сплаву АА при рзних вдстанях вд центру шва У ЗТВ твердсть металу знижуться внаслдок перестарння та зменшення щльност дислокацй. У ЗТМВ проходить вигин витягну тих зерен основного металу, часткова рекристалзаця, старння вд пал, що призводить до мнмально твердост металу. Пд впливом ви соких температур можливе розчинення змцнюючих фаз. Мкрострук тура ядра складаться з рвноосних зерен, розмр яких не перевищу 10 мкм. Твердсть металу ядра вища, нж ЗТМВ, але нижча, нж основ ного металу в термчно змцненому стан. Твердсть сплаву 5083 у вдпаленому стан дещо нижча твердост ядра. Твердсть металу з'д нань рзних сплавв товщиною 6,4 мм показано на рис.2.42.
Рис.2.42. Розподл твердост металу пе рпендикулярно ос шва псля ЗТП сплавв:
1 - 5083-0;
2 - 2014А Т6;
3 - 7075 Т Механчн властивост з'днань псля ЗТП дещо нижч вд показ никв основного металу, але перевищують аналогчн характеристики з'днань, отриманих ншими способами. Наприклад, мцнсть з'днань сплаву АА7108 товщиною 2Е7 мм псля ЗТП та псля старння скла да вдповдно 86 та 94 % мцност основного металу. Результати ви пробувань зварних з'днань псля ЗТП на втому також кращ, нж при зварюванн плавленням плавким або неплавким електродом. Знемц нення основного металу в ЗТВ менше, нж при зварюванн плавлен ням. При цьому рвень дефектност швв при ЗТП майже на порядок менший, нж при зварюванн плавленням.
2.3.3. Зварювальне устаткування. Машини для зварювання тер тям мають досить висок осьов зусилля швидксть обертання та по винн забезпечувати швидкий запуск миттву зупинку руху деталей вдносно одна одно. Основними вузлами машин : досить потужна станина, привд обертання, механзми гальмування й осьового стиску вання, затискн механзми для установки деталей, апаратура керування процесом. Перша в свт машина для зварювання тертям МСТ-1 побу дована в 1957 р. Пзнше на основ ц машини була розроблена серя машин МСТ (МСТ-23, МСТ-35, МСТ-41 тощо) рзно потужност.
Машина МСТ-35 дозволя зварювати детал даметром до 36 мм, МСТ-51 - до 70 мм. Створено автомати МСТА-31, МСТА-32 для зва рювання тертям. Як виняток, зварювання тертям можна виконувати на переобладнаних токарних або свердлильних верстатах, але вони не розрахован на велик осьов навантаження.
Схеми обладнання для зварювання тертям показано на рис.2.43.
Рис.2.43. Схеми машин для зварювання тертям за тради цйною схемою (а) та нер цйного зварювання з викори станням повно накопичено енерг (б) та частини (в):
1 - електродвигун;
2 - упорний пдшипник;
3 - радальний пд шипник;
4 - клин;
5 - гдроци ндр;
6 - спрямовуючий при стрй;
7 - затискний пристрй, який не обертаться;
8 - затиск ний пристрй, який обертаться;
9 - муфта гальмування шпнде ля;
10 - муфта зчеплення;
11 - маховик;
12 - шпндель Технчн характеристики деяких машин наведено в табл.2.9. Весь цикл зварювання виконуться автоматично. Вручну лише закладають детал (псля чого вони автоматично затискуються) та знмають.
Таблиця 2.9. Технчн характеристики деяких машин МСТ для зварювання тертям Показники МСТ-23 МСТ-35 МСТ-41 МСТ- Потужнсть, кВт 10 22 40 Частота обертання, об/хв 1500 1000 750 Осьове зусилля, МН 5 10 20 Даметр стержневих заготовок, мм: 50 100 200 мнмальний 10 16 20 максимальний 25 36 50 Машини для зварювання, як правило, одношвидксн. Швидксть вибираться такою, щоб в нтервал певного дапазону даметрв дета лей можна було забезпечити яксне з'днання, змнюючи нш парамет ри. Для гальмування вдносного руху заготовок використовують дв схеми: зупинка всх рухомих частин за допомогою фрикцйного галь ма або реверсом електродвигуна подачею протиструму;
вд'днання шпнделя вд електродвигуна за допомогою муфти та застосування фрикцйного гальма (для потужних машин).
Зусилля стиснення заготовок забезпечують пневматичн (до 50 МН), пневмогдравлчн (50Е100 МН) або гдравлчн (бльше 100 МН) приводи. Для затиснення заготовок звичайно використову ють самоцентрувальн пристро з примусовим затисненням пд дю аксального зусилля.
Залежно вд потужност приводу обертання, машини длять за ти порозмрами: до 3 кВт - нульовий (даметр заготовок до 10 мм);
до 10 кВт - перший (8Е25 мм);
до 20 кВт - другий (20Е40 мм);
до 60 кВт - третй (35Е60 мм) машини спецального призначення.
У деяких машинах передбачаться автоматизаця загрузки ви грузки заготовок, видалення грату псля зварювання тощо.
Устаткування для ЗТП ма спецальне призначення. Воно створю ться для конструкцй певних розмрв форм. Одну з таких установок для зварювання паливного бака ракети "Delta" показано на рис.2.44 [132].
Рис.2.44. Установка для ЗТП секця паливного бака ракети "Delta" з по довжнм швом Устаткування для ЗТП складаться з приводв обертання верти кального перемщування зварювального нструмента, приводу пере мщування в напрям зварювання, потужно станини пристров для закрплення зварюваних деталей у складеному стан.
Важливою деталлю установок для ЗТП зварювальний нстру мент, вд якого залежить формування шва. Штир нструмента може мати рзн форми. Деяк варанти виготовлення нструмента показано на рис.2.45.
Рис.2.45. Варанти конструктивного виконання зварювального нструмента для ЗТП Штир можуть мати рзьбову поверхню, поверхню з деклькома виступами, поперечними та подовжнми надрзами. к робочий нстру мент, який за формою подбний до довго кончно морсько раковини.
Створено нструмент, який дозволя регулювати в процес зварювання довжину штиря даметр заплечика (рис.2.46,а,б). Програмування процесу зварювання з змною довжини штиря вд нуля до товщини зварюваних заготовок дозволя поступово виходити на повне прова рювання металу, а потм на завершення процесу без утворення отвору.
Для надйного притискування заплечика до поверхн металу викорис товують пружинн пристро. Для запобгання налипання металу на н струмент останнй охолоджуться повтрям або водою (рис.2.46,в).
а б в Рис.2.46. Схеми зварювального нструмента з регулюванням довжини штиря мнмальним (а) або максимальним (б) даметрами заплечика та з водяним охолодженням (в) Основним розробником виробником промислового устаткування для ЗТП шведська фрма "ESAB". Перша установка була виготовле на для Норвег (фрма "Marine Aluminium"). Установка дозволя зва рювати листи товщиною вд 1,6 до 15 мм при максимальних розмрах 166 м. До квтня 2000 р. було виконано близько 200 км швв без де фектв. Установки ц фрми використовуються на фрм "Boeing" для зварювання подовжнх кльцевих швв паливних бакв ракети "Дель та" при товщин заготовок 22,22 мм. Деяк установки мають облад нання для ультразвукового контролю якост з'днання в процес зва рювання. Британським нститутом зварювання розроблено установки сер FW. Наприклад, установка FW-20 призначена для зварювання товщин 1,2Е12,0 мм при щвидкост до 2,6 м/хв та максимальнй час тот обертання нструмента 15000 об/хв. Установка FW-14 потужнстю 22 кВт призначена для зварювання товщин 5Е50 мм (100 мм при зва рюванн з двох бокв) при швидкост до 1,0 м/хв.
Устаткування для зварювання тертям порвняно складне дорого кошту, але висока продуктивнсть процесу забезпечу йому високу економчну ефективнсть.
2.3.4. Особливост та сфери застосування зварювання тертям.
Цей спосб зварювання успшно застосовуться для з'днання деталей, що мають форму тл обертання або хоча б одна з них тако форми. На приклад, спосб широко застосовують при виготовленн кнцевого н струмента (свердел, рзьбових калбрв), клапанв двигунв, багатьох круглих деталей ступнчастого по довжин профлю або однакового даметра, але з рзних матералв.
На рис.2.47 показано випускний клапан двигуна внутршнього згорання, який за старою технологю випускався суцльноштампова ним з високолеговано хромонкелево стал. Головка клапана працю в умовах високих температур корозйно д продуктв згорання па лива, а шток клапана - в умовах тертя та нтенсивного зносу. Тому для старо технолог характерн значн витрати високолеговано стал та неможливсть забезпечення одню маркою стал оптимальних екс плуатацйних властивостей в рзних умовах.
а б Рис.2.47. Випускний клапан двигуна, що виготовлявся за старою технологю (а) та з використанням зварювання тертям (б):
1 - високолегована хромонкелева сталь;
2 - заготовка;
3 - шток з низьколеговано гар товано стал Обидв задач виршуються використанням двох марок сталей, як розглядалися в п.2.3.2, з застосуванням зварювання тертям. На рис.2.34 показано переваги зварювання тертям перед контактним зва рюванням за якостями зварного з'днання. Слд мати на уваз також значно менш витрати електроенерг при зварюванн тертям. Причому ц переваги зварювання тертям рзко зростають при збльшенн дамет ра заготовок (рис.2.48).
Рис.2.48. Залежнсть потужност, що витрачаться на зварювання, вд даметра заготовок:
1 - контактне стикове зварювання;
2 - зварювання тертям Перевагами зварювання тертям перед ншими способами зварю вання : висок продуктивнсть та енергетичн показники процесу, яксть стабльнсть властивостей зварних з'днань, простота меха нзац й автоматизац, вдсутнсть шкдливих газових видлень, свт лового ультрафолетового випромнювання, розбризкування гарячого металу, незалежнсть якост зварних з'днань вд чистоти поверхн.
До поверхонь не пред'являються висок вимоги щодо забруднення й чистоти обробки. Пдготовка зварюваних поверхонь може бути викона на будь-яким механчним способом, наприклад, на токарному, фрезер ному, шлфувальному обладнанн. Зварювання тертям дозволя одер жувати мцн надйн з'днання рзнойменних металв сплавв.
Перевагами ЗТП додатково : низьк рвн зварювальних деформа цй дефектност з'днань, можливсть отримання безпористих швв на будь-якому алюмнвому сплав, зварювання в будь-якому просто ровому положенн, з'днання алюмнвих сплавв з високою схильн стю до утворення гарячих трщин при зварюванн плавленням, досяг нення високо мцност з'днань термчно змцнених сплавв, збере ження властивостей метастабльних композитних сплавв, зварю вання крупногабаритних конструкцй.
До недолкв зварювання тертям варто вднести деяку громзд ксть устаткування, обмеження його застосування формою розмра ми деталей, тобто це не унверсальний спосб зварювання. Зварювати тертям детал суцльного перетину даметром менше 6 мм недоцльно.
Викривлення в зон стику волокон металу, отриманого прокатуванням, може знижувати працездатнсть в умовах динамчних навантажень.
До недолкв ЗТП можна вднести: необхднсть потужних пд кладок та надйного закрплення на них зварюваних заготовок, вузьку спецалзацю устаткування, обмеження в застосуванн способу зва рювання в портативному варант.
Зварювання тертям використовуться на пдпримствах машино будування, верстатобудування, електротехнчно промисловост, на тракторних та автомобльних заводах, заводах сльськогосподарських машин, нструментальних, трубних та нших виробництвах.
Основними галузями застосування ЗТП суднобудування (палуб н надбудови, перебрки, секц корпусу), авабудування та аерокосм чна промисловсть (елементи фюзеляжу, крила, паливн та крогенн баки, корпуси ракет), залзничний транспорт метро (вагони), автомо бльна промисловсть (рами, диски), будвельна ндустря (трубопро води, мости) тощо.
2.4. Високочастотне зварювання 2.4.1. Суть способу. Високочастотне зварювання або зварювання струмами високо частоти (hochfrequenzschweissen;
high-frequency welding або high-frequency resistance (pressure) welding;
высокочасто тная сварка) - це зварювання тиском, при якому поверхн, що пдля гають з'днанню, нагрваються до зварювальних температур за допо могою струмв високо частоти.
Для високочастотного нагрвання характерн два основн ефекти:
поверхневий та ефект близькост.
При протканн постйного струму через плоску металеву шину прямокутного перерзу розподл струму по перерзу буде рвномрним.
r Щльнсть струму j буде однаковою в будь-якому елемент шини дорвнюватиме добутку питомо електропровдност матералу шини r r r на напруженсть електричного поля E : j = E, - а теплова енергя, що видляться в шин за законом Ленца-Джоуля, буде рвномрно розподлена в об'м шини. Якщо через шину пропустити змнний струм з частотою f, то, крм електрорушйно сили (е.р.с.) джерела живлення, у шин будуть наводитися зустрчн е.р.с. самондукц, як будуть найбльш сильними всередин шини. У результат взамод електрорушйних сил електричне поле у внутршнх частинах шини буде послаблено струм по перерзу буде розподлений нервномрно.
Бльша частина струму буде проткати через приповерхнев шари, що й обумовлю поверхневий ефект.
Поверхневий ефект поляга в тому, що щльнсть струму високо частоти максимальна на поверхн тла мнмальна в центр тла.
Струм протка немовби по тонкому приповерхневому шару. Глибину, на якй густина струму знижуться в 2,718 рази у порвнянн з зна ченням на поверхн, називають глибиною проникнення струму. Збль шення густини струму вд центру до поверхн провдника вдбуваться за експоненцальним законом. Чим вищ частота струму, електропро вднсть магнтна проникнсть, тим меншою буде глибина проник нення струму:
= = = k, (2.9) f f f де - питомий електричний опр;
- вдносна магнтна проникнсть;
f - частота струму;
k - коефцнт пропорцональност;
- питома еле ктропровднсть.
Вплив частоти на глибину проникнення струмв для рзних мета в показано на рис.2.49.
Рис.2.49. Вплив частоти на глибину проникнення стру мв для рзних металв:
1 - сталь, 20 С, = 40;
2 - мдь, 15 С;
3 - сталь, 20 С, = 16;
4 - сталь, 840 С;
5 - алюмнй, 20 С;
6 - мдь, 400 С Приблизно глибину проникнення струму при нагрвання можна обчислювати за рвняннями:
для мд мм;
(2.10) f для магнтно стал при температур вище точки магнтних пере творень мм;
(2.11) f нижче точки магнтних перетворень 32, мм. (2.11,а) f Поверхневий ефект забезпечу високу густину струму в поверх невих шарах, концентрацю в них видлення енерг швидке нагр вання металу.
Магнтна проникнсть парамагнтних дамагнтних матералв вд напруженост магнтного поля не залежить. Магнтна проникнсть фе ромагнтних матералв залежить вд х температури та напруженост магнтного поля. Вдносна магнтна проникнсть феромагнтних мате ралв з ростом обох параметрв зменшуться при переход через точ ку Кюр дорвню одиниц. Тому щльнсть струму щльнсть тепло во потужност змнються при нагрванн. Вище точки Кюр глибина проникнення струму збльшуться приблизно в 15 разв. При збль шенн частоти глибина проникнення струму зменшуться. Тому при нагрванн масивних деталей до високо температури по всьому пере рзу вибирають менш частоти, а при необхдност нагрвання лише тонкого поверхневого шару - висок. При досить високих частотах (440Е500 кГц) можна вважати, що теплота видляться в надзвичайно тонкому шар, тобто вдбуваться чисто поверхневе нагрвання. Завдя ки високй концентрац енерг час нагрвання поверхн до високих температур, у тому числ до температури плавлення, дуже малий може складати дол секунди, чому сприя також ефект близькост.
Ефект близькост проявляться при протканн змнного струму в систем провдникв. Розглянемо дв паралельн струмопровдн шини.
Припустимо, що струми в шинах у будь-який момент часу спрямован протилежно один одному (рис.2.50,а). У цьому випадку магнтн пото ки вд обох струмв мж шинами мають один напрямок складаються, а на зовншнх боках провдникв спрямован зустрчно послабляють ся. Таким чином, напруженсть магнтного поля мж провдниками збльшуться, а зовн провдникв - зменшуться. ндуктован струми, як взамно наводять провдники, на внутршнх сторонах пдсилюють струм вд джерела. На длянках з найбльшою напруженстю магнт ного поля (магнтний потк проходить не тльки по повтрю, але й по тлу шин) сну найбльша густина струму. Тому густина струму на внутршнх, звернених одна до одно поверхнях, бльша, нж на зовнш нх. При яскраво вираженому поверхневому ефект струм проходить по внутршнх сторонах шин. Аналогчний розподл струмв у шинах сну, якщо по однй шин протка струм вд джерела електроенерг, а по ншй - ндуктований струм.
У випадку однакового напрямку струмв у шинах (рис.2.50,б) на пруженсть магнтного поля мж шинами зменшуться, а поза шинами збльшуться. Густина струму на внутршнй сторон шини буде мен шою, нж на зовншнй. При яскраво вираженому поверхневому ефект в цьому випадку струм практично буде проходити по тонкому шару з зовншньо сторони кожно шини.
а б в г Рис.2.50. Ефект близькост в паралельних провдниках вплив магнтопрово ду на розподл струму в провднику:
а - протилежно спрямован струми в плоских шинах;
б - однаково спрямован струми в плоских шинах;
в - протилежно спрямован струми в коаксальних провдниках;
г - провдник з магнтопроводом Описане явище нервномрного розподлу струму по периметру перерзу провдникв називають ефектом близькост. Ефект близько ст сприя ще бльшй концентрац енерг в поверхневих шарах мета лу, який нагрваться. Вн проявляться тим сильнше, чим меншою вдстань мж провдниками вищою частота струму.
На рис.2.50,в показано випадок проткання струмв зустрчного на прямку по коаксально розташованим цилндру труб. У цьому випад ку струм проходить по зовншнй поверхн цилндра внутршнй пове рхн труби. Ефект близькост не змню активного опору провдникв.
На розподл струму в провднику сильно вплива наявнсть магн топроводу. Помстимо мдний провдник прямокутного перерзу з змнним струмом у паз магнтопроводу з пластин залза або фериту. У цьому випадку провдник з трьох сторн оточений феромагнтним ма тералом з великим питомим електричним опором (рис.2.50,г). Магнт на проникнсть залза набагато вища, нж мд або повтря. Тому нижче дна паза весь магнтний потк буде проходити в залз. При такому розподл магнтного потоку в нижнй частин провдника, яка лежить на дн паза, буде наводитися бльша електрорушйна сила (ЕРС) само ндукц, нж у верхнй, де напруженсть магнтного поля менша. У результат сумарна густина струму у верхнй частин провдника буде бльшою, нж у нижнй. Ця нервномрнсть зроста з збльшенням глибини паза частоти струму, який проходить по провднику. З до статньою для практики точнстю можна вважати, що майже весь струм буде стягнутий до вдкрито поверхн провдника. Цим прийо мом користуються для концентрац теплоти в потрбних мсцях пд вищення ефективност нагрвального пристрою.
Таким чином, при високочастотному нагрванн теплова енергя видляться безпосередньо в мас металу, а наявнсть поверхневого ефекту та ефекту близькост, застосування магнтопроводу забез печують концентрацю енерг в потрбних мсцях виробу, його швид ке нагрвання в зон зварювання високу ефективнсть методу нагр вання. Нагрвання протка однаково як на повтр, так у вакуум. То му воно широко застосовуться у вакуумних технологях.
Для зварювання струмами високо частоти (с.в.ч.) застосовують два способи передач енерг: контактний (кондуктивний) та ндукцйний.
При контактному способ на вдстан 30Е200 мм вд мсця зва рювання поверхонь на них накладають контакти, до яких вд високо частотного генератора пдводиться струм високо частоти, звичайно радочастоти (бльше 60 кГц). Схему радочастотного зварювання труб показано на рис.2.51.
Рис.2.51. Схема радочастотного зва рювання труб з контактним пдведен ням автоконцентрацю струму в точц сходження кромок:
1 - струмопровд;
2 - механзм стискування Внаслдок поверхневого ефекту та ефекту близькост найбльша частина струму тече вздовж поверхонь замикаться в мсц х схо дження. Частина струму замикаться по периметру всередин труби.
Цей струм можна зменшити, розташувавши всередин трубно заготов ки магнтопровд. Для пдведення струму розроблено спецальн зварю вальн пристро, в яких використовують ковзн контакти або контактн ролики. В обох випадках контактн елементи працюють у важких умо вах. Тому х виготовляють з бронзи, вольфраму або молбдену.
ндукцйне нагрвання здйснюють за допомогою спецального пристрою - ндуктора. Найпростшим ндуктором виток або котушка з деклькох виткв, згнутих з мдно шини або трубки (рис.2.52). Обо в'язковим нтенсивне охолодження ндуктора водою.
При протканн змнного струму через ндуктор навколо нього виника магнтне поле. Усередин кльця напруженсть магнтного по ля збльшуться, струм концентруться на внутршнй поверхн про вдника. Проявляться так званий кльцевий або котушковий ефект.
Якщо помстити всередин ндуктора металеву деталь, то перемнний магнтний потк ндуктора викличе в нй ндуктований струм. Внасл док поверхневого ефекту та ефекту близькост цей струм буде сконцент рований бля зовншньо поверхн детал забезпечить нагрвання. За допомогою ндуктора нагрвання проводиться в заданй област. Чим меншим повтряний зазор мж ндуктором деталлю, тим бльший коефцнт корисно д (к.к.д.) ндуктора.
Рис.2.52. Кльцевий або котушковий ефект:
1 - деталь;
2 - ндуктор Пдвищенню к.к.д. ндуктора сприя наявнсть магнтопроводу 4, показаного на рис.2.53,в. У конструкцях ндукторв на середнй час тот нод використовують мдн екрани. Мдь належить до дамагнт них матералв, вдносна магнтна проникнсть яких трохи менше оди ниц. Пд дю магнтного поля в екран наводиться струм, фаза якого вдрзняться вд первинного струму на 180. Тому пд екраном елект ричне поле та нагрвання значно послаблюються.
Схему високочастотного зварювання труб з ндукцйним нагр ванням показано на рис.2.53. Застосування нагрвання з автоконцент рацю струму (рис.2.53,в) дозволя одержати бльш високу концент рацю енерг, нж при контактному дуговому зварюванн. Ширина зони термчного впливу склада 0,1Е0,15 мм.
а б Рис.2.53. Схема високочастотного зварювання труб з ндукцйним нагрванням:
а - поперечне стикове зварювання;
б - подовжн стикове зварювання;
в - подовжн стикове зварю вання з автоконцентрацю струму: 1 - труба, що зварються;
2 - ндуктор;
3 - пристрй для стиснен- в ня кромок;
4 - магнтопровд 2.4.2. Технологя зварювання. Процеси високочастотного зва рювання можна роздлити на три групи [20,144]: 1) зварювання плав ленням (без тиску);
2) зварювання тиском з оплавленням;
3) зварю вання тиском без оплавлення. Зварювання плавленням застосовуться для торцевих з'днань або з'днань з вдбортовкою при товщинах 0,3Е1,5 мм. Торцев або вдбортован кромки розплавляються за до помогою ндуктора. Швидксть нагрвання 250Е8000 С/с. Обов'язко вим застосування захисного середовища.
Зварювання тиском без оплавлення звичайно також виконуться з застосуванням захисту металу. Швидксть нагрвання при цьому способ не перевищу 400 С/с, осадка склада 2,5Е6,0 мм, швидксть осадки - 20 мм/с.
Найбльш широко застосовуться зварювання тиском з оплавлен ням. Розплавлений метал видаляться з зони з'днання при осадц.
Зварне з'днання утворються мж поверхнями, як знаходяться у твердому стан. Швидксть нагрвання досяга 150103 С/с, осадка склада 0,15Е1,5 мм, швидксть осадки - 2000 мм/с.
Зварювання с.в.ч. широко застосовують при виробництв труб, для чого створено спецальн стани з рзними схемами нагрвання (див. рис.2.51 та 2.53). Зварюють прямошовн труби малого (10Е219 мм), середнього (220Е530 мм) та великого (бльше 530 мм) даметрв.
Основними параметрами режиму зварювання тиском с.в.ч. :
температура, тиск, величина осадки, швидксть зварювання (руху заготовки). Використовуються генератори частотою 2,5Е500 кГц.
Частота струму узгоджуться з товщиною металу. Швидксть руху трубно заготовки узгоджуться з потужнстю зварювального при строю. Для зменшення потужност зварювального пристрою при ндук цйному нагрванн необхдно прагнути, щоб зазор мж трубною заго товкою та ндуктором, був якомога меншим (1,5Е2,0 мм). Це пдви щу коефцнт корисно д ндуктора.
Радочастотне зварювання (див. рис.2.51, частота 60Е500 кГц) може виконуватися в трьох режимах [20,144].
1. При пдход до стискуючих валкв кромки нагрваються до тем ператури 1300Е1400 С. У точц сходження кромки нагрваються до датково, але не розплавляються. Зварювання виконуться в пластич ному стан при тисков 50 МПа.
2. При пдход до стискуючих валкв кромки нагрваються до тем ператури, близько до температури плавлення, а в точц сходження оплавляються. При тисков 20Е30 МПа рдкий метал разом з утворе ними оксидами легко видаляться з стику.
3. При пдход до точки сходження кромки розплавляються, а в точц сходження метал перегрваться. При тисков 20 МПа оксиди видаляються разом з рдким металом.
При зварюванн труб з низьковуглецевих сталей можна викори стовувати будь-який режим, але переважа другий. При зварюванн труб з нержавючих сталей та алюмнвих сплавв, що утворюють тугоплавк оксиди, застосовують третй режим.
Радочастотне зварювання виконують з використанням контакт ного (кондуктивного) та ндуктивного способв передач енерг. Кон тактний пдвд струму звичайно застосовують при частотах радода пазону (бльше 60 кГц). Подовжн зварювання труб великих даметрв виконують тльки при кондуктивному способ нагрвання, при якому витрати енерг в 2Е3 рази менш, нж при ндукцйному. При зварю ванн труб великих даметрв товщин необхдне нагрвання дуже тонкого шару, тому використовують струми частотою 440 кГц. Для труб малих даметрв рекомендуться ндукцйне нагрвання охоплю ючим ндуктором. Найменш витрати енерг при такому способ на грвання спостергаються при даметрах 35Е45 мм. При даметрах труб 220Е530 мм використовують ндукцйний спосб нагрвання охоплюючим ндуктором на частот 440 кГц та внутршнм ндуктором на частотах 8Е10 кГц. Виходячи з продуктивност процесу, частоти 8Е10 кГц рекомендуються при товщинах бльше 8 мм.
При кондуктивному способ нагрвання труб частота струму 440 кГц забезпечу проникнення магнтного поля на глибину 0,05Е0,07 мм у сталь 0,1 мм у мдь, а також вдповдно високу кон центрацю енерг та швидксть зварювання 20Е100 м/хв залежно вд товщини (рис.2.54,а). Для порвняння на рис.2.54,б наведено товщини, потужност швидкост зварювання при ндукцйному нагрванн.
Радочастотне зварювання з ковзними контактами використову ють також для виготовлення спральних труб великих даметрв, труб з спральним ребром, труб з подовжнми ребрами тощо. Схему зва рювання спральних труб показано на рис.2.55.
Спральн труби формують системою валкв, що обертаються.
Полоса розмотуться з рулону, кромки обробляють механчним р занням, створюючи скоси, як показано на рис.2.55. За допомогою вал кв 2 кромки труби полоси стискуються в мсц сходження пд неве ликим кутом. Внаслдок пластично деформац товщина металу в зон зварювання дорвню товщин полоси.
Принципову схему зварювання котельних труб з спральним реб ром для колектора суднового котла показано на рис.2.56.
Рис.2.54. Взамо зв'язок товщини металу h швидко ст радочастотного зварювання v вуг лецево стал при а рзних потужностях зварювального пристрою контактному струмопд вод (а) та нержавючо аустентно стал (1) вуглецево стал (2) при ндукцйному струмопд- вод (б) б При зварюванн труб надаться поступальний рух уздовж обер тальний навколо вс труби. Пд кутом до утворюючо труби податься стрчка 2, яка роликом 4 притискаться до труби.
Для зварювання використовуться струм частотою 440 кГц. Роз гртий у мсц сходження метал труби стрчки при стисненн зварю ться. Струм пдводиться за допомогою ковзних контактв, розташо ваних на вдстан 40Е50 мм вд точки сходження ребра труби.
Для стикового зварювання котельних труб застосовують машини типу МВЧТ-02, як встановлюються в н виробництва змйовикв забезпечують високий рвень механзац та автоматизац всх пдго товчих зварювальних операцй. Зварювання виконуться в захисному газовому середовищ [121].
Рис.2.55. Схема радочастотного зварювання спральних труб:
1 - труба;
2 - стискуюч валки;
3 - нагрвальний контур з ковзним токопдводом;
4 - металева полоса Рис.2.56. Схема радочастотного зварювання котельних труб з спральним ребром:
1 - труба;
2 - стрчка ребра;
3 - ковзний струмопдвд;
4 - притискний ролик Перспективним у суднобудуванн високочастотне зварювання таврових двотаврових балок. Установка для зварювання двотаврових балок висотою вд 152 до 400 мм може забезпечити швидксть зварю вання 2700Е3000 м/год [61,63].
ндукцйне стискове зварювання труб виконуться за схемою, по казаною на рис.2.53,а, а безперервне подовжн зварювання труб - за схемою, показаною на рис.2.53,в. Як вдзначалося в роздл 1, зварю вання тиском у пластичному стан може виконуватися в широкому температурному нтервал, однак необхдно враховувати середовище зварювання. Дослди показали, що зварювання низьковуглецевих ста лей з ндукцйним нагрванням без використання флюсв або захисних газових середовищ можливе лише при температурах 1380Е1400 С.
При температурах 1370 С нижче в зварних з'днаннях з'являються включення оксидно плвки, що явля собою в'юстит, тобто закис зал за FeO. Температура плавлення FeO залежить вд вмсту в ньому кис ню, що знаходиться в межах 23,16Е25,6 % та змнються вд 1371 до 1424 С [20]. В'юстит у зварних з'днаннях мстить 23,3 % кисню ма температуру плавлення 1371Е1375 С. Тому стабльну яксть зварних з'днань забезпечують температури вище 1380 С, якщо не застосову ться захисне середовище.
Використання захисного середовища дозволя знизити темпера туру зварювання до 1200 С при тисков 40Е50 МПа. Застосовують для захисту природний газ або рдкий флюс у вигляд 10 % розчину нтроклтчатки в метиловому спирт. Сметаноподбний розчин нано сять на внутршню поверхню труби кльцем шириною 10Е15 мм. На торцев поверхн флюс не наносять. При нагрванн флюсу утворють ся газова фаза, яка мстить окис вуглецю, вуглеводн значну кльксть молекулярного водню та ма вдновлювальний характер. Позитивна дя флюсу збергаться весь перод зварювання, оскльки процес зва рювання короткочасний (2Е8 с).
Частота струму для ндукцйного нагрвання вибираться з розра хунку забезпечення глибини проникнення наведеного струму, що в 2Е3 рази бльше товщини стнки. Це дозволя нагрти метал до тем ператури зварювання за деклька секунд навть часток секунди.
Величина осадки при зварюванн склада 0,5Е1,0 товщини стнки труби. При нагрванн до 1200Е1250 С внутршнй грат не утворю ться, а зовншн збльшення даметра труби ма плавну форму висо ту 0,5Е0,7 товщини стнки труби. Це пояснються тим, що при нагр ванн вузького кльця на кнц труби внаслдок теплового розширення утворються невеликий раструб, що визнача напрям руху металу при деформац та виключа втрату стйкост труби. Кращ результати да схема деформац, при якй тиск осадки створються до початку нагр вання збергаться постйним до кнця зварювання. Це перешкоджа проникненню повтря в стик.
2.4.3. Зварювальне устаткування. Установки для високочастотно го зварювання складаються з високочастотного генератора, нагрваль ного пристрою, пристрою для створення тиску (при зварюванн тис ком) технологчного оснащення. Застосовуються високочастотн лампов генератори та тиристорн машинн перетворювач. Лампов генератори мають робочу частоту бльше 50 кГц, машинн генератори - до 1Е10 кГц, тиристорн генератори - 0,5Е8,0 кГц.
Найбльш поширен лампов генератори з робочою частотою 60Е74 кГц (ЛПЗ-37, ЛПЗ-2-67, ЛЗ-107, ВЧИ-63/0,66, ВЧИ3-100/0,066, ВЧИ3-160/0,066 тощо). У зв'язку з впровадженням високочастотного зварювання при виробництв труб, особливе значення мають лампов генератори з частотою струму 440 кГц потужнстю вд 160 до 600 кВт (ВЧС 2 160/0,44;
ВЧС 1 250/0,44;
ВЧС 1 600/0,44 тощо).
Електричну схему високочастотно установки ЛПЗ 2-67 показано на рис.2.57.
Первинна обмотка трансформатора Tp1 живиться змнним стру мом стандартно частоти 50 Гц, напругою 380 В. У вториннй обмотц трансформатора напруга пдвищуться до 8Е10 кВ. Псля цього змн ний струм проходить через тиратронний анодний випрямляч, збраний за трифазною мстковою схемою з нульовим вентилем. Схема випрям ляча Л1ЦЛ7 забезпечу регулювання анодно напруги в межах вд 50 % до номнального значення. Накалювання генераторно лампи Л вдбуваться через ферорезонансний стаблзатор Тр2, попередн включення якого на холодний катод здйснються через пусковий дросель Др, щоб уникнути великого стрибка струму. Установки типв Л3-67, Л3-107, Л3-207 (потужнстю вдповдно 60, 100, 200 кВт) ма ють генераторн лампи типу ГУ-23А з частотою 74 кГц.
Рис.2.57. Схема високочастотно установки ЛПЗ 2- Нагрвальний контур, утворений трансформатором L6, L7 або плавильною пччю L5 з конденсатором С2, через первинну обмотку трансформатора зворотного зв'язку кондуктивно пдключаться до ндуктивност анодного контуру L2. В анодному контур, утвореному ндуктивнстю L2 конденсатором С1, за рахунок перемщення корот козамкнуто ндуктивност L1 всередин ндуктивност L2 можна пла вно регулювати напругу, яка податься на контур навантаження, та узгоджувати параметри навантаження з параметрами генераторно лампи Л8. Це забезпечу високий к.к.д. генератора (не менше 72 %).
Напруга зворотного зв'язку для генераторно лампи Л8 знматься з вторинно обмотки L4 трансформатора зворотного зв'язку плавно регулються перемщенням обмотки L4 усередин обмотки L3. Напру гу в анодному контур вимрюють кловольтметром KV магнтоелект рично системи, включеним через пентотронний випрямляч Л9 мн сний дльник напруги СЗЦС4.
На рис.2.57 наведено схему високочастотно установки з тират ронним анодним випрямлячем, оскльки так установки ще успшно експлуатуються в промисловост. Однак сьогодн випускаються висо кочастотн установки з тиристорними випрямлячами або з напвпровд никовими випрямлячами на додах з тиристорним регулюванням з низького боку анодного трансформатора. Схему останнього показано на рис.2.58 [144]. Номнальне значення випрямленого струму: сила струму 24 А;
напруга 11 кВ.
Рис.2.58. Схема випря мляча з тиристорним регулятором на низь кому боц анодного трансформатора:
V1ЦV6 - тиристори;
V7ЦV12 - доди;
АТ - анодний трансформатор Схему тиристорного випрямляча з живленням вд високовольтно го анодного трансформатора показано на рис.2.59. Силовий блок ви прямляча збрано за трифазною мстковою схемою з шстьма плечима V1ЦV6. Вс плеч випрямляча збран за однаковою схемою мають по 32 тиристори. Оскльки використовуються тиристори при напруз до 2 кВ, кожне плече випрямляча збрано за послдовною схемою вклю чення тиристорв з вдповдною схемою управлння. Послдовно з кожним плечем включено дросел насичення 2 для зниження швидко ст наростання струму через тиристори при х включенн. Номнальн значення випрямленого струму: сила струму 250 А, напруга 12 кВ.
Рис.2.59. Схема тиристорного випрямляча з живленням вд високовольтного анодного трансформатора:
1 - трансформатор струму;
V1ЦV6 - шсть плечей силового блоку випрямляча;
2 - дросель насичення;
3 - пд'днання до системи сигналзац та захисту;
4 - пдключен- ня амперметра струму навантаження Випрямляч, крм силового блоку, ма системи управлння, сигна зац та захисту.
Головним джерелом струму середньо частоти машинн пере творювач. Схему перетворення струму машинним генератором пока зано на рис.2.60.
Перетворювач частоти складаться з генератора 2 трифазного при вдного двигуна 1, що живиться вд мереж 50 Гц. Генератор належить до типу ндукторних машин, котр, як синхронн, збуджуються постйним струмом. Однак якщо в синхронних машинах обмотки збудження робо ч обмотки змнного струму перемщаються одна вдносно ншо при обер танн ротора, то в ндукторних машинах змна взамозв'язку мж обмот ками вдбуваться за рахунок обертання феромагнтно маси ротора. То му ротор у цих машинах обмоток не ма. У термчних установках засто совують рзнойменн полюсн (гетерополюсн) генератори в однофазному виконанн. При перемщенн ротора на один полюсний крок у провднику кожного полюса статорно обмотки вдбуваться повний цикл змни на пруги. Число полюсних крокв дорвню числу зубцв ротора, а частота одержувано напруги f = zn/60, де z - число зубцв ротора;
n - частота обертання ротора за хвилину. Напруга машинних генераторв регулють ся реостатом 5 шляхом змни струму в обмотц збудження.
Рис.2.60. Схема перетворення струму машинним генератором:
1, 3 - електродвигуни;
2 - генератор;
4 - генератор постйного струму;
5 - реостат;
6 - конденсаторна батарея;
7 - первинна обмотка трансформатора;
8 - вторинна обмотка трансформатора;
9 - ндуктор;
10 - деталь, що нагрваться В установках для високочастотного зварювання застосовують машинн перетворювач типу ОПЧ-250-10 потужнстю 250 кВт з робо чою частотою 10 кГц. Установка може мати клька перетворювачв, включених у паралельну роботу на загальну шину розподльного при строю. Такими установками ИС 1-1000/10, ИС 1-2000/10, ИС 1-3000/10 (1000, 2000, 3000 кВт;
10 кГц).
Важливою частиною високочастотного зварювального устатку вання нагрвальний пристрй. Сьогодн використовують контактний струмопдвд з ковзними контактами або роликами та ндукцйний струмопдвд з охоплюючим або внутршнм ндуктором. Конструкц контактних токопдводв передбачають установку змнних ковзних контактв. У конструкцях з роликами використовують пристрй з вторинною трансформаторною обмоткою, що обертаться, до яко приднують контактн ролики. - конструкц описано в робот [144].
При частотах струму до 8Е10 кГц використовують ндукцйний пдвд струму. ндуктори, що встановлюються з зовншнього боку труби, показано на рис.2.53. Збльшення даметра труб призводить до того, що охоплююч ндуктори втрачають свою ефективнсть через рзке збльшення втрат енерг в тл заготовки. Тому при даметрах труб бльше 200 мм використовують внутршн ндуктори (рис.2.61,а).
Так ндуктори застосовують також у тих випадках, коли встановити ндуктори з зовншнього боку детал неможливо. Деяк форми внут ршнх ндукторв показано на рис.2.61.
Як видно з рис.2.61,бЦг, ндуктор з'днуться з генератором жорст кими шинами, як охолоджуються водою. У ряд випадкв габарити конс трукцй не дозволяють наблизити такий ндуктор до хнх деталей або вузлв, що пдлягають нагрванню. Для розширення технологчних мож ливостей нагрвання с.в.ч. розроблено спецальн гнучк кабел довжиною 10Е12 м, що з'днують ндуктор з генератором [126]. Використання ко аксальних кабелв, як набираються з зольованих провдникв даметром 0,2Е0,3 мм, дозволя забезпечувати гнучкий зв'язок мж генератором та ндуктором на значних вдстанях при мнмальних витратах енерг.
а б Рис.2.61. Подовжн зварювання труб внутршнм ндуктором (а), ндуктором з магнтопроводом (б) та ндуктором без магнтопроводу (в,г):
1 - ндуктор;
2 - магнтопровд;
3 - труба;
4 - притискн ролики в 2.4.4. Особливост та сфери застосування високочастотного зварювання. Високочастотне нагрвання широко застосовуться в промисловост для зварювання, паяння, термчно обробки. Можливо ст високо концентрац енерг та регулювання в широкому дапазон параметрв режиму зони видлення теплоти безпосередньо в метал дають переваги цьому способу нагрвання перед ншими. Енергом нсть процесу високочастотного зварювання значно нижча, нж при контактному та електродуговому зварюванн. Високочастотне зва рювання не ма принципальних обмежень у швидкост зварювання.
Ця його особливсть реалзуться при промисловому виробництв звар них труб рзних даметрв з стал та кольорових металв з прямими та спральними швами. Наприклад, трубозварювальний агрегат 20- потужнстю 400 кВт з частотою струму 440 кГц при ндукцйному нагрванн охоплюючим ндуктором дозволя зварювати труби дамет ром до 76 мм та забезпечу швидксть зварювання до 120 м/хв. Агрегат 102-220 з ндукцйним нагрванням аналогчним ндуктором при частот струму 440 кГц дозволя зварювати прямошовн труби даметром до 220 мм при швидкост до 50 м/хв. Стан 159-529 забезпечу швидксть зварювання труб даметром 210Е426 мм до 60 м/хв, що в багато разв бльше швидкост електродугового зварювання. У ньому застосовують струм середньо частоти (8Е10 кГц), що пдвищу рвномрнсть розпо длу енерг по товщин кромок, але виключа контактний пдвд струму в зв'язку з збльшенням сили струму при зменшенн частоти.
Для зварювання прямошовних труб великого даметра з товщи ною стнки 8Е10 мм призначено стан 530-820, що забезпечу швид ксть зварювання 17Е18 м/хв. Використовуться струм частотою 440 кГц та контактний роликовий струмопдвд.
Трубозварювальний агрегат 1220-1620 призначено для зварюван ня труб з двох напвцилндрв даметром до 1620 мм товщиною стн ки 8Е20 мм. Обидва шва зварюються одночасно за допомогою двох внутршнх ндукторв з магнтопроводами при частот струму 10 кГц.
Загальна потужнсть агрегату 4000 кВт забезпечуться 16-ма машин ними генераторами ОПЧ-250-10. При зварюванн кромки зводяться пд кутом 3Е5, швидксть зварювання досяга 16Е18 м/хв.
Десятки рзних агрегатв працюють на трубопрокатних заводах.
Вони знаходяться в нях, що передбачають пдготовч операц, фор мування труб, х зварювання, видалення грату, охолодження, кнцеве калбрування, виправлення подовжньо кривизни та рзання труб пев но довжини, оскльки процес безперервний. Якщо необхдна локальна нормалзаця шва, то ндукцйний нагрвач установлються безпосеред ньо псля гратознмного пристрою.
Створено спецальн агрегати для зварювання труб з подовжнми або спральними ребрами, для виготовлення кабелю в зварнй алюм нвй оболонц, бметалчного дроту або смуг тощо [144].
Використання високочастотного зварювання найбльш ефективне при безперервних процесах масового виготовлення виробв досить про сто конфгурац. Асортимент виробв складно конфгурац обмежу ться особливостями систем струмопдводу та механзмв стиснення.
До недолкв високочастотного зварювання слд вднести труднощ при зварюванн виробв, наприклад, труб кнцево довжини, оскльки неможливо уникнути непроварв на початку та в кнц зварного шва.
Безперечною перевагою високочастотного способу нагрвання перед електродуговим можливсть безконтактного нагрвання та нагрвання у вакуум.
Слд вдзначити також застосування в промисловост для нагр вання масивних деталей при зварюванн, наплавленн термчнй об робц струму частотою 50 Гц [142]. Враховуючи вплив частоти на глибину проникнення струму в деталь, такий струм доцльно викорис товувати для глибинного нагрвання. Установки проектуються зви чайно на стандартну напругу (127, 220, 380 В) пдключаються безпо середньо до промислово електрично мереж. Потужнсть при нагр ванн струмами промислово частоти регулються за допомогою тири сторних перетворювачв або змною спввдношення мност конден саторв, що вмикаються послдовно паралельно ндуктору [130].
2.5. Зварювання вибухом 2.5.1. Суть способу. Зварювання вибухом (sprengschweissen або explosionschweissen;
explosive welding або explosion welding;
сварка взрывом) - це зварювання тиском, при якому з'днання поверхонь за готовок утворюються внаслдок х високошвидксного зткнення, здй снюваного за допомогою енерг вибухових речовин або нших джерел енерг з великою питомою потужнстю. Принципову схему з'днання металв вибухом показано на рис.2.62.
Зварюван пластини звичайно виставляються пд деяким кутом од на до одно, на верхню пластину 4, яка пд дю вибуху рухаться до нижньо, нерухомо, укладають рвномрним шаром вибухову речовину (ВР). Псля нцювання заряду вибухово речовини детонатором 2 уз довж верхньо пластини поширються детонацйна хвиля. Пд дю продуктв вибуху верхня пластина здобува швидксть v0 вд деклькох сотень до деклькох тисяч метрв на секунду. При цьому контакт пла стин розвиваться вздовж поверхн нерухомо пластини з деякою швидкстю vк. Верхня пластина двч перегинаться, тому що похила длянка рухаться за фронтом детонацйно хвил, а длянка з непроде тонованим зарядом по нерц залишаться в початковому стан. Пд дю вибуху в зон контакту пластин розвиваються висок тиски швидкост деформац, нтенсивне локальне нагрвання, у результат чого виникають мжатомн зв'язки. Залежно вд параметрв процесу, метал у зон з'днання в момент зварювання може знаходитися в твер дому стан, з частковим розплавленням у вихрових зонах або у вигляд безперервного шару розплаву. Установлено, що найбльш висок ме ханчн властивост з'днань досягаються на режимах, при яких вдсут н розплавлення металу.
Рис.2.62. Схема зварювання металв ви бухом:
1 - фундаментна плита;
2 - детонатор;
3 - вибухова речовина;
4 - верхня рухома пла- стина;
5 Цнижня нерухома пластина Специфчний характер розташування з'днуваних матералв, не можливсть одержання стикових з'днань деяк нш особливост процесу обмежували його технологчн можливост застосування.
Розробка паралельно схеми зварювання, засновано на використанн вибухових речовин з дозвуковою щодо з'днуваних металв швидк стю детонац, зробила цей процес дуже перспективним для одержан ня багатошарових матералв, плакування великогабаритних виробв тощо. Наприклад, у суднобудуванн широко застосовують бметалчн промжн перехдники алюмнй + сталь для зварювання плавленням сталевого корпусу судна з алюмнвими палубними надбудовами. Тов щина сталево частини склада 20Е40 мм, алюмнво - 12Е15 мм.
Зварювання вибухом вдбуваться протягом мкросекунд, що запоб га утворенню крихких нтерметалдних прошаркв при зварюванн рзнордних матералв. Схему зткнення пластин при х паралельному розташуванн показано на рис.2.63.
Рис.2.63. Схема усталеного процесу зтк нення зварюваних пластин при х парале льному розташуванн:
1 - фронт детонацйно хвил;
2 - фронт розл тання продуктв вибуху;
3 - фронт зони розр дження;
D - швидксть детонац ВР;
v - швид ксть зткнення пластин;
vк - швидксть руху точки зткнення пластин;
в - товщина верх ньо рухомо пластини;
н - товщина нижньо нерухомо пластини;
Н - товщина шару ВР Пластини виставляються паралельно одна однй на певнй вдста н h. На всю поверхню верхньо пластини укладаться заряд ВР шаром однаково товщини Н.
В якост ВР використовують гранульован сумш на основ тро тилу марки ТНТ, амачно селтри NH4NO3. Швидксть детонац регу лються домшками сол NaCl. Залежнсть швидкост детонац ВР вд висоти Н марки ВР показано на рис.2.64 [77].
При необхдност бльш високих швидкостей детонац викорис товують заряд з гексогену (D = 6,2 км/с).
Швидксть детонац ВР залежить також вд грануляц компонен тв. з зменшенням грануляц щльнсть заряду збльшуться вд 0,6 до 1,2 г/см3. При цьому збльшуться також швидксть детонац (вд 2,9 км/с при щльност 0,6 г/см3 до 3,7 км/с при щльност 1,0 г/см3 для амонту №6ЖВ).
Рис.2.64. Залежнсть швидкост детонац D вибухово речовини вд висоти Н складу:
1 - амонт №6ЖВ (ТНТ+NH4NO3);
2 - амонт А20 (ТНТ + NH4NO3 + 20 % NaCl);
3 - амонт А40 (ТНТ + NH4NO3 + 40 % NaCl);
4 - амонт А50 (ТНТ + NH4NO3 + 50 % NaCl) При паралельному розташуванн пластин, як при похилому (див.
рис.2.62), верхня пластина двч перегинаться. Похила длянка плас тини з швидкстю vк, рвною D, рухаться за фронтом детонацйно хвил. Зткнення зварюваних пластин вдбуваться пд деяким кутом та спричиня тиск у десятки тисяч атмосфер. У мсц зткнення пла стин з'являться тангенцальна складова швидкост зткнення в напрям ку руху фронту детонацйно хвил, що виклика сумсну деформацю поверхневих шарв з'днуваних пластин.
Профль деформовано зони в утвореному з'днанн подбний до хвил. Оксидн плвки та нш поверхнев забруднення руйнуються при деформац металу та частково виносяться кумулятивним струменем повтря. Активаця поверхн проходить пд дю нтенсивно пластич но деформац.
Характер вибуху ма також електричний розряд у вод, що одер жав назву електрогдравлчного ефекту. Суть електрогдравлчного ефекту поляга в тому, що при високовольтному мпульсному елект ричному розряд в рдин навколо струмопровдного каналу розряду виникають мпульсн надвисок тиски у вигляд ударно хвил, енергя яко використовуться для технологчних операцй.
В електрогдравлчних установках високовольтний трансформа тор через випрямляч забезпечу зарядку батаре конденсаторв. Нако пичена енергя потм видляться в робочому скровому промжку.
Розряд проводять у вибуховй камер, заповненй водою. Залежно вд потужност трансформатора, час зарядки конденсаторв склада вд десятих часток секунди до десяткв секунд, а час снування розряду - клька десяткв мкросекунд. Тому розряд ма велику потужнсть процес здобува характер вибуху. У рдин при електричному пробо утворються канал розряду, в якому вдбуваться дисоцаця молекул та онзаця парогазово сумш, тобто утворення плазми. Швидкий розгрв плазми розрядним струмом виклика рзке пдвищення тиску в канал його розширення з швидкстю близько 104 м/с. У рдин ви ника ударна хвиля. Розширення парогазового об'му призводить до падння тиску в канал нижче тиску в навколишнй рдин до стиску каналу. Розширення стиск парогазового каналу багаторазово чергу ються мають характер згасаючих коливань. При порвняно невеликй потужност електрогдравлчно установки в канал розряду виникають висок температури (104Е3104 С) гдравлчн тиски до деклькох тисяч МПа. Процес швидкоплинним, тому робоча рдина тла по близу розряду залишаються холодними.
Електрогдравлчний ефект застосовують у промисловост для найрзномантнших технологчних операцй, наприклад, штампуван ня, очистки деталей, зняття зварювальних напружень тощо. Можливе використання електрогдравлчного ефекту також для зварювання.
Недолком розглянуто схеми використання електрогдравлчного ефекту досить значний час формування каналу розряду (десятки мк росекунд), що призводить до значних витрат накопичено енерг.
Другим недолком обмеженсть максимально довжини каналу роз ряду, оскльки вона повинна бути меншою, нж вдстань вд розрядни кв оброблювано заготовки, тому неможливо наблизити зону розря ду до поверхн заготовки тим самим збльшити тиск обробки детал.
Перелчен недолки вдсутн, якщо мжелектродний промжок у рдин замкнути провдником. Застосування нцюючого дротика за безпечу стабльнсть електричних розрядв високий к.к.д. Пропус кання через тонкий дротик мпульсного розрядного струму виклика явище, яке називають електричним вибухом провдника [44]. При цьо му каналу розряду можна надати будь-яко форми, наблизити його до поверхн детал, забезпечити рвномрний тиск на внутршнй зовн шнй цилндричних поверхнях, процес здйснються при порвняно низьких (близько 4Е5 кВ) напругах. Матерал розмри провдника впливають на величину енерг, що видлиться в рдин.
За механзмом утворення з'днань зварювання електричним вибу хом провдника близьке до зварювання вибухом [44,77]. Його викори стовують для з'днання труб з трубними дошками в теплообмнниках.
Схему зварювання показано на рис.2.65.
Рис.2.65. Схема зварювання електрич ним вибухом провдника:
1 - труба;
2 - трубн грати;
3 - провдник;
4 - заповнююча речовина;
5 - батарея кон денсаторв;
6 - комутуючий пристрй;
7 - електровибуховий патрон На провдник 3 електровибухового патрона 7 податься мпульс електрично енерг вд батаре конденсаторв. Ударн хвил, як утво рюються при вибуху провдника, поширюються через заповнювальне середовище 4 до стнки труби 1 надають й велико швидкост руху в напрямку поверхн отвору в трубних ратах 2. При високошвидксному зткненн поверхонь деталей 1 2 вдбуваться х зварювання. Перед зварюванням одна з поверхонь, як з'днуються, обробляться на конус, що забезпечу послдовне перемщення фронту контакту. Оболонки патрона виготовляють з легкоруйнвного матералу (звичайно полети лену), що дозволя ефективно передавати тиск ударно хвил на стнки труби. В якост наповнюючо речовини патрона можна використати па рафн, церезин та нш воскоподбн делектрики. Таким способом мож на з'днувати сталь, мдь, алюмнй, а також отримувати рзнордн спо лучення мд з сталлю, алюмню з сталлю, мд з алюмнм. Мцнсть з'днань склада 50Е80 % мцност основного металу.
2.5.2. Технологя зварювання. Основн параметри високошвид ксного зткнення при зварюванн вибухом пдроздляють на кнема тичн (швидксть рухомо пластини v0, кут зткнення, швидксть руху точки контакту vк) фзичн (тиск, температура, тривалсть зткнення). - параметри залежать вд початкових параметрв проце су. До початкових параметрв належать параметри вибухово речовини (гранична швидксть детонац D, початкова щльнсть, величина заряду, його довжина), властивост зварювальних матералв (стис кувансть, щльнсть тощо) параметри взамного розташування пластин (мнмальна початкова вдстань мж пластинами h0, почат ковий кут мж пластинами ). При вдомих початкових параметрах можна розрахувати швидксть рухомо пластини та тиск.
При зварюванн вибухом розрзняють три типи з'днань. Перший тип характеризуться прямою або синусодальною границею роздлу з'днаних у твердому стан матералв, другий - хвилеподбною грани цею наявнстю вихрових зон, третй - безперервним шаром розплав леного металу. Перший тип спостергаться при не досить нтенсив них швидкостях зткнення та нагаду з'днання при холодному зварю ванн. Третй тип характерний для високих значень швидкостей руху точки зткнення vк кутв зткнення. З'днання другого типу утворю ються при промжних параметрах режиму найбльш поширен при зварюванн вибухом. Мкроструктуру з'днання другого типу показано на рис.2.66,а та б [17]. На першому з них нема жодних прошаркв у зон з'днання, на другому спостергаться утворення ново фази на вершинах та пдошвах хвиль. На рис.2.66,в показано третй тип з'д нання з оплавленим металом [120].
а б Рис.2.66. Мкроструктура хвилеподб них з'днань стал Х18Н9Т низьковуг лецево стал (а), стал 0Х13 низькову глецево стал (б) та сталей Х25Т 10Г2СД з оплавленням металу (в):
а, б - 70;
в - 300 (зменшено при друку ванн в 2 рази) в Хвилеутворення пояснються поперемнним випинанням з'дну ваних поверхонь перед ню контакту ма гдродинамчну природу.
Так з'днання характеризуються високою мцнстю стабльнстю властивостей. Тому найменша швидксть детонац D вибухово речо вини обмежуться початком хвилеутворення в граничнй зон з'днан ня. Вплив швидкост детонац вибухово речовини на мцнсть з'д нань при паралельнй схем зварювання показано на рис.2.67 [77].
Рис.2.67. Вплив швидкост детонац вибухово речовини на мцнсть з'днань при вдрив:
1 - сталь + сталь;
2 - титан + титан;
3 - титан + сталь;
4 Цалюмнй + сталь Важливим технологчним параметром вдношення r маси вибу хово речовини до маси рухомо пластини. Вплив величини r при оп тимальнй швидкост детонац на мцнсть бметалчних з'днань по казано на рис.2.68 [77].
Рис.2.68. Залежнсть мцност з'д нань при вдрив вд коефцнта r (вдношення маси вибухово речо вини до маси рухомо пластини):
1 - 2Х18Н10Т + низьколегована сталь;
2 - ВТ1-0 + ОТ4;
3 - ВТ1-0 + сталь;
4 - алюмнй + сталь З збльшенням величини r у зон зварювання ростуть розмри д лянок, як розплавляються. При зварюванн деяких металв, напри клад, алюмнвих титанових сплавв, це може призвести до появи дрбних трщин.
Початкова вдстань мж пластинами при паралельнй схем зва рювання визначаться, в основному, товщиною рухомо пластини. Оп тимальна величина початково вдстан приблизно дорвню товщин ц пластини. З збльшенням початково вдстан в зон з'днання з'являються розплавлен длянки металу. Якщо рухома пластина роз ташовуться пд кутом до нерухомо, то для бльшост металв цей кут склада до 7.
При деяких параметрах зварювання вибухом з'днання не утворю ться, незважаючи на наявнсть слдв схоплювання хвилеподбну де формацю контактних поверхонь [77]. Це пояснються тим, що в проце с зткнення поверхонь виникають розтягуюч напруження, здатн зруй нувати ще не повнстю сформоване з'днання. Руйнуюч напруження пов'язують з хвилями розвантаження, що виникають при вдбитт удар них хвиль вд вльних поверхонь пластин. - напруження можуть бути значними при vк > c0. Швидксть руху точки контакту vк дорвню швидкост детонац D. Тому швидксть детонац D не повинна пере вищувати швидкост звуку с0 у металах, що з'днуються (D < с0). Опти мальн швидкост детонац знаходяться в межах 2,0Е3,5 км/с.
снують деклька умов хвилеутворення в зварному з'днанн. Пер шим критерм тиск р, що розвиваться при вибуху залежить вд швидкост детонац D, щльност ВР 0 та продуктв його детонац ( 1,30) [17]:
p = D20( - 0)/ ат, де D - у м/с;
, 0 - г/см3.
Умовою хвилеутворення щодо тиску [26] p p G / 2 10HV, де G - модуль зсуву;
HV - твердсть за Вккерсом;
р' - критичний тиск, при якому зварюваний метал переходить з пружного в пластич ний стан. сну також мнмальне значення швидкост рухомо пласти ни v0, нижче якого зткнення пружним. Тому швидксть пластини v ма бути бльшою v0 : v0 > v0.
Для кожного фксованого значення початкового кута критич не значення швидкост рухомо пластини, нижче якого хвилеутворен ня не сну. Незалежно вд початкового кута, для кожно комбнац металв сну критичне значення швидкост руху точки контакту vк, нижче якого хвил не утворюються. Тому швидксть руху точки зтк нення повинна бути бльше критично: vк > vк, але оскльки vк = D, а D < с0, то швидксть руху точки зткнення повинна бути меншою швидкост звуку в зварюваних металах: vк < с0.
Для зварювання вибухом переважно застосовують режими, коли p > p, vк > vк, v0 > v0, vк < c0.
Розмри хвиль х форма залежать вд початкового кута мж пласти нами, вдстан мж ними h0 та спввдношення r маси ВР пластини [77].
При високошвидксному зткненн пластин можлив рзн форми плину металу, але утворення з'днань можливе лише при деяких з них. Граничн умови утворення з'днань можна визначити за дагра мою, показаною на рис.2.69 [77]. Виходячи з гдродинамчно модел зткнення пластин, основними параметрами вибрано кут зткнення та швидксть руху точки контакту vк.
Рис.2.69. Граничн умови утво рення з'днання при зварюванн металв вибухом Нижче криво НГ параметри процесу так, що основна маса плас тин знаходиться в пружному стан;
вище криво ВГ вдбуваться роз плавлення металу та руйнування з'днань. Таким чином, НГ ВГ - нижня та верхня границ зварювання. Крива пряма обмежують область снування режимв кумуляц, а прям обмежують об ласть зсувних деформацй з прямою границею з'днання металв.
Заштрихована область на рис.2.69 обмежу область параметрв у координатах - vк, при яких можливе зварювання вибухом. Вдповдн режими характеризуються розвитком значно пластично деформац металу в зон з'днання наявнстю кумулятивного струменя попереду точки зткнення.
Зварювання може виконуватися при паралельному розташуванн пластин або пд кутом. Перед зварюванням з'днуван поверхн зачи щають знежирюють, при зварюванн титану, аустентних сталей до пускаться травлення поверхонь.
Для вибору оптимальних режимв зварювання розроблено наступ н практичн рекомендац [77]:
1. Необхдно забезпечити умови хвилеутворення в зон з'днання.
2. Необхдно виключити можливсть утворення локальних для нок розплавленого металу.
3. Величина заряду ВР та початкова вдстань мж пластинами по винн бути такими, щоб залишковий тиск продуктв вибуху був спв розмрним з динамчною границею плинност зварюваних металв.
Металографчн дослдження зварних з'днань показують вдсут нсть у з'днанн оксидних плвок та нших неметалчних включень, що обумовлено х вднесенням з поверхонь пластин кумулятивним стру менем. Поблизу границ з'днання вдбуваться помтне змцнення мета лу пдвищення твердост, що викликано значними пластичними дефор мацями в зон хвилеутворення. Розподл мкротвердост металу зварних з'днань стал Х17 титанового сплаву ВТ6 показано на рис.2.70.
Рис.2.70. Розподл твердост в по перечному перерз зварних з'д нань титанового сплаву ВТ6 стал Х17:
v0 = 2000 м/с;
1 - W = 32106 ерг/см2;
2 - 16108 ерг/см Зварн з'днання мають досить висок механчн властивост. При випробуваннях руйнування звичайно проходить по бльш слабкому ме талу на деякй вдстан вд стику. Вимрами мкротвердост встановлено змцнення металу в зон з'днання шириною 10Е100 мкм. Вдпуск при температурах 300Е400 С зменшу твердсть металу в зон змцнення.
Короткочаснсть процесу зварювання, яка склада мкросекунди, недостатня для розвитку дифузйних процесв, запобга утворенню крихких фаз мж рзнордними металами.
2.5.3. Устаткування, особливост та сфери застосування зва рювання вибухом. Зварювання вибухом проводять на вдкритих по гонах, якщо маса заряду склада десятки бльше клограмв, або в спецальних виробничих примщеннях, коли маса заряду порвняно мала. Для зварювання вибухом розроблено та створено спецальн ви бухов камери. Для зварювання бметалчних труб та нших деталей застосовують спецальне оснащення.
Найбльш часто застосовують насипн ВР, оскльки вони дозво ляють створювати заряди необхдних форм розмрв. Поряд з ранше названими амонтами гексогеном застосовують гранулотол, гранулт та зерногранулт, амонал, кожен з яких ма свй критичний даметр - розмр, менше якого детонаця повнстю затуха. Для чистих ВР кри тичн даметри мал (0,5Е3,0 мм), а в сумшах можуть значно збль шуватися (до 100Е150 мм).
Особливстю зварювання вибухом високошвидксне зткнення поверхонь при високонтенсивнй силовй д та утворення з'днань протягом мкросекунд. За цей час вдбуваться утворення фзичного контакту й активаця поверхонь, а процеси об'мно взамод розви нутися не можуть навть при високих температурах.
Для зварювання вибухом, як для нших способв зварювання ти ском, пластична деформаця обов'язковою умовою з'днання. Голов ною вдмнною особливстю деформац при зварюванн вибухом утворення попереду точки зткнення потоку маси (струменя або час ток), який забезпечу самоочищення зварюваних поверхонь. Цей ефект чтко виявляться при режимах кумуляц. При хвилеутворенн поверхнев плвки руйнуються видаляються у вигляд окремих ча сток, як заповнюють простр перед точкою контакту. Вони можуть частково залишатися у вихрових зонах (зони нтенсивного перемшу вання), що вимага попереднього механчного зачищення поверхонь, як зварюються.
Пластична деформаця при зварюванн вибухом характеризуться високими нтенсивнстю, локалзацю та короткочаснстю, як супро воджуються значним пдвищенням температури. Це може призвести до рекристалзац, локального оплавлення, дифуз й утворення хмч но та фзично мкронеоднордност, крихких фаз, порожнин, трщин тощо. Тому пластична деформаця, з одного боку, повинна бути до статньою для самоочищення схоплювання контактних поверхонь, а з другого - не дуже високою, щоб виключити можливсть утворення дефектв у зон з'днання.
При зварюванн вибухом необхдно враховувати можливсть утворення кнцевого непровару внаслдок того, що в кнц пластин у результат вдбиття ударно хвил вд торцевих поверхонь утворюють ся розтягувальн напруження, як руйнують з'днання. пх необхдно компенсувати зовншнм тиском продуктв вибуху, що досягаться збльшенням вдношення r маси вибухово речовини до маси рухомо пластини та зменшенням вдстан h0 мж пластинами.
Основною перевагою зварювання вибухом можливсть отри мання з'днань з рзнордних металв. Цей спосб широко застосову ють для отримання великогабаритних листв стал, плакованих мддю, алюмнм, латунню, вуглецево стал нержавючою сталлю тощо. Пс ля з'днання вибухом стал з плакуючим металом проводиться обробка бметалу (виправлення, термчна обробка, обрзування тощо). Най бльш жорстк вимоги до параметрв режиму ставляться при зварю ванн стал з титаном, оскльки наявнсть розплавленого металу рзко зменшу мцнсть з'днань. Тому необхдне застосування малих заря дв ВР з низькою швидкстю детонац (2,0Е2,5 км/с), що дозволя отримати яксн бметалчн листи довжиною до 1 м. При збльшенн довжини листв на вдстан бльше 2 м вд точки нцювання ВР спо стергаться поступове зменшення мцност бметалчного металу, ха отично розташован дефекти та поява суцльних розшарувань. Це явище пояснються нестабльнстю параметрв режиму, зокрема, збльшенням початкового зазору h0 пд впливом руху повтря в зазор попереду фронту детонац ВР, локально змни щльност та висоти ВР, дефор мац плакуючого листа тощо. Для отримання яксного великогабарит ного бметалу необхдно забезпечувати рвномрний початковий зазор та його збереження в процес зварювання за допомогою спецальних прокладок, подл заряду ВР на комрки кубчно форми, нцювання заряду вздовж довго сторони. При виготовленн бметалв яксть з'д нання залежить також вд спввдношення мас нерухомо та рухомо пластин, матералу основи, на якй розмщують нерухому деталь.
Бльш простим у технологчному вдношенн основа з пску, ущль неного вибухом.
Для зняття залишкових напружень проводять термчну обробку бметалу при температурах, як не викликають негативних змн у зон з'днання. Наприклад, температура нагрвання бметалу сталь + титан не повинна перевищувати 550 С.
Зварювання вибухом широко застосовують для виготовлення тов столистових заготовок, як пдлягають прокатуванню для отримання великогабаритних бметалчних листв необхдно товщини. Напри клад, заготовка стал товщиною 200Е300 мм зварються з плакуючим металом товщиною 10Е25 мм. При товщинах плакуючого металу бль ше 10 мм по периметру бметалчно заготовки утворюються непрова ри. При наступному прокатуванн бметалчних заготовок у мсцях непроварв може виникнути вдшарування плакуючого металу. Для запобгання утворенню непроварв використовують низку заходв.
При товщинах плакуючого шару бльше 16 мм необхдно завжди пра гнути до зменшення швидкост детонац ВР. з метою зменшення на пружень при плакуванн металами велико товщини рекомендуються мнмальн значення величини r. Наприклад, якщо при товщин 2,5 мм плакуючого листа нержавючо стал r = 1,2, то при товщин 10 мм r = 0,8, а при товщин 30 мм r = 0,6 [77].
Поряд з схемами зварювання листового металу сну схема зва рювання бметалчних труб. При внутршньому плакуванн зовншню трубу розмщують у масивному цилндричному контейнер для запо бгання значно пластично деформац труби. ВР розмщують на по верхн внутршньо труби, при зовншньому плакуванн - на поверхн зовншньо труби. Розроблено комбновану схему зварювання труб з розмщенням ВР на поверхнях внутршньо зовншньо труб та з од ночасною детонацю ВР.
Режими прокатування, зокрема, температура бметалчних загото вок, визначаються природою з'днуваних матералв. Вони не повинн призводити до утворення крихких прошаркв та негативного впливу на яксть з'днання.
Зварювання вибухом застосовують для виготовлення ряду дета лей. У 1967 р. в нститут електрозварювання м. к.О. Патона розроб лено способи локального шовного зварювання еквдистантно розта шованих тонкостнних деталей, листв замкнутих оболонок за допо могою подовжених зарядв вибухово речовини з великою швидкстю детонац [121]. Застосування таких зарядв дозволя звести до мн муму крайов непровари, характерн для зварювання вибухом. На ос нов цих способв упроваджено промислову технологю зварювання вибухом алюмнвих оболонок кабелв зв'язку, сталеалюмнвих штирв тощо.
2.6. Магнтно-мпульсне зварювання 2.6.1. Суть способу технологя зварювання. Магнтно мпульсне зварювання (magnet-impuls schweissen;
magnetic-puls welding: магнитно-импульсная сварка) - це зварювання тиском, яке здйснються в результат зткнення з'днуваних поверхонь пд дю мпульсного магнтного поля ндуктора та наведеного ним у заготов ках струму. Спосб зварювання заснований на використанн сил елек тромеханчно взамод мж вихровими струмами, наведеними в дета л мпульсним магнтним полем самим магнтним потоком мпульсу.
мпульсне магнтне поле створються розрядом батаре конденсаторв на ндуктор, в якому помщають зварюван детал. Схему магнтно мпульсного зварювання показано на рис.2.71 [44].
Рис.2.71. Принципова схема магнтно-мпульсного зварю вання:
1 - зарядний пристрй;
2 - батарея конденсаторв;
3 - комутуючий пристрй;
4 - ндуктор;
5 - нерухо ма деталь;
6 - рухома деталь Установка для магнтно-мпульсного зварювання складаться з за рядного пристрою 1, до якого входять високовольтний трансформатор випрямляч, батаре конденсаторв 2, комутуючого пристрою 3 та ндук тора 4. При подач мпульсу на допомжний електрод комутуючого при строю вдбуваться розряд батаре високовольтних конденсаторв на ндуктор 4. ндуктор створю сильне магнтне поле, яке наводить ндук тований струм у детал 6. При взамод струму ндуктора з ндуктова ним струмом у детал 6 виникають сили вдштовхування мж ндукто ром деталлю. Внаслдок цього деталь на длянц пд ндуктором, отри муючи високу швидксть руху, перемщаться до нерухомо детал 5. У результат зткнення поверхонь з'являються значн пластичн деформа ц, як забезпечують утворення зварного з'днання. Швидксть зткнен ня досяга 102Е103 м/с, а тиск у зон контакту - 103Е104 МПа.
Як при зварюванн вибухом, основними кнематичними (динамч ними) параметрами при магнтно-мпульсному зварюванн швид ксть зткнення v0, швидксть розвитку контакту vк кут зткнення поверхонь. - параметри залежать вд початкових параметрв дета лей (розмри, питомий електричний опр, швидксть звуку в матерал), х взамного розташування (зазор кут мж поверхнями, як з'дну ються), енерг розряду, характеристик розрядного контуру, розташу вання виробу в ндуктор. Зазор мж зварюваними деталями необхдно мати для розгону рухомо детал. Кут мж поверхнями в бльшост ви падкв склада 3Е7. Розроблено технологю зварювання паралельних поверхонь. Залежно вд з'днуваних матералв, снують певн парамет ри v0, vк,, як забезпечують утворення зварного з'днання.
Можлив варанти магнтно-мпульсного зварювання показан на рис.2.72,аЦе [44].
Рис.2.72. Можлив схеми магнтно мпульсного зварювання:
1 - рухома деталь;
2 - нерухома деталь;
3 - ндуктор Перед зварюванням поверхн зачищають, знежирюють розмщу ють в ндуктор, як показано на рис.2.71. Для кращих умов зварювання необхдно прагнути, щоб матерал рухомо детал мав високу електро провднсть, малу щльнсть низьку границю плинност. Якщо матера ли обох деталей мають низьку електропровднсть, то для збльшення тиску мж ними встановлюють сполучне кльце з матералу з високою електропровднстю зварюють за схемами, показаними на рис.2.72,д,е.
При зварюванн рзнотовщинних труб рухомою вибирають бльш тон костнну. Для одержання найбльш широко зони зварювання необхдно застосовувати схеми, показан на рис.2.72,аЦг, з початковим кутом > 0. Схеми, показан на рис.2.72,д,е, при = 0 дають дв кльцев зони зварювання з розташованим мж ними непроваром. Зона з'днання може бути без хвиль або мати хвилеподбний характер, як при зварюванн вибухом. Зварне з'днання утворються на длянках, де швидксть зтк нення досяга мнмально необхдно величини умови для нтенсив но пластично деформац з'днуваних поверхонь.
Магнтно-мпульсне зварювання можна вести також з нагрван ням вд генератора струмв високо частоти та стисненням деталей по дачею на той же ндуктор мпульсу струму вд магнтно-мпульсно установки.
Магнтно-мпульсн установки являють собою генератори мпуль сних струмв мнсного типу з ндуктивним навантаженням. Установ ки компонуються зарядним та розрядним блоками. До зарядного бло ку входять високовольтний трансформатор масляного наповнення, випрямляч, система автоматики. До розрядного блоку входять нако пичувач енерг, комутуючий пристрй, ндуктор. У промисловост за стосовуються магнтно-мпульсн установки типу МИУ (МИУ-20 енер гомнстю 20 кДж, МИУ-50, МИУ-100).
Важливий елемент магнтно-мпульсно установки - ндуктор, що знаходиться в умовах нтенсивного механчного теплового наванта ження. ндуктори можуть бути разового та багаторазового викорис тання. Головним елементом ндуктора одно- або багатовиткова струмопровдна спраль, форма робочо поверхн яко повторю з екв дистантним промжком форму детал.
Для зменшення тиску на ндуктор розроблено схему деформац труб з використанням концентратора магнтного потоку. Застосуван ня змнних концентраторв для заготовок рзних розмрв дозволя ви користовувати один ндуктор. Можлив також нш схеми, наприклад деформаця контактним способом з пропусканням розрядного потоку через заготовку та спецальний електрод тощо [44].
2.6.2. Особливост та сфери застосування магнтно-мпульсного зварювання. Магнтно-мпульсне зварювання можна виконувати на повтр, у захисному середовищ або у вакуум. На вдмну вд нших способв деформування, при магнтно-мпульсному зварюванн дефор муюч зусилля створюються в самому метал, що виключа необхд нсть оснащення для стискування. У порвнянн з зварюванням вибу хом, процес магнтно-мпульсного зварювання легко контролються.
До недолкв магнтно-мпульсного зварювання необхдно вднес ти обмеження типв площ зварних з'днань, а також тиску на деталь, що обумовлено мцнстю довговчнстю ндуктора.
Одню з основних умов магнтно-мпульсно обробки металв х висока електропровднсть, оскльки магнтне поле ндуктора нтенси вно вплива на заготовку лише у випадку, коли поле за час розряду не встига проникнути через стнку заготовки. Матерали, що погано проводять електричний струм, обробляють, використовуючи покриття з високою електропровднстю.
Магнтно-мпульсне зварювання застосовуться для одержання з'днань унапуск рвно- рзнотовщинних труб мж собою та з ншими деталями. Магнтно-мпульсн установки можуть використовуватись також для нагрвання деталей, наприклад, при паянн. Регулюючи ве личину енерг число послдовних розрядв установки, можна змню вати температуру нагрвання деталей.
При зварюванн рзнордних матералв умови для самоочищення з'днуваних поверхонь можуть не бути оптимальними одночасно для двох металв. Тому метал з бльш стйкими оксидними плвками необ хдно перед зварюванням пддавати механчнй обробц або травленню.
При зварюванн металв з великою рзницею механчних властивостей доцльно застосовувати попереднй пдгрв бльш мцного металу.
Зварювання труб з внутршнм розмщенням ндуктора бльш сприятливе, оскльки збльшення поверхн внутршньо труби при деформац покращу умови очищення поверхн вд оксидно плвки.
Магнтно-мпульсне зварювання алюмню з алюмнм та рзно рдних металв, наприклад АД1 + М1, АД1 + Ст3, АД1 + 12Х18Н10Т, показали можливсть утворення в зон з'днання фаз з високою тверд стю, що вимага кльксно оцнки енерг, необхдно для формування зварного з'днання. Ця енергя ста найбльш важливою характеристи кою процесу. п значення залежить вд схеми процесу. Найбльш по ширеними схемами схеми магнтно-мпульсного зварювання труб мж собою та з ншими деталями. При цьому передбачаються засоби, як попереджають деформацю нерухомо детал. Визначення необхд но для зварювання за цими схемами енерг розглянуто в робот [44].
Магнтно-мпульсним зварюванням можна з'днувати практично будь-як метали за малий промжок часу (мкросекунди), протягом якого вдбуваться лише схоплювання поверхонь, а дифузйн процеси розвинутися не встигають. Тиск магнтного поля може бути сконцент рований на досить малй длянц заготовок, тому непроварв на кнце вих длянках нема.
Перспективи розвитку магнтно-мпульсного зварювання пов'яза н з можливстю створення сильних мпульсних магнтних полв при високй стйкост ндуктора, оскльки при сильних полях ндуктор н тенсивно нагрваться. Розроблено схеми охолодження ндуктора рд ким азотом, скорочення часу проткання через ндуктор розрядного струму тощо. - заходи сприяють виршенню одн з основних про блем зварювання, але ускладнюють устаткування технологю.
2.7. Дифузйне зварювання 2.7.1. Суть способу. Дифузйне зварювання (diffusionschweiseen, dif fusion welding, диффузионная сварка) - це зварювання тиском, здйсню ване за рахунок взамно дифуз атомв контактуючих деталей при д пдвищено температури незначно пластично деформац. З'днання утворються в результат спльно д температури Т тиску р протягом певного часу t. Час зварювання склада вд деклькох хвилин до десят кв хвилин. Схему дифузйного зварювання показано на рис.2.73.
Рис.2.73. Схема дифузйного зварю вання розподлу температури на грвання деталей, що з'днуються:
1, 2 - детал;
3 - нагрвач Характерна особливсть традицйного способу дифузйного зварю вання - застосування вдносно високих температур нагрвання низьких тискв, як менш границ плинност з'днуваного матералу. Зближення поверхонь на мжатомн вдстан вдбуваться за рахунок деформац повзучост. Для захисту металу можливе використання газових рдких середовищ, але, звичайно, зварювання ведуть у вакуум.
Дифузйне зварювання у вакуум (ДЗВ) розроблено в 1953 р. док тором технчних наук, професором Миколою Федотовичем Казако вим. Вн запропонував технологчну характеристику процесу, прийня ту Мжнародним нститутом зварювання. За цю характеристикою, дифузйне зварювання матералв у твердому стан - це спосб отри мання монолтного з'днання, що утворються внаслдок виникнення мжатомних зв'язкв у результат зближення контактних поверхонь за рахунок локально пластично деформац при пдвищенй темпе ратур, яка забезпечу взамну дифузю в поверхневих шарах з'днува них матералв [130].
Дифузйне зварювання застосовують для з'днання як однордних, так рзнордних матералв. Температура зварювання в бльшост ви падкв склада 0,6Е0,8 температури плавлення (за абсолютною шка лою) металу, що зварються, або бльш легкоплавкого в рзнордних сполученнях.
При з'днанн однордних матералв параметри режиму зварю вання можуть бути розрахован, виходячи з умов утворення фзичного контакту при повзучост та об'мно взамод. Тривалсть утворення фзичного контакту визначаться за рвняннями (1.27), (1.28), залежно вд тиску температури зварювання. У випадку зварювання рзнорд них матералв необхдно враховувати тривалсть процесу активац бльш твердого матералу (рвняння (1.39)), а також можливсть утво рення крихких промжних фаз, що вимага жорсткого контролю дифу зйних процесв. Дифузйну взамодю матералв, як з'днуються, можна розрахувати за рвняннями (1.47), (1.53), залежно вд схеми з'днання.
Дифузйне зварювання виконують за двома схемами: без промж них прокладок з промжними прокладками. При зварюванн рзнорд них матералв, як значно вдрзняються за своми властивостями, на приклад, коефцнтами термчного розширення, застосування висо копластичних прокладок з нкелю, мд, алюмню дозволя знизити рвень напружень у з'днанн. За допомогою промжних прокладок можна отримати зварн з'днання без утворення крихких нтерметалд них фаз мж рзнордними матералами, знизити температуру зварю вання однордних матералв тощо.
Промжний шар наноситься на поверхн шляхом електролзу, на пилюванням у вакуум, вводиться в стик у вигляд фольги або ншим способом. Хмчний склад прошарку вибирають залежно вд роду ма тералв, як зварюються, вимог до зварного з'днання. Товщина про мжного шару може бути рзною. При цьому прошарок може цлком змнювати свй склад за рахунок дифуз або збергатися в стику, що необхдно при зварюванн матералв з рзними властивостями або ме талв, що утворять крихк з'днання. Дифузйне зварювання викону ють також з застосуванням прокладок, як розплавляються, активують поверхн витсняються, а х залишки дифундують в основний метал.
Склад металу в зон зварювання за рахунок дифузйних процесв на ближаться до складу основного металу. Цей процес широко застосо вуться при з'днанн матералв, як погано зварюються плавленням призначен для роботи при високих температурах та значних наванта женнях. У ньому поднуються особливост дифузйного зварювання паяння у вакуум. Залежно вд параметрв режиму, процес може дава ти з'днання, як вдповдають з'днанням при дифузйному зварюван н, та з'днання з окремими длянками рзно довжини, характерними для паяння.
сну багато схем дифузйного зварювання, спрямованих на нтен сифкацю або чткий контроль процесв з'днання [130]. Наприклад, використовують першу стадю повзучост з мпульсним навантаженням, що прискорю процес утворення фзичного контакту з'днуваних повер хонь;
регулюють процес утворення фзичного контакту, змнюючи швид ксть перемщення деформуючого пристрою;
застосовують мпульсне стиснення поверхонь з швидкстю 1Е30 м/с, що скорочу процес утво рення зварного з'днання до 10Ц2Е10Ц3 с;
зварювання проводять при коливанн температури навколо точки структурних перетворень, що збльшу швидксть дифузйних процесв;
використовують пластично деформован прокладки або прокладки з ультрадисперсних порошкв;
зварюван детал нагрвають у розведеному стан до рзних температур;
у зон з'днання нтенсифкують деформац зсуву;
зварювання прово дять у температурному нтервал надпластичност тощо.
2.7.2. Технологя зварювання. Основними параметрами режиму дифузйного зварювання температура Т, тиск р, час зварювання t, середовище А (найчастше використовують вакуум). Для вибору па раметрв режиму велике значення ма пдготовка поверхонь, як з'д нуються [40]. Чим вищий вакуум у зварювальнй камер, тим менша взамодя металу з газами. Однак ступнь вакуумування повинен бути економчно доцльним технологчно достатнм.
Зварювання бльшост металв ведуть у вакуум порядку 10Ц2 Па, що досягаться за допомогою механчних насосв об'мно д та най бльш дешевих дифузйних паромасляних насосв. Зварювання у ваку ум ма економчн переваги перед зварюванням у середовищ нерт них газв. При цьому не слд забувати про набагато бльш досконалий захист вакууму порвняно навть з високочистими нертними газами, що визнача широке застосування вакууму при рзних способах зва рювання, паяння, напилення та нших технологчних процесах.
Пдготовка та очистка з'днуваних поверхонь при дифузйному зварюванн важливим чинником, який визнача яксть з'днань. Зви чайно поверхн зачищають механчною обробкою не грше шостого класу (Ra = 0,72Е0,38 мкм) з наступним знежиренням. Механчна об робка в порвнянн з електролтичною доцльнша, тому що внесен при механчнй обробц структурн дефекти прискорюють процес утворення монолтного з'днання.
Вибр нших параметрв режиму розглянемо, наприклад, для жа ромцних сплавв ЭИ602 (ХН75МБТЮ), ЭИ826 (ХН70ВМФТЮ), ЭП99 (ХН50ВМКТЮР) ВЖ98 (ЭИ868 або ХН60ВТ) [40]. Темпера туру зварювання жаромцних сплавв призначають, виходячи з впливу температури на х пластичнсть та нш властивост, процеси рекрис талзац, дифуз, можливу втрату мцност. На рис.2.74 показано вплив температури на пластичнсть жаромцних сплавв NiЦCrЦAlЦCo ЭИ617 (ХН70ВМТЮ), з яких видно, що при температурах вище 1200Е1250 С пластичнсть сплавв рзко пада. Критерм оцнки пластичност при стискуванн величина пластично деформац до появи трщин у метал. Оскльки наведен даграми характерними для жаромцних сплавв, то температуру х зварювання доцльно ви бирати в нтервал 1050Е1200 С.
Рис.2.74. Даграми технологчно плас тичност жаромцних нкелевих сплавв:
1 - сплав NiЦCrЦAlЦCo;
2 - сплав ЭИ Одню з основних задач, спрямованих на досягнення найкращих властивостей жаромцних сплавв, виключення можливост утворен ня х рзнозернистост. Тому в зон з'днання при вибранй температур зварювання необхдно уникати критичних деформацй, при яких вели чина зерна рзко збльшуться. Для цього можна користуватися да грамами рекристалзац сплавв.
Даграми рекристалзац сплавв можуть бути побудован щодо умов дифузйного зварювання. У цьому випадку для зручност вибору режимв зварювання замсть величини деформац вдкладають величину тиску, що д протягом певного часу зварювання. Таку даграму показано на рис.2.75,а. Розподл деформацй, що визначалися на баз 1 мм, по ос д тиску показано на рис.2.75,б. Час зварювання складав 6 хвилин.
а б Рис.2.75. Вплив тиску при температурах зварювання 1100 (1), 1175 (2) 1200 С (3) на величину зерна жаромцного сплаву ЭП99 у зон стика (а) роз подл деформацй (укорочення) по ос д тиску при Т = 1150 С, р = 40 МПа (б) У п.1.7 вдзначалося, що локальна деформаця при ДЗВ склада 40Е60 %, але зона локалзац менша, нж 30Е50 мкм. Тому для побудови даграм рекристалзац необхдно визначати величину мак родеформац на баз 1 мм.
Тиск час зварювання можуть бути розрахован за необхдною при заданй обробц поверхонь величиною пластично деформац швидкстю повзучост жаромцних сплавв вдповдно до рвняння (1.28). Для сплавв ЭИ602, ЭИ826, ЭП99 постйн повзучост вдповд но дорвнюють: В = 7,2410Ц6;
6,0510Ц6 5,4610Ц6;
т = 3,786;
3,730;
3,810;
енергя активац повзучост Нп = 345, 372 375 кДж/моль. По стйн B m для рзних сплавв змнюються мало. Енергя активац повзучост з пдвищенням жаромцност сплавв зроста. Для диспер сйно-змцнюваних сплавв ЭИ826 ЭП99 вона вища, нж для незмц нюваного ЭИ602. Використовуючи наведен дан, можна визначити час утворення фзичного контакту. При температурах 1175Е1200 С, тиску 30 МПа обробц поверхонь по 7Ц8-му класах цей час для жа ромцних сплавв склада секунди.
Вплив режимв зварювання на механчн властивост з'днань де яких жаромцних сплавв показано на рис.2.76Ц2.78. Графки рис.2. побудован для сплавв ЭП99 та ЭИ602 при час зварювання 6 хв, для сплаву ВЖ98 - 30 хв.
а б в Рис.2.76. Вплив тиску зварювання на властивост з'днань при нормальнй температур сплавв ЭП99 (а), ЭИ602 (б), ВЖ98 (в) при температурах зварювання:
1 - 1100;
2 - 1150;
3 - 1175;
4 - 1200 С У всх випадках зварювання сплавв зразки стискували за допомо гою гдропресу, але для сплаву ВЖ98 тиск пдтримували однаковим протягом всього циклу зварювання, а для сплавв ЭИ602 ЭП99 - ли ше протягом 4Е6 с при його зниженн за рахунок повзучост не вд новлювали. Цим пояснються суттва рзниця в тисках при зварюванн вказаних сплавв.
з рвнянь повзучост дифуз (роздл 1) видно, що температура, тиск час зварювання взамопов'язан. Пдвищення температури при зводить до росту швидкост повзучост, прискорення дифузйних про цесв та рекристалзац, що скорочу час, необхдний для утворення яксного зварного з'днання. Аналогчно вплива тиск. Вивчення фрак тографй (поверхн руйнування з'днань) при зварюванн сплаву ЭП показало, що при температур 1100 С тиску 10 МПа за 6 хв забезпе чуться фактичний контакт лише на 20Е30 % вс площ поверхн.
Механчн властивост таких з'днань дуже низьк. Тиск 15 МПа за безпечу фактичний контакт поверхонь на 60 % площ, при 20 МПа - 90 %, а при 25 МПа - 100 % вс площ. При тисках 25 МПа бльше, не вважаючи на 100 % забезпечення фактичного контакту, мцнсть та особливо пластичнсть з'днань низьк. Границ зерен орнтован по стику, де руйнувалися зразки.
Якщо з'днання з сплаву ЭП99 при температур зварювання 1100 С мають механчн властивост значно нижч, нж основний ме тал, то з'днання з сплаву ЭИ602 мають властивост, близьк до власти востей основного металу. Це пояснються меншою жаромцнстю спла ву ЭИ602 вдповдно вищою дифузйною рухомстю атомв сплаву. На вдмну вд сплаву ЭП99, у з'днаннях сплаву ЭИ602 зерна на окремих длянках переростають стик. Пдвищення температури зварювання до 1150Е1175 С забезпечу зростання мцност пластичност також з'д нань сплавв ЭП99 ВЖ98. У зон стика утворюються спльн зерна.
Характер впливу тиску на властивост з'днань з пдвищенням темпера тури не змнються, хоча фзичний контакт з'днаних поверхонь досяга ться при менших тисках, але при тй же величин загально пластично деформац зразкв (близько 3 % для сплавв ЭП99 ЭИ602). Для кожно температури сну певний мнмальний тиск, що забезпечу 100%-й ф зичний контакт поверхонь за даний час. Експериментальн результати добре узгоджуються з розрахунками.
Вплив температури зварювання на властивост з'днань сплавв показано на рис.2.77. Для сплаву ВЖ98 показано також величину пла стично деформац зразкв при зварюванн. Час зварювання сплавв ЭП99 та ЭИ602 складав 6 хв, сплаву ВЖ98 - 30 хв.
а б в Рис.2.77. Вплив температури на властивост з'днань при нормальнй темпе ратур сплавв ЭП99 (а), ЭИ602 (б), ВЖ98 (в) при тисках:
1 - 10;
2 - 15;
3 - 20;
4 - 25;
5 - 30;
6 - 35;
7 - 40 МПа з пдвищенням температури до 1150 С мцнсть особливо плас тичнсть з'днань зростають. У зон стика проходить рекристалзаця.
При температурах вище 1175 С для бльшост дисперсйно-змцнених сплавв у зон стика спостергаться розчинення змцнюючих фаз.
Ступнь розчинення зроста з збльшенням часу зварювання. Пдви щення температури вище 1200 С для бльшост сплавв виклика н тенсивний рст зерна. При температур 1250 С навть низьк тиски зварювання багатьох сплавв призводять до утворення трщин, що пд тверджу необхднсть врахування даграм технологчно пластичност при вибор режимв зварювання.
При дифузйному зварюванн, залежно вд параметрв режиму, спостергаться певна пластична деформаця металу деяк характерн для не явища, розглянут в роздл 1: утворення двйникових зерен, субзерен, рекристалзаця, полгонзаця, мграця границь зерен тощо.
Двйников зерна утворюються за рахунок одночасного ковзання по систем атомних площин повороту деформовано частини кристалу.
Утворення субзерен, що мають будову, близьку до досконало, рзну орнтацю, обумовлене величиною деформац температурою. Чим вища температура зварювання, тим менш деформац (тиски) призво дять до утворення субструктури. Наприклад, при зварюванн сплаву ЭП99 утворення субструктури спостергали при температур 1175 С, тиску 30 МПа час зварювання 6 хв. При температур 1200 С анало гчна структура утворювалась при тиску 20 МПа.
При зварюванн в зон тиску внаслдок деформац мкровиступв проходить подрбнення зерен, що мало помтне при збльшенн 200, але чтко виявляться при збльшенн 1000.
При дифузйному зварюванн сплавв ЭИ602 ЭП99 можливе ви явлення ефекту термомеханчно обробки. Цим можна пояснити висок механчн властивост з'днань при час зварювання до 6 с при умов забезпечення фзичного контакту поверхонь (рис.2.78).
Сплав ВЖ98 зварювали при температур 1200 С та тиску 20 МПа.
Зразки сплавв ЭП99 та ЭИ602 нагрвали до температури 1150 С протягом 3 хв, а потм стискували тиском 30 МПа сплав ЭИ602 40 МПа - сплав ЭП99. Через 6 с охолоджували зразки на повтр. При цьо му зварн з'днання мали порвняно висок механчн властивост. Збль шення часу зварювання до 1 хв знижувало механчн властивост з'д нань, що пов'язано з розвитком процесу рекристалзац зняттям ефек ту термомеханчно обробки. Подальше пдвищення механчних вла стивостей з'днань при збльшен часу зварювання до 6 хв пов'язане з розвитком процесв об'мно взамод досконалост структури мета лу. Коли псля витримки при температур зварювання 1 хв на зразках вдновлювали початковий тиск зразу охолоджували на повтр, то механчн властивост з'днань пдвищувались.
а б Рис.2.78. Вплив часу зварювання на властивост з'днань при нормальнй температур сплавв ЭП99 (1);
ЭИ602 (2) - (а) та сплаву ВЖ98 (б) У роботах М.Л. Бернштейна [8] показано, що ефект термомеханчно обробки жаромцних сплавв виявляться при пластичнй деформац 10Е50 % в област температур 1100Е1200 С з наступним швидким охолодженням як у вод, так на повтр. З рис.2.75,б видно, що деформа ця металу в зон стика може перевищувати 10 %, а дйсна деформаця мкровиступв значно вища , за даними роботи [88], досяга 40Е60 %.
Описаний характер впливу часу зварювання на властивост звар них з'днань спостергався лише при тисках, як забезпечували утво рення фзичного контакту з'днуваних поверхонь за рахунок пластич но деформац протягом деклькох секунд. Про утворення такого кон такту свдчить те, що витримка зразкв протягом 5 хв при температур зварювання без тиску, який було знято псля 10 с, забезпечила рвно цннсть з'днань основного металу за механчними властивостями.
При тиску 20 МПа його необхдно було пдтримувати протягом 3Е4 хв, щоб забезпечити фзичний контакт поверхонь за рахунок де формац повзучост при постйному тиску. Загальним критерм оцн ки впливу тиску величина пластично деформац. У бльшост випад кв рвноцннсть зварних з'днань та основного металу досягали при деформац сплавв у зон стика не менше 5 %.
Дослдження мкроструктури механчних властивостей з'днань показали, що момент утворення фзичного контакту не збгаться з моментом досягнення рвномцност з'днань та основного металу.
Досягненню рвномцност сприяють об'мн процеси дифуз рекрис талзац, як забезпечують зарощування мкродефектв, розчинення оксидних плвок, утворення спльних зерен. Мкроструктуру з'днання сплаву ЭИ602 показано на рис.2.79.
Рис.2.79. Мкроструктура з'днання сплаву ЭИ602;
200 (зменшено при друкуванн в 2 рази) В УДМТУ розроблено технологю з'днання жаромцних сплавв з застосуванням промжних прокладок [59,89]. Використання прокла док (прошаркв), як розплавляються витсняються, дозволя змен шити тиск пластичн деформац, полегшу видалення оксидних пл вок, пдвищу надйнсть з'днань. Мкроструктуру таких з'днань по казано на рис.2.80.
При використанн фольги цирконю вона розплавляться внасл док контактно-реактивно взамод з жаромцним сплавом та утво рення евтектики.
а б Рис.2.80. Мкроструктура дифузйнозварного з'днання сплаву ЭП539МЛУ (промжний прошарок - фольга цирконю, тиск - 15 МПа, температура - 1185 С) залежно вд тривалост процесу:
а - витримка - 3 хв;
300;
б - 6 хв;
200 (зменшено при друкуванн в 1,5 рази) Залежнсть товщини прошарку в стику, включаючи дифузйну зо ну, вд тиску показано на рис.2.81. Пдвищена концентраця елементв у прошарку може бути знайдена за допомогою локального рентгено спектрального мкроаналзу, а при мкроструктурному аналз звичай но не виявляться. При перерахуванн на початковий склад прошарку його товщина склада дол мкрометра.
ншим варантом використання прокладок, як не розплавляють ся, але забезпечують у контакт деформац зсуву за рахунок змни об' му при структурних перетвореннях. Напружено-деформований стан в з'днанн розглянуто в роботах [4,38]. Мкроструктуру таких з'днань показано на рис.2.82.
Дослдження показали, що при дифузйному зварюванн з про кладками, як знаходяться в рзному з основним металом структурно му стан, можна зменшити тиск зварювання в 1,5...2 рази при однако вих температурах. нтенсифкаця процесв з'днання вдбуваться за рахунок розвитку в стику деформацй зсуву, що забезпечують як утворення фзичного контакту, так активацю поверхонь.
Рис.2.81. Залежнсть товщини прошарку в стику сплавв Ni - 4B, Ni - 40Mn, Ni - 12Si, Ni - 13Zr (%, мас.) вд тиску при з'днанн сплаву ЭП Рис.2.82. Мкроструктура зварного з'днання сплаву ЭИ602 з проклад кою з сплаву ЭП99 у дисперсйно змцненому стан;
300 (зменшено при друкуванн в 2 рази) В УДМТУ дослджено також нш способи реалзац деформац зсуву в зон з'днання, наприклад, при стисненн деталей, нагртих до рзних температур, або при використанн прокладок, як нагрваються до бльш високих температур. Ефективною виявилась пдготовка з'д нуваних поверхонь у вигляд виступв впадин, що правильно чергуют ся мж собою, як показано на рис.2.83,а. Кут розкриття впадин складав 60. Цей тип з'днання забезпечу деформацю зсуву по всй поверхн, але вимага високо точност механчно обробки. Зварювання викону вали при нагрванн одн з заготовок до бльш високо температури, що забезпечувало втиснення в не клиновидних виступв бльш холод но заготовки. Мкроструктуру з'днання показано на рис.2.83,б.
Деяк циклограми процесу дифузйного зварювання жаромцних сплавв показано на рис.2.84.
а б Рис.2.83. Загальний вигляд зразка, пдготовленого до зварювання (а), та мкроструктура з'днання (б);
50 (зменшено при друкуванн в 2 рази) При зварюванн матералв з високим опором деформац викори стовують перфорован прокладки, оскльки в суцльних прокладках деформац зсуву нтенсивно розвиваються лише на периферйних д лянках. Наприклад, у роботах [39,87] так прокладки застосовували для зварювання керамки, що в 1,5...2 рази пдвищувало мцнсть з'д нань. При цьому встановлено, що на яксть з'днань суттво вплива ють ступнь швидксть деформац прокладки, як залежать вд кое фцнта перфорац.
Вплив швидкост деформац на формування з'днань детально дослджували автори робт [88,112]. Установлено, що, залежно вд швидкост пластично деформац, змнюються механзми деформац та масопереносу. Якщо при малих швидкостях (10Ц4 сЦ1) пластична де формаця контролються дислокацйним механзмом, то при великих швидкостях (104 сЦ1) вона протка за рахунок колективних форм руху дефектв кристалчно будови та поворотних механзмв (див. п.1.7).
а б в г Рис.2.84. Циклограми дифузйного зварювання у вакуум жаромцних сплавв:
а - зварювання за традицйною схемою;
б - зварювання з прокладкою, яка нагрвать ся до 1200Е1250 С;
в - зварювання з стисненням деталей при рзних температурах;
г - зварювання в рзному структурному стан В ЕЗ м. к.О. Патона розроблено спосб зварювання, який описуть ся як ударне зварювання у вакуум [49,64]. Основними технологчними параметрами ударного зварювання температура (вище 0,5Тпл) та енергя удару, що забезпечу пластичну деформацю приконтактних об'мв з'д нуваних матералв пд дю ударника, який рухаться з швидкстю 1Е30 м/с. При з'днанн рзнордних матералв, що утворюють нтерме талдн фази, цей спосб сприя диспергац та розосередженню нтерме талдних фаз у досить широкй зон зварювання, тод як при низьких швидкостях деформац формування рст щльних нтерметалдних фаз вдбуваться спрямовано компактно вздовж площини контакту зварю ваних металв, де, в основному, локалзован процеси пластично дефор мац та масопереносу. Тому дифузйне зварювання у вакуум з високо швидксною пластичною деформацю доцльно застосовувати для з'д нання рзнордних металв з обмеженою взамною розчиннстю [112].
У багатьох випадках необхдно застосовувати дифузйне зварю вання за традицйною схемою для ретельного контролю величини де формац. Одним з них з'днання пористо-компактних матералв.
Технологю дифузйного зварювання таких матералв на основ титану розроблено в ЕЗ м. к.О. Патона [65]. Головною вимогою до з'днань висока мцнсть при збереженн необхдно пористост. Надмрн зусил ля стискування можуть призвести до недопустимого ущльнення порис того матералу, а низьк тиски - до незадовльно мцност з'днань. То му лише комплекс дослджень фзико-хмчного стану зварюваних по верхонь, усталено повзучост та ущльнення матералв, взамозв'язку параметрв режиму зварювання (Т, р, t) х впливу на структуру влас тивост з'днань дозволили оптимзувати параметри процесу дифузйно го зварювання пористих компактних титанових заготвок.
У розвитку та промисловому впровадженн дифузйного зварюван ня у вакуум надзвичайно важливу роль вдграла Проблемна лаборато ря дифузйного зварювання у вакуум пд кервництвом автора способу доктора технчних наук, професора М.Ф. Казакова. За станом на 1978 р.
у СРСР 700 пдпримств застосовували дифузйне зварювання у вакуу м самих рзних однойменних та рзнойменних матералв, у тому числ бльше 560 пар рзнордних [51]. Режими технолог ДЗВ рзних мета в, сплавв, керамки, скла тощо висвтлено в монографях довдниках [6,40,41,51,54,60,65,70,72,90,93,155], пдручнику [130], збрниках нау кових праць мжвузвських та всесоюзних науково-технчних конферен цй "Диффузионное соединение в вакууме металлов, сплавов и неме таллических материалов", наукових статтях. Параметри режимв ДЗВ деяких матералв наведено в табл.2.10.
Таблиця 2.10. Параметри режимв дифузйного зварювання у вакуум деяких матералв № Температура Тиск Час Вакуум, З'днуван матерали п/п Т, С р, МПа t, хв Па 1 Сталь 45 + 45 1000Е1050 20Е15 5 10Ц 2 Чавун СЧ15 + СЧ15 800 30 20 10Ц 3 Чавун СЧ10 + Ст3 850 10 10 10Ц1Е10Ц 4 Чавун СЧ15 + 14Х17Н2 900 15 15 10Ц1Е10Ц 12Х2Н4А + 12Х2Н4А 5 1150Е1180 10 12 10Ц 30ХГСА + 30ХГСА 6 20Х13 + 20Х13 900Е950 15 10 10Ц 7 Сталь Р18 + Р18 1100 10 5 10Ц 8 Сталь 45 + Р18 1000 20 5 6,510Ц 9 45Х14Н14В2М + 45Х14Н14В2М 1080 17 10 10Ц 10 12Х18Н10Т + 12Х18Н10Т 1000 20 10 10Ц 11 12Х18Н9Т + 12Х13 1050 15 20 10Ц Тверд сплави (ВК8, ВК20, ТС30ХН 12 тощо) + мартенситн стал (5ХНВ, 1050Е1120 15Е12 12Е10 10Ц 18Х2Н4ВА, 5ХГСВ тощо) 13 Сталь Э10 + Х18Н10Т 1100 15 15 10Ц 14 Сталь Э10 + Бр.Х0,8 1000 10 30 10Ц Жаромцн сплави:
ХН80ТБЮА + ХН65ВМТЮ 1200 20 20 10Ц 15 ХН80ТБЮА + ХН80Т5ЮА 1200 20 6 10Ц ЖС6У + ЖС6У 1140Е1200 40Е7 30Е10 10Ц 16 Мдь + Мдь 850Е880 8Е5 20 10Ц 900 13Е15 20Е30 10Ц 17 Мдь + Нкель 400 10 20 10Ц 18 Мдь + Zn + Алюмнй 540Е510 5Е7 15Е20 10Ц Титанов сплави:
ВТ5-1 + ВТ5-1 1000 5 5 10Ц 900 5 30 10Ц ОТ4 + ОТ 960 2 30 10Ц 20 Молбден + Молбден 1700 10 5 10Ц 21 Вольфрам + Вольфрам 2200 20 15 10Ц 22 Нобй + Ni + Нобй 1000 20 30 10Ц 23 Титан + Графт 950 7 20 10Ц Титановий сплав, 850 5 20 10Ц пористий + компактний 950 2,65Е5 40 10Ц У табл.2.10 наведено лише основн параметри режимв ДЗВ. Для зварювання багатьох матералв визначальне значення мають пдготов ка поверхонь до зварювання, швидксть нагрвання й охолодження, наступна термчна обробка тощо. Особливо важливий термчний цикл при зварюванн металв з неметалами, металв сплавв з особливими властивостями, що досягаються шляхом термчно обробки.
При зварюванн необхдно забезпечувати однаков значення пара метрв режиму у всх точках з'днання. Наприклад, для нагрвання стру мами високо частоти, як показано в п.2.4, характерним видлення теп лоти в тонкому приповерхневому шар детал та його розповсюдження до центру. Для вирвнювання температури по всьому перерзу шляхом теп лопровдност слд мати певний час та контролювати температуру поверх н. Необхдний час нагрвання, питома потужнсть та потужнсть, що пе редаться детал, можуть бути розрахован з використанням ршення рв няння теплопровдност в цилндричних координатах. При цьому деталь нецилндрично форми замнються на екввалентний цилндр. Цей роз рахунок детально розглянуто в пдручнику [130].
2.7.3. Зварювальне устаткування. Для дифузйного зварювання у вакуум розроблено створено бльше 70 типв установок [51]. Ос новними складовими будь-яко установки вакуумна зварювальна ка мера, вакуумн насоси система, джерело енерг для нагрвання та нагрвальний пристрй, пристрй для стискування, контрольно вимрювальна апаратура та система управлння. Установки можуть бути з повним вакуумуванням деталей або з мсцевим при зварюванн великогабаритних виробв, наприклад труб. Залежно вд форми роз мрв виробв, а також режимв зварювання, вибирають джерело нагр вання. Найбльш часто використовують ндукцйне нагрвання стру мами високо частоти, однак можуть бути використан так способи нагрвання, як радацйний, контактний, електронно-променевий, ла зерний, у пол тлючого розряду, комбнований тощо [40,72,130]. Для стискування деталей застосовують гдравлчну, пневматичну та меха нчну системи, використовують розширення при нагрванн в жор сткому вузл, термчний натяг при рзнордних сполученнях тощо.
Установки можуть бути унверсальними або спецалзованими.
При виготовленн установок для дифузйного зварювання у ваку ум використовують стандартн джерела нагрвання вакуумн насоси та агрегати. Нагрвання струмом високо частоти, електронним проме нем та ншшими способами розглядалися ранше або будуть розгляну т дал. Коротко розглянемо лише вакуумну технку, яка широко за стосовуться в промисловост для зварювання, паяння, плавлення, на пилювання, термчно обробки тощо [108Ц110].
Вакуумн насоси. Вакуумн насоси працюють у дапазон тискв вд 105 до 10Ц10 Па. При цьому використовуться один з двох способв вдкачки: 1) перемщення газу за рахунок механчних сил, як дють на нього;
2) зв'язування газу шляхом сорбц, хмчних реакцй або кон денсац.
Промислов вакуумн насоси, як призначен для одержання тис кв нижче 102 Па, за принципом д роздляють на наступн групи:
1) об'мно д, в яких газ перемщуться шляхом перодично зм ни об'му робочо камери;
2) ежекторн, в яких газ захоплються струменем робочо рдини або пари;
3) молекулярн, як надають своми рухомими поверхнями моле кулам газу додаткову швидксть у визначеному напрямку (турбомоле кулярн насоси) або використовують постйнодючий струмнь пари (струминн насоси);
4) сорбцийн, як видаляють гази сорбцю на поверхн або в об' м твердих тл;
5) крогенн, як видаляють гази шляхом х конденсац на поверх нях, охолоджених до наднизьких температур. Рзновидами крогенних насосв конденсацйн кросорбцйн насоси.
Сфери використання насосв рзних груп наведено на рис.2.85.
Для технологчних процесв у промисловост застосовують звичайно насоси першо, третьо четверто груп. Основн параметри вакуумних насосв - найбльший тиск запуску, найбльший робочий тиск, найбль ший випускний тиск, граничний залишковий тиск, швидксть д про дуктивнсть.
Рис.2.85. Област д вакуум них насосв Найбльший тиск запуску - найбльший тиск у вхдному перерз, при якому насос може почати роботу. Найбльший випускний тиск - найбльший тиск у вихдному перерз насоса, при якому вн може вес ти вдкачку. Найбльший робочий тиск - найбльший тиск у вхдному перерз насоса, при якому вн тривалий час зберга номнальну швид ксть д.
Граничний залишковий тиск - найменший тиск, який може бути досягнутий при робот насоса на себе, тобто без навантаження. При цьому розрзняють парцальний тиск залишкових газв повний залиш ковий тиск, тобто суму парцальних тискв залишкових газв парв.
Швидкстю д насоса називаться об'м газу, що проходить через впускний перерз насоса в одиницю часу при визначеному тиску. Для кожного типу насосв сну крива залежност швидкост д наcoca Sн вд тиску рн.
Продуктивнсть насоса Qн - кльксть газу, що видаляться в одиницю часу при тиску рн. Продуктивнсть швидксть д насоса по в'язан спввдношенням Qн = Sн pн.
Для вдкачки повтря вд атмосферного тиску створення вакууму до 1 Па застосовують механчн насоси об'мно д з масляним ущль ненням. Насоси з малою швидкстю д (до 610Ц3 м3/с) звичайно виготов ляють пластинчасто-роторними (ВН-494) або пластинчасто-статорними (ВН-461М). Середн (вд 610Ц3 до 10Ц1 м3/с) велик (понад 10Ц1 м3/с) насоси роблять плунжерними (золотниковими): ВН-1, ВН-6Г, НВЗ-100, НВЗ-150 та н. Принцип д механчних масляних насосв заснований на обертанн ексцентрично розташованого ротора в робочй камер, розд ленй за допомогою ковзних лопатей, або самого ротора, роздленого на клька секторв. При обертанн ротора в однй частин камери створю ться розрдження, а в ншй - стискування. Газ з вдкачуваного об'кта втягуться в розрджену область робочо камери, а потм при зменшенн об'му стискуться до тискв, необхдних для вдкриття випускного кла пана видалення газу в атмосферу. Схему пластинчасто-роторного на соса показано на рис.2.86. При обертанн ексцентрично розташованого ротора 2, пластини 4 з пружиною 3 ковзають по внутршнй поверхн цилндра 5. У порожнину всмоктування газ надходить з впускного па трубка 1, з'днаного з об'мом, що вдкачуться. з порожнини стиску вання газ виштовхуться через клапан 6. У процес роботи зазори в ро торному механзм ущльнюються вакуумним маслом.
Схему плунжерного насоса показано на рис.2.87. У цилндричнй камер корпуса 1 насоса обертаться ексцентрик 2 з надягнутим на нього плунжером 3. Газ з вдкачуваного об'му надходить у порожни ну всмоктування через вкно 6 у прямокутнй частин плунжера, що ковза в направляючй 5. з порожнини стиску газ виштовхуться че рез випускний клапан 4.
В одноступнчастих насосах з масляним ущльненням повний за лишковий тиск звичайно склада 2,0Е6,6 Па. Для одержання бльш низьких тискв використовують двоступнчаст насоси з масляним ущльненням. Високовакуумна ступнь двоступнчастого насоса, яка з'днуться з вдкачуваним об'мом, створю невеликий перепад тис кв (до 0,1 Па), тому не ма потреби в масляному ущльненн, що зменшу наткання продуктв розкладання масла забезпечу досяг нення низьких тискв. У кращих зразкв двоступнчастих насосв пов ний залишковий тиск газв склада 6,510Ц1 Па.
Рис.2.86. Схема пластинчасто- Рис.2.87. Схема плунжерного роторного насоса: (золотникового) насоса:
1 - впускний патрубок;
2 - ротор;
3 - 1 - цилндрична камера;
2 - ексцентрик;
пружина;
4 - пластини;
5 - цилндрична 3 - плунжер;
4 - випуклий клапан;
5 - камера;
6 - випускний клапан направляюча руху плунжера;
6 - вкно всмоктування газу Для створення високого надвисокого вакууму застосовують мо лекулярн струминн турбомолекулярн насоси. Робота парострумин них вакуумних насосв заснована на видаляючй ежекцйнй д стру меня пари робочо рдини, яка, виходячи з сопла, ма високу швид ксть та захоплю молекули вдкачуваного газу. Схему триступнчас того дифузйного паромасляного насоса показано на рис.2.88.
Дифузйний насос явля собою корпус у вигляд цилндра з водо охолоджуваними стнками глухим дном. У корпус встановлено па ропровд з соплами 6. Робоча рдина заливаться на дно корпуса п дгрваться нагрвачем 1. Пари рдини виходять з сопел з великими швидкостями захоплюють молекули газу. При зткненн з водоохо лоджуваними стнками пари масла конденсуються, робоча рдина стка на дно насоса, а видлений газ видаляться через випускний па трубок 7, до якого приднуться механчний вакуумний насос або па роструминний бустерний (допомжний) насос. Принцип роботи бустер них насосв такий же, як високовакуумних дифузйних, однак у бус терних насосах забезпечуться пдвищена щльнсть струменя масля но пари за рахунок застосування вакуумного масла з бльшою пруж нстю пари та збльшення потужност нагрвача. Вони мають найбль шу швидксть д в дапазон тискв 10Е10Ц1 Па застосовуються ра зом з механчними насосами.
Рис.2.88. Схема триступнчастого дифу зйного паромасляного насоса (рух пари показано стрлками):
1 - нагрвач;
2 - кип'ятильник з робочою рдиною (вакуумним маслом);
3 - система охолодження;
4 - вдкачуваний газ;
5 - потк пари робочо рдини (вакуумного масла);
6 - зонтичн сопла 1, 2 та 3-го ступенв;
7 - випу- скний патрубок стотний недолк дифузйних насосв - мграця в робочий об'м ма сляно пари, що змушу застосовувати спецальн масловловлююч еле менти - пастки рзного типу. Часто поднують дифузйн насоси з пастка ми, охолоджуваними киплячим рдким азотом для конденсац пари масла.
Вакуум без масляних парв можна отримати за допомогою турбо молекулярних насосв, застосування яких розширються в сучасних вакуумних установках. При цьому вдпада необхднсть у викорис танн пасток. Ефективнсть вдкачки збльшуться з ростом частоти обертання ротора, яка склада близько 18000 об/хв. Граничний залиш ковий тиск турбомолекулярних насосв склада 10Ц7Е10Ц8 Па.
Схему турбомолекулярного насоса показано на рис.2.89,а. Статорн та роторн диски насоса зображено на рис.2.89,б.
а б Рис.2.89. Принципальна схема турбомолекулярного насоса (а) та розмщення пазв у статорних роторних дисках (б):
1 - корпус;
2 - статорн диски;
3 - роторн диски;
4 - випускний патрубок;
Pages: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | Книги, научные публикации