18.01.2016

Для сварки плавлением используется энергия электродугового разряда, электронного луча, квантовых генераторов, джоулево тепло, выделяемое протекающим током по твердому или жидкому проводнику; химическая энергия горения, энергия ультразвука и других источников.
Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) осуществляется в вакууме за счет расплавления комков свариваемых деталей сфокусированных пучком электронов, имеющим высокую удельную мощность q2.
Диапазон удельной мощности электронного пучка, применяемого для нагрева, плавления (сварки), испарения составляет -10в4-5*10в8 Вт/см2.
Для фокусировки и управления положением пучка относительно кромок свариваемого металла применяют электромагнитные линзы.
При электронно-лучевой сварке используют электронные пучки мощностью от 2 до 60 кВт и выше, позволяющие выполнять сварку различных металлов и сплавов толщиной до 200—400 мм.
Переход от сварки металлов малых толщин к однопроходной сварке металлов больших толщин осуществляется при достижении критической удельной мощности электронного луча, которая для большинства металлов составляет q2 ~ 10в5-10в6 Вт/см2. Верхнее значение удельной мощности электронного луча для технологических целей ограничено уровнем q2 ≤ 10в9 Вт/см2, выше которого процесс обработки материала сопровождается взрывным разлетом образующейся плазмы.
Высокая концентрация энергии в электронном пучке позволяет получать при больших скоростях ЭЛС узкие и глубокие сварные швы с минимальной зоной термического влияния и высокими механическими свойствами металла шва и околошовной зоны.
Процесс электронно-лучевой сварки определяется параметрами электронного пучка: ток пучка I, ускоряющее напряжение U, ток фокусирующей системы Iф, рабочее расстояние (расстояние от центра фокусирующей системы до поверхности свариваемого изделия) I, угол сходимости луча «, скорость перемещения луча v.
Энергетическими показателями ЭЛС являются: погонная энергия Q1 = q/vсв Дж/см — затраты энергии на единицу длины сварного шва; Q1 = q/(vсв*Н) Дж/см2 — затраты энергии на формирование единицы площади стыка; q/H*Вт/см — затраты мощности на единицу глубины сварного шва.
ЭЛС осуществляется в камере с электронной пушкой и системой, формирующей электронный луч, которая откачивается до высокого (-10в-3 Па) или до низкого (-1—10 Па) вакуума, при условии независимой откачки объема электронной пушки до 10в-3 Па.
Следует отметить, что даже в условиях низкого вакуума — 1 Па содержание кислорода в - 20 раз, а азота в 10 раз меньше, чем в особо чистом аргоне, поэтому при ЭЛС защита расплавленного металла более эффективная, чем при аргонодуговой сварке.
Экспериментальная зависимость изменения глубины проникновения электронов в железо от ускоряющего напряжения представлена на рис. 19.5. Для других металлов соотношение δ/δFe, определяется в основном плотностью металла и имеет следующие значения: Ni—0,85; Al—2,8; W—0,48; Cr—1,1; Сu—0,88; Ta—0,54; Pb—0,81.
Виды сварки плавлением

Установлено, что максимум энерговыделения электронного пучка находится на некоторой глубине от поверхности. Повышение ускоряющего напряжения сопровождается увеличением глубины проникновения электронов и перемещением максимума температуры в глубь металла.
При воздействии электронного пучка (или лазерного луча) на поверхность твердого тела существует некоторое характерное время т*, в течение которого тепло из объема, ограниченного диаметром луча d и глубиной пробега электронов δ, не успевает отводиться механизмом теплопроводности.
Критическая удельная мощность электронного луча q*2, поглощаемая в течение характерного времени т* в слое рδ и приводящая к его испарению (вскипанию), составляет
q*2 = Sкипрδ/(ηн т*)

где Sкип — удельное теплосодержание (удельная энтальпия) кипящего металла, Дж/г; рδ — массовая толщина слоя, г/см2; ηн — эффективный КПД электронно-лучевого нагрева поверхности.
Таким образом, величина q*2 определяет начало глубинного проплавления металла при ЭЛС.
Например, при U=30 кВ для титана т*=124 мкс, q*2=2*10в5 Вт/см2; для алюминия т*=14 мкс, q*2=2*10в6 Вт/см2; для нержавеющей стали q2=1,3*10в5 Вт/см2.
Процесс глубинного проплавления при ЭЛС имеет автоколебательный характер. Воздействие непрерывных во времени концентрированных потоков энергии (электронный луч, лазер) на твердое тело при достижении удельной мощности выше критической имеет общую закономерность, заключающуюся в автоколебательном характере передачи энергии нагреваемому телу и физических параметров процесса сварки, а именно: потока пара, интенсивности светового излучения, эмиссии электронов и т.п.
При q2≥q*2 за время т слой металла толщиной S и диаметром d нагревается до кипения, переводится в пар и начинает разлетаться.
В результате того что на пути луча оказывается слой пара, концентрация частиц в котором достигает значений 10в20 см-3, происходит рассеяние электронного луча за пределы зоны воздействия. Критическое значение потока энергии, амплитуда, частота колебаний зависят от параметров потока энергии, теплофизических свойств материала, газодинамических характеристик пара и характеристик взаимодействия потока энергии с паром.
В процессе ЭЛС электронный пучок движется относительно изделия и перемешается в зону металла перед передней стенкой канала, проплавляет ее на глубину H за время, определяемое удельной мощностью, диаметром пучка и скоростью его перемещения. Снижение скорости перемещения лучка может сопровождаться образованием замкнутой полости согласно схеме, приведенной на рис. 19.6.
Виды сварки плавлением

Лазерная сварка осуществляется с использованием лазерных пучков, обладающих высокой концентрацией энергии. Она заключается в быстром нагреве малых объемов вещества в стыке свариваемых деталей до их оплавления с малым тепловыделением в свариваемых материалах. Это способствует малой деформации свариваемых элементов, высокой скорости охлаждения расплава и формированию дисперсной структуры шва.
Применение лазеров значительно расширяет возможности технологической операции сварки, позволяет сваривать конструкционные стали, титановые, медные, алюминиевые и другие сплавы.
К преимуществам лазерной сварки (как и электронно-лучевой) относится возможность глубинного проплавления; высокие скорости сварки; возможность проведения процесса на воздухе.
Основные параметры, которые определяют условия образования сварного шва, — удельная мощность лазерного излучения и время воздействия на данном участке.
При лазерной сварке удельная мощность потока излучения превышает критическое значение, при котором за время импульса на поверхности достигается температура плавления, но она ниже значения критической удельной мощности потока, при котором наблюдается интенсивное испарение расплава.
При импульсных методах сварки снижается тепловыделение в свариваемых материалах и околошовной зоне, появляется возможность уменьшить размеры сварочной ванны, повышается скорость охлаждения расплавленного металла и формируется дисперсная структура сварного шва.
Формирование сварного соединения при использовании лазерного, электронно-лучевого нагрева толстых заготовок с глубинным проплавлен нем характеризуется образованием паровой струи с высокими плотностью и давлением паров в канале. Вследствие поглощения и рассеяния лазерного излучения в паровой фазе наблюдаются автоколебания процессов появления и релаксации пароплазменной смеси над поверхностью сварочной ванны, которые приводят к колебаниям проплавляющего действия лазерного и электронно-лучевого излучения и образованию характерной полосчатой структуры шва.
Для лазерной сварки необходимы точная подгонка свариваемых деталей и тщательная подготовка поверхностей. Правильный подбор защитного газа оказывает большое влияние на качество и структуру шва. Качество сварки повышают различными модификациями режима работы лазера (двойные импульсы, регулировка длительности, профилирование амплитуды импульсов и т.п.).
При лазерной сварке применяют газовые СО2-лазеры непрерывного действия, в которых рабочим телом служат смеси газов в соотношении ICO2 : 20N2: 20He.
Достоинство лазерной сварки — возможность проведения се как в вакууме, так и в защитных газах, что позволяет получать высококачественные сварные соединения не только на обычных углеродистых и низколегированных сталях, но и на легированных сталях, а также цветных металлах и специальных сплавах.
Плазменная сварка является разновидностью аргонодуговой сварки. При плазменной сварке в отличие от аргонодуговой дуга обжимается потоком газа, проходящим через сопло в горелке, называемой плазмотроном.
Обжатие дуги приводит к повышению ее температуры от -6000 °С при аргонодуговон сварке до температур порядка 15000—25000 °С при плазменной сварке. Вследствие этого возрастает степень ионизации газа, что повышает эффективность локального нагрева свариваемого металла. Через горелку подастся также защитный газ, обеспечивающий надежную изоляцию зоны сварки от контакта с воздухом.