2020-05-25
438План-конспект занятия №32
по дисциплине «ОП.04 Материаловедение»
Специальность: 23.02.03 Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта. Курс: 2
Тема занятия: «Контактная сварка. Классификация. Применение»
Тип занятия: усвоения новых знаний.
Вид занятия: лекция с первичным закреплением.
Технологии обучения: информационно-коммуникационная.
Межпредметные связи: слесарное дело, метрология, физика
Мотивация: полученные знания дают понимание об устройстве и технологии изготовления деталей, применяемых в агрегатах автомобилей и машин в целом
1. Черепахин А.А. Материаловедение, 8-е издание, переработанное. – М. «Академия», 2014. – 256 с.
2. Никифоров В«М. Технология металлов и конструкционные материалы. –Л., Машиностроение, 1987-З6Зс.
3. Кузьмин Б.А. и др. Технология металлов и конструкционные материалы- М., Машиностроение,1989-4960.
Ход занятия
ЭЛЕКТРОКОНТАКТНАЯ СВАРКА
Краткая характеристика основных видов электроконтакной сварки.
Общие сведения о холодной сварке, сварке трением, ультразвуковой сварке, сварке токами высокой частоты и электронным лучом. Обработка и сварка плазменной струей и лазером
|
|
|
Литература:
1.Никифоров В«М. Технология металлов и конструкционные материалы. –Л., Машиностроение, 1987-З6Зс.
2.Кузьмин Б.А. и др. Технология металлов и конструкционные материалы- М., Машиностроение,1989-4960.
СПОСОБЫ СВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ
КОНТАКТНАЯ СВАРКА
Контактная сварка является основным видом сварки давлением термомеханического класса. Она осуществляется с применением давления и нагрева места сварки проходящим через заготовки электрическим током. Основными видами контактной сварки являются:
1. стыковая, 2. точечная и
3. шовная.
Рассмотрим сущность процесса на примере стыковой контактной сварки (рис. 1). Свариваемые заготовки 3, закрепленные в
зажимах (электродах) 2 стыковой машины, сжимаются осевой силой Р.
Электроды подключены к
сварочному трансформатору 5, при включении которого через заготовки протекает сварочный ток.
Он нагревает заготовки, причем наибольшее количество теплоты выделяется в месте контакта 6 (отсюда название способа) между заготовками, так как
сопротивление контакта является
наибольшим во вторичной цепи и вот почему: действительное сечение контакта значительно меньше сечения заготовок за счет касания заготовок только по выступам поверхностей.
Нагрев металла приводит к повышению его пластичности. В результате под действием осевой силы происходит пластическая деформация.
Микронеровности поверхности сминаются, пленки разрушаются, поверхностные атомы сближаются до расстояний, соизмеримых с параметром кристаллической решетки, что обеспечивает возможность образования межатомных связей.
|
|
|
Контактная сварка осуществляется без расплавления и с расплавлением металла.
§ Стыковую сварку с разогревом стыка до пластического состояния называют сваркой сопротивлением,
§ Стыковую сварку с разогревом стыка до оплавления — сваркой оплавлением.
При сварке сопротивлением заготовки сначала сжимают усилием, обеспечивающим образование физического контакта свариваемых поверхностей, а затем пропускают сварочный ток.
После разогрева места сварки происходит осадка и образуется соединение в твердой фазе.
Для обеспечения равномерного нагрева по всему сечению поверхности заготовок тщательно подготовляют. Необходимость обеспечения равномерного нагрева ограничивает возможность применения сварки сопротивлением только для деталей небольшого (площадью до 200 мм2) и простого сечения (круг, квадрат).
Сущность сварки оплавлением заключается в том, что свариваемые заготовки сближают при включенном сварочном трансформаторе. Касание поверхностей происходит по отдельным выступам.
Ввиду того, что площадь образовавшихся контактов очень небольшая, плотность тока, протекающего через эти контакты, настолько велика, что происходит мгновенное оплавление металла с образованием жидких перемычек, которые под действием паров металла разрушаются. Часть металла в виде искр выбрасывается из стыка.
Вместе с жидким металлом выбрасываются загрязнения, которые присутствуют на поверхности заготовок.
Продолжающееся сближение заготовок приводит к образованию новых перемычек и их оплавлению. Непрерывное образование и разрушение контактов-перемычек между торцами приводит к образованию на торцах слоя жидкого металла.
Стыковую сварку оплавлением применяют для соединения заготовок сечением до 100 000 мм2. Типичными изделиями являются элементы трубчатых конструкций, колеса, кольца, рельсы, железобетонная арматура, листы, трубы.
Точечную сварку применяют преимущественно при соединении листовых заготовок.
Свариваемые заготовки 2 собирают внахлестку (рис. 2), сжимают между двумя медными электродами 1 и пропускают электрический ток (от сварочного трансформатора). При протекании тока выделяется теплота в заготовках и электродах. В связи с тем, что наибольшим электрическим сопротивлением обладает контакт между заготовками и электроды, как правило, охлаждаются водой и отводят теплоту с поверхности заготовок, происходит интенсивный нагрев металла только в месте контакта. Здесь металл расплавляется и появляется жидкое ядро, которое затвердевает после выключения сварочного тока, образуя сварную точку J.
Рис. 2. Стадии цикла и циклограммы точечной сварки:
а — без увеличения давления; б — с увеличением давления при проковке: 1 — сжатие деталей; 2 — включение тока; 3 — проковка; 4 — снятие давления с электродов
Кристаллизация металла происходит при сохраняющемся давлении электродов, что предотвращает образование в ядре точки дефектов усадочного характера — пор, трещин, рыхлот.
В некоторых случаях давление в конце цикла сварки увеличивают, осуществляя «проковку» металла.
Перед сваркой контактные поверхности деталей зачищают металлической щеткой, пескоструйной обработкой или травлением и обезжиривают растворителями. Это необходимо для обеспечения стабильного процесса, который зависит от постоянства контактного сопротивления.
Точечная сварка в зависимости от расположения электродов по отношению к свариваемым заготовкам может быть двусторонней и односторонней.
В многоточечных сварочных машинах, предназначенных для изготовления специальных сварных конструкций (элементы кузовов автомобилей, вагонов, различных панелей) одновременно сваривается несколько точек (или несколько десятков точек).
|
|
|
Режим точечной сварки может быть мягким и жестким.
Мягкий режим характеризуется плавным нагревом заготовок сравнительно небольшим током. Время протекания тока обычно 0,5—3 с. Мягкие режимы применяют для сварки сталей, склонных к закалке.
Жесткие режимы осуществляют при малой продолжительности (0,1—1,5 с) тока относительно большой силы. Давление электродов также большое. Эти режимы применяют при сварке алюминиевых и медных сплавов, обладающих высокой теплопроводностью, а также высоколегированных сталей с целью сохранения коррозионной стойкости: на мягких режимах возможно обеднение металла хромом за счет образования карбидов хрома.
Точечную сварку широко используют для изготовления штампосварных конструкций. Толщина свариваемых металлов в среднем составляет 0,5—8 мм. Для осуществления точечной сварки все более широкое использование получают сварочные роботы.
Разновидностью точечной сварки является рельефная сварка, при которой между плоскими электродами зажимают заготовки, на одной из которых заранее подготовлены (отштампованы) выступы. Эти выступы обеспечивают высокую плотность тока и концентрированный нагрев в месте контакта, который приводит к плавлению металла и образованию сварных точек.
Шовную сварку выполняют непрерывным швом вращающимися дисковыми электродами. Заготовки, как и при точечной сварке, собирают внахлестку и зажимают между электродами 2, которые выполнены в виде роликов. Они передают усилие заготовкам, осуществляют подвод тока и перемещение
заготовок. При движении заготовок между роликами образуются перекрывающие друг друга сварные точки, в результате чего получается сплошной герметичный шов 3.
Шовную сварку можно осуществлять при одностороннем и двустороннем положении электродов.
Шовную сварку выполняют:
§ с непрерывным включением тока,
|
|
|
§ с прерывистым включением тока,
§ а также, впрочем, весьма редко, с прерывистым вращением роликов и остановкой их в момент включения сварочного тока.
Шовную сварку применяют при изготовлении различных емкостей с толщиной стенки 0,3—3 мм, где требуются герметичные швы — бензобаки, трубы, бочки, сильфоны и др.
Конденсаторная сварка представляет собой один из видов сварки запасенной энергией. Энергия накапливается в конденсаторах при их зарядке от источника постоянного напряжения (выпрямителя), а затем в процессе разряда преобразуется в теплоту, используемую для сварки.
Эта теплота выделяется в контакте между соединяемыми заготовками при протекании тока, поэтому конденсаторную сварку можно отнести к способам контактной сварки.
Существуют два вида конденсаторной сварки:
§ бестрансформаторная и
§ трансформаторная
При бестрансформаторной ударной сварке конденсатор подключен непосредственно к свариваемым заготовкам.
Разряд конденсатора происходит в момент удара заготовки по заготовке.
Разряд оплавляет торцы заготовок, которые свариваются под действием усилия осадки.
При трансформаторной конденсаторной сварке конденсаторы разряжаются на первичную обмотку сварочного трансформатора, во вторичной цепи которого находятся предварительно сжатые между электродами заготовки.
Бестрансформаторная сварка используется в основном для стыковой сварки, трансформаторная — для точечной и шовной.
Преимуществами конденсаторной сварки являются:
§ точная дозировка энергии (за счет изменения емкости конденсаторов и напряжения зарядки),
§ малое время протекания тока (0,001—0,0001 с) при высокой плотности тока,
§ возможность сварки материалов очень малых толщин (от нескольких микрометров до 1 мм),
§ невысокая потребляемая мощность (0,2—2 кВ-А).
Конденсаторную сварку применяют в основном в приборостроении, радиоэлектронике.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ СВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ
Холодная сварка осуществляется за счет значительной пластической деформации в зоне контакта соединяемых материалов без внешнего нагрева. Физическая сущность этого процесса заключается в сближении свариваемых поверхностей до образования металлических связей между ними. Большие усилия сжатия приводят к разрушению оксидных пленок, которые удаляются из зоны контакта при течении металла. К месту контакта при этом выходят совершенно чистые частицы металла.
Схема холодной сварки внахлестку показана на рис. 3, а. Предварительно зачищенные стальной щеткой и обезжиренные поверхности заготовок / сдавливают пуансонами 3. Каждый пуансон внедряется в металл на глубину до 70—80 %
толщины. Направляющие 2 предотвращают выпучивание металла рядом со сварной точкой. Холодной сваркой можно
выполнять также шовные и стыковые соединения
(рис. 3, б).
Рис. 3. Схема холодной сварки:
а — точечная; б - стыковая; 1 - заготовки; 2 - направляющие; 3 — пуансоны
Свариваемость металлов холодной сваркой определяется их пластичностью. Хорошо свариваются пластичные сплавы алюминия, меди, никеля, серебра, золота. Высокопрочные металлы и сплавы холодной сваркой не соединяют. Наиболее широкое применение холодная сварка находит в производстве изделий из алюминия и его сплавов, для соединения медных и алюминиевых проводов. Соединяют металлы толщиной 0,2—15 мм. Давление в месте контакта составляет 150—1000 МПа. Для холодной сварки может быть использовано стандартное прессовое оборудование, снабженное специальным инструментом, а также специализированные машины.
Рис 4.
Сварку трением осуществляют в результате совместной пластической деформации заготовок, поверхности которых предварительно нагреты трением при их относительном перемещении. Нагрев поверхностей происходит в результате трения при вращении одной из заготовок (рис. 12) или, что реже, при возвратно поступательном перемещении. При трении механическая энергия непосредственно в месте стыка переходит в тепловую. Нагрев происходит только в том месте, где необходимо поверхностным атомам сообщить энергию активации. В самих заготовках при этом теплота не выделяется. Вот почему затраты энергии при сварке в 5—10 раз меньше, чем при контактной стыковой сварке, где значительное количество энергии расходуется на ненужный нагрев заготовок.
Две заготовки (рис. 4), подлежащие сварке, устанавливают в зажимах машины 1. Одна из них (2) неподвижна, другая (3) приводится во вращение. Заготовки при этом прижаты одна к другой осевым усилием Р.
На соприкасающихся поверхностях 4 образуются силы трения. Работа, затрачиваемая на преодоление сил трения, преобразуется в теплоту. При нагреве торцов до необходимой температуры (1000—1300 °С для сталей) вращение прекращают (практически мгновенно) и увеличивают осевое давление, в результате которого происходит пластическая деформация с образованием металлических связей между поверхностными атомами. Сварка осуществляется в твердой фазе без расплавления металла.
При трении происходит разрушение оксидных пленок. За счет пластической деформации пленки удаляются в радиальном направлении. Сварка прением обеспечивает высокое качество соединения, позволяет соединять разнородные металлы и сплавы, характеризуется высокой производительностью, легко поддается автоматизации.
В инструментальном производстве сварку трением используют при изготовлении сверл, метчиков, фрез и другого инструмента. Режущую часть из дорогой быстрорежущей стали (Р9, Р18, Р6М5) приваривают к хвостовику из более дешевой стали 45. В машиностроении сваркой трением сваривают штоки с поршнями, клапаны двигателей внутреннего сгорания, ступенчатые оси и валы, и другие детали.
Ультразвуковая сварка —сварка давлением, которая осуществляется при воздействии на заготовки, сжатые при сравнительно небольшом давлении, механических колебаний с частотой более 16 кГц. Механические колебания инструмента получают при использовании явления магнитострикции. Эффект магнитострикции заключается в изменении размеров некоторых металлов и керамических материалов под действием переменного магнитного поля. Если из материала, обладающего такими свойствами, изготовить сердечник, разместить на нем обмотку и пропустить по обмотке переменный электрический ток, то возникающее при этом переменное магнитное поле будет изменять размеры сердечника с частотой изменения электрического тока.
Рис.5.
На рис. 5 показана схема процесса ультразвуковой сварки. Основной узел машины для УЗ-сварки — магнитострикционный преобразователь 1, обмотка которого питается от генератора высокой частоты 6. С сердечником преобразователя связан волновод 2, который передает УЗ-колебания инструменту 3. Инструмент, прижимающий заготовки 4 к опоре 5, совершает колебания, амплитуда которых 20—40 мкм. Микроскопические возвратно-поступательные движения, передаваемые инструментом заготовкам, создают сдвиговые деформации в тонких слоях контактирующих поверхностей. При этом разрушаются поверхностные пленки, поверхностные слои материала нагреваются. Под действием сжимающего усилия происходит пластическая деформация, в результате которой свариваемые поверхности сближаются до расстояния действия межатомных сил, и образуется сварное соединение.
Ультразвуковую сварку применяют для получения точечных и шовных соединений тонких заготовок, толщина которых, как правило, не превышает 1 мм.
Преимущества УЗ-сварки заключаются в том, что образование соединения происходит без существенного нагрева заготовок при небольших сдавливающих усилиях (ОД—2,5 кН). Это позволяет сваривать тонкие и ультратонкие детали, химически активные металлы и сплавы, образующие хрупкие соединения, разнородные металлы, металлы с керамикой. Разрушение поверхностных пленок УЗ-колебаниями позволяет сваривать плакированные и оксидированные поверхности и металлические изделия, покрытые различными изоляционными пленками.
Рис. 6. Схемы сварки взрывом:
а — перед сваркой; б — во время сварки;
1 — детонатор; 2 — верхняя заготовка; 3 — нижняя заготовка; 4 — жесткая опора; 5 — заряд взрывчатого вещества
Сварка взрывом осуществляется за счет совместной пластической деформации поверхностных слоев двух заготовок при их соударении в результате взрыва. Заготовки 2 и 3 (рис. 6) перед сваркой устанавливают под углом друг к другу, причем нижнюю заготовку располагают на жесткой опоре 4; на верхней заготовке размещают заряд взрывчатого вещества 5 с детонатором, который необходим для возбуждения взрыва.
Фронт детонационной волны распространяется со скоростью 2000—8000 м/с. Газообразные продукты взрыва создают давление, в результате которого верхняя пластина метается на нижнюю со скоростью до 1000 м/с. При соударении между пластинами образуется острый угол из вершины которого направленная струя выдавливает тонкие поверхностные слои, оксидные пленки и другие загрязнения. Поверхности сближаются до расстояния действия межатомных сил сцепления. Происходит схватывание по всей поверхности заготовок. Продолжительность сварки взрывом не превышает нескольких микросекунд.
Сварку взрывом используют для плакирования поверхностей сталей металлами и сплавами со специальными свойствами при изготовлении биметалла.
Диффузионную сварку обычно выполняют в вакууме, однако она возможна в атмосфере инертных газов. Соединение заготовок происходит за счет взаимной диффузии атомов в поверхностных слоях, контактирующих под давлением нагретых материалов.
Рис. 7. Диффузионная сварка:
1- камера, 2- заготовки, 3- нагреватель.
Свариваемые заготовки 2 с тщательно зачищенными поверхностями загружают в герметичную камеру 1 (рис. 7), с которой создают разрежение 101—10-3 Па. Заготовки нагревают индуктором 3 (или другим способом) до температуры, равной 0,5—0,7 температуры плавления более легкоплавкого из двух свариваемых металлов, и прикладывают давление 5—20 МПа. Незначительная пластическая деформация приводит к устранению неровностей, обеспечивает контактирование поверхностных атомов и процесс взаимной диффузии атомов. Поскольку процессы диффузии протекают сравнительно медленно, время сварки составляет от нескольких до десятков минут.
Диффузионная сварка позволяет соединять однородные и разнородные металлы, керамику, получать соединения материалов, резко отличающихся по своим свойствам, — малопластичных, тугоплавких, не растворимых друг в друге, образующих между собой хрупкие соединения. После сварки не требуется механической обработки для удаления шлака, грата или окалины. Соединения можно получать по плоским и рельефным поверхностям. Изделия получаются с высокой точностью размеров.
Способ диффузионной сварки находит широкое применение в радиоэлектронике, приборостроении, а также при изготовлении инструмента и деталей машин, работающих в сложных условиях.
Плазменная сварка (или сварка сжатой дугой) относится к способам сварки плавлением. В качестве источника нагрева используют сжатую дугу — плазму. Вообще плазмой называется четвертое агрегатное состояние вещества — ионизированный газ. Строго говоря, в электрической свободно горящей дуге существует плазма, поскольку газ хотя бы частично ионизирован.
Применительно к сварке и резке плазмой условно принято называть поток газа, пропускаемый через столб электрической дуги.
Устройство для создания плазменной струи называют плазмотроном или плазменной горелкой.
В плазмотроне электрическую дугу размещают в узком канале с интенсивно охлаждаемыми стенками. Через канал подают плазмообразующий газ. Обжатие наружной поверхности столба дуги вызывает его концентрацию. Это приводит к резкому увеличению числа столкновений частиц, увеличению степени ионизации и повышению температуры столба дуги до 10 000—20 000 °С.
Существуют плазмотроны прямого (рис. 7, а) и косвенного (рис. 7, б) действия. В плазмотронах прямого действия одним из электродов является изделие, в плазмотронах косвенного действия дуга возбуждается между электродом и охлаждаемым соплом. В этом случае плазменная струя потоком газа выдувается из сопла.
Сварка осуществляется на переменном или постоянном токе прямой полярности. Источники сварочного тока должны иметь рабочее напряжение до 120 В, а в некоторых случаях и более высокое.
В качестве плазмообразующих газов используют аргону гелий, водород, углекислый газ, а также смеси газов.
Плазменной струей можно сваривать практически все металлы, в том числе и тугоплавкие. К преимуществам плазменной сварки относится высокая производительность. Без разделки кромок можно сваривать металл толщиной до 15—20 мм, а при сварке большей толщины — с неглубокой разделкой.
Рис. 7. Схемы получения плазменной струи:
а - прямого действия; б — косвенного действия: 1 — вольфрамовый электрод; 2 — дуга; 3 — сопло горелки; 4 — канал сопла; 5 — заготовка; 6 плазменная струя
По сравнению с аргонодуговой сваркой количество присадочного металла при сварке плазменной струей снижается примерно в 3 раза.
Плазменная струя при однопроходной сварке выходит на обратную сторону стыка. По существу процесс представляет собой как бы прорезание изделия с заваркой места резки. Сжатая дуга имеет большую пространственную устойчивость, чем свободно горящая дуга. Это свойство позволяет использовать плазменную дугу при весьма малых токах, вплоть до 0,1 А, что делает возможным сварку металлов толщиной менее 0,01 мм. Соединение деталей толщиной менее 1 мм с использованием плазменной дуги называют микроплазменной сваркой.
Плазменная струя обладает широкими технологическими возможностями. Она имеет большую тепловую мощность, которую можно регулировать в широких пределах. Кроме сварки плазменную струю широко применяют при резке, особенно таких материалов, как алюминий, медь, коррозионно-стойкие стали, керамика, — т. е. материалов, которые не поддаются газокислородной резке. Плазменную струю используют также при плавке металлов, термической строжке, наплавке поверхностей, нанесении покрытий.
ЛУЧЕВЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ
Все более широкое применение находят лучевые способы сварки, к которым относятся электронно-лучевая, лазерная и сварка световым лучом.
При электронно-лучевой сварке используется кинетическая энергия электронов, быстро движущихся в глубоком вакууме. Поток электронов направляют на свариваемое изделие. При соударении электронов с поверхностью металла их кинетическая энергия переходит в тепловую, которая используется для расплавления металла.
Электронно-лучевую сварку осуществляют в вакуум-
ной камере 2 (рис. 26.29), внутри которой располагают свариваемое изделие 5 и устройства для его перемещения со скоростью сварки. Специальное откачное устройство /, содержащее форвакуумный 8 и диффузионный 7 насосы, создает в камере разрежение примерно 133-10~4 Па, необходимое для свободного движения электронов. Поток электронов создается электронно-лучевой пушкой 5, на которую подается высоковольтное напряжение от источника питания 4.
Рис. 5. Схема установки для электронно-лучевой сварки
1 - откачная система; 2 - вакуумная камера; 3 -электронно-лучевая пушка; 4 - высоковольтный источник питания; 5—заготовка (изделие);6—тележка;7— диффузионный насос;8- форвакуумный насос
Электронно-лучевая пушка (рис. 5) позволяет получать луч с большой плотностью энергии. Она имеет катод 1, нагреваемый до высокой температуры. Прикатодный электрод 2 испускает электроны, которые под действием разности потенциалов устремляются к аноду 3 и проходят через отверстие.
Напряжение на аноде достигает нескольких тысяч вольт (10—30 кВ и даже 50—100 кВ), поэтому электроны приобретают значительную скорость и энергию.
После выхода электронов из первого анода электронный поток фокусируется магнитной линзой 4. Магнитная отклоняющая система 5 позволяет управлять лучом, совмещая его со свариваемым стыком на изделии 6.
Поток электронов можно сфокусировать на поверхности изделия в пятне диаметром менее 1 мм с плотностью энергии до 5-108 Вт/см2 (примерно в 5000 раз больше, чем при дуговой сварке).
При такой плотности энергии металл достигает температуры кипения и испаряется. Этим объясняется возможность по лучения глубинного проплавления (или так называемого «кинжального» проплавления) с отношением глубины проплавления к ширине, достигающим 20: 1, в результате чего возможно проплавление металла больших толщин (до 200 мм) при узкой зоне термического влияния.
Деформации изделия после сварки, зависящие от усадки жидкого металла, значительно меньше, чем при дуговой сварке. Если учесть при этом, что вакуум является отличной защитной средой, которая не только препятствует окислению металла, но и способствует удалению растворенных в металле газов, то станут очевидны преимущества электронно-лучевой сварки.
Электронным лучом легко управлять отклоняющей системой, его можно расфокусировать, запереть, подав на управляющий электрод пушки отрицательное напряжение. Эти особенности процесса открывают широкие возможности электронно-лучевой технологии, позволяющей осуществлять сварку в импульсном режиме, подогревать стык перед сваркой или шов после сварки, выполнять сварку стыков сложной конфигурации. Электронный луч можно направить в узкую щель и произвести сварку стыков, недоступных при других способах. Электронно-лучевую технологию применяют при сварке деталей из тугоплавких и химически активных металлов (W, Та, Mb, Mo), при сварке деталей весьма малых (менее 1 мм) и больших (до 200 мм) толщин из высоколегированных сталей и алюминиевых сплавов.
К недостаткам электронно-лучевой сварки следует отнести сравнительно высокую стоимость оборудования, ограниченность размеров изделия размерами вакуумной камеры, невысокую производительность, связанную с затратами времени на получение требуемого вакуума после загрузки изделия в камеру, а также необходимость обеспечения биологической защиты персонала от рентгеновского излучения, возникающего при соударении электронного пучка с твердой поверхностью изделия.
Несмотря на эти недостатки, электронно-лучевая технология быстро развивается. Весьма перспективными оказываются вакуумные камеры с шлюзовыми устройствами для загрузки и выгрузки изделий, а также камерыприсоски, располагаемые на поверхности изделия и позволяющие получать вакуум только в зоне сварки. Непрерывное совершенствование оборудования позволяет реализовать преимущества электронно-лучевой сварки.
Лазерная сварка — сварка плавлением, при которой используется энергия светового луча, полученного от оптического квантового генератора (ОКГ). С помощью ОКГ можно получать интенсивные и остронаправленные пучки света и концентрировать энергию на очень малые площадки, равные тысячным долям миллиметра/
В основу принципа действия ОКГ положено индуцированное излучение атомов активного вещества излучателя. Активное вещество накачивают внешней энергией (электрической, световой, тепловой, химической). Атомы поглощают фотоны (порции) электромагнитной энергии и переходят в возбужденное состояние. Каждый возбужденный атом может возвратить энергию в виде фотона спонтанно (самопроизвольно). Заставить все возбужденные атомы одновременно испустить фотоны можно внешним фотоном, энергия которого в точности равна энергии испускаемого фотона. Такое излучение называется индуцированным.
Рис. 8. Схема оптической системы для сварки и пайки:
1 - отражатель; 2 - источник света; 3 - линза; 4 - изделие
В некоторых ОКГ в качестве основного энергетического элемента используется рубин — оксид алюминия, в котором небольшое число атомов (0,05 %) алюминия замещены атомами хрома.
Кристалл рубина обрабатывают в виде стерженька с полированными и посеребренными торцами. Рубиновый стерженек помещают вблизи лампы вспышки, служащей для оптической накачки. При освещении лампой большинство атомов хрома переводится в возбужденное состояние.
Когда интенсивность света от лампы превышает некоторый критический уровень, проявляется эффект квантового усиления. При испускании возбужденным атомом фотона он побуждает другой возбужденный атом испустить фотон (индуцированный). Этот процесс развивается лавинообразно, поскольку фотоны, отражаясь от торцов кристалла, движутся по кристаллу в осевом направлении. При этом с полупрозрачного торца рубина в течение тысячных долей секунды выбрасывается интенсивный поток фотонов с длиной волны 69,43-10~10 м. Выходной пучок является узконаправленным, мощным, монохроматическим.
По виду активного вещества-излучателя лазеры разделяют на твердые, жидкостные, газовые и полупроводниковые, а по принципу генерации лазерного луча — импульсные и непрерывные.
В настоящее время для сварки используют твердотельные и газовые лазеры. Газовые лазеры обладают более высокой выходной мощностью и работают в непрерывном и импульсном режимах. Пучок света, испускаемый излучателем, можно с помощью оптических систем передавать на большие расстояния, поворачивать и фокусировать.
Возможность получать высокую плотность энергии в пятне нагрева, точно дозировать энергию является важным преимуществом лазерной технологии. Лазерная технология открывает новые возможности, например сварку через прозрачные оболочки, так как для световых лучей они не являются преградой. Малая длительность термического цикла сварки позволяет получать качественные соединения на ряде материалов, особо чувствительных к длительному воздействию теплоты.
Важной областью применения лазерной технологии является сварка в микроэлектронике, радиоэлектронике, которая позволяет выполнять соединения из однородных и разнородных материалов (золото—германий, золото— кремний, никель—тантал и др.) на воздухе, в защитной атмосфере, в вакууме.
Использование лазеров непрерывного действия на углекислом газе дает возможность получения соединений толщиной до 15 мм. Высокая плотность энергии луча обеспечивает преимущества, характерные для электронно-лучевой сварки, однако при этом нет необходимости размещать изделие в вакууме.
В отличие от лазерной сварки в установках для сварки и пайки световым лучом используют мощные источники излучения, свет от которых фокусируется специальными линзами и отражателями в пятне нагрева (рис.8). Для технологических целей наиболее удобные излучатели дуговые, ксеноновые лампы сверхвысокого давления (до 1 МПа). Плотность энергии в пятне нагрева в установках для сварки световым лучом достигает 103 Вт/см2 Область рационального применения — приборостроение.
Вопросы для самопроверки:
1.Какие физические процессы протекают при сварке?
2.Какие способы сварки наиболее широко применяются в промышленности? З.От чего зависит выбор сварного соединения?
4.Из какого материала изготовляют электроды для дуговой сварки?
5.Каковы достоинства, недостатки и область применения электродуговой сварки на постоянном токе?
6.В чем особенности электродуговой сварки цветных металлов?
7.Перечислите способы автоматической электродуговой сварки.
8.Сущность атомно-водородной сварки.
9.Каковы основные правила техники безопасности при электродуговой сварке?
10.Каковы достоинства и область применения точечной сварки?
11.Какие электроды применяют при контактной сварке?
12.Укажите виды стыковой сварки и область применения.
