CrewTraffic - Maritime community CrewTraffic - Maritime community

Особые виды сварки плавлением

Подводная сварка

Лазерная сварка.

Это вид сварки плавлением с помощью когерентного светового луча (пучка фотонов, вырабатываемых в квантовых генераторах). Световой луч оптической системой сосредотачивается на поверхности металла. Энергия фотонов при поглощении их атомами кристаллической решётки металла превращается в теплоту, используемую для его плавления и образования глубокой сварочной ванны.

На рис. 1.16 показана схема лазерной сварки ребра жёсткости к листу при изготовлении сотовых панелей в судостроении.

Схема лазерной сварки

В физической сущности лазерной сварки можно выделить характерные этапы образования сварочной ванны:

поглощение лазерного излучения поверхностью металла; плавление и нагрев поверхностного слоя расплава до температуры, близкой к температуре кипения металла; образование парогазового канала за счёт реактивной силы парового потока; плазмообразование при взаимодействии лазерного излучения с парами металла.

Плотность энергии в пятне нагрева достигает 105...108 В т/м2. Наличие паров металла при повышении плотности энергии луча приводит к оптическому пробою воздушного промежутка между соплом и поверхностью металла и образованию плазмы, в результате чего лазерный пучок в плазменном сгустке поглощается и деформируется, что снижает эффективность процесса. Таким образом, плазменный факел на поверхности ванны уменьшает эффективность действия лазерного луча, поэтому при сварке необходимо применять импульсно-периодический режим его действия для устранения развития плазмы как экрана. Этот режим достигается за счет периодического отключения лазерного луча.

Математическая модель предельных параметров лазерной сварки может быть выражена формулой

Где hc – глубина проплавления, см; P0 – средняя мощность излучения, Вт; ηэф – эффективный КПД процесса расплавления; Еуд – удельное теплосодержание металла, Дж/см3 dл – диаметр лазерного луча, см; νсв – скорость сварки, см/с bp – ширина распространения расплавленной зоны в направлении, перпендикулярном плоскости шва, см

По сравнению с дуговой лазерная сварка имеет преимущества:

более высокая скорость сварки за счёт большей плотности энергии в пятне нагрева; более высокое качество шва, достигаемое без дополнительной защиты сварочной ванны; минимальные размеры зоны термического влияния при высокой концентрации энергии в пятне нагрева площадью ≈10-7 см2; минимальный расход сварочных материалов; отсутствие сварочных деформаций (погонная энергия в 7...10 раз больше, чем при сварке под флюсом).

На рис. 1.17 показано сравнение скорости дуговой сварки за два прохода и лазерной за один проход в зависимости от толщины металла.

Повышение скорости сварки может быть достигнуто при применении комбинированной лазерно-дуговой сварки, выполняемой по вариантам:

1)лазерный луч используется для подварки корня шва, основной шов выполняется сваркой в СO2 или в другом защитном газе;

2)лазерный луч и дуга действуют одновременно в единой зоне, дополняя друг друга.

Зависимость скорости сварки лазерной (Лаз) и электродуговой под флюсом (Аф) от толщины металла

Электронно-лучевая сварка.

В качестве источника нагрева при этом виде сварки используется концентрированный поток электронов, движущихся в вакууме со скоростью до 165 тыс. км/с. Кинетическая энергия потока электронов при бомбардировке поверхности свариваемого металла превращается в тепловую, за счёт которой происходит нагрев и расплавление металла.

Электронный луч можно фокусировать и тем самым изменять в значительных пределах зону нагрева. В сварочных установках диаметр пятна нагрева изменяется от 0,5 до 5 мм, плотность энергии в нём достигает от 104 до 106 Вт/см2. Эго позволяет выполнять сварку металла швами, у которых глубина проплавления в 15...20 раз превышает ширину шва, достигая 40...50 мм и более.

Процесс сварки осуществляется в вакуумной камере (рис.1.18), в верхней части которой размещают электронную пушку, а в нижней сварочный стол. Изделие при сварке перемещается вместе со столом или остаётся неподвижным. Во втором случае с помощью отклоняющей магнитной системы по заданной траектории перемещается электронный луч.

Схема электронно-лучевой сварки

Электронная пушка представляет собой вакуумный прибор, в котором происходит мощная электронная эмиссия от катода к аноду (свариваемому изделию). Поток электронов разгоняется электрическим полем (между катодом и анодом) напряжением в несколько десятков тысяч вольт и фокусируется до размеров диаметра луча 3...10 мм.

Плотность электрической энергии в луче и, следовательно, температура нагрева свариваемого металла регулируют изменением напряжения магнитного поля фокусирующей линзы. Удельная тепловая мощность электронного луча в сотни и тысячи раз больше, чем у обычной сварочной дуги. Высокая концентрация энергии (5 •108 Вт/см2) позволяет сваривать металл большой толщины за один проход.

К подготовке кромок под сварку и точности их сборки предъявляются жёсткие требования по зазору. Сварка в большинстве случаев осуществляется без подачи присадочного металла. При сварке стыковых соединений со сквозным проплавлением за один проход используют остающиеся или съёмные формирующие подкладки.

К преимуществам электронно-лучевой сварки относят высокое значение КПД источника нагрева, высокую производительность (скорость сварки в 2,5...5,0 раза больше, чем при дуговой), незначительный размер зоны термического влияния, уменьшение расхода электроэнергии и др. Недостатки - сложность оборудования, длительность подготовки вакуумной камеры, опасность облучения обслуживающего персонала.

Особые виды сварки плавлением

Импульсно-дуговая сварка применяется для повышения устойчивости горения дуги, улучшения переноса металла электрода и формирования шва, для уменьшения сварочных деформаций. Сварка осуществляется путём наложения импульсов тока большой величины на сварочный ток при параллельном включении в сварочную цепь импульсного генератора и конденсатора.

Сварка под водой (ручная, автоматическая и полуавтоматическая) производится за счёт горения дуги в парогазовом пузыре, в котором происходит интенсивное плавление металла (см. рис. 1.19). Парогазовый пузырь образуется за счёт испарения и разложения воды, паров расплавленного металла и электродного покрытия. Взвешенные в воде продукты сгорания металла и электродного покрытия образуют «облако мути», затрудняющее наблюдение за дугой. Поэтому для сварки применяют специальные электроды с тугоплавким покрытием (не образующим «облако мути»).

Схема дуговой сварки под водой

Водонепроницаемость покрытия достигается его пропиткой парафином, растворами целлулоида в ацетоне и синтетических смол в дихлорэтане, нитролаке. Электрододержатели должны иметь надёжную электроизоляцию. Смена электрода производится только после отключения питающего тока. Устойчивое горение дуги под водой объясняется принципом минимума энергии Штеенбека (усиленное охлаждение какого-либо участка дуги компенсируется увеличением количества выделяемой на нём энергии). Для компенсации тепловых потерь из-за охлаждающего действия воды и наличия большого количества водорода для сварки под водой необходимо более высокое напряжение на дуге.

Техника выполнения сварки под водой более сложна, чем на воздухе. Это связано с плохой видимостью в воде, тяжёлым и неудобным для движения водолазным снаряжением, необходимостью дополнительных затрат на преодоление течения, возможностью нарушения устойчивости сварщика на грунте, неприспособленностью человеческого организма для работы на больших глубинах. В связи с этим для сварных соединений характерны непровары, подрезы, наплывы, поры и др. Недостатком является также малая пластичность наплавленного металла шва.

Сварка в космосе. Впервые мысль о необходимости выполнения работ но сварке и резке в космосе высказал С.П. Королев в 1965 г. Основные отличия космических условий от земных: глубокий вакуум при неограниченной скорости диффузии газов из зоны сварки; широкий интервал температур, при которых может находиться свариваемое изделие; отсутствие сил тяжести. Кроме того, на качество сварки влияет ряд второстепенных факторов ограниченная подвижность космонавта- оператора в скафандре, повышенные требования безопасности работ и др. Первые эксперименты по сварке в космосе проведены 16 октября 1969 г. на корабле «Союз-6» Г.С. Шониным и В.Н. Кубасовым с использованием установки «Вулкан». Установка позволяла в автоматическом режиме выполнять дуговую, плазменную и электронно-лучевую сварку.

При дуговой сварке в космосе в наибольшей степени изменяется процесс переноса электродного металла. Капля вырастает до значительных размеров (много больше диаметра электрода), держится на конце электрода долго - около 3 с. Увеличение размера капли снижает плотность тока, уменьшает устойчивость горения дуги. Наложение на дугу импульсов тока значительно улучшает процесс.

В период с 1979 но 1984 гг. в космосе проводились эксперименты по нанесению тонкоплёночных металлических покрытий на образцы из конструкционных сталей методом термического испарения и конденсации.

Эксперименты проводились на установках типа «Испаритель». 25 июня 1984 г. космонавтами С. Савицкой и В. Джанибековым были впервые проведены эксперименты по электронно-лучевой сварке с выходом в открытый космос. Применялся сварочный аппарат УРИ (универсальный ручной инструмент). Он позволял осуществлять сварку, резку, пайку, нагрев металла, нанесение покрытий. Масса сварочного аппарата составляла около 30 кг, электронно-лучевой пушки 2,5 кг. Потребляемая мощность - 750 Вт. Сваривались и разрезались образцы из стали и титана. Было получено достаточно высокое качество соединений. Механические свойства шва достаточно высокие, дефектов не больше, чем в земных условиях. При резке же имелись затруднения по удалению расплавленного металла из разреза (в связи с невесомостью). Кроме того, было выявлено, что при нагреве трудно даже приблизительно контролировать температуру металла, так как в открытом космосе на нём не образуются цвета побежалости.

Литература

Основы сварки и газотермических процессов в судостроении и судоремонте - Бурмистров Е.Г. [2017]

No comments yet. Be the first to add a comment!
By continuing to browse the site, you agree to our use of cookies.