Сварка металлов электронным лучом

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) основана па использовании кинетической энергии электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме, для нагрева и расплавления кромок заготовок. Для осуществления этого способа, как правило, используют то же оборудование, что и при электронно-лучевой размерной обработке, рассмотренной в гл. 12 (см. рис. 12.12). Некоторые отличия состоят в реализуемых режимах. Сварка электронным лучом возможна только в том случае, если в сварочной камере и камере электронной пушки (где помещается катод) остаточное давление ниже 1,33•10−2 Н/м2. При давлении выше указанного значения могут возникнуть дуговые разряды, исключающие возможность сварки этим способом. Скорость процесса определяется скоростью перемещения заготовки в камере под неподвижным пятном луча или отклонения самого луча с помощью отклоняющей системы. За ходом сварки наблюдают через иллюминаторы и с помощью телевизионных систем.

Способ ЭЛС можно применять практически для всех материалов, в том числе и разнородных, например металла с керамикой. Особенно выгодно соединять заготовки из тугоплавких и химически активных металлов Nb, Та, Mo, W, Ti, Zr. В качестве примера на рис. 18.23 показан образец соединения сваркой элементов детали, выполненных из ниобиевого сплава. Визуально шов на сферической поверхности практически незаметен, поэтому зона шва выделена пунктирными линиями и указана стрелкой.

Рис. 18.23. Деталь из ниобиевого сплава, полученная ЭЛС.

Благодаря идеальной защите от влияния атмосферного воздуха обеспечиваются высокое качество сварки, а также небольшое и концентрированное на малой площади количество теплоты, вводимой в заготовку. Этот метод позволяет проплавлять заготовки толщиной до 200 мм за один проход при ширине шва 1 -5 мм.

Сварка материалов лазерным лучом

Сварка материалов лазерным лучом аналогична по принципу действия размерной обработке лазером. Структурная схема лазерной установки для сварки материалов показана на рис. 18.24, принципиальная — на рис. 18.25.

Рис. 18.24. Структурная схема лазерной технологической установки:

1 — излучатель; 2 — источник питания; 3 — блок импульсной лампы; 4 — система охлаждения; 5 — устройство для дозирования энергии; 6 — оптическая система для фокусирования и наблюдения;/ - рабочий стол; 8 — система автоматической стабилизации выходной энергии; 9 — программирующее устройство.

Рис. 18.25. Принципиальная схема лазерной установки:

а — наведение на место сварки; б — сварка; 1 — лампа подсветки системы наведения; 2 — импульсная лампа накачки; 3 — призма двойного преломления; 3 — конденсаторная линза; 5.7 — резонаторы; в — кристалл рубина; 8 — линза сменного объектива; 9 — лампа подсвета микроскопа; 10 — шторка; 11 — микроскоп; 12 — призма оптической головки; 13 — диафрагма; 14 — светофильтр Лазер является тепловым источником с примерно такой же плотностью энергии, как и у электронного луча. Однако КПД лазерных установок с твердым кристаллом низкий. Сварка с помощью лазера выгодно отличается от сварки электронным лучом тем, что может выполняться в любой среде, передающей лучи, — на открытом воздухе и т. д. С помощью лазера можно сваривать очень тонкие металлические элементы (спирали, кольца), изготовленные из проволоки диаметром в несколько десятков микрон. Малая длительность термического цикла лазерной сварки особенно ценна, так как позволяет получать качественные соединения ряда металлов, крайне чувствительных к длительному воздействию теплоты. Лазерный луч с помощью зеркальных оптических систем легко транспортируется и направляется в труднодоступные места. При этом обеспечивается надежное и оперативное управление процессом с регулируемыми энергетическими характеристиками.

В отличие от электронного луча, дуги и плазмы на лазерный луч не влияют магнитные поля свариваемых деталей и технологической оснастки. Это позволяет получать устойчивое качественное формирование сварного соединения по всей длине.

Для сварки металлов используют твердотельные и газовые лазеры как периодического, так и непрерывного действия. Благодаря высокой концентрации энергии лазерного излучения в процессе сварки обеспечиваются малый объем расплавленного металла, незначительные размеры околошовной зоны термического влияния, высокие скорости нагрева и охлаждения металла шва и околошовной зоны (рис. 18.26).

Рис. 18.26. Шов, полученный лазерным лучом.

Эти особенности теплового воздействия предопределяют минимальные деформации сварных конструкций, специфику физико-химических и металлургических процессов в деталях, высокую технологическую прочность и характерные свойства полученных сварных соединений. Лазерную сварку осуществляют в широком диапазоне режимов, обеспечивающих высокопроизводительный процесс соединения различных металлов толщиной от нескольких микрон до десятков миллиметров. Основными энергетическими признаками, характеризующими лазерную сварку, являются плотность мощности лазерного излучения Е и длительность воздействия ?. При непрерывном лазерном излучении длительность воздействия определяется продолжительностью времени экспозиции, при импульсном — длительностью импульса.

На практике процессы лазерной сварки осуществляют с плотностями мощности излучения в диапазоне Е = = 106?107 Вт/см2. При Е< 106 Вт/см2 лазерное излучение теряет свое основное достоинство — высокую концентрацию энергии. В этом случае целесообразнее использовать традиционные методы сварки плавлением.

Лазерную сварку непрерывным излучением ведут на скоростях, в несколько раз превышающих традиционные методы сварки плавлением. Это условие экономически целесообразно не только благодаря высокой производительности процесса, но и вследствие малых затрат энергии на единицу длины шва, определяемых низким значением погонной энергии, т. е. отношением мощности излучения к скорости сварки. Однако при лазерной сварке импульсным излучением скорость процесса значительно ниже и практически сопоставима со скоростями при традиционных методах сварки.

Локальность процесса лазерной сварки обеспечивается концентрацией излучения в пятно малых размеров диаметром 0,1 мм и менее. Благодаря этому условию имеют место малая ширина шва, незначительные пластические деформации и, как следствие, минимальные остаточные деформации сварных соединений. Таким образом, лазерную сварку можно рекомендовать для получения прецизионной конструкции. Причем высокая точность конструкций обеспечивается без последующей правки или механической обработки. Малые размеры швов позволяют весьма экономно проектировать сварные детали и конструкции. Следует отметить, что лазерная сварка может беспрепятственно выполняться в различных пространственных положениях.