Лучевые способы сварки

В зависимости от способа превращения лучевой энергии в тепловую, различают электронно-лучевую и лазерную сварку. Это быстроразвивающиеся способы соединения различных тугоплавких металлов, разнородных, химически активных сплавов, качественных сталей, сплавов высокой прочности на основе титана и алюминия.

1. Электронно-лучевая сварка (ЭЛС)

Сварка электронным лучом представляет собой результат взаимодействия пучка электронов, ускоренных электрическим полем, с поверхностью металла, которой эти электроны отдают накопленную кинетическую энергию, расплавляя и даже частично испаряя металл.

Для соединения трудносвариваемых металлов: молибден, тантал, цирконий, ниобий и вольфрам, с высокой температурой плавления и химической активностью, используется источник тепла большой концентрации с защищенной зоной сварки. Основой процесса является создание электронного луча с помощью электронной пушки (рис. 31). Пушка питается электрической энергией от высоковольтного источника постоянного тока через спираль над катодом 3.

В камере 2 с глубоким вакуумом между катодом 3 и анодом 4, имеющим в середине отверстие, создается поток электронов, или электронный луч 1 (рис. 31).

Для увеличения плотности энергии электронный луч фокусируют магнитными линзами 5 и 6 на заземленное изделие 7. Управление электронным лучом осуществляется магнитным устройством 8, отклоняющим луч в нужном направлении и позволяющим установить его строго по линии сварки.

Для того чтобы снизить потерю кинетической энергии электронов вследствие соударения с молекулами газов воздуха, а также для химической и тепловой защиты катода, в пушке создается вакуум.

Технический вакуум при ЭЛС выполняет несколько функций:

• снижает потерю кинетической энергии электронов, позволяя частицам достигать поверхности изделия, почти не соприкасаясь с молекулами воздуха;
• предотвращает дуговой разряд между анодом и катодом, обеспечивает химическую защиту катода;
• защищает расплавленный металл от взаимодействия с окружающей атмосферой более эффективно, чем защитный газ или флюс;
• способствует улучшению дегазации сварочной ванны и удалению оксидных пленок, что сказывается на качестве соединения.

Энергия электронного луча преобразуется в тепловую энергию, сосредоточенную внутри тонкого поверхностного слоя. Значения эффективного КПД при электронно-лучевой сварке 0,85–0,95. Электронный луч по сравнению c другими сварочными источниками энергии, использующимися при сварке плавлением, наиболее эффективен.

Высокая концентрация энергии луча при минимальной площади места нагрева (до 10^–7 см²) ведет к уменьшению термических деформаций в ходе сварки и формированию шва с кинжальной формой проплавления.

«Кинжальное», или глубокое, проплавление c соотношением глубины проплавления к его ширине до 10 (Н):1 (В) и более (рис. 32, а) возникает благодаря высокой плотности и мощности пучка электронов. Высокая концентрация энергии в луче позволяет сваривать за один проход металл толщиной до 100 мм и получать при больших скоростях электроннолучевой сварки узкие и глубокие швы с малой зоной термического влияния. Поперечное сечение шва имеет слабосходящиеся или параллельные боковые стенки, что обеспечивает минимальные угловые деформации.

На рис. 32, б видно, что плавка металла лучом 1 происходит по передней стенке углубления кратера 2, а расплавляемый металл сдвигается по боковым стенкам к задней стенке 4, где он кристаллизуется 3.

Сварка непрерывным лучом, при работе с легкоиспаряющимися металлами (например, магний, алюминий) уменьшает эффективность электронного потока, как и количество выделяющейся теплоты ввиду потери энергии при ионизации паров металлов. Поэтому такие сварочные работы проводят импульсным электронным лучом с частотой импульсов 100–500 Гц и с большой плотностью энергии, что ведет к повышению глубины конуса проплавления. Этим способом возможно сваривать очень тонкие металлические листы. В случае если происходит образование подрезов, их можно удалить сваркой расфокусированным либо колеблющимся лучом.

Кромки при сварке толстои тонколистовых металлов обязательно подвергаются механической очистке от загрязнений, ржавчины и оксидных пленок, а окончательная очистка, в зависимости от свариваемого металла и степени шероховатости очищаемой поверхности, различными физико-химическими способами. Непосредственно перед сваркой внешнюю поверхность свариваемых деталей в области стыка можно очищать c помощью маломощного сканирующего электронного пучка. При этом пучок должен незначительно оплавлять очищаемую поверхность.

Рис. 31. Схема установки для сварки электронным лучом: 1 – луч; 2 – вакуумная камера; 3 – катод; 4 – анод; 5, 6 – фокусирующие магнитные линзы, 7 – изделие; 8 – управляющая система

Рис. 32. Форма поперечного сечения сварного шва в металле при ЭЛС: а – размеры шва; В, А – глубина, ширина и усиление шва соответственно; б – схема переноса жидкого металла при электронно-лучевой сварке; 1 – электронный луч; 2 – передняя стенка кратера, 3 – зона кристаллизации; 4 – путь движения жидкого металла

Перед сваркой требуется точная сборка деталей. При толщине металла до 5 мм зазор допускается не более 0,07 мм, а при толщине до 20 мм необходимо обеспечивать зазор до 0,1 мм и точное направление луча по оси стыка (отклонение не больше 0,2–0,3 мм).

К недостаткам электронно-лучевой сварки относятся:

• образования несплавлений и полостей в корне шва на металлах с большой теплопроводностью и швах с большим отношением глубины к ширине;
• длительное время для создания вакуума в рабочей камере после загрузки изделий;
• необходимость обеспечения биологической защиты персонала от рентгеновского излучения, возникающего при соударении электронного пучка с твердой поверхностью изделия.

Наиболее широко освоено промышленное применение электроннолучевой сварки в авиакосмической промышленности, ядерной энергетике, энергетическом машиностроении, турбиностроении, электровакуумном, приборном и релейном производстве, автомобильной промышленности и др.

2. Лазерная сварка

Лазерный луч по сравнению с обычным световым лучом обладает рядом свойств – направленностью, монохроматичностью и когерентностью.

Благодаря направленности лазерного луча его энергия концентрируется на сравнительно небольшом участке. В отличие от обычного «белого» света, состоящего из лучей с различными частотами, монохромный лазерный луч имеет определенную частоту и длину волны. За счет этого он отлично фокусируется оптическими линзами, поскольку угол преломления луча в линзе постоянен. Когерентность – это согласованное протекание во времени нескольких волновых процессов. Когерентные колебания вызывают резонанс, усиливающий мощность излучения.

Луч, полученный от лазера, может быть сфокусирован на очень маленькую поверхность металла и создать на ней плотность энергии достаточную для плавления металла.

Термин «лазер» происходит от первых букв английской фразы:

«Light amplification by the stimulated emission of radiation», что означает в переводе: «Усиление света посредством индуцирования эмиссии излучения». Академики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и американский ученый Ч. Таунсом, удостоенные в 1964 г. Нобелевской премии за теоретическое обоснование и разработку лазеров, так характеризовали лазер: «Это устройство, в котором энергия: тепловая, химическая, электрическая – преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерный луч. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние».

Основные элементы лазера – это генератор накачки и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры. В твердотельных лазерах (рис. 33) в качестве активной среды чаще всего применяют стержни из розового рубина – окиси алюминия А1₂О₃ с примесью ионов хрома Сr³⁺. При облучении ионы хрома переходят в другое энергетическое состояние – возбуждаются и затем отдают запасенную энергию в виде света.

На торцах рубинового стержня нанесен слой отражающего вещества (например, серебра) так, что с одного конца образовано непрозрачное, а с другого – полупрозрачное зеркало. Излучение ионов хрома, отражаясь от этих зеркал, циркулирует параллельно оптической оси стержня, возбуждая новые ионы, – идет лавинообразный процесс. Происходит бурное выделение лучистой энергии, которая излучается параллельным пучком через полупрозрачное зеркало и фокусируется линзой в месте сварки. Выходная мощность твердотельных лазеров достигает 10⁷ Вт при сечении луча менее 1 см². В фокусе достигается громадная концентрация энергии, позволяющая получать температуру до миллиона градусов.

Рис. 33. Схема твердотельного лазера: 1 – рубиновый стержень; 2 – генератор накачки; 3 – отражатель; 4 – непрозрачное зеркало; 5 – охлаждающая среда; 6 – источник питания; 7 – полупрозрачное зеркало; 8 – световой луч; 9 – фокусирующая линза; 10 – заготовки

При работе в импульсном режиме существенный недостаток твердотельного лазера – низкий КПД (0,01–2,0 %). Более высокий КПД и мощность у газовых лазеров. В качестве активной среды в них применяют чаще всего СО₂ или смесь газов, генераторами накачки могут служить искровые разрядники или электронный луч.

Лазерную сварку производят на воздухе или в среде защитных газов: аргона, СО₂. Вакуум, как при электронно-лучевой сварке, здесь не нужен, поэтому лазерным лучом можно сваривать крупногабаритные конструкции.

Лазерный луч легко управляется и регулируется, с помощью зеркальных оптических систем легко транспортируется и направляется в труднодоступные для других способов места. В отличие от электронного луча и электрической дуги на него не влияют магнитные поля, что обеспечивает стабильное формирование шва. Из-за высокой концентрации энергии (в пятне диаметром 0,1 мм и менее) в процессе лазерной сварки объем сварочной ванны небольшой, ширина зоны термического влияния малая, скорости нагрева и охлаждения высокие. Это обеспечивает высокую технологическую прочность сварных соединений, небольшие деформации сварных конструкций.

Например, лазерная сварка по сравнению с дуговой сваркой увеличивает надежность соединения, потому что более чем вдвое уменьшается площадь сечения сварного шва, в несколько раз – время сварки, а деформации изделия практически отсутствуют.

Промышленные сварочные установки с твердотельными лазерами позволяют вести шовную сварку со скоростью до 5 мм/с при частоте импульсов до 20 Гц. Сварку можно вести с присадочным материалом в виде

проволоки диаметром менее 1,5 мм, ленты или порошка. Использование присадки позволяет увеличивать сечение шва, избежать его ослабления, а также легировать металл шва. Легирующие элементы при лазерной сварке можно также наносить предварительно на поверхности свариваемых кромок напылением, обмазкой, электроискровым способом и т. п.

Широкое внедрение лазерной сварки сдерживается стоимость технологических лазеров, что требует тщательного выбора области применения процесса. Однако, если применение традиционных способов не дает желаемых результатов либо технически неосуществимо, рекомендуют лазерную сварку. К таким случаям относится необходимость получения прецизионной (высокоточной) конструкции, форма и размеры которой не должны меняться в результате сварки.

Ножны и сабля

Рис. 34. Ножны кавказской сабли до и после лазерной сварки

Лазерная сварка целесообразна, когда она позволяет значительно упростить технологию изготовления сварных изделий, выполняя сварку как заключительную операцию, без последующей правки или механической обработки, также при необходимости соединения трудносвариваемых, в том числе разнородных материалов, лазерная сварка может оказаться единственным процессом, обеспечивающим качественные сварные соединения.

Например, достоинством лазерной установки в процессе реставрационной сварки является возможность обеспечения чрезвычайно тонкой фокусировки и точной дозировки энергии лазерного луча.

На ножнах кавказской сабли (середина XIX века, серебро) было необходимо ликвидировать развивающуюся трещину длиной 55 мм (рис. 34). Даже при незначительном нажатии трещина постепенно увеличивалась.

Чтобы остановить развитие трещины, в месте ее начала несколькими лазерными импульсами была выполнена точечная сварка. Затем края трещины удалось свести на расстояние, позволяющее выполнить сварку уже по всей длине. В некоторых местах, где края плотно не сошлись, пришлось воспользоваться присадочной серебряной проволокой. В результате сварной шов получился практически незаметным.