Лучевая сварка

Содержание

Введение……………………………………………………………………… 2

Глава 1. Электронно-лучевая сварка – как один из методов соединения металлов и их сплавов

1. Понятие лучевой сварки и отличие ее от других видов…………………………………………………………………………. 3
2. Технологические условия для возможности выполнения лучевой сварки…………………………………………………………………………11
3. Конструкции с эффективным применением лучевой сварки………………………………………………………………………....13

Глава 2. Расчет на прочность при разработке сварных конструкций электронно-лучевым способом

2.1 Экономические аспекты применения лучевой сварки………………..15

2.2 Методы расчета сварных  соединений на прочность………………....21

Заключение…………………………………………………………………...31

Список литературы………………………………………………………….32

Введение

В течение последних 30 лет  сформировалась электронно- и ионно- лучевая технология обработки материалов. В этой новой области электронные  и ионные пучки непосредственно  используются для осуществления  технологических процессов. Возможные  применения электронно- и ионно- лучевой  технологии простираются от получения  субмикроскопических структур в  микроэлектронике до выплавки крупных  слитков в металлургии. Общим  для всех этих установок является использование электронных и  ионных пучков.

Приблизительно в 1965 году электронно-лучевая плавка, сварка, напыление и обработка поверхностей были внедрены в промышленное производство. В настоящее время широко используются в производстве и ионно-лучевые  технологии. Освоение лазерных технологий значительно повышает эффективность  современного производства.

Цель исследования:

Рассмотреть основные положения  сварных работ электронно-лучевым  способом.

Объект исследования:

Качество сварных соединений электронно-лучевым способом

Изучение процесса сварки металлов и сравнение методов  их проведения

Задачи:

- Проанализировать существующие  виды сварки

- Определить требования, предъявляемые к процессу сварки  в  электронно-лучевой установке

- Проанализировать методы  расчета сварных соединений

Методы исследования:

Анализ технической (технологической)  литературы, спец.  литературы по основам  проектирования, по обработке материалов.

Глава 1. Электронно-лучевая  сварка – как один из методов  соединения металлов и их сплавов

1.1.Понятие лучевой сварки и отличие ее от других видов

В данном разделе курсовой работы будет рассмотрена электронно-лучевая  сварка (ЭЛС) и ее отличие от других.

Сварка – это технологический процесс получения неразъемного соединения посредством установления межатомных и межмолекулярных связей между свариваемыми частями изделия при их нагреве (местном или общем), или пластическом дефармировании.

Виды сварки:

Сварка  плавлением осуществляется при нагреве сильным концентрированным источником тепла (электрической дугой, плазмой и др.) кромок свариваемых деталей, в результате чего кромки в месте соединения расплавляются, самопроизвольно сливаются, образуя общую сварочную  ванну, в которой происходят некоторые физические и химические процессы.

Сварка  давлением осуществляется пластическим деформированием металла в месте соединения под действием сжимающих усилий. В результате различные загрязнения и окислы на свариваемых поверхностях вытесняются наружу, а чистые поверхности сближаются по всему сечению на расстояние атомного сцепления.

Основные  виды сварки:

Ручная дуговая сварка осуществляется покрытыми металлическими электродами. К электроду и свариваемому металлу подводится переменный или постоянный ток, в результате чего возникает дуга, постоянную длину которой необходимо поддерживать на протяжении всего процесса сварки.

Дуговая сварка под флюсом. Сущность сварки состоит в том, что дуга горит под слоем сварочного флюса между концом голой электродной проволоки. При горении дуги и плавлении флюса создаётся газошлаковая оболочка, препятствующая отрицательному воздействию атмосферного воздуха на качество сварного соединения.

Дуговая сварка в защитном газе производится как неплавящимся (чаще вольфрамовым), так и плавящимся электродам.

При сварке неплавящимся электродом дуга горит между электродом и  свариваемым металлом в защитном инертном газе. Сварочная проволока  вводится в зону сварки со стороны.

Сварка плавящимся электродам выполняется на полуавтоматах и  автоматах. Дуга в данном случае возникает  между непрерывно подающейся голой  проволокой и свариваемым металлом. 

В качестве защитных газов  применяют инертные (аргон, гелий, азот) и активные газы  (углекислый газ, водород, кислород), а также смеси аргона с гелием, либо углекислым газом, либо кислородом; углекислого газа с кислородом и др.

Газовая сварка осуществляется путём нагрева до расплавления свариваемых кромок и сварочной проволоки высокотемпературным газокислородным пламенем от сварочной горелки. В качестве горючего газа применяется ацетилен и его заменители (пропан-бутан, природный газ, пары жидких горючих и др.)

Электрошлаковая сварка применяется для соединения изделий любой толщины в вертикальном положении. Листы устанавливают с зазором  между свариваемыми кромками. В зону сварки подают проволоку и флюс. Дуга горит только в начале процесса. В дальнейшем после расплавления определённого количества флюса дуга гаснет, и ток проходит через расплавленный шлак. 

Контактная  сварка осуществляется при нагреве деталей электрическим током и их пластической деформации (сдавливании) в месте нагрева. Местный нагрев достигается за счёт сопротивления электрическому току свариваемых деталей в месте их контакта. Существует несколько видов контактной сварки, отличающихся формой сварного соединения, технологическими особенностями, способами подвода тока и питания электроэнергией.

Виды контактной сварки:

• стыковой  контактной сварке свариваемые части соединяют по поверхности стыкуемых торцов.
• точечной контактной сваркой соединение элементов происходит на участках, ограниченных площадью торцов электродов, подводящих ток и передающих усилие сжатия.
• рельефная контактная сварка осуществляется на отдельных участках по заранее подготовленным выступам – рельефам.              
• шовной контактной сварке соединение элементов выполняется внахлёстку вращающимися дисковыми электродами в виде непрерывного или прерывистого шва.

Электронно-лучевая  сварка. Сущность процесса сварки электронным лучом состоит в использовании кинетической энергии электронов, быстро движущихся в глубоком вакууме. При бомбардировке поверхности металла электронами подавляющая часть их кинетической энергии превращается в теплоту, которая используется для расплавления металла.

Для сварки необходимо: получить свободные электроны, сконцентрировать их и сообщить им большую скорость, чтобы увеличить их энергию, которая при торможении электронов в свариваемом металле превращается в теплоту.

Электронно-лучевой сваркой  сваривают тугоплавкие и редкие металлы, высокопрочные, жаропрочные  и коррозионно-стойкие сплавы и  стали.

Диффузионная  сварка  в вакууме имеет следующие преимущества: металл не доводится до расплавления, что даёт возможность получить более прочные сварные соединения и высокую точность размеров изделий; позволяет сваривать разнородные материалы: сталь с алюминием, вольфрамом, титаном, металлокерамикой, молибденом, медь с алюминием и титаном, титан с платиной и т. п. 

Плазменной  сваркой можно сваривать как однородные, так и разнородные металлы, а также неметаллические материалы. Температура плазменной дуги, применяемой в сварочной технике, достигает 30 000 C. Для получения плазменной дуги применяются плазмотроны с дугой прямого или косвенного действия. В плазмотронах прямого действия плазменная дуга образуется между вольфрамовым электродом и основным металлом. Сопло в таком случае электрически нейтрально и служит для сжатия и стабилизации дуги. В плазмотронах косвенного действия плазменная дуга создаётся между вольфрамовым электродом и соплом, а струя плазмы выделяется из столба дуги в виде факела. Дугу плазменного действия называют плазменной струёй. Для образования сжатой дуги вдоль её столба через канал в сопле пропускается нейтральный одноатомный (аргон, гелий) или двухатомный газ (азот, водород и другие газы и их смеси). Газ сжимает столб дуги, повышая тем самым температуру столба.

Лазерная  сварка. Лазер – оптический квантовый генератор (ОПГ). Излучателем – активным элементом – в ОРГ могут быть: 1) твёрдые тела – стекло с неодимом, рубин и др.; 2) жидкости – растворы окиси неодима, красители и др.; 30 газы и газовые смеси – водород, азот, углекислый газ и др.; 4)  полупроводниковые монокристаллы – арсениды галлия и индия, сплавы кадмия с селеном и серой и др. Обрабатывать можно металлы и неметаллические материалы в атмосфере, вакууме и в различных газах. При этом луч лазера свободно проникает через стекло, кварц, воздух.

Холодная  сварка металлов. Сущность этого вида сварки состоит в том, что при приложении большого давления к соединяемым элементам в месте их контакта происходит пластическая деформация, способствующая возникновению межатомных сил сцепления и приводящая к образованию металлических связей. Сварка производится без применения нагрева. Холодной сваркой можно получать соединения стык, внахлёстку и втавр. Этим способом сваривают пластичные металлы: медь, алюминий и его сплавы, свинец, олово, титан.

Сварка  трением выполняется в твёрдом состоянии под воздействием теплоты, возникающей при трении поверхностей свариваемых деталей, с последующим приложением сжимающих усилий. Прочное сварное соединение образуется в результате возникновения  металлических связей  между контактирующими поверхностями свариваемых деталей.

Высокочастотная сварка основана на нагревании металла пропусканием через него токов высокой частоты с последующим сдавливанием обжимными роликами. Такая сварка может производиться с подводом тока контактами и с индукционным подводом тока.

Сварка  ультразвуком. При сварке ультразвуком неразъёмное соединение металлов образуется при одновременном воздействии на детали механических колебаний высокой частоты и относительно небольших сдавливающих усилий. Этот способ применяется при сварке металлов, чувствительных к нагреву, пластичных металлов, неметаллических материалов.

Сварка  взрывом основана на воздействии направленных кратковременных сверхвысоких давлений энергии взрыва порядка (100...200) Х 10⁸ Па на свариваемые детали. Сварку взрывом используют при изготовлении заготовок для проката биметалла, при плакировке поверхностей конструкционных сталей металлами и сплавами с особыми физическим и химическими свойствами, а также при сварке деталей из разнородных металлов и сплавов.

Электронно-лучевая  сварка (ЭЛС)

Рассмотри поподробнее ЭЛС:

На рис. 1.1 представлена типовая  функциональная схема электронно-лучевой  установки. Установка состоит из вакуумной камеры 1, в верхней  части которой размещается электронная  пушка 2. К пушке с помощью кабеля высокого напряжения подводятся питание  от высоковольтного выпрямителя 3. Внутри камеры может также находиться механизм перемещения 5 обрабатываемого изделия 6. Управление всеми агрегатами ведется  с пульта управления 4. Вакуум в технологической  камере создается с помощью  вакуумной системы 7.

Рис. 1.1 - Функциональная схема технологической электронно-лучевой установки: 1 - вакуумная камера; 2 - электронная пушка; 3 - высоковольтный выпрямитель; 4 - пульт управления; 5 - механизм перемещения обрабатываемого изделия; 6 -обрабатываемое изделие

Вакуум при электронно-лучевой  обработке необходим как для  создания и формирования электронного пучка, так и для защиты обрабатываемого  металла от действия кислорода и  азота воздуха, ускорения дегозации  металла при плавлении, удаления некоторых вредных примесей и  др.

 Способ ЭЛС основан на использовании энергии, высвобождаемой при торможении потока ускоренных электронов в свариваемых материалов [6]. Преобразование кинетической энергии в тепловую характеризуется высоким к.п.д.

 Схема установки для  электронно-лучевой сварки показана  на рис. 128. Она включает следующие  основные элементы: электроннолучевую  сварочную пушку 1 с системами  управления и электропитания, формирующую  поток электронов, электроны могут  быть ускорены до энергии 20—30 кэВ (низковольтные пушки), 30—100 кэВ  (пушки с промежуточным ускоряющим  напряжением), 100—200 кэВ (высоковольтные  пушки), вакуумную камеру4 с люками  загрузки и выгрузки деталей,  механизмами перемещения свариваемых  деталей5 и со смотровыми окнами 5, вакуумную систему, обеспечивающую  при сварке в рабочем объеме  камеры разрежение 10~4—10~5 мм рт. ст. Поток электронов, эмитируемых катодом, формируется предварительно электростатическим полем в области катод—анод.

Регулировка величины тока луча производится путем подачи отрицательного напряжения на управляющий (при катодный) электрод 2.

Величина удельной энергии, высвобождаемой в месте бомбардировки металла  потоком электронов, может изменяться с помощью системы электромагнитной фокусировки луча 7.

Для совмещения пятна нагрева  со сварным стыком при отклонении последнего от геометрической оси пушки  или при сварке по сложному контуру  служит система электромагнитного  отклонения луча 6.

Электронно-лучевые пушки изготовляют  стационарными или перемещаемыми  внутри вакуумной камеры. Размеры  вакуумной камеры определяют габариты свариваемого изделия. Установки для  сварки изделий малых и средних  габаритов, как правило, снабжают специальными механизмами для перемещения  изделий.

 Электронным лучом  можно сваривать вольфрам, молибден  и другие тугоплавкие металлы,  которые обычными методами не  свариваются.

Режимы электронно-лучевой  сварки встык без разделки кромок приведены в табл. 155.

Технические характеристики отечественных и зарубежных установок  для электронно-лучевой сварки даны в табл. 156.

При электронно-лучевой сварке кинетическая энергия электронов пучка используется для того, чтобы расплавить жестко ограниченные участки примыкающих  друг к другу деталей с тем, чтобы расплав, застывая, соединил детали. Положительной стороной электронно-лучевого способа сварки является возможность  создания относительно высокой удельной поверхностной мощности в пятне  пучка при достаточно высоких  значениях мощности всего пучка. Ввиду того, что процесс электронно-лучевой  сварки ведется в вакууме, этим способом можно сваривать детали из химически  активных металлов.

Электронно-лучевая сварка позволяет  получать сварные соединения с отношением глубины шва к его ширине, намного  большим единицы, чего невозможно добиться другими способами сварки плавлением.

Процесс сварки протекает следующим  образом. При достаточной поверхностной  мощности электронного пучка в месте  его встречи с поверхностью детали появляется небольшая ванночка с  расплавом. Если увеличить удельную поверхностную мощность, сфокусировав пучок более остро, то в обрабатываемом материале образуется паровая полость - канал проплавления. Этот эффект называют эффектом глубокого (кинжального) проплавления. Нарушение оптимального режима электронно-лучевой  сварки ведет к появлению в  швах дефектов, причем даже на хорошо свариваемых  материалах.

Сварка электронным  лучом имеет значительные преимущества:

• Высокая концентрация ввода теплоты в изделие, которая выделяется не только на поверхности изделия, но и на некоторой глубине в объёме основного металла. Фокусировкой электронного луча можно получить пятно нагрева диаметром 0,0002 … 5 мм, что позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. В результате можно получить швы, в которых соотношение глубины провара к ширине до 20:1 и более. Появляется возможность сварки тугоплавких металлов (вольфрама, тантала и др.), керамики и т. д. Уменьшение протяженности зоны термического влияния снижает вероятность рекристаллизации основного металла в этой зоне.
• Малое количество вводимой теплоты. Как правило, для получения равной глубины проплавления при электронно-лучевой сварке требуется вводить теплоты в 4—5 раз меньше, чем при дуговой. В результате резко снижаются коробления изделия.
• Отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла газами. Наоборот, в целом ряде случаев наблюдается дегазация металла шва и повышение его пластических свойств. В результате достигается высокое качество сварных соединений на химически активных металлах и сплавах, таких как ниобий, цирконий, титан, молибден и др. Хорошее качество электронно-лучевой сварки достигается также на низкоуглеродистых, коррозионно-стойких сталях, меди и медных, никелевых, алюминиевых сплавах.
• Отсутствие окисления расплавленного металла и гарантированное высокое качество сварного соединения, возможность сварки тугоплавких металлов, большая скорость сварки, не уступающая дуговой сварке.

Недостатки  электронно-лучевой сварки:

• Возможность образования несплавлений и полостей в корне шва на металлах с большой теплопроводностью и швах с большим отношением глубины к ширине;
• Для создания вакуума в рабочей камере после загрузки изделий требуется длительное время.

Электронно-лучевая  сварка выделяется большим спектром достоинств, наравне с другими  видами сварки. Она сваривает изделия  толщиной от 0,1 до 12мм.

Электронно-лучевая сварка может производить сварочные  работы в труднодоступных и неудобных  местах. У нее отменная скорость и плотность энергии сварки. При  ней свариваемые детали почти  не подвержены деформации и напряжениям. Эта сварка практически не образует дефектов сварных швов.

Электронно-лучевая сварка универсальная и экономичная. Универсальность  этой сварки выражена тем, что ею сваривают  изделия со всякой разделкой кромки (фаской) и без разделки. Ее экономичность  определена малым потреблением электричества.

Сварочная установка электронно-лучевой  сварки несложная в эксплуатации. На его обслуживание нужно минимальное  количество работников.

Электронно-лучевая сварка – перспективное и рациональное направление в развитии современных  способов сварки!

1.2.Технологические условия для возможности выполнения лучевой сварки

К электронно-лучевым установкам предъявляется  ряд общих требований. Рабочая  камера должна быть газонепроницаемой  и обладать прочностью, достаточной, чтобы выдержать атмосферное  давление при создании вакуума внутри камеры. В качестве материала камеры лучше применять нержавеющую  сталь. Толщину стенки камеры выбирают из условий прочности с учетом обеспечения непроницаемости для  рентгеновского излучения. Камера снабжается смотровыми окнами для наблюдения за процессом. Толщина стекла и его  качество должны обеспечивать прочность, герметичность и защиту от рентгеновского излучения. Камера должна иметь люки, обеспечивающие загрузку изделий, подлежащих электронно-лучевой обработке.

Электронно-лучевые технологические  установки состоят из двух основных комплексов: энергетического и электромеханического, К энергетическому комплексу  относится аппаратура, предназначенная  для формирования пучка электронов с заданными параметрами управления его мощностью и положением в  пространстве. Электромеханический  комплекс установки предназначен для  герметизации и вакуумирования рабочего объема, выполнения всех установочных, транспортных и рабочих перемещений  обрабатываемого изделия и электронной  пушки.

Вакуумные камеры для электронно-лучевой обработки являются одним из наиболее важных узлов установки для электронно-лучевой обработки. От их формы, конструкции, жесткости и габаритов зависят габариты и качество обрабатываемых за одну откачку изделий, удобство их загрузки и выгрузки, возможность пристыковки дополнительных объемов в нужном направлении и др. По степени специализации различают два типа камер: универсальные и специализированные. Универсальные камеры предназначены для обработки изделий любой формы и габаритов в пределах габаритов камеры. Такие камеры используются в единичном и мелкосерийном производстве и выпускаются в соответствии с принятыми параметрическими рядами. Это дает возможность выбрать камеры наиболее подходящих размеров применительно к конкретным изделиям. Специализированные камеры неразрывно связаны с конструкцией и габаритами конкретного изделия или группы изделий. Часто специализированные камеры выполняют по форме обрабатываемого изделия. Откачные системы служат для создания и поддержания в процессе работы высокого вакуума в ускоряющем промежутке электронной пушки и в вакуумной камере.

Манипуляторы предназначены для  рабочих, установочных и транспортных перемещений обрабатываемого изделия  и электронной пушки.

Системы наблюдения, используемые при  электронно-лучевой обработке, в  большинстве случаев нуждаются  в защите их от запыления парами обрабатываемых материалов.

Смотровое окно кроме прочного иллюминаторного  стекла содержит рентгеновское стекло, необходимое для защиты обслуживающего персонала от рентгеновского излучения  из области взаимодействия электронного пучка с металлом.

Вспомогательные устройства и механизмы  предназначены для выкатывания  манипуляторов из вакуумной камеры(выдвижные  платформы), для сборки изделий и  других целей.

Электропривод в установках для  электронно-лучевой обработки управляется  как в ручном дистанционном режиме для простых систем, так я в  автоматическом режиме для более  сложных систем.

Управляющие функции могут выполняться  с помощью компьютерных систем или  средствами локальной автоматики.

1.3.Конструкции с эффективным применением лучевой сварки

Наиболее рациональными  областями применения ЭЛС в промышленности являются:  
•Изделия из тугоплавких и химически активных металлов.  
•Конструкции, требующие минимальных деформаций и зон термического влияния. Замена аргоно-дуговой сварки на ЭЛС позволяет в ряде случаев полностью исключить правку.  
•С помощью электронного луча сваривают такие узлы, как блоки зубчатых колес, не подвергая их последующей механической обработке. Каждый элемент зубчатого блока до сварки подвергается отдельно термической или химико-термической обработке. Полученные свойства после термической обработки у входящих в блок деталей сохраняются и после сварки.  
•ЭЛС используется при соединении ротора и частей вала газовой турбины двигателя, фланцев с сопловыми аппаратами, деталей шасси самолета, элементов жесткости с обшивкой сотовых панелей.  
•Конструкции с труднодоступными местами, а также использование сварки нескольких стенок за один проход. Последнее оказывается возможным благодаря высокой концентрации источника нагрева.  
•Соединение разнородных материалов. Меньшая величина сварочных напряжений при ЭЛС благоприятно сказывается на уменьшении склонности к образованию трещин при сварке разнородных металлов. По этой причине оказывается легче соединить между собой такие металлы, как молибден и вольфрам, молибден и ниобий, вольфрам и титан, некоторые виды керамик и металл.  
•Соединение деталей малых толщин. Возможность тонкого регулирования мощности и диаметра луча, небольшое давление его на сварочную ванну позволяют соединять, например, прецизионные изделия электронной техники.  
•Соединение деталей в космосе. Вакуум космического пространства может быть использован для ЭЛС отдельных деталей, узлов при сборке космических платформ и различных ремонтных работах. Силами ИЭС им. Е.О. Патона создана и прошла успешные испытания на борту орбитальной станции "Мир" аппаратура и набор специализированных инструментов для выполнения ручной электронно-лучевой сварки в космосе.

Вывод по первой главе.

В первой главе данной курсовой работы была раскрыта сущность понятия «лучевая сварка», с достаточно широким и подробным описанием ее структуры, этапов выполнения и схемы установки для электронно-лучевой сварки. Выявлены другие типы сварки такие, как дуговая сварка, газовая сварка, электрошлаковая, контактная и др., с проведением анализа отличия их от ЭЛС. Также проанализированы технологические условия для возможности выполнения ЛС и рассмотрены конструкции с эффективным применением данного вида сварки.

Глава 2. Расчет на прочность при разработке сварных  конструкций электронно-лучевым  способом.

2.1.Экономические аспекты применения лучевой сварки

Наряду с удовлетворительным техническим решением стоящей  сварочной  задачи решающую роль играет экономичность. Она определяется из комплексного рассмотрения многих отдельных затрат  на развитие, конструирование, способы испытания, потребность  в обучении персонала, материал, загрузку машины, потребность  в  площадях, предварительные и  заключительные операции и другие  затраты на приобретение, транспорт  и общие затраты. В табл. 1 приведены  показатели ЭЛС для крупносерийного  производства.

Табл. 1

     ЭЛС в сравнении  с другими способами сварки  плавлением делает возможным  очень высокие скорость процесса: до 60 м/мин  (1 м/c) при плотности  мощности до 10 7  Вт/см 2 .

    При ЭЛС плиты  толщиной 200 мм за один проход со скоростью 1,25 мм/с длительность сварки шва длиной 1 м составляет  13,3 мин/м. Для двухдуговой автоматической сварки 1 м такой плиты под флюсом потребовалось бы 10 час./м и для ручной дуговой сварки — 130 час./м. Согласно нормам США эти величины имеют значение для строительной стали и котельной стали.  Один присадочный материал, требуемый для сварки шва глубиной  50 мм, стоил бы столько, сколько полный шов          (200 мм),  выполненный ЭЛ.

        Тонкий  материал, например, лента для пил  сваривается ЭЛ в глубоком  вакууме со скоростью 20 м/мин,  а при ЭЛС в атмосфере —   со скоростью более 20 м/мин.  При сварке алюминиевых листов  вне вакуума достигается скорость 60 м/мин. В вакууме со скоростью  60 м/мин можно сваривать с высокой  точностью по любой  кривой  высококачественную сталь толщиной  0,3 мм.

       Расширение  применения ЭЛС в различных  отраслях промышленности РФ связано  с: