книги / Электронно-лучевая, лазерная и ионно-лучевая обработка материалов

- 31 -

на глубину, ширину проплавления, а следовательно, и на их соотно­ шение, и на форму проплавления. Кроме того, от положения фокуса зависят процессы образования наружное и корневой частей шва. Для получения максимальной глубины проплавления следует выбирать по­ ложение фокуса, соответствующее 0,5...0,75 этой глубины. Положе­ ние фокуса при сварке отражается и на ряде свойств сварного шва и особенно на склонности образования в металле усадочных раковин.

Качество сварного шва при электронно-лучевой сварке, как и при любом способе сварки плавлением, определяется совокупностью технологических и энергетических параметров процесса. Поддержание н а ,требуемом уровне энергетических параметров процесса сварки обеспечивает, при неизменных технологических условиях постоянство эксплуатационных параметров сварного соединения: геометрических размеров, структурных, прочностных и других показателей. Однако возможность формирования зоны проплавления с уникальной "кинжаль­ ной" формой вступает в противоречие с достижением стабильных экс­ плуатационных параметров сварного соединения.

Нарушение оптимального режима электронно-лучевой сварки за­ частую ведет к появлению в швах дефектов, причем даже на хорошо свариваемых материалах. Некоторые дефекты в швах на толстолис­ товых металлах классифицируется как дефекты формирования. Они встречаются при любых способах сварки плавлением и хорошо извест­ ны: непровары, подрезы, провисание шва, а также повышенное раз­ брызгивание. Возникают и другие, специфические дефекты: корневые дефекты, протяженные полости в объеме шва, "срединные" трещины и отклонение шва от стыка из-за остаточных или наведенных магнитных полей. Корневые дефекты шва - наиболее распространенный вид де­ фектов, которые могут иметь место при сварке различных материа­ лов толщиной более 5 мм в режиме несквоэного проплавления металла в любом пространственном положении.

Корневые дефекты шва присущи всем способам сварки высококон­ центрированными источниками энергии. Они заключаются в непостоянствеглубины проплавления (корневая часть ива имеет пжчковую структуру} и в наличии полостей или несплавлений в корневых пи­ ках. Корневые дефекты имеют гидродинамическую природу образования ■ обусловлены особенностями переноса металла в сварочной ванне.

Протяженные полости встречаются при сварке сталей, титановых

-32 -

валюминиевых сплавов толщиной более 15 мм. Срединные трещины имеют место лишь при сварке сталей.

Технологические прие*м сварки применяются для улучшения каче­

ства шва и повышения производительности процесса электронно-луче­ вой сварки. Эти приемы целесообразно разделить на три группы. К первой отнесены наиболее изученные и апробированные приемы: фор­ мирование шва с обязательным проплавлением; развертка и моду­ ляция тока пучка; подача присадочного материала; сварка смещенным и расщепленным лучком. Вторая группа включает достаточно изучен­ ные и обоснованные приемы, ио не получившие широкого применения: тандемная сварка и сварка в узкую разделку. К третьей группе от­ носятся приемы, целесообразность или возможность реализации кото­

с т ы к а - наиболее надежный и простой способ, позволяющий иск­ лючить корневые дефекты, свести к минимуму угловые деформации, уменьшить вероятность образования пор и раковин благодаря улуч­ шению условий дегазации металла сварочной ванны. При сварке в нижнем положении данный прием применяется для соединения металлов толщинойдо 40 мм, а при сварке горизонтальным электронным пуч­ ком - до 400 мм. В последнем случае для предотвращения вытекания жидкого металла из сварочной ванны иногда устанавливается ограни­ чительная планка вдоль нижней кромки стыка.

менении мгновенного и усредненного по периоду распределения плот­ ности мощности электронного пучка. Соответственно меняются харак­ тер гидродинамических процессов и конфигурация сварочной ванны. Благодаря этому при сварке металлов больших толщин удается резко расширить диаметр и повысить устойчивость канала в сварочной ван­ не, что благоприятно сказывается на стабильности формирования швов: уменьшается разбрызгивание расплавленного металла, предот­ вращается втекание расплава из ванны при сварке горизонтальным пучком. Вследствие изменения формы шва уменьшается склонность к ность к образованию трещин и протяженных полостей.

- 33 -

С в а р к а н а к л о н н ы м э л е к т р о н н ы й п у ч ­ к о м применяется при большой толщине металла/ При постоянном от­

М о д у л я ц и я - т о к а э л е к т р о н н о г о п у ч - к а применяется для уменьшения тепловложения при сварке тонколис­ товых Сдо J мм) материалов, а также осуществления точечной свар­ ки. При шовной сварке частота импульсов и скорость сварки выбира­ ются так, чтобы отдельные проплавленные участки перекрывали друг друга. Модуляция пучка применяется для предотвращения образования трещин и обеспечения возможности сварки на весу тонкостенных де­ талей. •

легкоиспаряемых элементов в шве и достаточно широко - при боль­ ших зазорах' в стыке.

Для непрерывной подачи в процессе сварки используются в ка­ честве присадочного материала прутки,* ленты, сплошная или руб­ леная проволока, гранулы и порошок. Наибольшее промощенное при­ менение получила сварка с подачей присадочной проволоки диаметром 0,8...1,6 мм. Обычно проволоку вводят в, сварочную ванну позади электронного пучка под углом 15... 45° к его продольной оси. При этом режим подачи выбирается так, чтобы часть проволоки расплав­ лялась в жидком металле ванны, а часть - непосредственно элект­ ронным пучком.

Возможна подача присадочного материала и спереди электронного пучка. При этом присадочный материал может подаваться как непос­ редственно в сварочную ванну, так и укладываться на стык перед зоной сварки.

Зачастую между стыкуемыми поверхностями деталей помещается тонкий слой другого, переходного материала в виде ленты, гранул или порошка, предназначенных для легирования металла шва. Слой

- 34 -

переходного материала может быть также нанесен способами напыле­ ния, осаждения или наплавки на стыкуемые поверхности. Толщина слоя переходного материала в виде .вставки должна быть равна диа­ метру электронного пучка, а в случае наплавки может достигать 10 мм. Такая разновидность приема позволяет осуществить наиболее од­ нородное легирование металла шва.

При сварке на легирующей подкладке одновременно обеспечивает­ ся выведение корневых дефектов в подкладку. Равномерное легирова­ ние шва достигается благодаря интенсивному переносу жидкого ме­ талла из глубины ванны к ее поверхности. Толщина подкладки должна

для компенсации его поперечного отклонения продольным магнитным полем, возникающим иногда при сварке разнородных металлов и спла­ вов.

■вами два или более близкорасположенных стыка. При этом использу­ ется отклонение электронного пучка импульсным током прямоугольной формы, подаваемым в электромагнитную отклоняющую систему элект­ ронной пушки.

При иовной сварке период колебаний пучка выбирается из усло­ вия устойчивости канала проплавления в сварочной ванне, а время переброса пучка между стыками - из условия неоплавляемости повер­ хности изделия. В результате несовпадения оси отклоненного пучка и плоскости симметрии стыка, такой прием можно применять только при сварке металлов малых толщин.

Т а н д е м н а я и к в а з и т а н д е м н а ’я с в а р- к а также обеспечивают улучшенное формирование сварного шва. Тан­ демная сварка ведется одновременна двумя электронными пучками. Проплавление осуществляется основным пучком. Дополнительный пучок меньшей мощности направляется под небольшим углом к основному

- 35 -

пучку в корень канала либо в хвостовую часть ванны. Тем ^амим можно достичь расширения нижней части канала либо удлинения хвос­ товой зоны ванны и ослабить влияние нерегулярности гидродинамиче­ ских процессов в ванне.

Реализация кваэитандемной сварки проще в аппаратурном плане. Функции основного и дополнительного электронных пучков выполняют­ ся одним и тем же лучком. С этой целью сварочный пучок периодиче­ ски отклоняется так, чтобы занять положение дополнительного пуч­ ка, который используется при тандемной сварке. Отклонение пучка осуществляется дважды на разных уровнях. Распределение тепловло-

представляет собой многопроходную электронно-лучевую сварку. Сущ­ ность приема состоит в последовательной наплавке электронным пуч­ ком слоев присадочного материала в прямоугольной разделке кромок. Ширина указанной разделки в зависимости от толщины свариваемых металлов составляет 0,8...8 мм. Глубина разделки может быть не­ полной, в этом случае корневое соединение выполняется однопроход­ ной электронно-лучевой сваркой. При сквозной разделке кромок сва­ рка ведется на подкладке из того же материала, что и соединяемые детали. Сварка выполняется в нижнем положении, непрерывно или с периодической остановкой процесса для охлаждения изделия. В ка­ честве наплавляемого присадочного материала используется цельная или рубленая проволока.

Данный прием используется для соединения трудвосваржваемых металлов толщиной до 200 мм. По сравнению с аналогичным способом дуговой сварки в узкую разделку электронно-лучевая сварка обеспе­ чивает более высокую производительность процесса,меньшую ширину шва и лучшее качество металла шва.

плотности мощности электронного пучка в его продольном направле­ нии для уменьшения корневых дефектов и вероятности образования протяженных полостей. С этой целью, в ряде случаев синхронно с осцилляцией уровня фокусировки осуществляют неглубокую модуляцию тока электронного пучка.

-36 -

Дв у с т о р о н н я я с в а р к а осуществляется путем од­ новременного проплавления электронным пучком двух противоположных сторон стыка с глубиной провара около половины толщины сваривае­

мых деталей.

Одновременно сварку двумя электронными пучками можно осущест­ влять как с раздельными, так и с общей ваннами. В последнем слу­ чае пучки направляется под углом друг к другу для исключения пов­ реждения сварочных пушек проходящими частями пучков.

Этот прием применяет для обеспечения возможности электронно­ лучевой сварки изделий более толстостенных, чем те, сварка кото­ рых обеспечивается имеющейся сварочной аппаратурой, а также для избежания дефектов шва, вероятность появления которых возрастает

сувеличением глубины проплавления.

Кнедостаткам приёма относятся внесение корневых дефектов в несущую часть шва я дополнительное термическое воздействие на ос­ новной материал. При одновременной сварке двумя электронными пуч­ ками с общей сварочной ванной можно исключить корневые дефекты шва, но Из-за перегрева ванны в области встречи пучков резко по­

вышается вероятность образования трещин и раковин.

3.ОБОРУДОВАВ* ДОЯ ДАЗЕРВОИ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

3.1.Структурная схема лазерной технологической установки

Для обработки и сварки материалов используются твердотельные и газовые лазеры. Независимо от типа применяемого лазера и назна­ чения лазерные технологические установки состоят из ряда анало­ гичных функциональных узлов и имеют общую структурную схецу (рис. 3.13. Основным источником энергии, обеспечивающим процесс обра­ ботки, является оптический квантовый генератор Слазер). Лазерное излучение формируется оптической системой в пучок с определенными пространственными характеристикам н направляется на обрабатывае­ мый объект. При помощи оптической системы могут осуществляться также визуальный контроль положения обрабатываемого объекта отно­ сительно луча, наблюдение за ходом процесса обработки и оценка его результата. В лазерной технологической установке имеется так­

- 37 -

же устройство для обеспечения переменен»! обрабатываемого объекта в процессе обработки. Некоторые процессы обработки требуют подачи в. рабочую зону той или иной технологической среды, например, инертного газа, для чего в установке может быть предусмотрено со­ ответствующее устройство. Иногда для получения необходимого тех­ нологического эффекта в зону обработки вводят дополнительную энергию Смеханическую, электромагнитную и др.). Для этого приме­ няется источник вспомогательной энергии.

Примерами комбинированных методов могут служить газолазерная резка, лазерно-электроискровая обработка ж др. Установка может быть также укомплектована программным устройством, управляющим перемещением обрабатываемого объекта и излучением лазера. В тех­ нологической лазерной установке, как правило, имеются датчики контроля параметров излучения и параметров технологического про­

равления параметрами излучения лазера.

3.2.Параметры лазерного излучения

Лазерное излучение характеризуется энергетическими и прост­ ранственно-временными параметрами. Для импульсных лазеров основ­ ными параметрами являются энергия импульса, длительность импул^- ■са , скважность импульсов Спри работе в частотно-импульсном режи­ ме), частота следования импульсов, пиковая и средняя мощности.

Для твердотельных лазеров характерно существование нескольких режимов генерации излучения. Наиболее распространенными из них являются:

-режим хаотической генерации, при котором импульс лазерного излучения представляет собой набор отдельных "пичков" различной мощности продолжительностью около I мкс и следующих друг за дру­ гом с определенной скважностью;

-режим упорядоченной генерации, при котором мощность отдель­ ных- "пичков" почти одинакова;

-кваэинепрерывный режим, характеризующийся отсутствием "пич­

ков".

Рис. 3.1. Структурная схема лазерной технологической устанбвки: I - оптический квантовый генератор (лазер); 2 - лазерное излу­ чение; 3 - оптическая система; 4 - обрабатываемый объект; 5 - устройство для перемещения обрабатываемого объекта; 6 - устрой­ ство для подачи защитного газа; 7 - источник вспомогательной энергии; 8 - программное устройство; 9 - датчик контроля пара­ метров излучения; 10 - датчик технологических параметров

- 39 -

При модулировании добротности резонатора можно получить им­ пульс большой мощности с длительностью порядка Ю~* с.

Частота следования импульсов f и скважность N соответственно равны:

где Ти - период следования импульсов; тц - длительность импульса. Как для импульсных, так и для непрерывных лазеров важным па­ раметром излучения, определяющим эффективность обработки, являет­ ся длина волны лазерного излучения. Для современных лазерных си­ стем, используемых для обработки материалов, длина волны излуче­ ния лежит в красной или инфракрасной области оптического спектра. Длина волны излучения определяет степень поглощения (отражения) лазерной энергии обрабатываемой поверхностью. С увеличением длины волны излучения отражательная способность большинства металлов

возрастает С табл. 3.1).

Таблица 3.1 Значения коэффициента отражения некоторых металлов

В процессе нагрева поглощающая способность многих металлов не остается постоянной и заметно увеличивается с ростом температуры.

-40 -

3.3.Основа» серимые технологические установки

Первые отечественные технологические установки типа СУ-1 и К-3 были вылужены в 1964 году. В дальнейшей, в течение нескольких . лет сотни установок эгалуатировались на многих предприятиях, вы­ полняя операции по сверлению отверстий, микросварке, подгонке ноыяналов резисторов к др. •Были разработаны и освоены промышленнос­ тью более совершенные установки. Большинство установок являются универсальными, имеют широкие технологические возможности.

В настоящее время с учетом современных достижений в области разработок конструкций различных типов лазеров, накопленного опы­ та хх эксплуатации, технологических задач в различных отраслях производства отечественной промышленностью выпускаются высокопро­ изводительные лазерные установки типа "Квант". "Кристалл", "Ко­ рунд", "Катунь",."Кордамон" и другие . На базе этих установок создан целый рад модификаций для выполнения различных операций. Изготавливаются также небольшими партиями лазерные установки для решения конкретных технологических задач, например в микроэлект­ ронике.

Технические харатеркстики основных лазерных технологических