Шиганов И.Н,Федоров Б.М. Технология обработки концентрированными потоками энергии - файл n1.doc

приобрести
Шиганов И.Н,Федоров Б.М. Технология обработки концентрированными потоками энергии
скачать (2422.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc2423kb.12.09.2012 08:40скачать

n1.doc

  1   2   3
СОДЕРЖАНИЕ
Введение..................................................................................................................................

1. Характеристика методов обработки концентрированными потоками энергии.......

2. Электронно-лучевая обработка материалов................................................................

2.1. Сварка..............................................................................................................................

2.2. Термическая обработка..................................................................................................

2.3. Напыление.......................................................................................................................

2.4. Размерная обработка......................................................................................................

2.5. Переплав..........................................................................................................................

3. Плазменная обработка материалов................................................................................

3.1. Резка................................................................................................................................

3.2. Наплавка..........................................................................................................................

3.3. Сварка...............................................................................................................................

3.4. Плазменно-механическая обработка...............................................................................

3.5. Напыление........................................................................................................................

4. Лазерная обработка..........................................................................................................

4.1. Физические основы технологических лазеров...............................................................

4.2. Классификация и сущность методов лазерной обработки материалов......................

4.3. Упрочнение поверхности.................................................................................................

4.4. Лазерная наплавка.............................................................................................................

4.5. Поверхностное легирование............................................................................................

4.6. Аморфизация поверхности...............................................................................................

4.7. Лазерная сварка.................................................................................................................

4.8. Резка....................................................................................................................................

4.9. Пробивка отверстий...........................................................................................................

Литература...................................................................................................:................................


ВВЕДЕНИЕ
Перед промышленностью нашей страны поставлена задача пере­хода от экстенсивного пути развития к интенсивному. Решение этой задачи в машиностроении - одной из определяющих отраслей науч­но-технического прогресса - возможно в следующих направлениях:

разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий;

создание материалов с высокими эксплуатационными свойствами;

применение новых производственных систем на основе широко­го внедрения роботехнических комплексов, микропроцессорной тех­ники, ЭВМ.

Разработке и внедрению ресурсосберегающих технологий уделяет­ся особое внимание, поскольку на них базируется внедрение новых материалов и производственных систем. Перспективной является технология ОКПЭ. Отличительная черта способов ОКПЭ (лазерного, электоронно-лучевого, плазменного, иоино-вакуумного и др.) от тра­диционных - возможность создания высокой плотности энергии, что позволяет получать высокие свойства зон материала, подвергнутых воздействию ОКПЭ, основанные на особенностях структурно-фа­зовых превращений.

Создание новых видов ОКПЭ требует применения новейших до­стижений науки и техники. Для плодотворной деятельности в этой области машиностроения необходимы специалисты, прошедшие це­левую подготовку. Главным в этой подготовке должно быть знание фундаментальных и прикладных наук.

Наряду с рассмотрением технологии процессов ОКПЭ как едино­го целого дается представление и о каждом из них с описанием физической сущности, технологических возможностей и оборудовапия.

Усвоение курса ОКПЭ непосредственно после получения общетехнических знаний дает возможность альтернативного подхода к технической специализации на последующих курсах. ОКПЭ нашла широкое применение в таких передовых отраслях машиностроения, как авиа-, судо- и приборостроение, оборонная промышленность и т.п. Поэтому подготовка инженеров-технологов, занимающихся ОКПЭ, - актуальная задача машиностроительных кафедр институтов.



  1. ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ

КОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ ПОТОКАМИ ЭНЕРГИИ
Технологическую перспективность методов обработки, связанных с использованием ускоренных потоков заряженных частиц, лазерно­го излучения, электронных пучков, плазмы, магнитного и электри­ческого полей, импульсной и ускорительной техники, предопределя­ют следующие особенности:

1) высокая концентрация энергии, вводимой в зону технологиче­ского воздействия, и большое пространственное и временное разре­шение в пределах этой зоны. Это обеспечивает локальность и прецизионность обработки при существенно меньших суммарных энер­гозатратах;

2) малая инерционность процессов вследствие прямого преобра­зования электрической энергии в энергию технологического воздей­ствия (без промежуточных механических звеньев), практическое от­сутствие инструмента (а следовательно, и его износа), механического (динамического) контакта с обрабатываемой деталью. Это дает мобильность в управлении, возможность глубокого регулирования ре­жимов обработки в сочетании с простотой позиционирования и за­крепления деталей, открывая широкую перспективу эффективного использования технологий ОКПЭ в таких наиболее прогрессивных формах современного машиностроения, как обрабатывающие цент­ры, роторные линии, робототехнические комплексы и гибкие авто­матизированные системы на основе микропроцессорной техники и адаптивных управляющих ЭВМ;

3) возможность направленной модификации свойств поверхиостного слоя. Это позволяет на качественно новом уровне решать одну из важнейших задач - обеспечение оптимального соотношения свойств поверхности и объема материала.

Практически все деградационные процессы (износ, коррозия, рост усталостных трещин), приводящие к отказам изделий, начина­ются с поверхности и определяются свойствами относительно тонко­го поверхностного слоя. Технология ОКПЭ представляет весьма ши­рокий спектр возможностей модификации этих свойств - (плазменное напыление, лазерная наплавка и легирование). При этом отпадает необходимость использования объемно-легированных материалов и появляется возможность в известной степени решить кардинальную задачу машиностроения - повышение надежности и долговечности деталей и машин. Это, в свою очередь, позволит существенно со­кратить фонд запчастей, затраты в нерентабельном ремонтном про­изводстве. Заметим, что рассматриваемые процессы (например, плазменное напыление, лазерная наплавка и др.) играют большую роль и в технологии восстановления изношенных деталей;

4) широкий диапазон уровней технологического воздействия. В зависимости от вида энергии, величины ее потока к времени дейст­вия реализуются различные процессы металлофизики, микрометал­лургии, фазовых и структурных превращений в обрабатываемом ма­териале. Если за исходное технологическое воздействие, например, на углеродистые стали, принять известные превращения аустенитно-мартенситного класса в твердой фазе, характерные для традицион­ных методов закалки, то при лазерной, электронно-лучевой или плазменной обработке затрагиваются механизмы тонкой структу­ры - высокая дисперсность кристаллитов, развитая блочность и по­вышенная плотность дислокаций. Эффект упрочнения при этом су­щественно выше и, кроме того, расширяется номенклатура упроч­няемых материалов.

Следующей по уровню воздействия можно считать обработку с оплавлением поверхностного слоя и с последующей быстрой закал­кой из жидкого состояния. Этот процесс имеет ряд специфических особенностей, связанных с образованием пересыщенных твердых растворов метастабильных фаз, мелкодисперсных структур с высо-кой плотностью упрочняющей фазы. При лазерной, плазменной и электоронно-лучевой обработке с оплавлением различных сталей и чугунов получены весьма высокие значения микротвердости. В ре­жиме оплавления возможно упрочнение малоуглеродистых сталей и даже технического железа. Имеются данные об упрочнении цветных металлов и сплавов. В предельном случае при достаточной скорости охлаждения возможно получение аморфного поверхностного слоя, в котором практически отсутствуют сегрегационные эффекты, границы зерен, дислокаций, что обеспечивает высокие прочностные, антикор­розионные, магнитные свойства, Здесь заканчивается возможность модификации свойств поверхностного слоя за счет собственных внутренних ресурсов материала. И, наконец, более высокий уровень воздействия связан с внесением извне легирующих элементов и твердой, жидкой или газовой фазе. Примером может служить насы­щение расплавленным потоком низкотемпературной плазмы поверх­ности малоуглеродистой стали хромом, марганцем и углеродом, приводящее к пятикратному повышению твердости при суммарном содержании легирующих элементов в слое менее 1%, что свидетельст­вует об экономическом преимуществе этой технологии. При взаимодей­ствии потоков энергии с поверхностью в условиях контролируемой ат­мосферы реализуются процессы химико-термической обработки с обра­зованием соединений на основе, например, углерода, азота, бора и др.

Особенностью поверхностного легирования при использовании ОКПЭ является интенсификация процессов конвективного переноса и стимулированной диффузии и зоне обработки, обусловленная большими градиентами параметров, высокими скоростями реакции, наличием приэлектродных или радиационных эффектов,- смещени­ем термохимическою равновесия. Вследствие этого увеличивается глубина легируемого слоя, уровень и равномерность концентрации легирующих элементов, а также возможность высокотемпературного синтеза соединений, которые нельзя получить обычными методами.

Таким образом, при ОКПЭ реализуются практически все извест­ные виды теплофизических и физико-химических превращений в материалах. Это позволяет экономно, производительно и целенап­равленно формировать свойства поверхности деталей, оптимальные с точки зрения условий эксплуатации последних.

Методы ОКПЭ применимы практически на всех стадиях и но всех видах машиностроительного производства (заготовительные операции, формообразование, сборка, модификация свойств поверх­ности деталей машин и инструмента). Широкое применение эти методы находят в восстановительной технологии и ремонтном производстве. Отдельное направление представляет собой использование направленных потоков энергии и физических полей в процессах контроля и измерений.

Рассмотрим некоторые основные технологические операции с применением ОКПЭ.

Разделительные операции. Могут быть представлены процес­сами резки, вырубки, удаления заусениц, фасонной вырезки и рубки, закругления острых кромок, раскроя в штампах с по­мощью лазерной и плазменной обработки. Применение ОКПЭ в данном случае стимулируется высокой производительностью процессов, снижением отходов материала и энергетических за­трат, расхода инструмента, возможностью обработки материалов независимо от их физико-механических свойств.

Соединительные операции. Связаны с лазерной, электронно­лучевой, плазменной сваркой. Преимуществами этих технологий являются локальность и прецизионность воздействия, отсутствие общего нагрева и, следовательно, термонапряжений, возможность соединения разнородных и трудносвариваемых материалов (ке­рамика, алюминий, чугун).

Нанесение покрытий с особыми свойствами. Основано на ис­пользовании методов газоплазменного и плазменного напыления порошковых материалов на поверхность деталей. Существует группа технологий, использующих метод осаждения материала из газофазного или плазменного состояния. К этой же разновид­ности ОКПЭ следует отнести лазерную и плазменную наплавку, плакирование.

Формообразование. Включает такие операции, как плазменная строжка и плазменно- или лазерно-механическая обработка, получе­ние объемных форм деталей напылением материала, сверление отверстий.

Модификация свойств поверхностного слоя. Включает весьма широкую номенклатуру технологических процессов, к которым можно отнести следующие: закалка в твердой фазе, закалка из жидкого состояния, легирование, термохимическая обработка, изменение мик­рорельефа поверхности. Перечисленные технологии позволяют целенаправленно изменять свойства тонкого относительного по­верхностного слоя деталей машин и инструмента, что приводит к повышению их служебных характеристик - износостойкости, жа­ропрочности, коррозионной стойкости, контактной прочности и др. Измерения и контроль с применением лазерной техники. Од­но из наиболее быстро развивающихся направлений связано с высокой производительностью и точностью измерений, возмож­ностью автоматизации и создания адаптивных систем, построен­ных на принципе активной обратной связи и исключающих субъективные факторы при контроле и измерениях. В последнее время получают развитие гибридные технологии и комбинированные методы обработки, основанные на сочетании нескольких видов технологического воздействия на обрабатываемый материал. Примером может служить плазменное формообразование с одновременным упрочнением поверхности, электроимпульсная об­работка в сочетании с пластическим деформированием и ряд других. При решении вопросов о выборе конкретных технологий ОКПЭ не­обходимо исходить из тщательного технико-экономического анализа с учетом существующих традиционных методов обработки. Это связано с достаточно высокой стоимостью и сложностью технологического обору­дования ОКПЭ, а также с повышенными требованиями к технической культуре обслуживащего персонала и квалификации инженерных кадров.

Степень энергоемкости ОКПЭ, например, для упрочняющей об­работки, в 3 - 5 раз ниже, чем при печной цементации, но в 2-3 раза выше, чем при закалке с индукционным нагревом. Однако этот показатель следует рассматривать не изолированно, а с учетом общей стоимости всего производства. Так, например, по отношению к простым, цилиндрическим изделиям стоимость лазерной закалки выше по сравнению с индукционной, а по отношению к деталям сложной геометрической формы - существенно ниже.

Принимая во внимание общую тенденцию роста номенклатуры из­делий машиностроения, стремление к повышению производительности труда и сокращению трудовых ресурсов, наибольший эффект от приме­нения технологий ОКПЭ достигается в случае их комплексного ис­пользования в составе автоматизированных гибких производствен­ных систем.

Системы ОКПЭ, как и механообрабатывающие станки, целесообраз­но применять при решении определенной задачи, с тем, чтобы наилуч­шим образом использовать ее высокую производительность. В каждом случае следует выяснить, не требуется ли данную систему в зави­симости от объема партии обрабатываемых деталей и годового вы­пуска встроить в автоматическую линию или производственную ячейку.

Уже имеющийся промышленный опыт свидетельствует о широ­ких возможностях ОКПЭ в деле упрочнения деталей и инструмента, а также в области сварки и резки. При этом становится возмож­ным, например, без потери заменять дорогостоящие объемнолегированные стали на простые углеродистые, а в ряде случаев улучшать -служебные характеристики изделий, повышая их надежность и дол­говечность. Все это способствует быстрому развитию и внедрению рассматриваемых технологий в металлоемких отраслях машиностро­ения. Так, например, на Московском автозаводе им. И.А.Лихачева разработали и внедряют процессы лазерного упрочнения головки блока и гильзы цилиндров, инструмента, деталей порошковой ме­таллургии, а также лазерной прошивки отверстий газотопливной ап­паратуры, резки шаблонов, сварки карданных валов. Электронно-лу­чевую технологию применяют для восстановления шестерен, свар­ки воздушных баллонов. Освоена технология упрочнения и восста­новления большой номенклатуры деталей и инструмента методами плазменного напыления (например, корпуса водяного насоса, гильзы цилиндров и др.). Технология ОКПЭ на различных стадиях освое­ния внедряется практически на всех головных предприятиях от­расли.

Процессы ОКПЭ классифицируют по виду энергии, воздействую­щей на материал, и на основе использования ОКПЭ в конкретных технологических условиях (рис. 1).

В процессе электронно-лучевой обработки используется энергия за­ряженных частиц, ускоренных в электрическом поле. Значения ускоряющих напряжений зависят от характера технологических процес­сов. Наиболее широко электронно-лучевую обработку применяют при напылении, термообработке, сварке, размерной обработке и пе­реплаве.

В основе плазменной обработки лежит тепловое воздействие электрического тока, проходящего в газовой среде. В зависимости от способа горения дуги между электродом и изделием" или двумя электродами различают плазменную дугу прямого или косвенного действия. Плазменную обработку применяют при сварке, резке, на­плавке, напылении и плазменно-механической обработке изделий.

При лазерном методе обработки материалов используют энергию потока фотонов. Эффективность воздействия потока фотонов на об­лучаемую поверхность зависит во многом от длины волны лазерно­го излучения, которая, в свою очередь, связана с состоянием рабо­чего тела (твердое, газообразное). В настоящее время лазерная тех­нология, самая молодая из рассматриваемых, находит все более ши­рокое применение при обработке материалов - это упрочнение, на­плавка, поверхностное легирование, аморфизация, сварка, резка и пробивка отверстий. Несомненно, что в ближайшее время круг при­менения ОКПЭ будет расширен.





  1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ


Электрон представляет собой элементарную электрически заря­женную частицу, имеющую отрицательный заряд. Число электронов в атоме зависит от типа вещества и равно его атомному номеру л периодической системе Д.И. Менделеева. Электрон, являясь наимень­шей устойчивой заряженной элементарной частицей материи, мо­жет быть наиболее простым образом получен в свободном состоя­нии. В большинстве случаев, подведя соответствующую энергию, можно вызвать выход электронов с поверхности материала. Наибо­лее часто для получения свободных электронов используют термо­электронные катоды-металлы. Их нагревают до таких температур, при которых электроны приобретают достаточную скорость, чтобы покинуть металл и перейти в окружающее катод пространство. В результате происходит процесс, называемый эмиссией электронов. Вылетающие с поверхности электроны создают ток термоэлектрон­ной эмиссии, величина которого в первую очередь зависит от тем­пературы катода.

Эти электроны под действием электрических или магнитных по­лей могут перемещаться, при этом в них накапливается энергия, определяемая массой и скоростью частицы. Энергия электронов мо­жет достигать больших значений и зависит от разности потенциа­лов разгоняющего поля:

W = eU ,

где U - разность потенциалов поля в рассматриваемых точках про­странства.

Регулируя начальную скорость электронов и ее направление, а также напряженность электрического поля и его направление, мож­но заставить электроны двигаться по заранее рассчитанной траекто­рии. Это позволяет управлять движением электронов, достигать тре­буемых энергий электронов, формировать пучки электронов, т.е. по­лучать электронный луч.

На сформированный электронный луч можно воздействовать магнитным полем. Влияние магнитного поля на движущийся элек­трон аналогично действию поля на проводник с током, т.е. возника­ет сила, которая может его отклонить в нужном направлении.

F = BVsin? ,

где В - магнитная индукция; V - скорость электрона; ? - угол между вектором скорости электрона и силовой линией магнитного поля. Этот эффект используют для фокусировки и управления электрон­ным потоком.

Накопленная в результате движения в электрическом поле кине­тическая энергия электронов (eU = (mV2)/2 , где т-масса электрона, а скорости электронов достигают (5...10)103 м/с) передается атомам металлов при соударении с ними, в результате металл нагревается. Именно этот эффект и используют при разработке методов элект­ронно-лучевой обработки (ЭЛО) материалов, таких, как сварка, пайка, пробивка отверстий, напыление и др. Значения мощностей элект­ронного пучка зависят от характера процессов (рис. 2).


Рис. 2. Области применения ЭЛО при различных мощностях электронного пучка:

1-плавление (15-40 кВ); 2-испарение (10-40 кВ); 3 - сварка (20-175 кВ);

4 - резание (20 - 250 кВ)
Электроны, обладающие определенной энергией, могут прони­кать в вещество. Толщина слоя вещества, пройдя который электрон полностью теряет скорость, определяет его пробег. Глубина проник­новения (S) зависит от разгоняющего электроны напряжения и свойств металла и составляет несколько десятков и даже сотен мик­рометров:

S = 210-2U2/? ,

где ? - плотность материала, г/см3; при 10 < U < 100 кВ.

Глубина проникновения электронов невелика, но учет ее позво­ляет объяснить некоторые эффекты, связанные с особенностями электронного нагрева в технологических процессах.

Проникающий в вещество электрон испытывает многократное рассеяние и теряет энергию не сразу, а в результате многочислен­ных соударений с ядрами атомов и электронами решетки. В ре­зультате этих соударений меняются скорость и направление движе­ния электронов, проникающих в вещество. Электроны растрачивают основную долю энергии в конце пробега. Таким образом, в отличие от широко применяемых способов нагрева материала - путем тепло­передачи через его поверхность-электронный нагрев осуществляет­ся в самом веществе. При этом электроны теряют свою энергию неравномерно в направлении пробега. Вследствие этого наиболее интенсивное выделение тепла наблюдается на некоторой глубине.

Физически картина внешних явлений, сопровождающих действие электронов на металл, представляет собой рентгеновское и теплоиз­лучение, отражение вторичных электронов, испарение металла в ви­де атомов и ионов металла и схематически отражена на рис. 3.



Рис. 3. Физическая картина явлений, сопровождающих проникновение электронов в - вещество: 1 - молекулы металла; 2 - ионы; 3 - луч; 4 - рентгеновское излучение; 5 - отраженные и вторичные термоэлектроны; 6 - тепловое излучение
Для использования свойств электронного луча были разработаны специальные устройства и установки, обеспечивающие осуществле­ние в промышленных условиях таких процессов, как электронно-лу­чевые сварка, пробивка отверстий, переплав металлов и напыление. Необходимый электронный луч создается в специальном прибо­ре - электронной пушке (рис. 4). В ней катод 1 нагревают до высо­ких температур или проходящим током, или путем бомбардировки электронами. Раскаленный катод (из тугоплавких металлов или из специальной керамики) испускает свободные электроны. Он разме­щен внутри прикатодного электрода 2 из нержавеющей стали. На некотором удалении находится ускоряющий электрод (анод) 3 с от­верстием. Между катодом и анодом создается электрическое поле высокой напряженности, в результате чего происходит ускорение электронов, вылетевших с катода. Прикатодный и ускоряющий электроды имеют форму, обеспечивающую такое строение электри­ческого поля между ними, которое фокусирует электроны в пучок с диаметром, равным диаметру отверстия в аноде. Положительный потенциал ускоряющего электрода может достигать нескольких де­сятков тысяч вольт, поэтому электроны, испускаемые катодом, на пути к аноду приобретают значительную скорость и энергию.

После ускоряющего электрода электроны двигаются равномерно. Питание пушки электрической энергией осуществляют от высоко­вольтного источника 7 постоянного тока (см. рис. 4). Электроны имеют одинаковый заряд, поэтому они отталкиваются друг от друга. Диаметр электронного луча увеличивается, а плотность энергии в пучке уменьшается.

Чтобы увеличить плотность энергии излучения, электроны после выхода из первого анода фокусируют магнитным полем в специаль­ной магнитной линзе 4 (см. рис. 4), представляющей собой катуш­ку, питаемую электрическим током. Фокусировка электронов в пучок минимального размера происходит на некотором удалении от маг­нитной линзы. В этой области обычно и происходит электронно-лу­чевая обработка. Сфокусированные в плотный пучок летящие элект­роны ударяются с большой скоростью о малую, резко ограниченную площадку на изделии 6, при этом кинетическая энергия электронов вследствие торможения в веществе превращается в теплоту, нагрева­ющую металл до очень высоких температур.

Для осуществления движения луча по поверхности обрабатывае­мого объекта на пути электронов помещают магнитную отклоняю­щую систему 5 (см. рис. 4), которая, изменяя напряженность магнитного поля в катушке, может отклонять луч по любой траек­тории и с любой частотой. Эти системы служат для установки луча точно по стыку, чтобы металл интенсивно перемешивался при сварке и металлургическом переплаве и чтобы луч отклонялся па значительное расстояние при напылении.

Свободное движение электронов, без соударений и отклонений, может быть обеспечено только в резреженной атмосфере, т.е. в ва­кууме, по следующим причинам. Во-первых, вакуум необходим для тепловой и химической изоляции раскаленного катода, который в атмосфере воздуха мгновенно перегорает. Во-вторых, наличие высо­кого напряжения между катодом и анодом создает опасность воз­никновения дугового разряда в воздушной среде. В-третьих, сфоку­сированный электронный луч в атмосфере воздуха или других сред из-за соударений с ними теряет фокусировку и, в результате, необ­ходимую плотность энергии излучения. Все это предопределяет обязательное наличие в объеме электронной пушки и на всем нуги следования луча до изделия глубокого вакуума 1,33-10-6 Па.

Преимущества осуществления электронно-лучевых процессов в глубоком вакууме заключаются в следующем. Плавление большин­ства металлов в вакууме положительно сказывается на их свойствах. Например, при сварке вакуум надежно защищает шов от окисле­ния. Особенно это проявляется при сварке высокоактивных в хими­ческом отношении металлов, таких, как цирконий, тантал, титан, молибден и др. Кроме того, вакуум защищает металл от попадания в него вредных газов, способствует удалению присутствующих в нем газов и примесей, а также загрязнений с его поверхности.

Подобная очистка металла при электронно-лучевой обработке способствует повышению скорости удаления газа: а) из жидкого ме­талла (в виде пузырьков) путем уменьшения внешнего давления; б) из твердого металла путем увеличения скорости диффузии газов.

Уменьшение содержания газов в металле шва при сварке приво­дит к значительному повышению его пластичности. При электрон­но-лучевом переплаве получают сверхчистые металлы с повышен­ными механическими свойствами.

Вакуумная защита при сварке имеет ряд технических и эконо­мических преимуществ - легкость получения, дешевизна и простота контроля.

Выпускаемое отечественными заводами современное вакуумное оборудование позволяет создавать совершенную защитную среду для сварки непосредственно на рабочем месте. При этом отпадает зави­симость от заводов, производящих защитные газы; сокращается по­требность в баллонах, транспортных расходах и т.д.

С экономической точки зрения преимущество вакуумной защи­ты при сварке заключается не только в улучшении физико-механи­ческих свойств металла сварного соединения, но и в значительном сокращении затрат на создание вакуумной защиты по сравнению с затратами на сварку в инертных газах. Расчеты показывают, что сварка в вакууме оказывается в 2 раза дешевле сварки в атмосфере ар­гона.

Отметим и ряд недостатков ведения процессов в вакуумной сре­де: 1) создание специальных вакуумных камер из нержавеющей ста­ли с различными герметичными вводами, выводами, люками и пр. Естественно, стоимость таких камер достаточно высока; 2) наличие камеры ограничивает размеры обрабатываемых деталей. Изготовле­ние вакуумных камер, например для сварки крупногабаритных из­делий, сопряжено с огромными денежными и трудовыми затрата­ми, что часто экономически невыгодно; 3) необходимость создания вакуума снижает производительность процессов обработки. Крайне сложно, а часто невозможно организовывать автоматизированную по­точную обработку большого числа деталей без перерывов па загруз­ку и выгрузку деталей, а также на вакуумирование камеры.




Рис. 4. Схема электронной пушки
Однако перечисленные недостатки не столь существенны при правильном выборе номенклатуры деталей, металла, сферы произ­водства и оборудования. Об этом свидетельствует тот факт, что в настоящее время электронно-лучевая обработка широко применяет­ся в различных отраслях промышленного производства.


    1. СВАРКА


Как уже отмечалось, с помощью электронного луча можно осу­ществлять различные технологические процессы, однако наиболь­шее распространение и промышленное применение получил про­цесс электронно-лучевой сварки. Учитывая специфику данного учеб­ного пособия, рассмотрим более детально именно этот процесс.

Для электронно-лучевой сварки применяют специальную уста­новку. В нее входят электронно-лучевая пушка, вакуумная камера, источник питания пушки, вакуумные насосы, система управления установкой, механизм крепления и перемещения изделия.

Вакуумная камера должна быть газонепроницаемой, а также до­статочно прочной, чтобы выдержать наружное атмосферное давление. Обычно в ней имеются вакуумные вводы: для передачи вращательных и поступательных движений; для подачи охлаждающей воды; для подачи электрической энергии к катоду, магнитным линзам и т.д.

В вакуумных камерах обычно имеются люки для загрузки изде-лей, механизмов и устройств, а также несколько смотровых люков для наблюдения за процессом сварки. Степень вакуумирования в различных частях камеры определяют с помощью установленных там измерительных вукуумных ламп на специальных вакуумных вводах.

Основной недостаток установок, в которых сваривают одно изде­лие за одну откачку камеры, - их низкая производительность. На этих установках лишь 2 - 3% времени, отведенного на общий цикл работ, расходуется непосредственно на сварку, остальное - на загруз­ку изделия, вакуумирование камеры, подготовку ее к выгрузке изде­лия и непосредственно выгрузку. Все это препятствует использова­нию таких установок для сварки электронным лучом, особенно в массовом производстве.

Увеличить производительность сварочных установок можно, со­кратив время на откачку камеры, ускорив загрузку и выгрузку дета­лей, упростив процессы герметизации камеры и наполнения ее воз­духом. Особенно важно сократить время вакуумирования, этому мо­жет способствовать уменьшение объема камеры и использование высокопроизводительного вакуумного оборудования.

Немаловажную роль в увеличении производительности играет надежность работы электронно-оптической системы. В случае сварки нескольких швов на изделии рациональна установка нескольких пу­шек в камере, особенно если швы находятся на большом расстоя­нии друг от друга или расположены в различных плоскостях.

Для последовательной сварки нескольких изделий (обычно ци­линдрических) в промышленности используют установки с магазин­ным устройством. В рабочих камерах таких установок резмещен по­воротный стол, на котором закреплено несколько свариваемых дета­лей. В результате при сварке несколько повышается производитель­ность электронно-лучевой установки.

Магазинные устройства, размещенные внутри вакуумной камеры, имеют и свои недостатки, поскольку стремление увеличить число изделий, загружаемых в камеру, приводит к увеличению ее объема и, следовательно, времени откачки.

Наибольшую производительность имеют установки с непрерыв­ной подачей изделий в вакуумную камеру. Ввод изделия в камеру не изменяет уровень вакуума в ее объеме. Изделие с помощью транспортера поступает в камеру через специальное уплотнение и после сварки выводится через аналогичное уплотнение. Цикл свар­ки в таких установках мало отличается от цикла сварки на воздухе.

Для электронно-лучевой сварки крупногабаритных изделий ис­пользуют установки с так называемыми камерами, которые гермети­зируют изделие только в местах сварки. Размеры вакуумной камеры такой установки относительно малы, поэтому значительно ускоряет­ся процесс их откачки. В камерах, построенных по этому принци­пу, можно сваривать стыки: стержней и труб большой длины; про­волоки в процессе ее изготовления; колец больших диаметров.

Возможности электронно-лучевой сварки, технология ведения процессов и степень воздействия на материалы мало отличаются от лазерной сварки. Часто эти два способа можно рассматривать как взаимозаменяемые.

При электронно-лучевой сварке, так же как и при лазерной, имеется возможность регулировать в широких пределах плотность энергии излучения или мощность излучения. Поэтому сварку мож­но осуществлять в режимах: 1) теплопроводностном; 2) глубокого проплавления, сопровождаемого образованием парогазового канала. 1-й режим используют при сварке малых толщин (в микроэлектро­нике, приборной технике), а также при сварке определенных групп металлов (титановых, жаропрочных). 2-му режиму присуще получе­ние глубоких проплавлений (до нескольких десятков миллиметров) с малой шириной шва, т.е. "кинжальных". Подобная форма проплавления, так же как и при лазерной сварке, обеспечивает мини­мальные деформации деталей, малые размеры зоны термического влияния, благоприятную структуру шва и высокие механические свойства сварных соединений. С помощью электронно-лучевой свар­ки соединяют такие тугоплавкие металлы, как вольфрам, ниобий, тантал. Надежная вакуумная защита обеспечивает качественную сварку алюминиевых и титановых сплавов.

Электронно-лучевую сварку в настоящее время широко использу­ют в электронной, атомной, автомобильной, авиационной и других отраслях промышленности.
  1   2   3


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации