Новые способы сварки

1 Электронно-лучевая сварка осуществляется посредством плавления металла сфокусированным пучком электронов, управляемых электрическим полем высокого напряжения. При падении электронного луча на изделие около 99% кинетической энергии электронов превращается в тепловую. При этом развивается температура порядка 5000…6000 ⁰С.

Сварку выполняют в герметических камерах с высоким вакуумом или инертной атмосферой. Электронный луч формируется с помощью электронной пушки [6, рис. 93].

Электроны, полученные на катоде электронной пушки, формируются в пучок. Под действием разности потенциалов между катодом и анодом (20…150 кВт и выше) электроны в пучке ускоряются. Затем магнитными линзами электроны фокусируются в виде луча, который направляется магнитной системой на изделие.

Вследствие фокусировки луча на чрезвычайно малой площади (менее 0,001 см) достигается высокая удельная мощность луча. При этом отношение глубины проплавления металла к ширине шва может достигать 20:1, такое проплавление называется кинжальным. За один проход можно сварить металл от 0,02 до 100 мм и более. Электронно-лучевой сваркой свариваются детали из тугоплавких, химически активных металлов и сплавов, алюминиевых и магнитных сплавов и высоколегированных сталей.

2 Индукционная сваркаосуществляется нагревом металла до пластического состояния или до оплавления с помощью индукционных токов средней (2…10 кГц) или высокой (70…500 кГц) частоты с последующим сжатием свариваемых деталей. Этим способом свариваются в основном трубы различного диаметра (до 1600 мм) при толщине стенок 0,1…16 мм. Трубная заготовка [6, рис.97] перемещается между обжимными роликами 3 и нагревается кольцевым индуктором 2. Вследствие большой плотности индукционных токов на участке заготовки перед роликами металл быстро нагревается до температуры плавления. Последующим обжатием заготовки роликами 3 образуется сварное соединение.

Достоинством метода является возможность сваривать трубы из горячекатаной не очищенной от окалины заготовки, а также его высокая производительность, особенно при использовании токов высокой частоты (350…500 кГц).

3 Сварка трением – основана на разогреве металла при трении деталей друг о друга, т.е. на преобразовании механической энергии в тепловую.

Свариваемые детали нагреваются до пластического состояния, после чего их сжимают осевым усилием [6, рис.103].

Этим способом сваривают встык детали кругового сечения (трубы, стержни, режущие инструменты), изготавливаемые из однородных и разнородных металлов, а также пластмасс.

4 Холодная сварка давлениемосуществляется без нагрева за счет усилия сжатия. При этом качество сварки зависит от качества подготовки поверхности деталей. Свариваемые поверхности тщательно очищаются от окислов и загрязнений. Высокое давление сжатия (150…1000 МПа) способствует проявлению сил межатомного сцепления. Этим методом свариваются высокопластичные металлы (алюминий, медь, серебро, никель и др.).

5 Диффузионная сварка в вакууме[6, рис.102] основана на взаимной диффузии атомов в поверхностных слоях контактирующих металлов, помещенных в вакууме, нагретых до 400…1300 ⁰С и сжатых до 10…20 МПа.

Таким способом соединяются трудносвариваемые детали, разнородные металлы и их сплавы и металлокерамика с металлами.

В вакуумной камере 2 свариваемые детали 3, очищенные от загрязнения и оксидов, нагреваются, как правило, токами высокой частоты или контактным способом с помощью нагревательного устройства 4, с последующим сдавливанием устройством 1 в течение 10…20 мин.

Основным преимуществом этого способа является получение равнопрочного соединения без заметных изменений физико-механических свойств металла в зоне сварки. Диффузионную сварку применяют в космической технике, радиоэлектронике, самолетостроении, приборостроении и др. отраслях.

6 Ультразвуковая сварка [6, рис.104]осуществляется с использованием ультразвуковых колебаний и небольших сжимающих усилий. Колебания получаются с помощью магнитострикционного эффекта, заключающегося в способности некоторых металлов и их сплавов (например, сплав никеля с железом – пермалой) преобразовывать электромагнитные колебания ультразвуковой частоты (15…100 кГц) в механические колебания той же частоты.

При включении обмотки магнитострикционного преобразователя 1 в цепь генератора тока высокой частоты в преобразователе образуются упругие механические колебания, которые по волноводу 3 и электроду 4 передаются на свариваемые детали 5. Поверхностные слои деталей подвергаются сдвиговой деформации, за счет этого развивается достаточно высокая температура, и разрушаются пленки. При последующем сдавливании металл пластически деформируется и проходит сваривание.

Ультразвуковой сваркой можно получить точечные и шовные соединения внахлестку и соединения по замкнутому контуру. Сваривают металл толщиной от 0,001 до 1 мм, а также приваривают тонкие листы и фольгу к заготовкам неограниченной толщины. При этом свариваемые поверхности не требуют тщательной очистки. Этим способом можно сваривать однородные и разнородные металлы (например, алюминий с медью, медь со сталью), а также пластмассы. Используют сварку в радиоэлектронике, приборостроении, авиационной промышленности.

7 Сварка взрывом– при сварке взрывом лист приваривается к листу по всей плоскости. Для этого на поверхности верхнего листа укладывается взрывной заряд, воспламеняющийся от детонатора. Образующаяся при этом мощная взрывная волна отбрасывает верхнюю деталь на нижнюю со скоростью порядка 1000 м/с. При соударении свариваемых поверхностей возникает пластическая деформация и расплавление микрообластей. За счет установки деталей под некоторым углом a друг к другу сближение происходит не одновременно по всей поверхности детали. При этом из зазора вытесняется воздух, который сдувает с поверхности загрязнение. Происходит надежная сварка по всей свариваемой плоскости. Сваркой взрывом можно соединять однородные и разнородные металлы и сплавы, в частности получать биметаллические изделия.

8 Лазерная сварка[6, рис.94] осуществляется за счет мощного сконцентрированного светового луча, создаваемого в установках, именуемых лазерами. Основное применение находят рубиновые лазеры с искусственным рубином. Лазер состоит из рубинового стержня 1, ксеноновой лампы 2, линзы и охлаждающей системы 3. При вспышке ксеноновой лампы, питаемой разрядным током конденсаторов, рубиновый кристалл излучает поток фотонов. Пройдя через линзу, сфокусированный пучок попадает на изделие. Продолжительность импульса лазерного луча составляет тысячные, и даже миллионные доли секунды. Отдельными точками лазерным лучом можно сваривать различные металлы толщиной до 0,5 мм, а также получать отверстия в тугоплавких металлах, твердых сплавах, алмазах и др.