2.1.3 Электронно-лучевая сварка (элс)

Кроме электродуговых способов сварки в производстве ЛА нашли применение лучевые способы сварки, прежде всего электронно-лучевая сварка.

При электронно-лучевой сварке нагрев материала до расплавления осуществляется бомбардировкой его пучком электронов, летящих с большой скоростью в вакууме.

В установках ЭЛС свободные электроны концентрируются в пучок и разгоняются до больших скоростей с целью увеличения их кинетической энергии, которая затем переходит в тепловую энергию при резком торможении в материале. Существуют различные схемы устройств для получения свободных электронов - электронных пушек. Свободные электроны получают, применяя термоэлектронные катоды (например, из гексаборида лантана LаВ₆), обладающие высокими эмиссионными свойствами.

На рис.2.10 представлена схема электронно-лучевой сварки. Ускорение и концентрация электронов осуществляется электрическими и магнитными полями с помощью электромагнитной линзы. Электронно-лучевая установка состоит из следующих основных устройств: электронная пушка; высоковольтный источник тока, обеспечивающий получение ускоряющего напряжения до 200 кВ и более; вакуумная камера, где размещаются свариваемые детали; вакуумные насосы, создающие разряжение порядка 6∙10^-3 Па; контрольно-распределительная вакуумная аппаратура. В настоящее время наблюдается тенденция в развитии оборудования для электронно-лучевой сварки крупногабаритных изделий. Это проявляется в создании больших вакуумных камер, герметизации и создании вакуума на отдельных участках свариваемых изделий.

Основными параметрами ЭЛС являются: ускоряющее напряжение, ток электронного луча, скорость сварки, размеры фокального пятна, частота и амплитуда поперечных колебаний луча.

Важными достоинствами электронно-лучевой сварки являются высокое качество соединений, узкая зона термического влияния и небольшие сварочные деформации, возможность получения швов с глубоким проплавлением, так называемых "кинжальных" (узких и глубоких); возможность сваривать за один рабочий ход детали толщиной до 200 мм. Следует отметить, что затраты энергии при ЭЛС составляют 15...20 % от затрат энергии при сварке под флюсом.

ЭЛС применяется в машиностроении в производстве конструкций из нержавеющих и высокопрочных сталей, сплавов на основе алюминия и титана, а также для соединения некоторых видов керамик с металлами, для сварки тугоплавких металлов и др.

2.2. Механические и термомеханические способы сварки (сварка давлением)

2.1.1. Особенности формирования соединений при сварке давлением

Применение механической энергии при сварке давлением позволяет реализовать целый ряд преимуществ по сравнению со сваркой плавлением. Эти преимущества определяются, в первую очередь, тем, что механическая энергия гораздо менее инерционна, чем тепловая, а при ударно-импульсных нагрузках вообще безинерционна. При этом отсутствуют характерные для сварки плавлением недостатки, обусловленные достаточно длительным термическим воздействием на свариваемые материалы: литая структура металла шва, значительные размеры зоны термического влияния, остаточные напряжения и деформации и др.

По современным представлениям процесс образования соединения при любых способах сварки без расплавления протекает в три стадии.

1. Образование физического контакта, т.е. сближение атомов соединяемых материалов за счет пластической деформации на расстояние, при котором становится возможным квантово-механическое взаимодействие электронных оболочек поверхностных атомов.

2. Активация контактных поверхностей (образование активных центров). Активация контактных поверхностей начинается уже в процессе их сближения при смятии отдельных микровыступов за счет совместной пластической деформации.

3. Объемное взаимодействие. Эта стадия наступает с момента образования активных центров на соединяемых поверхностях. В течение третьей стадии происходит развитие взаимодействия соединяемых материалов как в плоскости контакта с образованием прочных связей, так и в объеме зоны контакта. Для обеспечения требуемой прочности соединений часто необходимо дальнейшее развитие процессов рекристаллизации или диффузии.

Известно, что реальные металлические поверхности имеют сложное геометрическое и физическое строение. На первой стадии формирования соединений при сварке давлением реализуются процессы по развитию максимальной площади фактического контакта и очистке поверхностей от окислов и адгезионных наслоений.

Каждый процесс сварки давлением может обеспечить высокое качество соединения в том случае, когда все оксидные и адсорбционные наслоения в плоскости контакта в процессе плавления растворяются в расплаве или полностью выдавливаются из плоскости свариваемого контакта при операции осадки.

Первое условие полностью соблюдается при контактной точечной и шовной сварке, второе условие выполняется при контактной стыковой, холодной, ультразвуковой и сварке трением.

Особый характер имеет очистка поверхностей при сварке взрывом и диффузионной сварке в вакууме. При сварке взрывом поверхности очищаются воздушно-плазменной кумулятивной струей. При диффузионной сварке в вакууме в зависимости от свариваемых сочетаний материалов могут реализоваться различные механизмы удаления оксидных слоев: диссоциация, растворение, восстановление и другие.

Активация контакта (вторая стадия) - это процесс преднамеренного повышения энергии в поверхностных слоях или по плоскости контакта, или, дополнительно к этому, в некотором объеме металла вокруг контакта. Энергия активации может быть получена за счет любого физического процесса. Механическая энергия, вводимая в свариваемый контакт, весьма универсальна и безинерционна по сравнению с тепловой, что имеет весьма важное значение.

Все процессы сварки давлением отличаются друг от друга временной программой деформирования соединения (осадки). Можно выделить следующие процессы осадки:

• длительно действующие при постоянном давлении (диффузионная сварка);

• ударно-импульсные (сварка взрывом, магнитно-импульсная сварка);

• специально программированные по силе сдавливания и времени её действия (контактная, холодная, трением, ультразвуковая, диффузионная).

На третьей стадии процесса сварки давлением развиваются процессы взаимной диффузии, рекристаллизации, в отдельных случаях образования химических соединений (интерметаллидов, карбидов и т.п.), формируется напряженное состояние в зоне сварки.

Важную роль в получении качественных сварных соединений играют процессы образования химических соединений при сварке разнородных материалов. Так, например, в системе Cu-Al могут образовываться интерметаллиды трех видов CuAl₂, CuAl, Cu₂Al₃. Зависимость величины интерметаллидной фазы (у) от времени t может быть описана известным уравнением уⁿ=k(t+t₀), где t₀ - общий латентный период образования зародышей интерметаллида; k - коэффициент роста интерметаллида, п - экспериментально определяемый показатель степени.

Качество сварного соединения в значительной степени зависит от толщины интерметаллической прослойки, возникающей в контакте. При критических толщинах (десятки микрон) прочность сварных соединений резко падает. В связи с этим возникает необходимость предотвращения появления и роста интерметаллических прослоек. Основными направлениями для ограничения образования и роста интерметаллических соединений являются: оптимизация режимов сварки; применение специальных "барьерных" прослоек.

Барьерные прослойки изготавливаются из металлов, хорошо растворимых в основных металлах. Барьерные прослойки могут состоять из одного или нескольких слоев. Например, при диффузионной сварке титановых сплавов со сталями используют прослойку, состоящую из трех компанентов: ванадия, меди, никеля.