Главная Классификация процессов сварки 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 [ 68 ] 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 После определения оптимальных значений температур и давления проведено исследование влияния времени сварки на прочность соединений. Минимальное время сварки сплава ЭП99 6 мин, а сплава ХН75МБТЮ (ЭИ602) 3 мин. Приведенные данные позволяют рекомендовать следующий режим сварки: для сплава ХН75МБТЮ (ЭИ602) Г=1150-г- 1175° С, р = 2,5-f- 3 кгс/мм, т = 3 4 мин; для сплава ЭП99 Т= 1150 н- 1175° С, р = 3,5 4 кгс/мм2, т = 6 -т- 7 мин. Сварка с расплавляющейся прослойкой. Исследованиями установлены важные преимущества сварки с расплавляющимися прослойками по сравнению со сваркой без прослоек. Сплавы с повышенным содерланием элементов с большим сродством к кислороду (алюминий, титан и др.), в частности сплав ЭП99, предпочтительно сваривать с промежуточными расплавляющимися прослойками. Ss, кгс/см 100 90 70 60 50 АО
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 р, кгс/ММ 2 Рис. 63. Влияние давления сжатия и температуры сварки на механические свойства соединений из сплава ЭП99; 1) Т = 1000° С; 2) Т = 1150 С; 3) Г = 1175° С; 4) 7- = 1200° С 100 \s 90 80 70 60 50 40 30 20 10 О ф,,%;бв,кгс/ммг ± 0,1 1 12 t, мин Рис. 64. Влияние времени сварки на механические свойства соединений сплавов ЭП99 (1) и ХН75МБТЮ (2). Режим сварки сплава ЭП99: 7-=1150°С; р = 4кгс/мм2; сплава ХН75МБТЮ (ЭИ602): Г = 1150° С, р = 3 кгс/мм Сварку без расплавляющихся прослоек рекомендуется выполнять с нанесением на стыкуемые поверхности фтористого аммония, причем при сварке сплава ЭП99 - независимо от перерыва меледу очисткой поверхностей и сваркой. При жестких требованиях к точности деталей сварку во всех случаях следует выполнять с применением расплавляющихся прослоек. На,сварку детали поступают после механической обработки, обеспечивающей обработку соединяемых поверхностей по 6-му классу шероховатости. Непосредственно перед сваркой соединяемые поверхности зачищают мелкозернистой наждачной бумагой и промывают ацетоном. При применении расплавляющихся прослоек зачистку допускается выполнять за сутки до сварки. В качестве расплавляющихся прослоек для указанных сплавов рекомендуется применять фольгу из припоя ВПр7 толщиной 0,1-0,06 мм. Перед введением встык фольгу зачищают мелкозернистой наждачной бумагой и промывают ацетоном. Пели конструкция детали не допускает вытеснения избыточного количества расплавленного металла прослойки на боковые кромки (детали с внутренними каналами), то толщину и площадь фольги уменьшают. Однако площадь фольги не должна быть меньше площади контакта деталей. Фольгу рекомендуется приваривать к поверхности одной из деталей с помощью точечной конденсаторной сварки. По сравнению с пайкой диффузионная сварка резко повысила прочность и точность деталей. Сварные соединения не разрушались при изгибе на 180°, тогда как паяные разрушались без заметного изменения профиля. При испытании на разрыв разрушение сварных соединений частично происходит по основному металлу. Сварка с расплавляющимися прослойками наиболее рациональна для соединения жаропрочных сплавов в вакууме. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА Энергия электронов. Электроны применяют в технике для возбуждения свечения люминофоров, нанесенных на экран электронно-лучевых трубок катодных осциллографов и телевизоров. Эффекты, вызываемые электронами при бомбардировке вещества, используются в электронных микроскопах, электронных умножителях, рентгеновских трубках, масспектрографах и во многих других устройствах и приборах. Электрон представляет собой элементарную электрически заряженную частицу, имеющую отрицательный заряд е = 1,602-10 К; массу = 9,109Х X 10-=1 кг; радиус 2,82- Ю-м; удельный заряде/т = 1,759- Ю к/кг. Число электронов в атоме зависит от типа вещества и равно его атомному номеру в периодической системе элементов Д. И. Манделеева. Широкое применение электронов связано с тем, что электрон, являясь наименьшей устойчивой заряженной элементарной частицей материи, может быть наиболее простым способом получен в свободном состоянии. В большинстве случаев, подведя соответствующую энергию, можно вызвать выход электронов с поверхности металла. Наиболее часто для получения свободных электронов используют термоэлектронные катоды, в которых, как правило, металлы нагреваются до таких температур, при которых электроны приобретают достаточную скорость, чтобы покинуть металл и перейти в окружающее катод пространство, в результате чего возникает эмиссия электронов. Величина тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры катода, работы выхода и свойств поверхности (уравнение Ричардсона-Дэшмана): /, = ЛГ2е-, (9) где jg - плотность тока эмиссии, А/см; А - эмиссионная постоянная, зависящая от свойств излучающей поверхности и равная для большинства чистых металлов 40-70 kl{сиТ - абсолютная температура катода. К; е - основание натуральных логарифмов; ефо - работа выхода электрона из металла, Дж; k- 1,38х Х10~2 Дж/°С-постоянная Больцмана. Уравнение (9) показывает, что величина тока эмиссии в наибольшей степени зависит от температуры катода. Однако при увеличении температуры резко возрастает скорость испарения материала катода и сокращается срок его службы. Свободные электроны под действием электрических или магнитных полей могут перемещаться. Поскольку электроны обладают самой малой инертной массой из всех масс элементарных частиц, обладающих зарядом, то электрону можно сообщить большие ускорения. Если электрон поместить в однородное электрическое поле напряженностью Е (рис. 65), созданное между двумя параллельными пластинами достаточно большой протяженности, то на электрон будет действовать сила, равная произведению величины заряда на напряженность поля в месте нахождения заряда: F=-eE. (10) Знак минус показывает, что вследствие отрицательного заряда электрона сила имеет направление, противоположное направлению вектора напряженности электрического поля. Работа, затрачекная электрическим полем на перемеще1и? заряда из одной точки в другую, равна произведению величины заряда на разность потенциалов между этими двумя точками: A = eU=e{Ui-U{), (И) где и ~ разность потенциалов между точками / и 2 (рис. 65). Эта работа затрачивается на сообщение электрону кинетической энергии (12) где у и Уо - скорости движения электрона в точках 1 я 2. Сумма кинетической и потенциальной энергий электронов при их движении в электрических полях остается постоянной, то из формул (12) и (10) получаем + + + + 4- + + -е------ (13) Если начальная скорость электрона Уо = О, то ==eU. (14) Рис. 65. Движение электрона в ускоряющем электрическом поле Из выражения (14) следует, что энергия электронов определяется массой и скоростью частицы. Энергия электронов может достигать больших значений и зависит от разности потенциалов разгоняющего поля. Скорость электрона, выраженная через потенциал разгоняющего поля и, равна 2е nip (15) Подставляя в формулу (15) значение заряда и массы электрона, можно получить приближенное выражение для расчета скорости электрона vmoYu км/с, (16) где и - разность потенциалов, В. Таким образом, скорость, приобретаемая электроном при движении в ускоряющем поле, зависит только от пройденной разности потенциала. Из формулы (16) видно, что скорости электронов даже при сравнительно небольшой разности потенциалов получаются значительными. Например, при U - \0 ООО В скорость электронов составляет у = 60 ООО км/с. При такой большой скорости электронов все процессы, связанные с движением электронов, протекают очень быстро. Выбором величины и направления начальной скорости электронов, а также величины и направления напряженности электрического поля может заставить электроны двигаться по заранее рассчитанной траектории. Это дает возможность управлять движением электронов, получать требуемые энергию электронов и плотность в пучке и т. п. Влияние магнитного поля на движущийся электрон аналогично действию поля на проводник с током. Сила, действующая на электрон, движущийся р магнитно1м поле, определяется из выражения РВеУша, (17) где Be - магнитная индукция; а - угол между направлением тока и магнитной силовой линией полч. Из выражения (17) следует, что электрон, движущийся вдоль силовых линий магнитного поля (а = 0), не испытывает никакого воздействия поля {F = = Bevsin О = 0) и продолжает перемещаться с заданной ему начальной скоростью. Если вектор начальной скорости электрона перпендикулярен вектору магнитной индукции, т. е. а п/2 (рис. 66, а), то сила, действующая на электрон, F - BfV sin = Бу. (18) Направление этой силы определяется по правилу левой руки. Сила F всегда перпендикулярна направлению мгновенной скорости электрона v и направлению магнитных силовых линий поля. В соответствии со вторым законом Ньютона эта сила сообщает электрону с массой ускорение, равное Bgvlnig. Поскольку ускорение перпендикулярно скорости у, то электрон под действием этого нормального (центростремительного) ускорения будет двигаться по окружности, перпендикулярной силовым линиям поля. Начальная скорость электрона может быть и
Рис. 66. Траектория электрона в магнитном поле не перпендикулярна магнитной индукции, т. е. а < п/2 (рис. 66, б). Тогда траекторию движения электрона определяют две составляющие начальной скорости: нормальная у и касательная v. Первая направлена перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, а вторая параллельно им. Под действием нормальной составляющей электрон движется по окрулности, а под действием касательной - перемещается вдоль силовых линий поля. В результате действия двух составляющих траектория движения электрона принимает вид спирали. Возможность изменения траектории движения электрона с помощью магнитного поля используется для фокусировки и управления магнитным потоком. Электроны, двигаясь в электрическом поле, могут накопить значительную кинетическую энергию. При достижении электроном поверхности металлического анода скорость электронов резко уменьшается вследствие столкновения их с атомами металла. При таких столкновениях кинетическая энергия электронов передается атомам вещества, подвергающегося бомбардировке. Эффект передачи энергии электронов веществу проявляется увеличением температуры вещества. Если на анод попадает N электронов в секунду, то выделяющаяся на аноде мощность в виде тепла равна PNeU. (19) Произведение Ne в уравнении (19) представляет собой количество электричества в кулонах, попадающее в 1 с на анод, т. е. величину тока ц амперах. Поэтому мощность, выделяющаяся на аноде, Нагрев анода электронной бомбардировкой является во многих случаях нежелательным явлением и лишь в последнее время этот эффект начал использоваться как положительный фактор при различных технологических процессах, связанных с термическим воздействием (сварке, плавке, обработке, напылении пленок и т. п.), что значительно расширило область применения электронного луча. Установлено, что электроны, обладающие определенной энергией, могут проникать в вещество. Толщина слоя вещества, пройдя который, электрон полностью теряет скорость, определяет его пробег. Пробеги электронов в металлах, при сравнительно небольших энергиях электронов (10--82 кВ), были изучены Б. Шенландом. Согласно Шенланду пробег электронов выражается зависимостью 6 = 2,1. 10 (21) где б - пробег электронов, см; U - разгоняющее напряжение. В; р - плотность вещества, г/см. Расчеты, произведенные по формуле (21), показывают, что электроны в зависимости от разгоняющего напряжения и свойств металла могут проникать на глубину нескольких десятков и даже сотен микрон. Глубина проникновения электронов в металл невелика, но учет ее позволяет объяснить некоторые эффекты, связанные с особенностями электронного нагрева при сварке. Изучение адсорбции монохроматического потока электронов показывает, что проникающий в вещество электрон испытывает многократное рассеяние и теряет энергию в результате многочисленных соударений с ядрами атомов и электронами решетки. В результате этих столкновений меняется скорость и направление движения электронов, проникающих в вещество (рис. 67). Электроны растрачивают основную долю энергии в конце пробега. Таким образом, в отличие от других методов сварки нагревом посредством теплопередачи через поверхность металла, электронный нагрев осуществляется в самом веществе. При этом электроны теряют свою энергию неравномерно в направлении пробега. Вследствие этого наиболее интенсивное тепловыделение наблюдается на некоторой глубине. Особенности электронного нагрева, связанного с выделением тепла в слое вещества, можно определить, рассматривая дифференциальное уравнение теплопроводности с источником тепла в самом металле: Рис. 67. Путь электрона в веществе (22) где t - температура среды; х - расстояние от поверхности; т - время; а - коэффициент температуропроводности; с - теплоемкость металла; р - плотность металла; W {х; т) - интенсивность источника - количество тепла, выделяющегося в единицу времени в единице объема в данной точке металла. Количество выделенной электроном энергии можно аппроксимировать зависимостью (23) где п - число электронов, проходящих через единицу поперечного сечения поверхности анода в 1 с; £ - средняя энергия электрона в данной точке; Со - постоянная; к - коэффициент, характеризующий цоглощецие энергии е метадде. Дифференциальное уравнение нагрева поверхностного слоя металла электронным лучом dtjx; г) дЧ{х; т) , Ср , дх дх ф (24) Математическое исследование решения уравнения (24) показывает, что с увеличением продолжительности импульса слой с максимальной температурой сдвигается к поверхности металла в результате теплопроводности (рис. 68), и при определенной продолжительности импульса на поверхности металла будет максимальная температура. Физическая картина внешних явлений, сопровождающих действие электронов на металл, состоит из рентгеновского излучения, теплоизлучения, возникновения отраженных вторичных электронов, испарения металла в виде атомов и ионов металла и может быть изображена следующим образом (рис. 69). J 4 Вторичные электроны делятся на три группы: упругоотраженные электроны. Рис. 68. Изменение температуры в слое вещества с увеличением времени импульса Та > Ti; Х2, < Xi Рис. 69. Физическая картина явлений, сопровождающих проникновение электронов в веществе: / - молекулы металла; 2 - ионы; 3 - луч; 4 - рентгеновское излучение; 5 - отраженные и вторичные электроны; 6 - тепловое и световое излучение энергия которых примерно равна падающим; электроны, отраженные в результате неупругого соударения и имеющие более или менее большие потери; собственно вторичные электроны, энергия которых не превышает 50 эВ. Энергия отраженных электронов в среднем составляет 70% от энергии первичных. Если отношение числа рассеянных электронов к числу падающих обозначить Р, то потери энергии пучка на рассеянных электронах составит = 0,7 р. Величина Р колеблется в пределах 0,1-0,45 в зависимости от порядкового номера элемента. Сварка электронным лучом в вакууме. Сущность процесса сварки электронным лучом в вакууме состоит в использовании кинетической энергии электронов, быстро движущихся в глубоком вакууме. При бомбардировке электронами поверхности металла подавляющая часть кинетической энергии электронов превращается в тепло, которое и используется для расплавления металла. При использовании этого источника тепла для сварки необходимо получить свободные электроны, сконцентрировать и сообщить им большую скорость с целью увеличения их энергии, которая должна превратиться в тепло при торможении электронов в свариваемом металле. Получение свободных электронов достигается применением раскаленного металлического катода, эмиттирующего электроны. Ускорение электронов обеспечивается электрическим полем с высоким потенциалом между катодом и анодом. |
© 2011 - 2024 www.taginvest.ru
Копирование материалов запрещено |