Материал: Сварка и свариваемые материалы. Технология и оборудование

ристик системы проведения электронного луча питание катушек КЖ, ФК, ОК (см. рис. 5.10) осуществляется от ре­ гуляторов тока.

В СССР в настоящее время се­ рийно выпускаются источники ускоряю­ щего? напряжения в комплекте сэлект- ронпо-лучевой пушкой на ускоряющее напряжение 60 кВ и мощность 5, 15 и 60 кВт (ЭЛА5, ЭЛА15, ЭЛА60 и др.).

5.10-4. Вакуумная система электронно-лучевой установки

5.10.5. Система управления электронно-лучевой установкой

Система управления (СУ) должна выполнять следующие основные функции:

—программное управление работой всех систем установки;

—диагностику работы всех систем установки;

— контроль и управление положением электронного луча по отношению

кстыку;

—контроль и управление пространственными, энер1 етическими и времен­ ными характеристиками электронного луча;

—связь с СУ более высокого уровня при работе в составе гибкой про­ изводственной системы.

Элементная база СУ — мини- и микроЭВМ, микропроцессоры. Все про­

граммное управление осуществляется либо одной достаточно мощной ЭВМ, либо центральной микроЭВМ и местными микроЭВМ, на которых реализуется локальное управление одним или несколькими устройствами. В отечественных установках используются микроЭВМ семейства «Электроника», СМ-1800 и др. Для повышения помехоустойчивости и надежности работы микроЭВМ я объект управления гальванически разделены.

5.10.6. Примеры, оборудования ЭЛС

Установка EBW36000/60-150 является типичным представите­ лем камерных машин. Она предназначена для сварки крупнога­

баритных деталей. Размеры рабочей камеры — 4,9ХЗ,35Х

с двумя криогенными насосами производительностью 10 м3/с. Время откачки рабочей камеры------15 мин.

Установка оснащена ЭЛП мощностью 60 кВт при ускоряю­ щем напряжении 150 кВ, системами слежения за стыком во время сварки и телевизионного наблюдения за процессом сварки. Управление установкой полностью автоматизировано.

Установка УВЛ-6003, разработанная ВНИИЭСО, является типичной для тактовых высокопроизводительных специализиро­ ванных установок. Она предназначена для сварки кольцевых швов на деталях с вертикальной осью вращения. Максималь­ ные габариты деталей: диаметр 0,3, высота 0,3 м. Расположе­ ние ЗЛП — вертикальное или горизонтальное. Вакуумная си­ стема рабочей камеры оснащена двухступенчатой системой от­

Установка содержит трехпозиционный поворотный стол с по­ зициями загрузки-выгрузки, подогрева детали перед сваркой, сварки. На установке можно проводить сварку среднеуглероди­

стых сталей (установка снабжена позицией отжига деталей). Подогрев и отжиг осуществляются среднечастотными индукци­ онными генераторами. СУ выполнена на базе микроЭВМ

«Электроника МС 2716» и осуществляет управление всеми уст­ ройствами установки, а также контроль и диагностику неис­ правностей. Установка комплектуется энергоблоком ЭЛА-15 <15 кВт, 60 кВ).

Г л а в а 6 Л А З Е Р Н А Я С В А РК А

в.1. О бщ ие сведения

€.1.1. Источники энергии

Среди известных источников энергии, используемых для сварки, лазерное из* лучение обеспечивает наиболее высокую концентрацию энергии. На рис. 6.1 представлены значения плотности мощности £, т. е. отношение мощности источника к его площади, и диаметры источников нагрева для основных сва­ рочных источников энергии. Из этих данных следует, что лазерное излучение на несколько порядков превосходит по концентрации остальные источники теплоты, используемые для сварки. Такие высокие значения концентрации энергии определяются уникальными характеристиками лазерного излучении, в первую очередь его монохроматичностью и когерентностью.

Лазерная сварка, в отличие от электронно-лучевой, также обеспечиваю щей высокую концентрацию энергии, не требует вакуумных камер. Ее ведут либо на воздухе, либо в аргоне, гелии, либо в С02 и др. Лазерной сваркой можно соединять элементы любых размеров.

6.1.2. Виды технологических лазеров

ческого и непрерывного действия [2 , 31.

Одним из первых твердотельных лазеров для сварки был ис­ пользован лазер на рубине. Активный элемент в нем — стер­ жень из кристалла искусственного рубина. Эти лазеры обычно генерируют импульсно-периодическое излучение на длине волны 1=0,69 мкм с длительностью импульсов т= 10- 3 -s-10-9 с, энер­ гией в импульсе U7H«10_2 H- 103 Дж, максимальной частотой по­ вторения импульсов Г„»10 Гц.

Твердотельные лазеры с активным элементом в виде стерж­ ней из стекла с примесью неодима позволяют получать более высокие значения энергии излучения. Они генерируют импульс­ но-периодическое излучение на А.= 1,06 мкм. Частота импульсов

твердотельные лазеры с активным элементом из иттрий-алюми- ниевого граната (ИАГ) с добавкой неодима. Эти лазеры гене­ рируют излучение на Я.= 1,06 мкм как в импульсно-периодиче­ ском, так и в непрерывном режимах.

Средняя мощность излучения твердотельных лазеров дости­

и их низкой теплопроводностью, что затрудняет их охлаждение в лазерных установках.

Наиболее широко используют для сварки газовые лазеры, в которых в качестве активной среды используется СОг. Эти лазеры развивают в настоящее время среднюю мощность от не скольких десятых до десятков киловатт в непрерывном и им пульсно-периодическом режимах генерации излучения с А,= = 10,6 мкм.

Лазерное излучение когерентно, монохроматично, обеспечи­ вает малую расходимость. Вследствие этого возникает возмож­ ность высокой степени фокусировки для достижения больших значений концентрации энергии излучения, и на поверхности свариваемого материала происходит локальный нагрев, обеспе­ чивающий высокие скорости нагрева и охлаждения, значи­ тельно превосходящие эти параметры при традиционных спосо­ бах дуговой сварки, малый объем расплавленного металла, ма­ лые размеры околошовной зоны термического влияния.

6.1.3. Теплофизические показатели процессов

Лазерное излучение на поверхность материала частично отражается, а ча­ стично поглощается.

Эффективный к. п. д. процесса сварки по физической сущности явля­ ется эффективным коэффициентом поглощения лазерного излучения

где q — эффективная тепловая мощность процесса лазерной сварки, т. е. мощ­ ность, поглощаемая металлом при лазерной сварке, Р — мощность лазерного излучения. Значения % зависят от параметров режима и условий лазерной сварки, особенно ее скорости (рис. 6.2). Это связано с влиянием размеров и формы образующегося парогазового канала на поглощение лазерного из­ лучения. Разные состояния поверхностей образцов перед сваркой незначи-

Рис. 6.2. Зависимость эффективного к. п. д. от скорости св&рки и физико-химического состояния поверхности образцов из малоуглеро­

Рис. 6.3. Изменение термического к. п. д. лазерной сварки титанового сплава ВТ-28 толщиной 6=2 мм от скорости сварки и мощности лазер­ ного излучения в разных условиях (фокусирующая линза — КС1, фокусное расстояние /=*«*215 мм):

а коэффициент поглощения лазерного излучения значительно растет с ростом температуры.

Высокопроизводительные режимы лазерной сварки с большими скоро­

и рекомендуются к применению.

Оптимальные значения Т)и=0,6-г0,7 при лазерной сварке не уступают со­ ответствующим показателям при дуговой сварке, следовательно, энергетиче­ ская эффективность лазерной сварки не ниже, чем дуговой.

Термический к. п. д.— т)/ — характеризует эффективность использования энергии, введенной в металл при сварке, и определяется отношением теплоты, необходимей для проплавления, ко всей введенной в изделие при сварке. На рис. 6.3 представлены экспериментальные результаты изменения r\t в зависи­ мости от скорости сварки и мощности лазерного излучения. На оптимальных участках при высоких скоростях сварки достигаются весьма высокие значе­ ния (0,4-0,45), близкие к предельному теоретическому уровню 0,484 для случая проплавления тонкой пластины линейным мощным быстродвижущимся источником теплоты.

Особенность лазерной сварки — высокий уровень эффективности расплав­ ления на больших (в диапазоне 20—40 мм/с) скоростях сварки, обеспечи­ вающих высокую производительность. Достигаемые при этом r\t=0,35—0,40 значительно превосходят значения, полученные при дуговой сварке (^0 ,2 ).

€.1.4. Классификация методов лазерной сварки

Методы лазерной сварки можно классифицировать по трем группам призна­ ков (рис. 6.4).

Энергетические признаки. Каждый метод лазерной сварки характеризуется плотностью мощности Е, Вт/см2, т. е. отношением мощности лазерного излу­ чения к площади пятна сфокусированного луча, и длительностью воздей­ ствия излучения т, т. е. экспозицией непрерывного излучения, или длитель­ ностью импульса при импульсном излучении.