Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
«Київський політехнічний інститут»
Кафедра «Інженерія поверхні»
Конспект лекцій
з дисципліни «Введення до спеціальності»
для студентів за напрямом 050504 «Зварювання»
Затверджено Вченою радою ЗФ НТУУ «КПІ»
Київ – 2012 р.
|
Зміст |
|
|
Стор. |
|
|
Вступ |
4 |
|
Лекція 1. КОРОТКА ІСТОРІЯ РОЗВИТКУ І СУТЬ ЗВАРКИ |
5 |
Лекція 2. ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ, ВИКОРИСТОВУВАНІ ДЛЯ ЗВАРКИ 11
2.1. Види енергії
|
Лекція 3. ЕЛЕКТРИЧНА ДУГОВА ЗВАРКА |
18 |
|
Лекція 4. ТИПИ ЕЛЕКТРИЧНИХ РОЗРЯДІВ |
24 |
|
4.6. Несамостійні розряди |
||
|
Лекція 5 |
ПЛАЗМА - ЧЕТВЕРТИЙ СТАН РЕЧОВИНИ |
31 |
|
5.1 |
Елементарні поняття плазми |
|
|
5.2 |
Як виникає плазма |
|
|
5.3 |
Діагностика плазми |
|
|
Лекція 6 |
ОСНОВНІ ВИДИ ЗВАРКИ |
39 |
|
6.1 |
Ручна дугова зварка покритим електродом. |
|
|
6.2. Автоматична зварка голим електродом під шаром флюсу |
||
|
Лекція 7 |
ІНШІ ВИДИ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ДУГОВОЇ ЗВАРКИ |
47 |
7.1 Зварка в умовах захисного середовища
|
7.2 |
Електрошлакова зварка |
|
|
7.3 |
Контактна і пресова зварка |
|
|
7.4. Пресова зварка |
||
|
7.5. Інші різновиди зварки |
||
|
Лекція 8 СПОРІДНЕННІ ТЕХНОЛОГІЇ |
53 |
|
|
8.1 |
Наплавлення |
8.4 Електродні матеріали для ЕДМ Лекція 9.ЗАГАЛЬНІ ПИТАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ГАЗОТЕРМІЧНОГО І
ВАКУУМНОГО КОНДЕНСАЦІЙНОГО НАПИЛЕННЯ
|
ПОКРИТТІВ |
60 |
|
Література |
72 |
Вступ
Електрична дугова зварка - найважливіший винахід другої половини XIX стОЛІТТЯ, і зв'язано його з іменами талановитих російських винахідників - Миколи Миколайовича Бенардоса і Миколи Гавриловича Славянова. У 1981 р. за рішенням ЮНЕСЬКО науково-технічна громадськість світу відзначала 100-ліття з часу винаходу Н.Н. Бенардосом електрозварювання вугільним електродом, а в 1988 р. наголошувався ще один знаменний ювілей - 100-ліття створення і промислового вживання Н.Г. Славяновим дугової зварки металевим електродом.
В даний час жодна галузь машинобудування і будівництва не обходиться без використання тих або інших видів зварки, різання, що зміцнює обробки і інших суміжних процесів, заснованих на винаходах століття.
Під керівництвом К.К.Хренова в 1942 р. була створена лабораторія зварки і різання під водою, що зіграла значну роль при відновленні пошкоджених судів, військових кораблів, а також при розбиранні пролітних будов підірваних мостів.
Можна назвати багато видатних досягнень в області зварки, як, наприклад, розробка принципово нових способів зварки, таких як електронно-променева, світлова, лазерна, дифузійна, ультразвукова, плазмова і так далі
Лекція 1 КОРОТКА ІСТОРІЯ РОЗВИТКУ І СУТЬ ЗВАРКИ
1.1. Основні віхи розвитку зварювальної техніки і науки про зварку
Питання. Що таке зварка? Види агрегатного стану речовини. Що таке роз'ємне і нероз'ємне з'єднання? Як забезпечується зближення двох поверхонь при зварці? Роль температури і тиску при зварці. Як забезпечується холодна зварка? Відмінність зварки від паяння. Що таке зварний шов? Необхідна умова для зварки.
Зварка металів, як процес здобуття нероз'ємних з'єднань окремих частин, відкрита людиною ще в період первинного освоєння металу, виявленого їм у вигляді самородків. Здатність металу куватися, особливо при невеликому нагріві, наштовхнула людей енеоліту на можливість виготовлення різних речей шляхом зварки, що отримала згодом назву ковальською.
Вивчення і спеціальні дослідження багатьох виробів трипільських племен, що жили на території Західної України і Бесарабії в IV-III тис. до н.е. дозволили достовірно встановити, що ще до того, як була освоєна техніка розплавлення і литва металу застосовувалася ковальська зварка міді. Цим способом виготовляли долота, амулети і різні бляшки, цілком природно, що якість з'єднань була не дуже високою із-за появи тріщин, пір і шлакових включень.
Пізніше, протягом III-II тис. до н.е. були освоєні нові технологічні прийоми виготовлення виробів з металів: литво, фальцювання, паяння і клепка.
Більш високого рівня розвитку і різноманітності техніка здобуття нероз'ємних з'єднань металів досягає в залізному столітті. Залізо дозволило людині не лише значно розширити сферу застосування металів для своїх потреб, але і зробило величезний вплив на подальшу діяльність людини в різних сферах.
При виготовленні кричного заліза, а потім і при виготовленні, і ремонті різних виробів з нього, удосконалювалася ковальська зварка. Зварку застосовували для збільшення розмірів заготівки, додання виробам складної форми, з'єднання різнорідних металів з метою поліпшення якості лез ріжучих
При виготовленні ювелірних виробів із золота, срібла, бронзи в ранньому залізною столітті широко використовували паяння. У країнах Древнього Сходу, у тому числі і Єгипті, застосовувалося паяння золота золотим припоєм, мідь сріблом або сплавом міді з сріблом. У курганах Скіфії виявлено багато ювелірних виробів, виготовлених за допомогою паяння. Особливо приголомшують тонкістю мистецтва мікропайки золота знайдені
сережки з кургану у Феодосії, на яких змальована мініатюрна четвірка коней, що мчаться, з крилатою богинею Никой в колісниці. Великих успіхів металургія і металообробка досягли в Древній Русі (X-XIII вв.). Ковальська зварка була основним добре розробленим і освоєним методом технології при виготовленні всіляких залізних і сталевих виробів. Цікаво відзначити, що в цей період була освоєна зварка залоза з високовуглецевою сталлю (з вмістом вуглецю до 0,9 %), що дозволила отримати з'єднання з дуже тонких смужок заліза і сталі (завтовшки від 0,8 до 2 мм), які використовувалися для виготовлення замкових пружин, кольчуг, високоякісних ріжучих або рубаючих частин знарядь і зброї.
C розвитком техніки зварки зв'язані перші досліди у виготовленні вогнепальної зброї. Вперше згадка про використання російськими військами артилерії дається при описі оборони Москви від орд хана Тохтамиша в літописі 1382 р. Це були знаряддя типа гармат, що стріляли кам’яними ядрами. Артилерійські знаряддя і пищалі виковували із заліза, що поставило перед ковалями складні завдання по здійсненню зварки.
1.2. Фізична суть зварки
У техніці використовують різні види роз'ємних і нероз'ємних з'єднань твердих тіл. Роз'ємні з'єднання, які можна розбирати і знову збирати, бувають у вигляді різьбових, клинових, шпон і інших з'єднань. Нероз'ємні з'єднання можуть бути монолітними (суцільними) і немонолітними. До монолітних відносяться з'єднання, що отримуються зваркою, паянням або склеюванням, а до немонолітних - клепані з'єднання.
Для утворення монолітних нероз'ємних з'єднань твердих тіл потрібні певні умови.
Всяка речовина, що конденсує, знаходиться в твердому або рідкому стані є системою атомів або молекул, зв'язаних між собою міжатомними або міжмолекулярними силами зчеплення. Ці сили можна розглядати як результат взаємодії електронних оболонок атомів складових тіло.
Для всіх часток тіла, окрім тих, що знаходяться на його поверхні, сили зчеплення взаємно урівноважені. Атоми або молекули розташовані на поверхні тіла мають вільні зв'язки і можуть приєднувати до себе, за певних умов, інші молекули або атоми, наприклад, адсорбувати на поверхні гази або вступати в зв'язок з поверхневими атомами іншого твердого або рідкого тіла.
Таким чином, для здобуття нероз'ємного з'єднання твердих тіл необхідно забезпечити взаємодію між їх поверхневими атомами. З цією метою потрібно зближувати поверхневі атоми частин, що сполучаються, на відстань, близьку до міжатомного, тобто порядку декілька ангстремів (3-5), аби між ними по всій площині зіткнення встановився фізичний контакт, тоді виникнуть міжатомні зв'язки.
Такий процес зближення атомів супроводжується їх активацією, тобто підвищенням енергії.
Для рідин зближення атомів досягається легко за рахунок великої рухливості часток і змочування нею поверхні. В той же час при спробі
з'єднати вказаним способом тверді тіла виникають значні труднощі. Поверхні твердих тіл, навіть після найретельнішої механічної обробки (шліфовки, поліровки, і тому подібне) мають мікроскопічні нерівності, горбки і западини, унаслідок чого при їх зближенні потрібний контакт здійснюється лише в окремих фізичних крапках. На всіх же останніх ділянках, відхилення в рельєфі поверхні лежить в межах 10-4 – 10-5 см, що значно потрібнішого.
Можливості безпосередньої взаємодії електронних оболонок поверхневих атомів важко ще і тим, що поверхня тіла не буває вільною від оксидів, жирових плівок і інших забруднень, а також шару адсорбованих газів і пари, повітря, що утворюється в атмосфері. Тому атоми поверхонь твердих тіл, що сполучаються, в звичайних умовах не можуть безперешкодно увійти до контакту друг з другом*. Все сказане вельми типово дм металів і їх сплавів, з яких виготовляються зварні конструкції самого різного призначення. Для подолання відмічених труднощів в зварювальній техніці використовуються два основні прийоми: нагріваючи і тиск.
Якщо частини металу, що сполучаються, нагрівати до розплавлення, то мимоволі утворюється зварювальна ванна рідкого металу, в процесі твердіння якої легко встановлюються необхідні міжатомні зв'язки і формується зварний шов що міцно сполучає дві металеві частини в моноліт.
Проте для здобуття зварного з'єднання можна використовувати нагрів і без розплавлення металу. В процесі нагріву, з підвищенням температури металу, зв'язки між атомами ослабляються, атоми стають рухливішими, метал набуває м'якості, зростають його пластичні властивості. Якщо далі виробити здавлення частин (їх осідання), що сполучаються, то виникнуть пластичні деформації, "перебіг" металу в місці з'єднання, поверхневі шари оксидів і забруднень руйнуватимуться: тоді на поверхні, що сполучаються, вийдуть внутрішні, свіжі, "ювенільні" (що не були у контакті із зовнішнім середовищем) шари металу, здійсниться їх фізичний контакт і встановляться необхідні міжатомні зв'язки.
Отже, нагріваючи і осідання при зварці в розглянутому випадку доповнюють один одного. Більшому нагріву відповідає менше осідання і навпаки. Для кожного металу існує певне співвідношення між мінімально необхідним тиском і температурою нагріву достатнє, аби здійснити його зварку. Така залежність, наприклад, для технічно чистого заліза, в умовах сполучаються поверхонь, що виключають забруднення, показана на рис.1.1.
Рис. 1.1. Залежність між температурою і тиском, необхідними для зварки заліза: I- область обмеженого зварювання; II - область зварки тиском; III - область зварки плавленням.
Поле малюнка розділяється кривою на дві області: зварювання (вище кривий) і відсутність якісного зварювання (заштрихована область нижче кривий). Штрихові вертикальні лінії дозволяють встановити температурні кордони по зварці заліза. Так, при температурі металу нижче Т1, для здобуття якісних зварних з'єднань потрібний дуже великий, практично не вживаний осадовий тиск.
Тому область (I) названа областю обмеженого зварювання заліза. При нагріві заліза до вищих температур в межах t1...t2, аби здійснити зварку, потрібно прикласти осадовий тиск тим менше, ніж до вищої температури нагрітий метал. Що відповідає цьому інтервалу температур область зварки заліза (II) названа областю зварки тиском. І, нарешті, при досягненні залізом температури його плавлення (t2) і більш, осадовий тиск прикладати немає необхідності (Р=0). Зварка заліза при таких параметрах процесу відноситься до області зварки плавленням (область III).
Зварне з'єднання можна отримати і без якого-небудь нагріву зварюваних частин металу, тобто в холодному станів, здійснюючи їх значне здавлення. При високому питомому тиску в металі розвиваються великі пластичні деформації, що наводять до "перебігу" металу уздовж поверхонь розділу і оголення нових ювенільних поверхонь металу. Це наводить до встановлення необхідного фізичного контакту і виникнення міцних міжатомних зв'язків.
Проте для такої зварки метали, що сполучаються, повинні володіти високими пластичними властивостями. Такими властивостями володіють алюміній, мідь, свинець і деякі інші метали. Встановлення міжчасткових зв'язків між частинами металу, що сполучаються, є необхідним, але не єдиним процесом, що протікає при їх зварці. Цьому найважливішому процесу супроводить другий, коли використовується нагрів при зварці, - формування в зоні з'єднання безперервного структурного зв'язку з утворенням загальних зерен металу. Аби зрозуміти сенс сказаного, необхідно мати хоч би найзагальніше уявлення про будову (або структурі) металу.
Всі метали (і сплави) мають кристалічну будову, тобто складаються з
безлічі окремих кристалів або зерен, зв'язаних між собою міжкристалічними йди міжзеренними границями. Певний порядок в розташуванні атомів властивий металевим тілам взагалі, більш витриманий в самих кристалах, у відмінності від кордонів між ними. Від співвідношення властивостей зерен і між зеренних границь в значній мірі залежать властивості металу в цілому.
Візьмемо два металеві бруски і здійснимо їх нагрів і здавлення так, щоб за рахунок спільної пластичної деформації утворилося з'єднання. Неважко собі уявити, що спочатку станеться зіткнення брусків в окремих крапках (рис.1.2.), потім зім'яло всіх мікровиступів і встановиться фізичний контакт поверхонь з подальшим встановленням міжатомних зв'язків. Кордони ж між зернами металу, що вступили в контакт, виявляться в одному поєднанні, як це показано на мал. (січ. I-I).
По цьому перетину слід чекати гірших властивостей металу, чим в будь-якому другом, наприклад 2-2, поза місцем з'єднання двох брусків, що пересікає як кордони зерен, так і тіла самих зерен, властивості яких, в загальному випадку, вище чим кордонів. Проте цим не обмежується процес утворення зварного з'єднання. Унаслідок взаємодифузії (тобто переміщення частинок через границю розділу двох металів) і подальший перекристалізації зерен утворюються загальні зерна (рис.1.2,в), завдяки чому властивості металу в місці з'єднання стануть близькими до властивостей самих брусків.
Рис.1.2. Схема сполучення і зварки в твердому стані двох кусків металу: а- в стані вихідного сполучення торців кусків, що сполучаються; б - після додатка тиску і встановлення взаємозв'язку граничних зерен по всій поверхні; в – після дифузії і утворення загальних зерен за рахунок перекристалізації.
тобто переміщення в зоні зварки атомів металу або окремих елементів, що входять до складу зварюваного сплаву, - під впливом різних причин - нерівномірного нагріву, різниці вмісту дифундуючих елементів в окремих ділянках зварного з'єднання, здібності елементів до дифузії і ін. Проте в загальному випадку міра розвитку цього явища в зоні зварки незначна, не є вирішальною для здобуття зварного з'єднання, і тому не служить його відмітною ознакою.
Рис. 1.3. Схема зварки плавленням: а - у момент розплавлення кромок, що сполучаються (А - рідкий метал зварювальної ванни); б - після кристалізації рідкого металу (Б - зварний шов; В - границя сплавів).
Таким чином, розглянуте дозволяє дати наступне визначення зварки, з врахуванням фізичної природи цього процесу:
Зваркою називається процес здобуття нероз'ємних з'єднань за допомогою встановлення міжатомних зв'язків між зварюваними частинами при їх місцевому або загальному нагріві або пластичній деформації, або спільній дії того і іншого.
Зварні з'єднання характеризуються безперервним структурним зв'язком.
Близьким по властивостях до зварки є процес паяння. При паянні зазор між твердими поверхнями, що сполучаються, заповнюється рідким сплавом – припоєм, температура плавлення якого нижча за температуру плавлення металів, що сполучаються. В результаті взаємодії припою з поверхневими шарами нагрітих паяних деталей можуть утворитися тверді розчини, або хімічні сполуки, або встановлюється бездифузійне зчеплення (адгезія). Останній випадок зближує паяння із склеюванням, яке знаходить все більше вживання для здобуття нероз'ємних з'єднань металів і інших матеріалів.
Лекція 2 ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ, ВИКОРИСТОВУВАНІ ДЛЯ ЗВАРКИ
Питання: Види енергії при зварці. Джерела механічної енергії при зварці. Термічні джерела зварки. Фізичні ознаки (форма енергії і види джерел) зварки. Що таке зварний шов? Що є зварним з'єднанням? Види зварних з'єднань.
2.1 Види енергії Необхідною умовою зварки, як було показано в попередньому розділі, є
активація поверхонь, що сполучаються, тобто повідомлення поверхневих атомів твердого і тіла деякої енергії.
Така енергія активації може бути повідомлена у вигляді теплоти (термічна активація), деформації (механічна активація) пружнопластичності, електронного опромінення і інших видів дії.
Всі відомі в даний час процеси зварки металів здійснюються за рахунок введення лише двох видів енергії - термічною (Т) і механічною (М) або їх поєднання - термомеханічною (ТМ). Теплоносії і джерела названих видів енергії можуть бути всілякими. Так, термічна енергія може вводитися в
зварюваний виріб електричною дугою, газовим полум'ям, електронним, світловим, лазерним і плазмовим променями, проходящим струмом і ін.
Джерелами механічної енергії можуть бути контакт, що треться, вібруючий контакт, пресово-механічний контакт, ударний контакт і ін. Вказані джерела реалізуються при використанні ультразвукових коливань, тертя ковзання, тиску, вибуху і ін.
Відмінною рисою сучасних зварювальних процесів є те, що в переважній більшості вони "термічні" і зазвичай здійснюються при введенні в зону зварки термічної або термомеханічної енергії. Якщо ж вводиться лише механічна енергія, то все одно значною мірою вона перетвориться в теплову форму.
Енергія, що вводиться, в зварюваний матеріал витрачається (перетвориться) на нагрів, деформацію матеріалів, що сполучаються, а також на розвиток дифузійних процесів.
На рис. 2.1 дається спрощена структурна схема видів енергії використовуваних на зварку. Як видно з схеми для здійснення зварки можуть бути використані різні джерела енергії, число яких разом з їх модифікаціями складає декілька десятків.
Не дивлячись на істотні відмінності фізичної природи джерел і носіїв енергії, використовуваних при зварці, в них можна знайти загальні закономірності і характеристики, що дозволяють порівнювати їх по єдиних ознаках.
Найважливішими характеристиками джерел зварювального нагріву є: загальна потужність, рівень концентрації потужності на одиницю площі (плями) нагріву і ефективний коефіцієнт корисної дії нагріву (ККД), що є відношенням потужності, що вводиться в зварюваний виріб, до загальної потужності, що відбирається від джерела енергії.
Рис. 2.1 Видів енергії, використовувані на зварку.
Граничні характеристики деяких джерел нагріву приведені в табл.2.1. Слід зауважити, що всі джерела нагріву, приведені в таблицю. 2.1 можуть використовуватися не лише з метою з'єднання (зварки) частин в нероз'ємний моноліт, але і навпаки, з метою роз'єднання (різання) цілого виробу (заготовки) на частини.
З термічних джерел найбільше поширення доки має електрична дуга, зважаючи на простоту її здобуття, підтримки і регулювання. Проте порівняно невисока гранична концентрація потужності в плямі нагріву знижує ефективність її вживання при зварці товстостінних конструкцій.
Вживання висококонцентрованих електронних пучків знаходить в даний час всі великі сфери застосування: для зварки хімічно активних і жаростійких, високоміцних сплавів, для зварки в умовах космічного простору і тому подібне
Плазмовий струмінь і газове полум'я широко використовуються для - разделительной різання, напилення на поверхню виробу шару із спеціальними властивостями і в інших областях.
Перспективним джерелом зварювального нагріву є лазерний промінь - що володіє найвищою, зі всіх відомих в даний час джерел, концентрацією потужності. Лазерний промінь застосовується доки для зварки виробів порівняно невеликої товщини (до 15 мм). Серйозним недоліком цього джерела є низький ККД (до 15 %). Створення потужних і високоефективних лазерних джерел нагріву дозволить їм в майбутньому зайняти більш гідне місце в зварювальному виробництві.
Таблиця 2.1
Енергетичні характеристики деяких джерел зварювального нагріву
|
Джерел |
Потужн |
Концентраці |
Найменша |
Ефективний |
|
|
а нагріву |
ість, Вт |
я |
потужності, |
площа |
ККД нагріву |
|
Вт/см2 |
нагріву, м2 |
||||
|
Зварюв |
2 105 |
4 104 |
1.10-4 |
0,75 |
|
|
альна дуга |
|||||
|
Електр |
1-105 |
1-105 |
1-10-6 |
0,80 |
|
|
оду-говая |
|||||
|
плазмовий |
|||||
|
струмінь |
|||||
|
Газове |
1-104 |
6-102 |
1-10-2 |
0,55 |
|
|
полум'я |
|||||
|
Електр |
1-105 |
1-107 |
1-10-7 |
0,85 |
|
|
он-ний |
|||||
|
промінь |
|||||
|
Промін |
2,5-104 |
1 1010 |
1 10-8 |
0,05 |
|
|
ь лазера |
|||||
|
Сонячн |
105 |
2-103 |
- |
0,7 |
|
|
і нагрівачі |
|||||
2.2 Класифікація способів зварки
Для зручності розгляду і вивчення всіляких і багаточисельних способів зварки, доцільно їх класифікувати, розбивши на окремі групи, що об'єднуються якими-небудь загальними ознаками. У різних періоду розвитку зварки використовувалися і різні ознаки класифікації. В даний час в основу класифікації процесів зварки покладено три групи ознак: фізичні (форма енергії і вигляд джерела, використовувані для освіти з'єднання), технічні (спосіб захисту металу в зоні зварки, безперервність і міра механізації процесу) і технологічні (встановлюються для кожного методу зварки окремо).
Найбільш загальними і істотними є фізичні ознаки класифікації зварювальних процесів. У таблиці. 2.2 наводяться види зварки, класифіковані за цією ознакою.
Як видно з таблиці, види зварки, що виділяються в термічний клас, здійснюються плавленням за рахунок використання теплової енергії.
У механічний клас виділені види зварки, здійснювані з використанням механічної енергії і тиску.
Проміжний термомеханічний клас утворюють ті види зварки, які здійснюються при використанні і тепловій енергії і тиски.
Два інших ознаки класифікації (технічні і технологічні) охоплюють багаточисельні різновиди основних видів зварки, перерахованих в таблиці. 2.2. Так, наприклад, лише дугова зварка налічує не один десяток методів, різновидів, способів і прийомів зварки, таких як зварка під флюсом, зварка в захисному газі, зварка під водою, зварку у вакуумі, дводугова зварка і так далі
Таблиця 2.2.
Класифікація зварки металів за фізичними ознаками
|
Клас зварки |
Види зварки |
Необхідність |
Примітка |
|
|
вживання тиску |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
Термічний |
Дугова |
немає |
Види |
|
|
Електрошлаков |
зварки, |
|||
|
а |
здійснювані |
|||
|
Електронно- |
плавлення |
|||
|
променева |
м |
з |
||
|
Плазмово- |
використанням |
|||
|
променева |
тепловій |
|||
|
Лазерно- |
енергії |
|||
|
променева |
||||
|
Іонно- |
||||
|
променева |
||||
|
Тліючим |
||||
|
розрядом |
||||
|
Світлова |
||||
|
Індукційна |
||||
|
Газова |
||||
|
Термітна |
||||
|
Ливарня |
||||
|
Термо- |
Контактна |
є |
Види |
|
|
механіч-ний |
Дифузійна |
зварки, |
||
|
індукційно- |
здійснювані з |
|
пресова, |
використанням |
|||
|
Газопресова |
теплової |
|||
|
Термокомпресійна |
енергії |
і |
||
|
Шлакопресова |
тиски. |
|||
|
Термітнопресова |
||||
|
Пічна |
||||
|
Механічний |
Холодна |
є |
Види |
|
|
Вибухом |
зварки, |
|||
|
Ультразвукова |
здійснювані |
з |
||
|
Тертям |
використанням |
|||
|
Магнітоім- |
механічної |
|||
|
пульсна |
енергії і тиску. |
|||
Залежно від сфери застосування і конкретних вимог виробництва використовуються ті або інші види і способи зварки, кількість яких сьогодні досягає багатьох десятків.
2.3 Класифікація типів з’єднань і швів Як вже згадувалося раніше, нероз'ємні монолітні з'єднання твердих тіл
можуть бути утворені не лише шляхом зварки, але і шляхом паяння, склеювання йди комбінації зварки із склеюванням. Названі методи здобуття з'єднань можуть бути також класифіковані по яких-небудь ознаках
Різноманітність способів зварки, паяння і склеювання створюють виключно "гнучкі" і ефективні прийоми утворення нероз'ємних монолітних з'єднань. Які ж види з'єднань бувають?
З'єднання це ділянка конструкції, в якій окремі її деталі сполучені за допомогою зварки, паяння або склеювання. Зварне з'єднання, виконане дуговою зваркою, складається з основного металу (металу деталей, що сполучаються), зварного шва і зони основного металу, що зазнав структурні зміни в результаті термічної дії джерела нагріву (зона термічного впливу, рис. 2.2а) Зварний шов є металом, що закристалізовувався, який в процесі зварки знаходився в розплавленому стані, що примикає до шва. У паяне з'єднання входять основний метал і шов (рис. 2.2,6), шов паяного з'єднання виходить за рахунок введення в зазор між деталями припою, який в процесі нагріву розплавляється, розтікається по поверхнях сполучення деталей, що сполучаються, а при подальшому охолоджуванні кристалізується. Клеєне з'єднання складається із склеюваних деталей і клеєного шва (рис. 2.2,в).
Клеєно-зварне з'єднання виходить при поєднанні двох операцій: клеять і зварки (рис. 2.2,г). Найчастіше зварку виконують контактним способом (точкова або шовна). Зазвичай клеєно-зварні з'єднання застосовуються в конструкціях з алюмінієвих сплавів.
Залежно від вимог до майбутньої конструкції і можливостей взаємного розташування елементів, що сполучаються, використовують наступні (основні) види з'єднань. Стикове з'єднання (рис. 2.2,а) утворити його можуть елементи однакової або різної товщини. Шви таких з'єднань називають стиковими.
Широке поширення мають таврові і кутові з'єднання (рис.2.3,а, би - відповідно), які отримують при збірці елементів у вигляді букви "Т" або "Г". Кут між полицею і стінкою може бути прямим, а може і відрізнятися від 90°. Поєднання товщини деталей може бути різним. Шви таких з'єднань називають кутовими. При унакладному з'єднанні один аркуш накладається на іншій (рис.2.3,б,в,г і рис.2.3,в,г). Виконувати таке з'єднання можна за допомогою паяння, склеювання (рис.2.3,б,в,г) і зварки. Зварка може здійснюватися кутовими швами (рис.2.3,в), пробковими швами, які виходять шляхом повного проплавлення верхнього і часткового проплавлення нижнього листів (рис.2.3,г).
Рис. 2.2. Нероз'ємні з'єднання, що отримуються зваркою (а), паянням (б), склеюванням (в) і контактною зваркою (г). 1,3 основний метал; 2 - шов; 4 - зона термічного впливу (а), ядро крапки (г).
Зварні шви можуть виконуватися в нижньому положенні, в стельовому положенні, на вертикальній або похилій площині. Найзручніше виконувати шви в нижнє положенні. Проте не всякий виріб можна повертати допомогою спеціальних пристроїв в зручне для зварки положення. При зварці кораблів,
трубопроводів, каркасів будівель і тому подібне доводиться виконувати шви в різних просторових положеннях. Сучасна техніка і технологія зварки дозволяють успішно виконувати зварні шви в будь-яких просторових положеннях.
Рис. 2.3. Види зварних з'єднань: таврове (а); кутове (б); унакладне з кутовими (в) і пробковими швами (г).
Вигляд зварного з'єднання і вигляд шва залежать від конструкції виробу. Вибір же способу зварки визначається міркуваннями економічного і технічного характеру.
Лекція 3
ЕЛЕКТРИЧНА ДУГОВА ЗВАРКА
Питання. Що таке іонізація? Типи електричних розрядів .Как виходить плазма? Поняття плазми. Склад плазмового потоку. Дуговий розряд. Електрична дуга. Будова дуги. Стовп дуги. Вольт - амперна характеристика дуги. Зовнішня характеристика джерела живлення.
3.1 Будова зварної дуги У сучасних умовах серед багаточисельних способів зварки матеріалів
перше місце за всіма основними показниками - кількістю продукції, що випускається, числу зайнятих робітників і установок, що діють, - займає дугове електрозварювання. Це пояснюється такими перевагами дугової зварки як висока концентрація теплової енергії, універсальність процесу, простота, надійність і відносно низька вартість устаткування, можливість механізації процесу зварки.
Аби зрозуміти, на чому заснована дугова зварка необхідно, перш за все, з'ясувати, що є електрична дуга.
Відомо, що в звичайних умовах гази поводяться як електричні ізолятори, і, наприклад, в повітрі між двома електродами, сполученими з джерелом струму, електричний струм не виникає. Але якщо молекули повітря іонізувати яким-небудь чином, тобто ввести між електродами заряджені частки - іони і електрони, то струм потече. Проходження струму через міжелектродний газовий проміжок називається електричним розрядом. Відомо декілька видів розрядів: темний, тліючий, коронний, іскристий, дуговий і ін. Залежно від умов існування електричного розряду і його параметрів і спостерігає, тог або інший вигляд розряду.
Електрична дуга є одним з видів стійкого електричного розряду через газовий або парогазовий проміжок, що характеризується високою щільністю струму і температурою.
Для зварки поважно, аби дуга легко збуджувалася, стійко існувала і легко регулювалася по своїх енергетичних параметрах.
Відомо декілька способів збудження дугового розряду. За способом В.В.Петрова два електроди, сполучені з джерелом струму, зближують до зіткнення і відразу ж розводять на невелику відстань. У цей момент між ними спалахує дуга.
Що ж відбувається при цьому? Спрощено це можна уявити собі так: при зіткненні електродів електричний ланцюг замикається і по ній йде струм. Відповідно до закону Джоуля-Ленца при протіканні струму в провідниках виділяється теплота. Оскільки зіткнення електродів унаслідок нерівностей їх поверхонь, здійснюється лише в окремих фізичних крапках, той опір протіканню струму в них буде значним, тому матеріал в точках контакту нагрівається сильніше і швидше за останні ділянки ланцюга.
При високій температурі електроду виникає явище так званою термоелектронною! емісії - випускання електронів під дією теплового!
збудження. Якщо у цей момент розірвати контакт між електродами, то під дією електричного поля електрони, що утворилися унаслідок термоемісії, почнуть переміщатися до позитивного електроду (аноду). Стикаючись з нейтральними молекулами газу або атомами в міжелектродному проміжку, електрони "розколюють" їх на іони і нові електрони (рис.3.1).
В результаті цих і інших складніших і тонших процесів в міжелектродному проміжку утворюється плазма - досить іонізований і квазінейтральний газ, що володіє хорошою провідністю струму. Слід зазначити, що разом з утворенням іонів в міжелектродному проміжку спостерігається і зворотна картина, тобто утворення нейтральних атомів і молекул за рахунок приєднання (поглинання) електронів. При цьому відбувається виділення енергії у вигляді фотонів, тобто виникає випромінювання у вигляді світла (рис.3.1).
Яке ж будова дуги? На рис.3.2 показана схема дуги постійного струму, що горить між електродом 1 (катод) і виробом 3 (анод). У міжелектродному (дуговому проміжку) знаходиться електропровідний канал 2, званий стовпом дуги.
Гази стовпа досить іонізовані, сліпуче до світяться, мають по його осі високу температуру - порядку 10000 °С. Найбільш іонізована центральна частина стовпа.
Стовп оточений полум'ям або ореолом, з меншою температурою, утворюваним парами і газами, що поступають із стовпа дуги і взаємодіють хімічно з довколишньою атмосферою.
Підставами стовпа дуги є розташовані на електродах катодна і анодна плями, що яскраво світяться. Їх називають активними, щільність струму в яких може складати десятки тисяч ампер на квадратний див. На них протікає перетворення електричної енергії газового розряду в теплову, нагріваючу і розплавляючу метал, здатну доводити його до кипіння, перетворювати на пари.
Рис. 3.1. Схема іонізації молекул в дуговому проміжку: М - молекула; А - атом; Ф - фотон; «-» електрон; «+» - іон.
Відстань від анодного до катодної плями називається довжиною дуги (ld). Довжина дуги рідко перевищує 1-2 см, а діаметр стовпа дуги - і того менше. Плазма дуги займає невеликий об'єм - близько 1см3, який можна розділити на три області: дві з них безпосередньо прилягають до катодної і анодної плями і мають невелику протяжність (la, lk), порівнянну з довжиною
вільного пробігу. Третя область - власне міжелектродний проміжок, заповнений іонізованим газом. Довжина його lc близька до довжини дуги ld.
Під дією електричних і магнітних полів, конвективних потоків, місцевих флуктуації тиску, кулонівської взаємодії між електронами і іонами частки в стовпі дуги переміщаються по складних траєкторіях. Найбільш рухливі негативно заряджені частки - електрони. Вони можуть набувати високих швидкостей переміщення і вступати у взаємодію з іонами, молекулами і атомами, передаючи їм свою енергію. При кожному, так званій непружній взаємодії відбувається збудження атома або молекули, тобто перехід їх в стан з вищим, енергетично нестійким рівнем. Мимоволі повертаючись до нормального стану, частки випромінюють енергію у вигляді фотонів, що разом з випромінюванням фотонів в процесі об'єднання позитивного іона з електроном (тобто при утворенні нейтральних атомів) і викликає сліпуче свічення плазми.
При сильній взаємодії електрона з атомом, останній отримує таку велику енергію, яка достатня для відриву власних електронів від ядра. Атом стає позитивним іоном: однозарядним, якщо вибитий один електрон, двохзарядним - якщо два, і так далі
Рівень енергії електрона, необхідної для іонізації якого-небудь атома, виражають в електрон-вольтах (ЕВ) і називають потенціалом іонізації.
Різні елементи мають різний потенціал іонізації. Чим менше номер групи і більше номер періоду в таблиці елементів Менделєєва, тим менше потенціал іонізації. Так цезій, найважчий елемент, зі всіх лужних металів має найменший потенціал іонізації 3,9 ЕВ, а найлегший з інертних газів - гелій володіє найвищим потенціалом іонізації - 24,5 ЕВ. Регулюючи склад атмосфери стовпа дуги, можна, мабуть, регулювати стійкість і енергетичні можливості дугового розряду, ніж на практиці і користуються зварювальники. Для дисоціації різних молекул необхідно також різна енергія. Так, наприклад, молекула фтору диссоціює при витраті енергії в 1,6 ЕВ, а вуглекислого газу - 9,7 ЕВ. Для зварювальників не байдужі ці цифри. Адже від того, які атоми і молекули переважатимуть в атмосфері дуги, залежатиме легкість збудження дуги, її стабільність і інші характеристики.
3.2. Процеси в стовпі дуги Стовп дуги, досить однорідний по будові і властивостям, примикає
своїми кінцями до електродів - анода і катода, через яких харчується струмом від джерела живлення (4 на рис.2.2). Приелектродні області (анодна і катодна), тобто зони переходу від твердих або рідких провідників - електродів до газового провідника - стовпа дуги, є найбільш складними областями дугового розряду. Протікання струму в пограничних областях носить незвичайний характер. Тут спостерігається дуже висока щільність струму і абсолютно незвичайні напруженості електричного поля - в десятки тисяч вольт на сантиметр в порівнянні з 20-30 В/см в стовпі дуги. Саме у цих областях гаряча плазма граничить з порівняно холодною поверхнею електродів, нагрітих до 2-3 тис. градусів.
Рис.3.2. Схема будови зварювальної дуги і розподіл напруги по її довжині.
Вельми невизначене і середовище в перехідних областях - невідомо скільки в ній газу і якого він складу, скільки пари матеріалу електродів і тому подібне Не дивлячись на багаточисельні роботи, присвячені вивченню приелектродних областей, багато що залишається ще невиясненим, що пояснюється труднощами досліджень: високими температурами, малою протяжністю приелектродних областей (тисячні долі сантиметра), складністю характеру протікаючих явищ. Спрощено можна уявити собі такі основні процеси, що відбуваються в приелектродних областях.
У катодної області спостерігається інтенсивна емісія (викидання) потоку електронів з поверхні катода за рахунок нагріву його до високої температури (термоелектронна емісія) і за рахунок локальної дії електричного поля високої напруженості (автоелектронна емісія). Окрім цього поверхня катода бомбардується позитивними іонами і фотонами, здатними також вибивати електрони з атомів катода. В результаті інтенсивної емісії електронів з катода і відповідної іонізації дугового проміжку і встановлюється стійкий розряд – електрична дуга.
У анодної області йдуть простіші процеси: за рахунок тяжіння позитивно зарядженого анода електрони розганяються і безперервно бомбардують його поверхню. В результаті енергія електронів передається аноду, що наводить до інтенсивного розігріву його поверхні до температури близькою до температури кипіння матеріалу анода.
Відомо, що падіння напруги на ділянці металевого провідника підкоряється закону Ома і може бути представлена у вигляді прямої.
Падіння напруги в дузі на різних її ділянках, віднесене до одиниці довжини, неоднаково.
На рис.3.2 представлений розподіл падіння напруги в дузі. У прикатодній області на довжині близько 105 см зосереджена значна частина напруги дуги, звана катодним падінням напруги (Uк). У прианодній області зосереджено анодне падіння напруги Uа.
Таким чином, напруга дуги може бути представлена як сума трьох складових;
Uд = Uк + Uс + Ua (3.1)
де Uд, Uк, Uс, Ua, - відповідно загальна напруга на дузі і падіння напруги: катодне, в стовпі дуги і анодне.
Кількість тепла, що виділяється дугою в одиницю часу (Q) може бути визначено по залежності
|
Q = 0,24 1д Uд |
(3.2) |
де 0,24 - коефіцієнт перекладу електротехнічних одиниць в теплові; 1д – струм дуги.
При зварці не все тепло, виділене дугою, вводиться у виріб. Частина тепла втрачається у вигляді випромінювання в довкілля.
Кількість тепла, введена у виріб, враховується ефективним коефіцієнтом корисної дії зварювальної дуги . Величина ефективного ККД дуги залежить від багатьох чинників і вагається в межах від 0,5 до 0,9.
Для практичного вживання надзвичайно важлива так звана статична
вольт-амперна характеристика дуги (ВАХ), що показує, як змінюється напруга па дузі залежно від сили струму при заданій довжині дуги.
На рис.3.3 приведена така залежність для різних довжин дуги (1 і 2 криві). Подовження дуги призводить до збільшення напруги на ній (lд2 >
lд1).
Вольт-амперна характеристика показує, що дуга як вигляд газового розряду є нелінійним опором і не підкоряється закону Ома. Вольт -амперну характеристику можна розділити на три області. У першої області (до 100 А) з наростанням струму різко падає напруга на дузі (падаюча характеристика). У другої області (~ до 1000А) спостерігається постійність напруги на дузі при значній зміні струму. У третьої області (> 1000А) разом з наростанням струму збільшується і напруга на дузі (що зростає ВАХ). Причина такого складного зв'язку струму і напруги дуги пояснюється поведінкою заряджених часток в стовпі дуги, закономірності якого розглядаються в теорії дугового розряду.
Рис.3.3. Залежність напруги на дузі від сили струму при різних довжинах дуги (1,2) і напруги на затисках джерела живлення (3,4).
Виходячи з конкретних умов зварки, призначаються певні величини струму ( Iд ) і напруги ( Uд ) на дузі. Для того, щоб зрозуміти як це робиться, необхідно ще, окрім розглянутої залежності ВАХ, розглянути так звану зовнішню характеристику (ВХ) джерела писання дуги.
Графік залежності між напругою на затисках ІП і струмом, ІП, що віддається, в ланцюг, і називають зовнішньою характеристикою джерела живлення. Розрізняють крутопадаючі (криві 3 і 4 на рис.3.3), пологопадаючі, жорсткі і зростаючі ВА.
Найширше використовуються ІП з крутопадаючими ВХ, частіше званими просто падаючими ВХ. Якщо зварювальний ланцюг буде
розімкнений, то напруга на затисках ІП відповідатиме так званій напрузі холостого ходу ( U0 на рис. 3.3).
Точка пересічення зовнішньої характеристики джерела живлення з
вольт-амперною характеристикою дуги (наприклад точка А, рис. 3.3) обумовлює заданий рівень струму і напруги дуги (I1, U1, мал. 2.3) і відповідає стійкому стану системи джерело живлення - зварювальна дуга.
Зміну або налаштування режиму дуги по струму і напрузі можна здійснювати різними шляхами, наприклад зміною крутості ВХ джерела живлення (криві 3 і 4 рис. 3.3), зміною напруги холостого ходу ІП, зміною швидкості подачі електроду у міру його плавлення.
Лекція 4
ТИПИ ЕЛЕКТРИЧНИХ РОЗРЯДІВ
4.1 Таунсендовський розряд
Дія електричного поля на процес поширення полум'я залежатиме не лише від взаємного розташування полум'я і поля і напряму останнього, але і від таких параметрів, як напруга, сила струму, тиск середовища. Залежно від них може спостерігатися перехід від електростатичного поля до електричного розряду. В цьому випадку механізм впливу електричного розряду може бути якісний іншим, чим в разі електричного поля, і, зокрема, залежатиме від вигляду і потужності розряду. Наприклад, в електрохімічних пальниках розвинений дуговий розряд сприяє бурхливому протіканню процесу горіння за рахунок підвищення ентальпії зони горіння. Тому треба ознайомитися з видами і короткими характеристиками електричних розрядів.
Електричні розряди в газах підрозділяють на самостійні, коли розряд виникає і стабілізується без зовнішньої дії, і несамостійні, коли їх виникнення і існування обумовлені зовнішнім енергетичним джерелом. З припиненням його дії несамостійний розряд припиняє своє існування.
Основними параметрами процесу розвитку електричного розряду є напруга, сила струму і тиск середовища. Залежно від комплексу цих умов самостійні розряди підрозділяють на наступних: таунсендовский, коронний, тліючий, іскристий і дуговий (Рис.4.1). Крім того, на розвиток розряду і його характеристики впливають властивості електричного поля (однорідне або неоднорідне, постійне або змінне) і умови теплообміну з довкіллям. Ці розряди розвиваються в однорідних постійних електричних полях.
Таунсендовський розряд зазвичай спостерігається в області низьких тисків газу і його самостійне існування можна забезпечити при проходженні електричного струму силоміць 1 мка і менш. При цьому величина електричного опору газу - ~1,0 Мом і більше, тобто газ займає проміжне положення між ізолятором і провідником.
Візуально таунсендовский розряд є рядом чергуючихся темних і світлих смуг, які залежно від газу, його тиску і матеріалу електродів можуть тягнутися по всій області між анодом і катодом.
Розвиток таунсендовського розряду визначається первинними і вторинними електронами. Первинні електрони, що виникають в природних умовах Землі під дією космічних і радіоактивних променів, розганяються в електричному полі і, іонізуючи зустрічні частки, створюють лавину електронів, що йде до анода. У протилежному напрямі рухаються позитивні іони,, при ударі яких об катод виникають вторинні електрони, також сприяючі розвитку розряду.
Вторинна емісія електронів буде тим більше, чим більше концентрація іонів і вище їх енергія і чим нижче робота виходу електрона в матеріалу катода.
І, А Рис.4.1. Схематичне зображення характеристик самостійного газового
розряду
У певних умовах Таунсендовський розряд переходить в іскристий. При цьому між тиском, міжелектродною відстанню і пробивною напругою існує закономірність: якщо тиск газу (р) і міжелектродна відстань (d) змінюються так, що їх твір залишається постійним, то величина пробивної напруги U
|
також постійна: |
|
|
U=f(pd) |
(4.1) |
Ця залежність носить назву закону Пашена. У чистих газах величина напруги іскрового пробою в області низьких значень pd має максимум (газ— ізолятор); із збільшенням pd напруга досягає деякого мінімального значення і в- подальшому плавно підвищується. Пробивна напруга для даного середовища . різко знижується при внесенні до неї добавок газу з меншим потенціалом іонізації. Зниження величини U спостерігається також, при зменшенні роботи виходу матеріалу катода.
Залежно від значення pd таунсендовский розряд стабільно існує при напрузі до декількох тисяч вольт і силі струму порядка 10-9..1 мка. Таким
чином, якщо узяти деякі значення напруги і величини сили струму, наприклад 5000 в і 1 мка, то середня потужність таунсендівського розряду складе 5 мвт.
4.2 Коронний розряд
Коронний розряд є своєрідним різновидом таунсендівського і виникає в неоднорідних електричних полях, які експериментально створюються, наприклад, в проміжку між площиною і вістрям або між циліндром і коаксіально натягнутою ниткою. На розвиток коронного розряду на відміну від таунсендівського впливає просторовий заряд, який в неоднорідному електричному полі прагне локалізуватися в місцях з максимальною напруженістю поля. При цьому велике значення мають полярність електродів і їх конфігурація.
Механізм процесу розвитку коронного розряду, загалом, такий же, що і таунсендівського. Але в результаті неоднорідності електричного поля в області його максимальної напруженості (в разі негативного поля, тобто коли дріт або вістря служить катодом) формуватиметься позитивний іонний просторовий заряд; під дією поля іони бомбардують катод, даючи початок лавинному процесу утворення вторинних електронів. Виникає так звана негативна корона.
Якщо ж дріт або вістря заряджені позитивно, то спостерігається інша картина: позитивні іони прагнутимуть у напрямку до катода — зовнішньої трубки (пластині), тим самим зменшуючи ефективну міжелектродну відстань; в результаті виникає позитивна корона.
При негативному коронному розряді (з вістря в повітрі) струм розряду є серією регулярних імпульсів, частота яких збільшується із збільшенням сили струму; в разі позитивної корони струм стабільніший: перерви між імпульсами малі. Зовнішній вигляд коронного розряду залежить від геометрії електроду, неоднорідності поля і середовища.
Звичайно це стійкий пучок «світлових ниток» у вигляді фонтану; його довжина і кут розкриття залежать від середовища (домішок електронегативних газів), нерівномірності і напруженості поля.
У чистих газах коронний розряд залежно від природи газу за всіх інших рівних умов, що створилися, стабільно існує при напрузі до 15 кв і силі струму порядку 10 мка; ці характеристики визначають потужність коронного розряду порядку 0,15 Вт.
4.3 Тліючий розряд
Тліючий розряд при низьких тисках є стовпом газу, що світиться, інтенсивність свічення якого в міжелектродному просторі різна. Якщо розглядати тліючий розряд на дорозі від катода (Рис.4.2) до анода, то можна виділити найбільш характерні області: ділянка до точки а —темное катодний простір, який залежно від природи газу може характеризуватися тонкою структурою; ділянка ab —область негативного свічення; ділянка bc — фарадеево темний простір; ділянка cd —положительный стовп.
Різна інтенсивність свічення по довжині тліючого розряду пояснюється різною енергією електронів в цих областях.
Рис. 4.2. Схематичне зображення характеристик тліючого розряду.
Оскільки розряд підтримується електронами, які емітуються катодом при його бомбардуванні позитивними іонами, то в області темного катодного простору виникає переважно позитивний об'ємний заряд; електрони, що накопичуються в безпосередній близькості від катода, розганяються в області позитивного розряду до енергії, достатньої для збудження часток газу. В результаті маємо область негативного свічення ab. Електрони, що втратили на ділянці ab значну частину своєї енергії, рухаються повільно і не збуджують часток газу; цьому етапу відповідає фарадєєво темний простір. При подальшому русі електронів до анода вони збуджують і іонізують частки, внаслідок чого виникає позитивний стовп, що світиться, є електрично нейтральною плазмою. Для стабілізації тліючого розряду при низьких тисках необхідно прикласти напругу порядка 100—400 в при силі струму 1—100 ма, тобто середня потужність складе величину 4—10 Вт.
В результаті зіткнень між позитивними іонами і нейтральними атомами газу в області катодного падіння напруги (на рис.4.2 ділянка від катода до точки а ) газ нагрівається до значної температури, що у свою чергу викликає нагрів катода і подальший розвиток тліючого розряду. В цьому випадку зв'язок між температурою катода Тк і температурою газу Т визначений наступним вираженням:
|
2 |
1 |
|
j |
n |
|
d |
p |
||||||||
|
T (T T |
) |
U |
|
|
pT |
||||||||||
|
K |
2 |
n |
K |
||||||||||||
|
3 |
3 |
п |
p |
|
k |
||||||||||
|
|
|
(4.2)
Тут jn, dn — значення відносної щільності струму і товщини темного простору; Un — катодне падіння напруги; - коефіцієнт, що визначається з температурної залежності коефіцієнта теплопровідності: (T ) T
Вхідні в рівняння (4.2) величини вимірюються у вольтах, амперах, сантиметрах і мм рт. ст., відповідно.
Якщо розглядати хімічно активне середовище, в якому розвивається тліючий розряд, то відповідно до сказаного в області катодного падіння
напруги можна чекати прискорення хімічних реакцій і в разі їх екзотермічності посилення темпу нагріву катода до вищої температури. По рівнянню (4.2) підраховано, що при водоохолоджуваному катоді і атмосферному тиску повітря в області катодного падіння напруги розігрівається до 830°С, водень — до 430°С. Таке розігрівання (при неохолоджуваному катоді) збільшує потужність тліючого розряду і його перехід в дуговій.
4.4 Іскровий розряд
Іскровий розряд розвивається в найрізноманітніших умовах по тиску і напрузі і є плазмовим каналом, що яскраво світиться, з високою щільністю струму. Форма іскрового розряду вельми всіляка: від елементарного прямого до багатообразного гіллястого.
Якнайповніше розроблена стримерна теорія іскрового розряду, відповідно до якої що утворюється під дією електричного поля електронна лавина після досягнення анода залишає після себе в катода іонізований «слід» зі своїм полем просторового заряду, яке збільшує зовнішнє електричне поле і створює радіальне поле довкола осі «сліду». Під дією існуючих і виникаючих знову електронів і фотоелектронів виникає лавина, що подовжує іонізовану ділянку аж до анода.
Виниклий стример є тим провідником, по якому розвивається іскровий розряд. В процесі розвитку іскрового розряду його канал розширюється, виникає великий перепад тиску, внаслідок чого після проходження іскри канал закривається з різким і сильним звуком.
Щільність струму, що проходить через іскровий канал, залежить від кількості електрики, що дається джерелом, часу проходження іскри, перетини іскрового каналу і може досягати декілька сотень тисяч ампер.
4.5 Дуговий розряд
Дуговий розряд може виникнути в результаті переходу від тліючого або іскрового розрядів, які створюють первинний канал для його розвитку. Від тліючого розряду до дугового перехід зазвичай здійснюється стрибкоподібно: різко збільшується щільність струму і знижується величина катодного падіння напруги. Дугові розряди класифікують по емісійних процесах на катоді, що обумовлюється:
полів.
Розвиток дуги після пробою газового проміжку залежить не лише від сили струму, але і від часу. На рис.4.3 показана зміна в часі сили струму і напруги між електронами. Як видно, за час близько 10-8 сік відбувається різкий спад напруги, після якої воно поступово наближається до постійного значення, відповідного стабільного горіння дуги. Зазвичай дуговий розряд
характеризується низькою напругою і великою силою струму. У електричній дузі при атмосферному тиску і силі струму в декілька ампер концентрація заряджених часток досягає порядку 1014—1017 см-3.
Іншою важливою властивістю дуги є висока температура газу в провідному каналі. Як приклад на рис. 4.4 показаний розподіл температури в шнурі вугільної дуги, що горить в повітрі при силі струму 200 а, зняте Меккером.
При високій щільності газу між шнуром дуги і довкіллям відбувається енергійний тепло- і масообмін. При цьому тепло передається як за допомогою теплопровідності, конвекції і випромінюванням, так і в результаті рекомбінації заряджених і збуджених часток, а також завдяки процесу асоціювання атомів.
Час, сік
Рис.4.3. Зміна в часі струму і напруги між двома електродами відразу після початку пробою при атмосферному тиску.
Анод
Катод 4. 4. Поле температур в стовпі вугільної дуги, що горить в повітрі при
силі струму 200 а
В даний час дуговий розряд в широкому діапазоні його електричних
параметрів застосовується в самих різних областях техніки: принципи електроплавлення, зварки, хімічних процесів, робота електрохімічних і плазмових пальників засновані на використанні високої потужності електричної дуги і прагненні до підвищення ентальпії середовища за рахунок потужного теплового потоку, що йде від дуги.
4.6. Несамостійні розряди
Несамостійні розряди; як уже згадувалося, існують лише при зовнішній енергетичній дії джерела іонізації, із зникненням якого розряд припиняється. Це пояснюється тим, що більшість заряджених часток, що беруть участь в розвитку розряду, повинна створюватися зовнішнім джерелом. Для цього зовнішнє джерело повинне сприяти створенню заряджених часток або за рахунок емісії електронів катодом, або в результаті їх безпосереднього виникнення або введення в міжелектродний простір.
Лекція 5
ПЛАЗМА - ЧЕТВЕРТИЙ СТАН РЕЧОВИНИ
5.1 Елементарні поняття плазми
З шкільних часів всі ми звиклися вважати, що речовина буває в трьох станах: твердому, рідкому і газоподібному. Але останніми роками все більше уваги залучають .властивості речовини в четвертому, своєрідному стані, який назвали плазмою. Чим вище температура, тим вільніше за себе відчувають частки речовини. У твердому тілі атоми і молекули підпорядковані жорсткій дисципліні, стоять в чіткому будую. У рідині вони можуть рухатися, але свобода їх обмежена. У газі молекули або навіть атоми переміщаються вільно, але усередині атомів електрони здійснюють гармонійний танець по своїх орбітах, наказаних законами квантової механіки. І, нарешті, в плазмі вже і електрони відірвалися від атомів і придбали повну свободу руху. Втративши частину своїх електронів, атоми і молекули отримують позитивний електричний заряд; після цього вони називаються іонами. Плазма
— це газ, що складається з позитивно і негативно заряджених часток в таких пропорціях, що загальний заряд дорівнює нулю. Вільно рухомі електрони можуть переносити_електричний струм. Тому інакше говорять, що плазма — це провідний газ.
До цих пір в електротехніці використовувалися як провідники електрики тверді речовини — метали. У металі теж є вільні електрони. Вони відірвані силами, породженими високою щільністю. У металі атоми настільки здавлені, що їх електронні оболонки «ламаються». У плазмі електрони відірвані іншими силами, викликаними швидким рухом гарячих часток, дією світла або електричного розряду. Нові дивні властивості плазми дозволяють сподіватися на широке використання її в техніці як провідника електрики і як середовища з високою температурою. У електротехніці плазма має вже те очевидна перевага перед металами, що вона в тисячі, якщо не в мільйони, раз легше.
Про плазму фізики стали говорити недавно. Але кожен з нас бачив плазму. У величних картинах блискавки і північного сяяння дійовою особою є саме плазма. Всякий, хто мав «задоволення» влаштувати в електричній мережі коротке замикання, теж зустрічався з плазмою. Іскра, яка проскакує, між дротами, складається з плазми електричного розряду в повітрі. Гуляючи увечері по вулицях великого міста, ми милуємося світловими рекламами, не думаючи про те, що в них світиться неонова або аргонова плазма. Будь-яка речовина, нагріта до досить високої температури, переходить в стан плазми. Найлегше це відбувається з парами лужних металів, таких, як натрій, калій і особливо найважчий з них — цезій. Звичайне полум'я володіє деякою електропровідністю; воно, хоча і в слабкій мірі, іонізовано, тобто є плазмою. Причина цієї провідності — нікчемна домішка натрію, який можна розпізнати по жовтому свіченню. Для повної іонізації газу потрібні температури в десятки тисяч градусів.
В давнину вважали, що світ складається з чотирьох елементів, або стихій: землі, води, повітря і вогню. Землі, воді і повітрю відповідають наші твердий, рідкий, і газоподібний стани речовини. Плазма відповідає четвертій стихії, яка в космічних масштабі є головною, - вогню.
Між плазмою і газом немає різкого кордону. Плазма підкоряється газовим законам і у багатьох відношеннях поводиться як газ. Чому ж тоді ми говоримо про плазму як новий, четвертий стан речовини? Нові, незвичайні властивості плазми виявляються тоді, коли на неї діє сильне магнітне поле. Таку плазму називають замагніченою.
Ми говорили, що усередині атома електрони здійснюють гармонійний танець, а в плазмі вони пустують без жодного порядку, як молекули в газі. Але найважливіша властивість плазми—то, що рух часток в ній можна упорядкувати. Можна змусити частки рухатися регулярних буд. Хто ж той командир, який змусить свавільні електрони підкорятися жорсткій дисципліні ? Це магнітне поле. У атомі електрони і ядра танцюють маленькими групами. У твердому кристалі вони прив'язані до певних місць.
Рух часток звичайного газу обмежується лише зіткненнями між собою або із стінкою. Рух часток плазми може бути обмеженим магнітним полем. Плазму можна стримувати магнітною стінкою, штовхати магнітним поршнем, замкнути в магнітній пастці. У сильному магнітному полі частки плазми крутяться довкола магнітних силових ліній. Уздовж магнітного поля частка рухається вільно. Від поєднання вільного руху уподовж силовій лінії і обертання довкола неї виходить гвинтоподібний рух. Якщо змусити плазму рухатися впоперек магнітного поля, вона потягне за собою силові лінії. Говорять, що частки плазми як би «приклеєні» до силових ліній або магнітне поле «вморожує» в плазму. Але цей закон вмороженості діє лише в гарячій плазмі. Річ у тому, що в гарячій плазмі частки швидко проносяться одна мимо іншої, не встигаючи «зачепитися» один за одного. Така плазма майже не чинить опору електричному струму; провідність її дуже велика. У холодній плазмі з низькою провідністю взаємодії між частками при зіткненнях дозволяють магнітному полю як би просочуватися крізь плазму.
Коли ми говоримо «холодна» плазма, Треба враховувати, що масштаб
температури для плазми зовсім не, такий, до якого ми звикли. За одиницю температури тут вважається електронвольт, рівний 11 600° С. Про плазму з температурою десять або сто тисяч градусів фізик скаже: «Всього декілька електронвольт— це холодна плазма». В гарячої плазми температура повинна вимірюватися, щонайменше, сотнями електронвольт, тобто мільйонами градусів. Якби газ не переходив в стан плазми, його не можна було б нагрівати до таких температур, тому що його нічим би було стримувати. Жодна тверда стінка не встоїть проти такого жару, і газ розлетиться. Але гарячу плазму можна утримати магнітним полем. Частка плазми крутиться гвинтоподібний довкола силової лінії і не повинна зійти зі своєї дороги, поки не зіткнеться з іншою часткою. У гарячій плазмі зіткнення рідкі, як на залізниці, де добре організована безпека руху. Поки не станеться «крах», частка не повинна, піти на стінку. На цьому засновані всілякі проекти магнітних пасток для утримання гарячої плазми. На жаль, виявилось, що не лише зіткнення збивають частки з силових ліній. Є і інша причина, що порушує правильний рух часток, —це колективна їх взаємодія. Уявіть собі шосе, по якому рухається в строю велика колона автомашин. Досить одній машині порушити порядок руху, як почнеться все зростаючий безлад. Задні наїжджатимуть на передніх, зупинка передніх порушить рух задніх. Почавшись в одній крапці, цей безлад поступово пошириться на всю колону. Таке явище, коли мале обурення викликає загальний безлад, називається нестійкістю. У плазмі вона зустрічається дуже часто.
Одне з важких завдань сучасної фізики — здобуття і утримання гарячої плазми. Йдеться про нагріванні речовини до таких температур, при яких жодна тверда стінка не протримається навіть коротка мить. Утримати гарячу плазму може лише магнітне поле. Воно повинне непроникним бар'єром відокремити частки плазми від стінки, не дати їм піти на стінку або передати їй свою енергію. Головною перешкодою на цій дорозі якраз і виявляється нестійкість. Якби не було нестійкості, завдання утримання плазми неважко було б вирішити, і навіть не одним способом.
Уявимо собі трубу, наповнену плазмою. Намотаємо на цю трубу котушку з дроту, пропустимо через неї струм. Котушка перетвориться на електромагніт і створить усередині труби магнітне поле. Силові лінії направлені уздовж труби. Якщо всі частки рухаються в строю, то на стінки їх не пустить магнітне поле. Але уздовж труби вони летять вільно і можуть вилетіти через кінці. Аби не допустити цього, є два способи. Можна зігнути трубу в кільце. Вийде тіло на зразок бублика, відоме в геометрії під назвою «тор». Це — тороїдальна магнітна пастка. Інший спосіб — створити на кінцях труби сильніші магнітні поля. Вони не випускають плазму з труби, тому їх називають магнітними пробками. Інакше можна сказати, що частки плазми відбиваються від областей сильного поля. які тому і називають магнітними дзеркалами.
У тороїдальній пастці зручно нагрівати плазму. Пастку наповнюють газом і створюють в цьому газі сильний електричний струм. Газ нагрівається поточним по ньому струмом так само, як спіраль електроплитки або нитка
електричної лампочки. Таким чином, можна перевести газ в стан плазми і повідомити їй початковий нагрів. Але з підвищенням температури різко падає електричний опір плазми і вона перестає грітися. Для здобуття високих температур запропоновані інші, досконаліші способи нагріву із застосуванням високочастотних розрядів або швидкого стискування магнітним поршнем. У пастку з магнітними пробками зручніше упорскувати швидкі іони, що заздалегідь розганяють електричними полями. Таким чином, відразу виходить гаряча плазма. Але всі ці способи нагріву придатні лише за неодмінної умови, а саме: плазма не повинна стикатися з твердими стінками. Нагрівати плазму у контакті із стінкою так само неможливо, як закип'ятити воду в судині з льоду. Для того, щоб частки плазми не ударялися об стінки, потрібно змусити їх рухатися регулярних зімкнутих буд, що і повинна зробити магнітна пастка.
Частинки плазми,що вдаряються об стінку, вибивають із стінки атоми тих речовин, з яких вона виготовлена. Таким чином, нестійкість наводить до забруднення плазми сторонніми домішками. Важкі атоми домішок випромінюють ще більше енергії у вигляді світла і ультрафіолетових променів, і втрати енергії прогресивно зростають. Замість гарячої плазми пастка наповнюється холодними продуктами випару стінок.
Якби колосальна колона часток плазми завжди марширувала «в ногу», вона б однаково добре стримувалася як в тороїдальній пастці, так і в пастці з магнітними пробками. Насправді — на жаль!— плазмових буд ламаються, тобто виникає нестійкість. Ціла армія фізиків вийшла в похід на боротьбу з нестійкістю плазми. Якщо удасться плазму усмирити, то це обіцяє грандіозні перспективи.
У надрах Сонця стисла плазма має температуру понад 10 000 000° К. Прі цій температурі атомні ядра стикаються з такою силою, що з'єднуються між собою. Відбуваються термоядерні реакції, що наводять до перетворення водню на гелій і виділення величезної кількості енергії. Саме ця енергія, що випромінюється Сонцем, і була донині для нас джерелом всіх благ. Чи можемо ми «приручити» термоядерні реакції і змусити їх служити нам по нашій волі тут, на Землі? Звичайний водень навіть при найвищій температурі виділяє енергію дуже повільно. Лише колосальна маса його в Сонце і сильне стискування силоміць тягаря роблять сонячний водень таким потужним джерелом енергії. Але важкі ізотопи водорода — дейтерій і тритій — виділяють енергію досить швидкий. Якщо удасться стійко утримувати їх; у магнітній пастці при температурах в десятки мільйонів градусів, проблема термоядерної енергії буде, вирішена. Для цього потрібно власне лише одне
— впоратися з нестійкістю плазми. Всього одна трудність... але вона виявилася настільки серйозною, що ніхто не береться сказати, чи близьке її рішення і на якій дорозі воно лежить.
Термоядерна проблема — найважливіша із завдань науки про плазму. Широке вивчення властивостей плазми почалося саме із-за неї. Але, як завжди, розвиток науки приніс несподівані плоди. Колумб відправився шукати дорогу до Індії, а знайшов Америку. У історії науки часто буває саме
так. При вивченні властивостей плазми з'ясувалося, що її можна штовхати магнітним полем. Була побудована плазмова гармата, з якої можна вистрілювати згустки плазми з швидкістю до 100 км/сек. Це в сто разів швидше за кулю і вдесятеро швидше за космічну ракету. Спочатку цю гармату побудували для того, щоб упорскувати плазму в магнітну пастку. Але потім зрозуміли, що з неї можна зробити плазмовий двигун.
Плазмовий двигун за принципом дії дуже близький до електромотора, лише провідником електрики у нього служить не метал, а плазма. Але електромотор простим перемиканням можна перетворити на динамомашину. Природно, що виникла ідея плазмової динамомашини. У ній гальмування плазмового струменя в магнітному полі збуджує електричний струм. Чи не слід чекати, що вся електротехніка перемкнеться з важкого, незграбного металу на легку рухливу плазму?
Поки що мало вивчені перспективи вживання плазми в радіотехніці. Плазма в магнітному полі має багато різних типів коливань. Вона випускає радіохвилі. Поки спостерігалися безладні коливання, так звані шуми. Але теорія говорить, що можна побудувати плазмові резонатори і хвилеводи — пристрої, що коливаються із сповна певними частотами.
Багато є незвичайного в поведінці плазми, що замагнічує. Електричні сили викликають в ній масовий рух (так званий дрейф), а сили не електричної природи збуджують струм. Швидкість руху і струм направлені не уздовж сили, що діє, а впоперек неї. Сила повідомляє плазмі не прискорення, а постійну дрейфову швидкість. Всі ці незвичайні властивості плазми чекають ще свого використання для блага людства. І хтозна, мабуть, навіть сама шкідлива нестійкість в майбутньому знайде собі корисне вживання як засіб збудження коливань плазми.
Багато плазмових явищ розгортаються в колосальних масштабах в космічному просторі. Так, сонячні спалахи, мабуть, походять від швидкого стискування плазми магнітними полями. При цих спалахах вивергаються в простір плазмові потоки. Магнітні поля, що існують в космічному просторі, захоплюють викинуту Сонцем плазму в різного роду магнітні пастки. Такі пастки, наповнені плазмою, знаходяться в самої Землі: це відомі радіаційні пояси, що створюють небезпеку опромінень для майбутніх космонавтів. На Землі після сонячного спалаху спостерігаються полярні сяйва, порушення радіозв'язку, магнітні бурі. Все це — обурення плазми, створюючої верхню атмосферу Землі, плазмовими потоками або ударними хвилями, що поширюються по міжпланетній плазмі. Поширення ударної хвилі по майже порожньому міжпланетному простору — теж одна з дивних властивостей плазми, що замагнічує. Космічні ракети і штучні супутники все більше підтверджують роль, яку грає плазма в світовому просторі.
На наших очах людство вступає в космічне століття, і це століття в значній мірі виявляється плазмовим століттям. Новий етап в розвитку науки і техніки пред'являє всі зростаючі вимоги до наймолодшої галузі фізики — науки про плазму.
5.2 Як виникає плазма
Аби перевести газ в стан плазми, потрібно відірвати хоч би частину електронів від атомів, перетворивши ці атоми на іони. Такий відрив електронів від атомів називається іонізацією. Детальний механізм іонізації на атомно-молекулярному рівні ми розглянемо нижче, тут же обмежимося загальною характеристикою цього процесу. У природі і техніці іонізація може вироблятися, різними шляхами, найважливіші з них: а) іонізація теплом; би) іонізація випромінюванням; у) іонізація електричним розрядом.
Всяка речовина стає іонізованою, якщо його нагрівати до досить високої температури. Це так звана термічна іонізація. Необхідна для неї температура тим нижче, чим слабкіше зв'язані електрони, чим менше енергія іонізації атома або молекули. Енергія іонізації атома хімічного елементу залежить від положення його в таблиці Менделєєва. Найслабкіше зв'язані електрони в атомах одновалентних лужних металів (літію, натрію, калія, рубідія, цезію). У такому атомі один зовнішній (валентний) електрон знаходиться на далекій орбіті, і його легко відірвати. Найміцніше зв'язані електрони в атомах інертних газів (гелію, неону, аргону, криптону, ксенону). У них всі електрони утворюють замкнуті оболонки, які важко зруйнувати. У кожному даному стовпці таблиці Менделєєва енергія іонізації тим менше, чим важче атом (у важкому атомі багато внутрішніх електронів, що екранують поле ядра). Тому зі всіх елементів найлегше іонізуються найважчий лужний метал — цезій. Його охоче застосовують в лабораторії і техніці для отримання термічної плазми.
Іонізація випромінюванням має значення лише в дуже розріджених газах, оскільки при скільки-небудь помітній щільності зіткнення між частками набагато істотніше, ніж дія випромінювання. Ця дорога іонізації важлива для астрофізики, тому що ультрафіолетове випромінювання гарячих зірок викликає іонізацію в тих, що оточують їх газових туманностях і областях міжзоряного газу.
Спроби застосувати іонізацію випромінюванням в техніці навряд чи будуть успішними, оскільки при потрібній тут щільності досить швидкий йде зворотний процес рекомбінації електронів з іонами, який наводить до стану рівноваги.
Найширше застосовують в лабораторії і техніці спосіб здобуття плазми в електричному газовому розряді. У природі прикладом цього явища служить блискавка, в техніці — всяка електрична іскра, вольтова дуга, спалахи
газосвітних ламп і безлічі інших газорозрядних приладів. Механізм іонізації в розряді полягає в утворенні електронної лавини (рис.5.1). Це процес того ж роду, що і ланцюгова реакція в хімії або, розмноження мікробів при епідемії. Для розвитку лавини потрібно, аби прикладене до газу електричне поле повідомляло електрон на довжині вільного пробігу більше енергії, чим потрібно для вибивання з атома ще одного електрона. Тоді досить завестися в газі від будь-яких побічних причин хоч би невеликій кількості вільних електронів, аби після розгону полем вибивалися нові електрони і, таким чином, розмноження електронів відбувалося в геометричній прогресії. Як нікчемна кількість чумних мікробів може викликати величезну епідемію, так і настільки ж мале число електронів, що виникли хоч би від космічних променів або випущених металевими поверхнями, може викликати іонізацію всього газу і перетворити його на плазму.
Рис.5.1. Електронна лавина (кухлі — атоми, чорні крапки — електрони).
Окрім цих основних способів створення плазми, існує ще ряд способів, що мають вужче значення. Так, у пошуках доріг здобуття термоядерної плазми вивчається метод інжекції: що розганяють в прискорювачі до величезних швидкостей газові іони упорскують в магнітну пастку; притягуючи до себе з довкілля електрони, вони утворюють відразу гарячу плазму.
Своєрідною дорогою відриву електронів від атомів є іонізація тиском. При дуже великою ущільнюй всяку речовину переходить у вироджений стан, в якому електрони «вичавлюються» на вищі енергетичні рівні. Якщо енергія цих рівнів (так звана енергія Фермі) перевищить енергію іонізації, то електронні оболонки «зламаються» і електрони відірвуться від атомів. Таке явище, можливо, відбувається в надщільних зірках — білих карликах і усередині великих водневих планет, а по деяких гіпотезах навіть і в ядрі Землі. У дослідах по стискуванню речовини що сходяться. ударними хвилями удавалося спостерігати виникнення електропровідності, яка може пояснитися іонізацією тиском. Але необхідна для цього щільність настільки велика, що речовина стає схожою швидше на метал, чим на плазму, так що
це явище навряд чи слід відносити до фізики плазми.
5.3 Діагностика плазми Інженер або дослідник, що працює із звичайним газом, не зазнає
труднощів при визначенні його фізичних властивостей і складу. Будь-який термометр або пірометр покаже йому температуру газу, манометр — його тиск, витратоміри різних систем — швидкість потоку і, нарешті, ретельно розроблені хімічні і фізико-хімічні методи газового аналізу дозволять визначити хімічний склад. Інша справа плазма. Тут кожен вимір перетворюється на проблему. Відомо немало випадків, коли, вимірюючи різними способами температуру одній і той же плазми, набували значень, що розходяться в десятки разів, і далеко не всякий з експериментаторів, що працюють з плазмою, знає точно навіть таку основну величину, як концентрація заряджених часток в ній.
Саме з цієї причини знаходження фізичних характеристик плазми, на відміну від звичайного газу, не зводиться просто до вимірювальної техніки. Способи визначення температури, концентрації і складу плазми є предметом найважливішого розділу експериментальної фізики плазми, який отримав назву діагностики.
Для діагностики використовується ряд фізичних явищ, що відбуваються в плазмі.
Лекція 6
ОСНОВНІ ВИДИ ЗВАРКИ
6.1 Ручна дугова зварка покритим електродом.
Після короткого знайомства з особливостями дугового розряду і умовами його існування перейдемо до розгляду найбільш поширених видів дугової зварки.
Аналіз об'єму використання різних способів дугової зварки в різних галузях показує, що в даний час основним способом є ручна дугова зварка покритим електродам, що пояснюється простотою і універсальністю цього способу зварки. Хоча доля ручної дугової зварки безперервно знижується вона ще тривалий час використовуватиметься як маневрений і доступний спосіб зварки, особливо при виконанні робіт у важкодоступних місцях і в умовах монтажу.
Як вже раніше згадувалося, відкриття Н.Н.Бенардоса удосконалив Н.Г.Славянов, замінивши вугільний електрод металевим, плавким. Проте використання непокритого, голого (або покритого тонким шаром крейди для стабілізації дугового розряду) прутка - электрода не забезпечувало здобуття зварних швів" високої якості, із-за насичення металу киснем і азотом з атмосфери повітря.
Інститут електрозварювання ним Е.О.Патона АН УРСР, Московський дослідно-зварювальний завод, Інститут металургії ім. А.А.Байкова АН СРСР, Промстальконструкція і ін., а колективу фахівців на чолі з академіком АН УССР І.К. Походня, що здійснювали цю роботу, була присуджена Державна премія СРСР в 1971 р.
В даний час електродне виробництво в країнах СНД випускає більше 500 типів електродів з самими різними якісними покриттями, якими успішно зварюються сталі, чавуни, кольорові метали, їх сплави, і інші різні матеріали. Покриття сучасних якісних електродів має товщину 1-3 мм (рис.6.1). Воно є тонкоподрібненою сумішшю, що складається з різних мінералів, рудних продуктів, гірських порід, феросплавів, органічних і інших речовин, скріплених між собою і з поверхнею металевого прутка - водним розчином рідкого скла. Таке складне по складу покриття виконує ряд функцій, наприклад, захисну від шкідливої дії повітря (кисню і азоту) на рідкий метал. Також для полегшення запалення дуги і стійкості її горіння, що становлять покриття здійснюють дуже важливу металургійну обробку розплавленого металу, - його розкислювання, тобто звільнення в тій чи іншій мірі від кисню, внесення до металу спеціальних добавок, поліпшуючих його властивості (легування), очищення металу від шкідливих домішок - сірки і фосфору (рафінування), подрібнення розмірів кристалів в процесі твердіння метала. Залежно від того, для зварки яких металів призначаються електроди, прутки, на які наноситься покриття, можуть бути з різних металів або сплавів. У електродах загального призначення, широко вживаних для зварки всіляких сталевих конструкцій, прутки виготовляються із сталевого маловуглецевого, майже безкремністого холоднотягнутого дроту, для якого характерна підвищена чистота металу, обмеження вмісту шкідливих домішок - сірки і фосфору. На рис.6.1 показана схема ручної зварки покритим електродом, із зображенням подовжнього перетину зони зварки.
Рис. 6.1. Схема ручної дугової зварки плавким металевим електродом з покриттям.
При ручній дуговій зварці електрод затискається в спеціальний тримач, що знаходиться в руці зварювальника, який за допомогою кабелю з'єднується з джерелом живлення дуги.
Дуга може харчуватися як постійним, так і змінним струмом, одно - або багатофазним, низької або високої частоти. При постійному струмі має значення полярність електроду. Частіше до електроду приєднують негативний полюс джерела струму, а до виробу - позитивний; тоді отримують пряму або нормальну полярність.
Вочевидь, що при живленні дуги змінним томом, полярність електроду постійно мінятиметься з періодом, рівним частоті змінного струму.
Після збудження дуги зварювальник починає її переміщати в заданому напрямі. У міру плавлення електроду він подає його в зону зварки для підтримки довжини дуга постійної величини. При розплавленні електроду одночасно плавиться і зварюваний метал, в результаті формується зварний шов.
Інколи замість плавкого електроду зварювальник використовує неплавкий (вугільний), тому для формування зварного шва в зону дуги вводиться спеціальний додатковий присадний пруток, який, розплавляючись, утворює зварний шов. При виконанні зварювальних робіт зварювальник користується спеціальним щитком, що захищає особу і очі від сильного світлового потоку і бризок металу. У щитку є вікно з темним захисним склом, що дозволяє спостерігати за зоною зварки і впливати на поведінку рідкого металу в зварювальній ванні. Теплом дуги розплавляється не лише металевий пруток (1, рис.6.1), але і покриття 2, і у вигляді крапель 3 переноситься в зварювальну ванну 4, де перемішується з розплавленим металом зварюваного виробу. Покриття плавиться повільніше за прутка, тому на торці електроду утворюється своєрідна втулочка, напрямна потоку газів, що виділяються, і пари в дузі у бік зварювальної ванни, що полегшують відрив крапель від торця електроду. Метал ванни покривається захисним шаром шлаку 5, створюючим потім, на затверділому металі шва 6 шлакову кірку 7, що збивається з його поверхні після закінчення зварки.
Глибина h (рис.6.1), на яку розплавляється зварюваний метал (глибина проплавлення) залежить від режиму зварки (сили зварювального струму, швидкості переміщення дуги уздовж зварюваних кромок і ін. параметрів) і просторового положення зони зварки.
Зварка покритим електродом може здійснюватися у всіх просторових положеннях зварюваної ділянки виробу: у найбільш зручному для зварювальника положенні - нижньому, на вертикально розташованій ділянці і, нарешті, в стельовому положенні, коли поворот виробу для зручності зварки неможливий.
В процесі зварки рука зварювальника зазвичай здійснює ряд складних рухів: окрім подачі електроду до виробу і переміщення уздовж зварюваних кромок, зварювальник одночасно робить поперечні коливання тієї або іншої форми. Від того, наскільки він, при цьому, володіє умінням підтримувати
безперервність горіння дуги і забезпечувати постійність ведення процесу - залежить стабільність форми і якість зварного шва.
Важливою характеристикою якісних електродів є коефіцієнт наплавлення, який показує, скільки електродного металу під дією зварювального струму в 1 ампер наплавляється в одиницю часу. Знаючи коефіцієнт наплавлення електроду і величину використовуваного струму, можна легко визначити продуктивність зварки цим електродом:
|
g = н |
I, |
(6.1) |
де g - продуктивність наплавлення, г/ч;
|
|
н |
|
- коефіцієнт наплавлення,
г/А-ч; I - величина струму, А.
Коефіцієнт наплавлення в звичайних електродів з покриттям лежить в межах 8-10 г/А-ч.
Зварювальні ж струми для електродів, що мають діаметр 3 - 6 мм, використовуваних при виконанні основного об'єму робіт, складають 120-350 А, при напрузі дуги 16-30 В. Коефіцієнт наплавлення можна збільшити, якщо до складу покриття ввести залізний порошок (від 5 до 50 % маси прутка); тоді коефіцієнт наплавлення зростає до 12-20 г/А-ч, а продуктивність зварки - зростає в 1,5-2 рази. Першою стала виготовляти подібні електроди голландська фірма ФІЛІПС (1946-47 рр.). Такі ж електроди, що містять в покритті 30-50 % залізного порошку, випускаються в США, Франції, Бельгії і інших країнах.
У СРСР електроди із залізним порошком в покритті набули широкого поширення в 60-і роки (електроди ОЗС-3, АНО-1, ОЗС-5, ВН-48 і ін.).
Процес виготовлення покритих електродів складається з наступних основних операцій:
В даний час є крупні спеціалізовані виробництва по виготовленню електродів потужністю до 60 тис. тонн електродів в рік. У багатьох з них діють потокові лінії, з широкою механізацією і автоматизацією ряду виробничих операцій. У таких лініях успішно працюють високопродуктивні электродоизготавливающие агрегати, сушильно-прокалочные конвеєрні печі, правильно-відрізні автомати і інше сучасне і продуктивне устаткування.
Достоїнства і недоліки ручної дугової зварки покритими електродами
Які достоїнства і недоліки ручної дугової зварки покритими електродами?
Безперечною і головною гідністю її є універсальність і велика маневреність; ручна зварка покритим електродом може здійснюватися не лише в будь-якому просторовому положенні, але і в будь-якому, недоступному для інших способів зварки місці виробу, при будь-якій товщині зварюваного металу, забезпечуючи виконання швів самої різної протяжності. В той же час, велика різноманітність типів і марок покритих електродів дозволяє успішно зварювати і наплавляти самі різні стали і спеціальні сплави, чавуни, кольорові метали і сплави на їх основі і ін., отримувати зварні з'єднання з них високої якості. До достоїнств ручної дугової зварки слід віднести простоту процесу, вживання нескладного в пристрої і роботі устаткування для живлення дуги, що дозволяє використовувати цей спосіб не лише в стінах крупного підприємства, але і на будівельних, а також монтажних майданчиках, в невеликих майстернях як міського, так і сільського типа. В той же час ручній дуговій зварці властиві значні недоліки, найважливішими з яких є: використання ручної праці робітників високої кваліфікації, низька продуктивність процесу унаслідок використання невеликих величин зварювального струму (аби не перегрівався пруток електроду) і перерви процесу із-за необхідності заміни електродів у міру того, як вони розплавляються.
Слідує, проте, відзначити, що всі ці і інші прийоми не можуть ліквідовувати головного недоліку ручної дугової зварки, а саме вживання ручної, не механізованої праці.
Тривалий час ручна дугова зварка була єдиним способом з'єднання (і роз'єднання) металів, хоча багато передових інженерів прагнули ліквідовувати ручну працю при зварці шляхом розробки різних пристроїв і пристосувань з метою механізації процесу.
Початок широкої механізації і автоматизації зварювальних процесів був пов'язаний із створенням в 1939-1940 рр. під керівництвом академіка Е.О.Патона способу «швидкісної автоматичної зварки голим електродом під шаром флюсу». Цей спосіб і сьогодні залишається найекономічнішим і високопродуктивним процесом, що забезпечує здобуття зварних швів високої якості.
При зварці під флюсом (рис.6.2) замість штучних електродів застосовується електродний дріт 1 - великої довжини, згорнутої у вигляді касети. Її подача в зону дуги у міру плавлення, а також переміщення самій душ уздовж зварюваних кромок механізовані і здійснюються зварювальним автоматом, що має пристрій 2 для внесення до зони зварки флюсу і
відсмоктування його частини, що не розплавилася, з шва для повернення в бункер.
Збудженню дуги передує засипка флюсу уздовж зварюваних кромок у вигляді валика товщиною 50 - 60 мм. Виникла при включенні автомата дуга 3 між торцем електродного дроту 1 і зварюваним виробом 4 виявляється закритою флюсом; вона горить в закритій порожнині, утвореній розплавленим флюсом, тобто шлаком 5, в своєрідному газовому міхурі 6. Закрита порожнина і виникаючий статичний тиск шару флюсу на рідкий метал зварювальної ванни 7 запобігають розбризкуванню рідкого металу і порушення у формуванні шва.
Розплавлений флюс-шлак, володіючи невеликою щільністю, спливає на поверхню рідкого металу зварювальної ванни, утворюючи, в процесі твердіння шлакову кірку 8, що легко видаляється з шва 9. Нерозплавлена ж частина флюсу 10 відсмоктується пнемоустроєм 11 автомата в бункер 2 для повторного використання.
Рис.6.2. Схема зварки під флюсом. А - зварювальна голівка; Б - механізм переміщення. І, II, III - поперечні перетини в різних зонах шва.
Що ж є флюсом?
Флюс- це сипкий, зернистий, тобто гранульований матеріал, з величиною зерен (гранул) 1-2 мм.
Сучасні флюси всілякі, відрізняючись призначенням, складом і властивостями. У залежності ж від способу виготовлення розрізняють флюси плавлені і неплавлені.
Плавлені флюси отримують шляхом сплаву різних речовин (мінералів, рудних продуктів і ін.) в печах, тому готовий плавлений флюс відноситься до складних силікатів, близьких по властивості склу. Шлаки, ними утворювані, в зоні зварки виконують, в основному, захисну роль, ізолюючи рідкий метал
від контакту з повітрям, будучи в металургійному відношенні малоактивними.
Неплавлені флюси, до яких відносяться перш за все так звані керамічні, виготовляють без сплавлення вхідних в їх склад порошкоподібних речовин, шляхом пов'язання такої суміші рідким склом (силікатним кльошем) з подальшою грануляцією в зерна розміром 1-3 мм. Для цього здійснюють протирання густої маси через відповідні сита, з певним розміром вічка, а потім просушують і прожарюють флюс. Подібні флюси містять в своєму складі (як і електродні покриття) неокислені, вільні елементи - метали, або їх сплави (феросплави), що дозволяє при зварці під таким флюсом активно втручатися в хід хімічних реакцій в рідкій зварювальній ванні здійснювати розкислювання, легування металу шва, очищати його від шкідливих домішок, впливати на структуру шва, тобто отримувати у результаті зварні шви потрібного складу і властивостей.
Головним вузлом зварювального автомата є зварювальна голівка (А, рис.6.2), що виконує операції по збудженню дуги, її підтримці і припиненню горіння. Окрім неї, автомат має ходовий механізм (Б) дня переміщення голівки уздовж зварюваних кромок по спеціальних направляючих рейках, пристрій для підйому і опускання голівки, котушку з намотаним електродним дротом, а також флюсоапарат, що забезпечує подачу флюсу у зону зварки і відсмоктування невикористаної його частини. Роль зварювальника, що працює із зварювальним автоматом зводиться лише до управління процесом зварки за допомогою пульта управління, коректора.
При включенні автомата провідні ролики зварювальної голівки починають обертатися і штовхають електродний дріт, до якого вони щільно притиснуті, вниз в токопідводний мундштук.
Можна побачити переваги автоматичної зварки під шаром флюсу. Вони зводяться до наступного:
Проте в способу є і недоліки:
Лекція 7 ІНШІ ВИДИ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ДУГОВОЇ ЗВАРКИ
7.1 Зварка в умовах захисного середовища. Зварка в захисних газах
Дугова зварка в захисних газах займає важливе місце в зварювальному виробництві. При цьому вигляді зварки замість флюсу використовується захисний газ, що подається в зону горіння дуги, захищає розплавлений метал від контакту з повітрям.
Для захисту зони зварки застосовуються три групи газів: інертні (аргон, гелій), активні (вуглекислий газ, водень, азот), суміші газів (аргон - гелій, аргон - водень, вуглекислий газ – кисень).
Вакуумне захисне середовище
Для дугової зварки використовується вакуумне захисне середовище, вакуум створюється в спеціальних вакуумних камерах.
Зварка самозахисним дротом
Порошковий дріт є металевою оболонкою (1) і сердечник (2) у вигляді суміші порошків різних матеріалів (рис.7.1). Конструкція порошкового дроту може бути самою різною.
Рис.7.1Схема процесу зварки порошковим дротом (а) і конструкція порошкового дроту (б).
Потрапляючи в зону дуги (4) порошок частково розплавляється, частково пробуджується в зварювальну ванну, що забезпечує надійний захист металу шва від повітря (за рахунок утворення газового середовища) і шлакової кірки
(5) і його легування. Дуга збуджується між металевою оболонкою і виробом.
7.2 Електрошлакова зварка
Відомо, що при розплавленні флюсу утворюється шлак, який є провідником електричного струму. При пропусканні електричного струму через шлак в нім виділятиметься відповідно до закону Джоуля-Ленца теплота. Цей принцип лежить в основі електрошлакової зварки (рис.7.2).
Рис. 7.2 Схема електрошлакової зварки: 1 – зварювані пластини; 2 – токопідводний мундштук; 3 – електрод; 4 – формуючі повзуни; 5 – шлакова ванна; 6 – металева ванна; 7 – шов; 8 – подаючи ролики.
У простір, утворений зварюваними кромками деталей (1) і формуючими повзунами (4) засипається невелика порція флюсу. Потім збуджується дуга між плавким електродом (3) і виробом, що наводить до розплавлення флюсу і утворення шлакової ванни (5) необхідного об'єму і глибини. Дуга при цьому гасне, але зварювальний струм унаслідок провідності шлаку продовжуватиме проходить між електродом (3), зануреному в шлак і виробом (1), викликаючи сильне розігрівання шлакової ванни. За рахунок тепла шлакової ванни відбувається оплавлення зварюваних кромок деталей і розплавлення електроду. Розплавлений метал електроду у вигляді крапель і метал кромок виробу, що розплавилися, стікають на дно ванни, утворюючи ванну розплавленого металу (6) – металеву ванну.
Надалі об'єм ванни зростає, починається кристалізація рідкого металу, формування зварного шва.
Впродовж всього циклу зварки шлакова ванна знаходиться над поверхнею розплавленого металу, перешкоджає його взаємодії з повітрям.
7.3 Контактна і пресова зварка
Це - високопродуктивний процес здобуття нероз'ємних з'єднань. Утворення з'єднання при контактній зварці (К.З.) здійснюється в результаті нагріву металу електричним струмом і пластичної деформації зони з'єднання під дією стискуючого зусилля.
Кількість тепла, що виділяється в металі при протіканні через нього електричного струму визначається законом Джоуля-Ленца:
Q=0,24I2Rt
де Q – кількість тепла; I – струм; R – опір на дорозі струму, t – час проходження струму.
Найбільший опір протікаючому струму виникає в контакті між зварюваними деталями. Місце контакту розігріваються найінтенсивніше і набувають підвищеної пластичності, і подальше механічне здавлення (осідання) деталей завершують процес зварки.
За формою виконуваних зварних з'єднань існують три види контактної зварки: стикова, точкова, шовна.
А) Стикова зварка:
– має два різновиди: зварка опором і зварка оплавленням.
Зварка опором (рис.7.3,а). Після закріплення деталей під невеликим тиском включається струм, і деталі в місці контакту швидко розігріваються до високої температури – 0,8 Тпл. Відбувається утворення з'єднання в твердому стані.
Рис. 7.3. Схеми контактної стикової (а) і точкової (б) зварки: 1,2 - зварювані деталі (стержні -а; листи - б); 3 – струмопідводи; 4 - трансформатор; 5 - ядро зварної крапки.
Зварка оплавленням може бути переривистою і безперервною.
При переривистому оплавленні струм включається в мить, коли деталі підведені один до одного, але ще роз'єднані. Під напругою виробляється подальше зближення деталей до короткого їх зіткнення в місцях мікровиступів, а потім відведення їх один від одного кілька разів до оплавлення металу по всьому перетину. Надалі під підвищеним тиском виробляється швидке осідання деталей, в процесі якого вимикається струм.
При безперервному оплавленні відбувається повільне і рівномірне зближення деталей, поки не здійснитися їх зіткнення в окремих крапках. Тут створюється висока щільність струму, що наводить до швидкого розплавлення металу на цих ділянках і викиду у вигляді бризок.
При подальшому зближенні в зіткнення приходять нові крапки, процес повторюється, поки обоє поверхні контактуючих деталей рівномірно не оплавляться.
Б) Точкова зварка (рис. 7.3,б). При цьому процесі деталі, що сполучаються, затискаються між електродами машини, через які пропускається струм. Струм, що протікає через деталі, понад усе розігріває метал в місцях їх зіткнення, оскільки тут опір струму найбільш значний. Процес здійснюється при додатку певного тиску.
В) Шовна контактна зварка.
Близька точковою, але на відміну від неї замість конічних електродів застосовуються ролики, що котяться по лінії зварки і дають суцільний, безперервний щільно-міцний шов (рис.7.4).
Рис. 7.4. Схема шовної зварки: 1,2 - зварювані листи; 3 - електроди-ролики; 4 - трансформатор; 5 - зварний шов.
7.4. Пресова зварка Зварка тиском або пресова зварка.
Для здійснення процесу зварки металів без їх розплавлення (зварка в твердій фазі) необхідно здійснити їх здавлення таким зусиллям, аби зім'яти поверхневі мікровиступи, тобто здійснити місцеву пластичну деформацію. Необхідний тиск для зварки буде тим менше, чим вище температура зварюваного металу.
Одним із способів зварки в твердій фазі є холодна зварка. Х.З. здійснюється при кімнатній температурі і при великих тисках з метою здійснення міцних металевих зв'язків між атомами зварюваних деталей, здійснення спільної пластичної деформації значної величини і руйнування і видалення оксидних плівок із зони контакту, забезпечення безпосереднього контакту ювенільних поверхонь частин, що сполучаються.
Різновиди Х.З.. – точкова, стикова.
Зварка вибухом – спосіб примикає до холодної.
При даному способі з'єднання металів в твердому стані відбувається в процесі високошвидкісного зіткнення деталей, що сполучаються, здійснюваного за допомогою енергії вибухових речовин (ВВ). Заряд вибухової речовини розташовується на поверхні пластини, що метається. Детонатор ініціює вибухову хвилю, яка поширюється з великою швидкістю уздовж площини пластини. Газоподібні продукти вибуху, що утворюються, розвивають величезний місцевий тиск на пластину, що метається, що
наводить до зіткнення її із зварюваною пластиною в точці контакту. У міру поширення вибухової хвилі точка контакту пересувається уздовж поверхні нерухомої пластини з великою швидкістю. В процесі зварки вибухом спостерігається інтенсивне самоочищення контактних поверхонь від різних поверхонь від різних забруднень і окисних плівок, які виносяться із зони контакту.
Важливим різновидом зварки тиском є зварка тертям, при якій утворення з'єднання здійснюється в твердій фазі без розплавлення зварюваних деталей. Від інших видів зварки тиском зварка тертям відрізняється способом введення тепла в деталі, що сполучаються:
нагрів деталей здійснюється шляхом безпосереднього перетворення механічної енергії в теплоту завдяки роботі тертя.
При зварці тертям тепло, необхідне для нагріву металу, виділяється в результаті взаємного тертя торців деталей, що сполучаються. Таке тертя здійснюється в результаті обертання однієї або обох стискуваних деталей.
Ефективно для тіл обертання. Для виготовлення заготовок ріжучого інструменту, кінцевий ріжучий інструмент.
Дифузійна зварка у вакуумі – спосіб зварки тиском.
Д.З. заснована на нагріві деталей до підвищеної температури з одночасним давленням їх. Явища, що протікають при цьому, можна умовно розділити на дві основні стадії. Для першої стадії, як і при холодній зварці, характерне встановлення міжатомних зв'язків за всією площею поверхонь, що сполучаються, унаслідок тієї, що протікає під дією стискування пластичної деформації металу, видалення поверхневих плівок оксидів, газів і інших забруднень. Вакуумне середовище, в якому протікає процес зварки не дозволяє утворюватися оксидам і адсорбції газів на поверхнях, що сполучаються.
Явища на другій стадії зварки обумовлені нагрівом і зводяться до взаємної дифузії атомів зварюваних металів, яка посилюється шляхом додатка тиску на деталі. Процес закінчується формуванням нової структури в зоні з'єднання, яка сприяє зміцненню зварного з'єднання.
7.5. Інші різновиди зварки Газова зварка і різання
Г.С. – заснована на використанні для розплавлення металу полум'я спалюваних в спеціальних пальниках газів. Температура зварювального полум'я має бути не менше 3000 С. Етому задовольняє лише ацетилен – С2Н2, що отримується в спеціальних ацетиленових генераторах, в яких протікає взаємодія карбіду кальцію з водою по реакції:
СаС2 + 2Н2О = С2Н2 + Са(ОН)2 Для досягнення найвищої температури при згоранні ацетилену
використовується майже чистий кисень.
При кисневому різанні метал нагрівається в початковій точці газокисневим полум'ям до температури займання, а потім згорає в струмені кисню, в результаті утворюється крізний розріз.
Таким чином, різання здійснюється за рахунок згорання металу в струмені кисню.
Для успішного здійснення кисневого різання необхідно, аби температура займання металу в кисні була нижча за температуру його плавлення. Наприклад, температура займання низковуглецевої сталі дорівнює 1150 З, а температура плавлення – 1540 С.
Друга важлива умова кисневого різання – температура плавлення металу має бути вище за температуру плавлення утворюваних в процесі різання оксидів, інакше тугоплавкі оксиди перешкоджають контакту металу з киснем. Ця умова не задовольняється при різанні алюмінію, магнію, їх сплавів, а також в сталях з великим вмістом хрому і нікелю (неіржавіючі стали). Наприклад, температура плавлення алюмінію складає 660 З, а його оксидів – 2050 С. Для різання таких матеріалів використовується порошково - кисневе різання (порошки хімічно взаємодіють з оксидами відповідних металів, або що механічно впливають на оксидну плівку.
Високотемпературна дугова плазма – ефективніша для різання.
Променеві види зварки Електронно-променева зварка (ЕПЗ) – застосовується для здійснення
нагріву і розплавлення металів шляхом використання енергії швидко рухомих в глибокому вакуумі направлених електронів.
Потік електронів створюється електронною гарматою, в якій випромінювачем електронів є той, що нагрівається до високої температури (2500 З) вольфрамовий або металокерамічний катод.
Магнітна лінза – для фокусування, концентрації, інтенсифікації.
При зіткненні електронів, зібраних в пучок, з виробом відбувається їх гальмування з перетворенням кінетичної енергії в теплову, що викликає нагрів металу в місці зварки до високої температури аж до температури кипіння (випари).
Лазерна зварка
Формування світлового променя в твердотілому лазері.
Рубіновий лазер.
Рубін – штучний кристал корунду (Al2O3), в якому дуже невелика частина атомів алюмінію замінена атомами кремнію. При імпульсному спаласі лампи накачування атоми хрому в рубіні переходять в збуджений стан, їх електрони переходять на вищі енергетичні рівні. Досягши певної кількості атомів критичного рівня збудження стимулюється лавинний процес переходу збуджених атомів в звичайний стан з випусканням при цьому фотонів, відповідних червоному світлу.
Лавинний потік фотонів миттєво умножається за рахунок багатократного віддзеркалення від дзеркал резонатора, поки не виявиться достатнім, аби прорватися через напівпрозоре дзеркало назовні у вигляді когерентного імпульсного пучка червоного світла.
Зварка в особливих умовах і областях:
Зварка під водою, зварка в космосі, зварка і різання біологічних тканин
Лекція 8
СПОРІДНЕННІ ТЕХНОЛОГІЇ 8.1 Наплавлення
Наплавлення є різновидом процесу зварки. Для здійснення процесу наплавлення вибирають економічно доцільний процес зварки, при якому на поверхню основного металу наносять рівномірний шар сплаву, що володіє високою зносостійкістю, корозійною стійкістю, жароміцністю або ін. заданими властивостями.
Появу наплавлення відносять до 1896 р., коли Спенсер отримав патент на винахід. Промислове впровадження почалося з 1922 р. - брати Студи вперше здійснили в США наплавлення коронок бура способом газової зварки із застосуванням присадного матеріалу у вигляді сталевої трубки, заповненої хромовим сплавом. У 1939 році радянські фахівці здійснили наплавлення за допомогою покритих електродів. У Японії дослідження в області наплавлення почалися з 1955 року.
Способи наплавлення, як правило, відповідають способам зварки. Найбільш поширеними способу наплавлення є наступні.
Газове наплавлення засноване на способі зварки плавленням, здійснювана в умовах часткового оплавлення основного металу при використанні високотемпературного газового полум'я, що отримується при спалюванні горючого газу з киснем. При цьому прагнуть забезпечити мінімальну глибину проплавлення, а властивості наплавленого шару визначаються складом присадного матеріалу.
Дугове наплавлення покритим електродом - заснована на використанні електродів у вигляді стержнів з покриттям. Властивості наплавленого шару визначаються складом покриття і стержня. Спосіб знайшов широке вживання для наплавлення чорних і кольорових металів.
Наплавлення електродуги під шаром флюсу визначається аналогічним чином зварки. При наплавленні як електродні матеріали використовується дріт, стрічка або їх комбінація. Наплавлення електродним дротом під флюсом може здійснюватися в багатьох варіантах із застосуванням наплавлюючого дроту різного складу і всіляких флюсів. Також розроблена багато електродна наплавка.
Останніми роками знайшов широке вживання спосіб наплавлення електродуги стрічковим електродом під шаром флюсу, що забезпечує вищу продуктивність і зниження глибини проплавлення основного металу в порівнянні з дротяним електродом (рис.8.1).
Наплавлення здійснюється за допомогою електроду в у вигляді сталевої стрічки (порошковою або хибного перетину)
Наплавлення електродуги в середовищі вуглекислого газу протікає в умовах створення в області плавлення електроду і основного металу газового потоку СО2, що забезпечує захист від дії довколишнього повітря. Як захисний газ використовується не лише вуглекислий газ, але і суміші
вуглекислого газу з аргоном і іншими інертними газами. Властивості наплавленого шару визначаються складом електродного матеріалу.
Наплавлення в середовищі інертного газу. Спосіб полягає дуговому наплавленню при захисті зони дуги аргоном, гелієм або іншим інертним газом. Наплавлення в середовищі інертних газів здійснюється в двох варіантах: плавким і неплавким вольфрамовим електродом.
Електрошлакове наплавлення базується на процесі електрошлакової зварки. Наплавлення протікає в умовах безперервної подачі електродного дроту або стрічки усередині шару розплавленого шлаку. Спосіб економічно вигідний при збільшенні товщини наплавляємо шару, дозволяє понизити витрату флюсу.
При плазмовому наплавленні дріт, що розплавляється, або пруток подаються в зварювальну ванну під плазмовим пальником, де відбувається і розплавлення під дією теплоти плазми і утворення наплавленого шару. Із збільшення продуктивності розроблений спосіб наплавлення з поперечними коливаннями плазмового пальника і матеріалу, що розплавляється, в результаті отримують валик шириною до 65 мм. Цим способом наплавляють високолеговані корозійностійкі стали, нікель і його сплави, а також сплави на основі міді. В якості плазмоутворюючого і захисного газу застосовують аргон або суміш аргону з гелієм, що забезпечує надійний захист зварювальної ванни.
Ріс.8.1. Схема електродугової наплавки стрічковим електродом під шаром флюсу: 1 - стрічковий електрод; 2 - подаючі ролики; 3 - мундштук (струмо підвід); 4 - флюс; 5 – шлакова кірка 6 - наплавлений метал; 7 - деталь, що наплавляється; 8 джерело живлення дуги.
8.2. Електрометалізаційне напилення
Електрометалізаційне, або, як його ще називають, електродугове напилення, є одним із способів нанесення металевих покриттів на металеві і неметалеві поверхні. Суть процесу в тому, що розплавлений електричною дугою рідкий метал струменем стисненого газу (найчастіше повітря) розпилюється на дрібні частинки, які з великою швидкістю в розплавленому або пластичному стані падають на відповідно підготовану поверхню, деформуються під час удару, приварюються або прилипають до поверхні, формуючи покриття.
Електродугове напилення застосовують давно, головно, для одержання цинкових і алюмінієвих антикорозійних покриттів, а також нанесення зносостійких та відновних покриттів.
Напилюють покриття за допомогою електрометалізаторів, в яких відбуваються: подача електродних дротів до місця горіння електричної дуги між їх торцями, плавлення матеріалу електричною дугою, диспергування металевого розплаву в сопловій частині металізатора та видування на напилювану поверхню дрібних краплин розплавленого металу.
Широкого розповсюдження електродугова металізація набула завдяки:
Найчастіше електродугову металізацію застосовують для нанесення цинкових і алюмінієвих антикорозійних покриттів на елементи будівельних конструкцій, трубопроводи, резервуари, а також для відновлення різних деталей машин та механізмів, що працюють у парах тертя (шийки колінчастих валів автомобільних та тракторних двигунів, компресорів, помп, кулісних механізмів, поверхонь штоків, гладких валів, плунжерів, поверхонь гальмівних дисків та барабанів, робочих поверхонь поліграфічного обладнання та багатьох інших деталей).
8.3. Принцип дії електродугового металізатора
Електродуговий металізатор - пристрій, за допомогою якого отримують специфічні металеві покриття на твердій поверхні. Загалом покриття можна формувати як на металевих, так і неметалевих поверхнях ( цегла, бетон, скло, пластик тощо).
Принципова схема електрометалізатора подана на рис. 8.2. Його дія полягає ось у чому. Електродні дроти 1 з електроізольованих одна від одної касет 2 за допомогою роликів механізму подачі З через контактні наконечники 4 подаються в зону розпилювальної головки. Оскільки до контактних наконечників кабелями 5 подається струм відповідної величини, то під час взаємного контакту електродних дротів виникає електрична дуга 6, що плавить їх. Якщо в цей час у зону горіння дуги через повітряне сопло 7 подати струмінь повітря або іншого газу підвищеного тиску (0,3...0,5 МПа), то виникне мета-лоповітряний потік 8, що містить краплини розплаву металу електродних дротів. Направлений до поверхні такий потік здатний
формувати на ній покриття, що складається із здеформованих після удару об поверхню краплин металевого розплаву з включеннями оксидів.
Рис. 8.2. Схема електрометалізатора:
1 - електродні дроти; 2 - касети; З - механізм подачі дроту; 4 - контактні наконечники; 5 - силові кабелі; 6 - електрична дуга; 7 - повітряне сопло; 8 - металоповітряна суміш; 9 - поверхня, на яку наносять покриття.
Основні схеми подачі електродних дротів
Особливостями різних типів електрометалізаторів є місце розташування привідних роликів, що подають електродні дроти в зону горіння дуги, а також спосіб надання їм обертового руху. Найпоширенішою є "тягнуча" схема подачі дроту з розташуванням привідних роликів безпосередньо в самому металізаторі (рис. 8.3), тобто в одному блоці розміщено системи протягування електродних дротів і розпилення розплаву.
Рис. 8.3. "Тягнуча" схема подачі дротів:
1 - касети з електродним дротом; 2 - електрометалізатор (система протягування і розпилення в одному корпусі); 3 - активні привідні ролики; 4 - пасивні притискні ролики.
Ролики приводять у рух за допомогою встановлених у корпус металізатора пневмотурбіни або електродвигуна. Пневмопривід, як правило, використовують у ручних електрометалізаторах.
Швидкість обертів вала турбіни або електродвигуна зменшують черв'ячним одно- або двоступеневим планетарним редуктором. Регулюють швидкість переміщення електродного дроту, змінюючи кількість повітря, що надходить у турбіну.
"Тягнуча" схема дає можливість розташовувати касети з електродним дротом на відносно великій відстані (до 3 м) і широко використовується на практиці. Застосовують її і в ручних електрометалізаторах з пневмоприводом типу ЭМ14М Барнаульського електромеханічного заводу.
В окремих випадках, коли потрібно максимально зменшити масу металізатора або його габарити, використовують "штовхаючу" схему подачі дроту, в якій застосовують пристрій, виконавчий орган якого складається лише з розпилювальної головки (4) (рис. 8.4), а блок протягування електродного дроту розміщений на деякій (до 2 м) відстані від неї. Дріт подається гнучкими електроізольованими шлангами, які дозволяють відносно вільно переміщати розпилювальну головку. Таку схему використовують, насамперед, для нанесення покриттів на внутрішні поверхні виробів, конструкцій або за необхідності суттєво зменшити масу металізатора, регламентовану конструкцією камери чи специфікою робіт.
Рис. 8.4. "Штовхаюча" схема подачі дротів: 1 - касети з електродним дротом; 2 - блок протягування; 3 - гнучкі електроізольовані шланги; 4 - головка
Струм живлення і розпилювальне повітря в цьому випадку підводять безпосередньо до розпилювальної головки. Для реалізації такої схеми необхідні електродні дроти підвищеної жорсткості, що не завжди можливо, наприклад, коли користуються цинковими або алюмінієвими дротами.
В стаціонарних умовах, коли відстань між металізатором і касетами з дротом відносно велика, ефективна комбінована схема (рис. 8.5). Проміжний протяжний вузол суттєво підвищує надійність і рівномірність швидкості протягування дроту, що забезпечує стабільність горіння дуги [3], яка суттєво залежить від конструкції привідних роликів та умов їх контакту з електродним дротом. Звичайно беруть по парі роликів на один дріт. Один з них -рифлений привідний, з'єднаний з приводом металізатора, інший - притискний з рифленням або без нього.
Рис.8.5. Комбінована схема подачі дротів:
1 - касети з електродним дротом; 2 - блок протягування; З - гнучкі електроізольовані шланги; 4 - електрометалізатор.
В деяких конструкціях використовують не дві, а чотири пари привідних роликів (рис. 8.6, поз. 1.5.1), що дозволяє збільшити зусилля подачі електродних дротів, уникнути їх проковзування, а також забезпечити проходження під заданим кутом без напрямних елементів (зігнутих профільованих пластин чи трубок).
« __________________ а
Рис. 8.6. Схеми привідних роликів.
Притискання електродних дротів привідними роликами може бути радіальним (рис. 8.6, поз. 1.5.2) або боковим (поз. 1.5.3). Геометрію привідних роликів для бокового притискання ілюструє рис. 8.6 (поз. 1.5.4).
Поверхня роликів, що контактує з дротом, має рифлення (найпоширеніша схема). Окрім такої, використовують також ролики з нарізними зубами або з нанесеним шорстким покриттям. Поверхня притискних роликів може бути плоскою, з півкруглою або призматичною канавкою. Ролики з півкруглою канавкою забезпечують найкраще охоплення дроту притискною поверхнею, однак, не знайшли широкого розповсюдження через складність виконання рифлення на канавці. Ролики з плоскою притискною поверхнею простіші у виготовленні, проте деформують дріт, і для порошкового дроту (ПД) з тонкою оболонкою непридатні. Оптимальною формою притискної поверхні для виготовлення і роботи є призматична канавка. Тому в сучасних металізаторах, особливо для ПД, її застосовують найчастіше.
Як правило, існуючі конструкції електродугових металізаторів мають один привід на обидва електродні дроти. Така конструкція проста і надійна, але має деякі недоліки. Зокрема, не забезпечує різних швидкостей подачі дротів, що необхідно під час використання різнорідних матеріалів (наприклад, міді, алюмінію, сталі, молібдену та ін.) для формування покриттів спеціального призначення ("псевдосплавів").
8.4. Електродні матеріали для ЕДМ
Для ЕДМ як електродні матеріали можна використовувати практично будь-які марки суцільних промислових дротів діаметром від 1,0 до 2,5мм (залежно від типу металізатора і його характеристик). Дріт повинен бути без дефектів, іржі, забруднень, особливо жирових. Метал має бути помірно пластичним. Жорсткий сталевий дріт потребує відпалу, який проводять у печах з обмеженим доступом повітря для запобігання утворення окалини.
У колишньому СРСР спеціальних дротів для електрометалізації не випускали, за винятком цинкового марки Ц-1 для нанесення антикорозійних покриттів. З 1990 р. в Україні випускають ПД для одержання відновних зносотривких покриттів. Використовують також промислові марки мідних, бронзових, алюмінієвих, ніхромових та сталевих дротів. В окремих випадках - пари різнорідних металевих дротів для покриттів із спеціальними властивостями. Для підвищення адгезійних характеристик покриттів напилюють підшари з вольфрамових або ніхромових дротів. За кордоном виробляють спеціальні як суцільні, так і порошкові електродні дроти. В США, починаючи з 70-х років, для відновлення зношених деталей машин використовують високовуглецеву хромисту сталь ("тефтонівську"), покриття з якої дисперсійно тверднуть з часом. Дротом з монель-металу відновлюють деталі, поверхня яких одночасно піддається зношуванню та корозії. Виробляють також бабітовий дріт для напилення підшипників, спеціальні дроти зі свинцевої та фосфористої бронз, спеціальні сорти нержавіючих сталей. Крім того, виготовляють ряд дротів різного призначення, здебільш на основі нікелю з порошковими наповнювачами хрому, кобальту, вольфраму та ін. елементів.
Лекція 9
ЗАГАЛЬНІ ПИТАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ГАЗОТЕРМІЧНОГО І ВАКУУМНОГО КОНДЕНСАЦІЙНОГО НАПИЛЕННЯ ПОКРИТТІВ
9.1. Призначення покриттів і їх значення для сучасної техніки
Властивості робочих поверхонь деталей та конструктивних елементів машин, споруд є визначальними факторами їх експлуатаційної надійності і терміну роботи. Наприклад, будинки і споруди зазнають дії дощу, вітру і сонячних променів, судна - морської води; хімічне обладнання постійно зношується в результаті агресивної дії різних хімікатів, рідин і газів; будівельні машини - від абразивної дії ґрунту і піску; деталі машин загального призначення зношуються в результаті взаємного тертя їх робочих поверхонь.
Подальша інтенсифікація режимів роботи обладнання, підвищення його продуктивності супроводжуються погіршенням умов роботи його вузлів і механізмів. Збільшення терміну експлуатації деталей машин можна забезпечити шляхом створення на поверхні цих деталей покриттів, які захищають їх від корозії та ерозії, зносу, високотемпературної дії агресивних середовищ та ін.
Покриття - це шар або декілька шарів матеріалу певного складу і структури, які штучно створюються на поверхні, що покривається, і служать для функціональних і декоративних цілей.
Підвищення надійності і довговічності машин унаслідок зменшення інтенсивності їх зносу, зокрема й через застосування зносостійких покриттів - одне з центральних завдань у сучасному розвитку техніки. В більшості випадків вихід її з експлуатації на 85...90 % відбуваються через знос деталей, що спричинює втрати, які складають, наприклад, у Німеччині, близько 1 % річного бюджету.
Нанесення зносостійких покриттів може суттєво знизити витрати матеріальних, енергетичних і трудових ресурсів для забезпечення експлуатації машин і механізмів, скоротити простій обладнання, збільшити випуск продукції, поліпшити її якість. Крім того, застосування зносо-сштких покриттів дозволяє значно зменшити витрати легованих сталей і сплавів.
Іншою важливою науково-технічною та економічною проблемою є захист металів від корозії. Сьогодні близько 45 % машин і споруд експлуатуються в дуже агресивних середовищах, 30...40 % - у слабкоагресивних і тільки близько 15 % - у неагресивних. Близько ЗО % щорічної виплавки металів витрачається на відновлення втрат на знос та корозію. Аналогічна ситуація щодо втрат від зносу і корозії склалась у всіх країнах. Це обумовлює важливість проблеми захисних покриттів як раціонального шляху підвищення довговічності деталей машин, механізмів і металоконструкцій.
Наявність функціональних, захисних покриттів дає змогу реалізувати принципово но|вий підхід до створення конструкційних матеріалів.
Механічна міцність деталі гарантується за рахунок матеріалу основи, а опір дії зовнішніх факторів (корозії, зносу, термічним і радіаційним навантаженням та ін.) досягається локальним формуванням на поверхні широкого спектра (за складом і призначенням) тонких шарів покриттів з іншого матеріалу.
9.2. Огляд історії розвитку напилених покриттів
Першим винахідником способу металізації розпиленням є М. Шооп (швейцарець). Він мав патенти у Німеччині, Швейцарії, Франції та Англії
(1900 1912 рр.).
М. Шоопу після численних дослідів у 1912 р. вдалося разом з Хан-кенратом отримати металевий шар, напилений ручним пістолетом.
Принцип способу металізації був описаний ще в патенті 1882р. Розплавлений рідкий метал розпилявся стиснутим вуглекислим газом.
М. Шооп перший запропонував електричну дугу як джерело тепла для розплавлення металу. В 1917 р. був виготовлений дротовий дуловий апарат для металізації, а в 1921 р. — створено газовий металізаційний апарат для напилення порошків. До кінця терміну дії основного патента, взятого М. Шоопом, фундаментальних досліджень з розроблення технології і встановлення меж застосування процесу не проводили. Завдяки цьому процес дуже мало застосовували в промисловості. Це, а також недостатньо надійна і безпечна робота газових металізаційних апаратів, зумовило застій у використанні напилення у виробництві. Безпечний принцип, за якого неможливі зворотні удари полум'я, вперше застосували для металізації у 1950 р. До цього він декілька десятиріч використовувався в обладнанні для газополуменевої обробки металів (інжекція).
Цей спосіб напилення спочатку застосовували для захисту від корозії.
У 1956 році Центральний інститут зварювання (Галле, Німеччина) організував першу міжнародну конференцію з металізації. З точки зору автоматизації процесу перше місце тоді посіла Англія, а колишній СРСР був передовою країною із застосування електродугового напилення.
Широкі дослідження властивостей напилених покриттів, розроблення нових технологій і способів здійснювалися у ВНІІавтоген і Текстильному інституті (Москва).
Плазмове напилення покриттів застосовують приблизно з 1958 р. Газотермічні методи нанесення покриттів (газополуменеве,
електродугове, детонаційне, плазмове) у період з 1970 по 1990 р. розвивалися на основі створення високопродуктивного автоматизованого обладнання і прогресивних технологічних процесів. За даними японських спеціалістів у 1985 р. кількість діючих установок плазмового напилення у СПІА складала понад 1500 штук, у європейських країнах 500...600, у Японії-понад 400. Фірма "Плазма Технік" (Швейцарія) з 1970 по 1985 р. випустила 300 автоматизованих комплексів плазмового напилення.
Однією з основних технологічних новин у галузі газотермічного напилення є плазмове напилення у динамічному вакуумі, що дозволяє різко підвищити якість покриттів.
9.3 Покриття. Поняття, визначення та класифікація Гіпотермічне напилення - це одержання покриття з використанням
високотемпературного газового струменя та нагрітих ним і прискорених частинок напилюваного матеріалу, які під час зіткнення з основою або напиленим матеріалом з'єднуються з ним унаслідок зварювання, адгезії та механічного зчеплення.
Під час газотермічного напилення на поверхню матеріалу переносяться частинки диспергованого матеріалу розміром 10... 150 мкм у рідкому або пластичному стані. Сутність процесів полягає у тому, що за високих температур відбуваються процеси плавлення, змочування, адгезії, зчеплення, спікання, які перетворюють механічний конгломерат у міцну суцільну масу. Уразі використання компактного матеріалу, наприклад дроту, це роздрібнення на частинки і розпилення відбувається у процесі його плавлення та газотермічного напилення.
Газотермічні процеси напилення можна класифікувати за енергетичними ознаками або функціональним призначенням.
Газотермічне напилення за енергетичними ознаками поділяють на такі види:
газополуменеве напилення газотермічне напилення, за якого для напилення використовується струмінь продуктів горіння суміші газів, які спалюються за допомогою пальника;
детонаційне напилення газотермічне напилення, за якого для напилення використовується струмінь продуктів детонації;
електродугове напилення газотермічне напилення, за якого метал у вигляді дроту, стрижня або стрічки нагрівається електричною дугою, а диспергується - струменем стиснутого газу (повітря);
плазмове напилення - газотермічне напилення, за якого для напилення використовується плазмовий струмінь.
Плазмове напилення може бути плазмоводуговим, за якого плазмовий струмінь утворюється за допомогою електричної дуги, та високочастотним, за якого плазмовий струмінь утворюється за допомогою високочастотного розряду;
"холодне " газодинамічне напилення - напилення, за якого для утворення покриття використовується кінетична енергія високошвидкісного (надзвукового) газового струменя, розігрітого до температури, значно меншої від температури плавлення напилюваного матеріалу;
лазерне напилення - напилення, за якого для утворення покриття використовується лазерний промінь, що дозволяє точно контролювати теплове випромінювання носія енергії. Співвісно з променем подається захисний газ (аргон, гелій, їх суміші або азот) з втратою 1,2...3,0 м3/год. Порошок подається у зону фокуса лазерного променя. Найпоширеніші газолазерні установки (С02-лазери).
Газотермічне напилення, за якого в об'ємі робочої камери підтримуються задані склад і тиск газового середовища, називають напиленнямІ у
контрольованій атмосфері.
Газотермічне напилення у контрольованій атмосфері, за якого безперервно підтримується задане розрідження газового середовища,
називають напиленням у динамічному вакуумі.
Покриття, одержане газотермічним напиленням, називають
газотермічним.
Залежно від виду використаної для напилення енергії розрізняють
газополуменеве, електродугове та детонаційне плазмове або плазмово-дугове покриття.
Крім перелічених процесів, останнім часом застосовують так звані гібридні процеси, за яких для нагрівання напилюваного матеріалу використовують декілька джерел, наприклад: детонацію та плазму, лазерній промінь та плазму і т. ін.
Також поширюються процеси з використанням надзвукових струменів: плазмового та струменя продуктів горіння для газополуменевого напилення.
Залежно від функціонального призначення газотермічні покриття класифікують таким чином:
1.Ущільнювальне газотермічне покриття, яке забезпечує необхідну стабільність зазорів у виробі або конструкції під час їх експлуатації.
2.Термостійке газотермічне покриття, яке має необхідну працездатність у випадку багаторазових різких змін температури.
3.Кіркове покриття, сформоване на основі для набуття її форми та зняте з основи для самостійного використання.
4.Терморегуляційне покриття, яке забезпечує регулювання поглинання та випромінювання поверхнею теплових потоків.
Терморегуляційне газотермічне покриття, яке знижує дію теплових потоків на поверхню, називають теплозахисним газотермічним покриттям
(теплозахисним покриттям).
5. Захисне газотермічне покриття захищає поверхню від зовнішньої дії.
Захисні газотермічні покриття поділяють на такі:
5.1.Ерозійно стійке покриття знижує вплив високошвидкісних струменів на поверхню.
5.2.Корозійностійке покриття - збільшує опір поверхні корозійному руйнуванню.
Корозійностійке газотермічне покриття, яке збільшує опір поверхні руйнуванню за високих температур, називають жаростійким покриттям.
5.3. Зносостійке покриття - збільшує опір поверхні різним видам спрацьовування.
Зносостійкі покриття, в свою чергу, поділяються на такі:
5.3.1. .Антифрикційне покриття - знижує коефіцієнт тертя у робочій
парі.
6. Функціональні покриття зі специфічними вимогами - біосумісні,
радіаційні, композиційні (з наперед заданим складом, вмістом компонентів), з регульованою структурою (пористі, шарові, мікрокристалічні, аморфні, нанотекстуровані) та ін.
Газотермічне покриття з двох або більше послідовно розташованих шарів, відмінних за складом, називають багатошаровим газотермічним покриттям.
Багатошарове газотермічне покриття, в якому кожний проміжний шар має декілька компонентів з градієнтом, спрямованим від основи до зовнішнього шару, називають градієнтним покриттям.
Частина газотермічного покриття, яка безпосередньо прилягає до основи і виконує функції зв'язку між зовнішньою частиною покриття та основою,
називають підшаром або прошарком газотермічного покриття.
Частина газотермічного покриття, яка розташована над прошарком та виконує робочу функцію покриття, називають основною частиною газотермічного покриття.
Розрізняють також зовнішній шар газотермічного покриття, поверхня якого контактує із зовнішнім середовищем, та проміжні шари газотермічного покриття, розташовані між основою або прошарком та зовнішнім шаром.
9.4 Вакуумно-конденсаційне напилення покриттів (ВКНП)
ВКНП - це отримання покриттів за рахунок конденсації на поверхні атомів та іонів первинного матеріалу, який випаровується або розпилюється у вакуумі під час нагрівання.
Цей процес останніми роками дедалі ширше застосовують як метод падання поверхневим шарам деталей машин і конструкцій спеціальних функціональних властивостей. В англомовній літературі процеси, які використовують такі фізичні явища, як випаровування металів, фізичне осадження корпускулярного потоку речовини або сполук металу з газом (нітридів, карбідів, боридів, силіцидів, оксидів)-, отриманих з використанням електричних явищ, на поверхню холоднор або незначно підігрітої основи,
називаються PVD-процесами (Physical Vapour Deposition Processes).
Наслідком взаємодії корпускулярного потоку речовини на рівні атомів, молекул, іонів з поверхнею твердого тіла може бути або конденсація - осадження речовини на поверхню, нанесення покриття у вакуумі, - або хімічна взаємодія й осадження з парової (газової) фази, в ході яких стійкі тверді продукти реакції утворюються і ростуть на поверхні основи в середовищі, де відбуваються хімічні реакції (дисоціація, відновлення і т. ін.). В англомовній літературі останні процеси відносяться до CVD-процесів
(Chemical Vapour Deposition Processes).
Техніка вакуумно-конденсаційного напилення покриттів передбачає використання корпускулярного потоку речовини на рівні атомів, молекул, іонів і взаємодію цього потоку з поверхнею твердого тіла. Наслідком цієї взаємодії є або конденсація - осадження речовини на поверхню, нанесення покриття, - або насичення речовиною поверхневого шару - модифікування
поверхневого шару легуванням, імплантацією. Всі ці процеси відбуваються у вакуумі.
Імплантація іонів металів і неметалів полягає в іонізації парів металів або газів та прискоренні позитивних іонів за допомогою електричних полів до швидкості, за якої їх кінетична енергія стає достатньою для занурення у метал або неметал на глибину декількох атомних шарів (імплантація первинних іонів) і проникнення вторинних іонів в основу оброблюваного матеріалу. Імплантовані іони змінюють структуру та хімічний склад поверхневого шару матеріалу, що обробляється. Імплантацію іонів іноді називають іонним легуванням.
Процеси вакуумно-конденсаційного напилення покриттів (PVD) можна класифікувати за такими ознаками:
термічне випаровування металів або сполук безперервною або імпульсною дією джерела нагрівання;
іонне розпилення металів і сполук.
конденсація з пари (evaporation - Е) - нанесення неіонізованих або незначно іонізованих (частки відсотка) парів металу або сполуки, які отримують термічними методами шляхом випаровування. Отримання пари та її іонізація відбувається у різних зонах;
іонно-плазмове напилення (ion plating - IP) - нанесення парів металів або сполук шляхом випаровування та термічної сублімації, значно іонізованих вакуумною дугою або іншим джерелом іонізації, порівняно з конденсацією з пари;
розпилення (sputtering - S) - нанесення іонізованих парів металів, отриманих шляхом розпилення металу іонами інертного газу, які виникають внаслідок іонного розряду.
3. За способами активації процесів нанесення покриття:
без активації процесу нанесення покриття;
реактивний метод, який дозволяє внаслідок реакції реактивних газів (азоту, кисню, аміаку, вуглеводневих газів) з п|арами металів отримати сполуки (нітриди, оксиди, карбіди тощо) на поверхні, що покривається;
активування процесу іонізації газів та парів металу шляхом використання додаткових фізичних процесів: жевріючого розряду, постійних або змінних електричних або магнітних полів тощо.
Переміщення електронейтральних частинок у напрямі напилюваного виробу відбувається завдяки різниці у парціальних тисках парової фази. Найбільший тиск пари, який досягає 133 Па і більше, спостерігається поблизу поверхні випаровування (розпилення). Це й зумовлює переміщення частинок у напрямі виробу, де тиск пари мінімальний. Якщо частинка перебуває в іонізованому стані, то можна сформувати потік дією на нього електродинамічних сил. Напилення покриттів з іонізованих парових потокш
більш прийнятне, оскільки частинки мають більшу енергію і це полегшує утворення покриттів.
Процес реактивного термовакуумного випаровування, в якому корпускулярний потік частинок активується у зоні між джерелом випаровування речовини та поверхнею, на яку наноситься покриття,
називається активованим реактивним випаровуванням (Activated Reactive
Evaporation - ARE).
Процес реактивного осадження покриття за рахунок активування потоку частинок, отриманих іонним розпиленням при енергійному супутньому бомбардуванні зростаючої плівки, називається реактивним іонним напиленням (Reactive Ion Plating - RIP).
Процеси іонного розпилення, активованого реактивного випаровування (ARE) та реактивного іонного напилення (RIP) отримали загальну назву
іонно-плазмового напилення (Plasma-Assisted(Activated)Physical Vapor Deposition (PA PVD)).
9.5. Призначення та класифікація обладнання для газотермічних процесів напилення
Виробництво деталей з газотермічним покриттям можна поділити на два основні напрями: виготовлення нових деталей і відновлення спрацьованих.
Для першого напряму характерні багатосерійне та серійне виробництво, розміщення обладнання для нанесення покриття у загальному виробничому циклі, жорсткі вимоги до стабільності якості покриття. Для другого напряму характерні малі серії або одиничне виробництво, відносна самостійність обладнання для нанесення покриття без жорсткого зв'язку з будь-яким виробничим циклом.
Основними стадіями виробництва є технологічні процеси виробництва та підготовки газів, матеріалів для нанесення покриття, газотермічне нанесення покриття, обробка деталей з покриттям і технічний контроль на всіх стадіях виробництва.
Виконання кожного окремого технологічного процесу забезпечується відповідним обладнанням, яке може бути виготовлено у вигляді окремої установки (модуля), що реалізує конкретну операцію технологічного процесу, наприклад струминно-абразивну підготовку поверхні деталей, або системи механізмів та установок (модулів). Наприклад, технологічна операція плазмового напилення покриття забезпечується напівавтоматизованим комплексом для плазмового напилення 15В-Б, який укомплектовано установкою (модулем) плазмового напилення "Київ-7" (функція нагрівання та прискорення напилюваних частинок), механізмом кріплення та переміщення деталі, механізмом переміщення плазмотрона відносно деталі, системою вентиляції для видалення газів та пішу, звукоізолювальною камерою.
Обладнання для підготовчих операцій (установки для очищення, миття, механічної, струминно-абразивної та термічної обробки) комплектується у загальну технологічну лінію або може бути виділено в окрему виробничу дільницю.
Будь-яка установка для газотермічного нанесення покриття складається з розпилювача, механізму подачі розпилюваного матеріалу (дроту, порошку, прутків або гнучкого шнура), джерела енергопостачання, системи, по якій подається розпилювальний газ, пульта керування.
Функціональну схему узагальненої установки для газотермічного напилення показано на рис. 9.1.
У зв'язку з багатофакторністю процесу газотермічного напилення основною умовою високої якості та стабільності властивостей покриття є контроль за підтриманням усіх технологічних параметрів процесу на певних оптимізованих рівнях.
Для цього на сучасних установках для газотермічного напилення використовують системи комп'ютерного керування та фіксації параметрів процесу і роботи.
Сучасні установки газотермічного напилення комплектуються системою охолодження деталі у процесі напилення.
Установки для напилення класифікуються за методом напилення залежно від виду використаної енергії: газополуменевого; детонаційного; плазмового; електродугового; газодинамічного напилення.
Залежно від форми матеріалу, який використовується для напилення, установки поділяють на такі, що використовують дріт, порошок, пруток, гнучкий шнур.
Рис. 9.1. Узагальнена схема установки для газотермічного напилення За рівнем механізації установки можуть бути ручними, механізованими,
автоматизованими.
Загальні вимоги до установок для напилення такі: отримання стабільного потоку напилюваних частинок;
можливість регулювання потоку частинок за продуктивністю, температурою, швидкістю;
, діаметр плями напилення dn , величина перекриття
забезпечення високих значень енергетичних коефіцієнтів розпилення та напилення;
невисокі загальні витрати енергії; максимальний коефіцієнт використання матеріалу;
можливість механізації та автоматизації процесу; великий ресурс роботи та надійність установки; безпека та зручність у використанні;
високі продуктивність процесу та питома продуктивність апаратури; мінімальна матеріаломісткість та невелика вартість установки.
9.6. Схема процесу, основні параметри напилення
Не зважаючи на суттєву різницю процесів газотермічного і вакуумного конденсаційного напилення покриттів, у їх технології є загальні елементи. Наприклад, підготовка напилюваної поверхні; отримання рівномірних, за товщиною покриттів; наступна обробка напилених виробів та ін. Доцільно також розглядати з єдиних позицій технологію газотермічного і вакуумного напилення покриттів із різних груп матеріалів. Аналізуючи узагальнену схему газотермічного і вакуумного конденсаційного методів напилення (рис. 9.2), можна виділити однакові параметри процесів.
У першому наближенні - це дистанція напилення L, кут розкриття потоку частинок с , тиск навколишнього середовища Рc , кут зустрічі потоку з
поверхнею напилення n
проходів lп, температура напилюваного виробу Тn .
Найбільш доцільно розглядати вплив параметрів на ефективність процесу при їх розподілі на такі групи:
Перелічені групи параметрів особливо суттєво відрізняються у газотермічних і вакуумних конденсаційних методах напилювання.
Конструктивні параметри розпилювача характеризують вплив конструктивних елементів розпилювача на процес напилення. Для більшості газотермічних методів напилення найбільш важливим конструктивним параметром є геометрія сопла або ствола розпилювача; в установках дія вакуумного напилення - форма і розміри камери розпилювача, основних і допоміжних електродів.
температура
n , діаметр
Рис. 9.2. Узагальнена схема процесу напилювання покриттів: 1-генератор напилюваних частинок; 2 - потік напилюваних частинок; 3 -напилене покриття; 4 – напилюваний виріб
Параметри, які характеризують режим роботи розпилювача, - це переважно енергетичні параметри, які визначають процес розпилення матеріалу: потужність дуги, електронного променя, жевріючого електричного розряду, вид і витрати розпилювальних і горючих газів.
Параметри, пов'язані з розпилюваним матеріалом. Найбільший вплив на стан процесу здійснюють параметри розпилюваного матеріалу: діаметр і форма частинок порошку, дроту, геометрія мішеней при вакуумному розпилюванні та ін. Велике значення мають також параметри введення матеріалу в зону розпилювання, його фізико-хімічні властивості (температура плавлення, теплоємність, густина та ін.) і початкова температура.
Параметри, які характеризують умови напилення покриттів.
Загальними параметрами для газотермічного і вакуумного конденсаційного методів напилення є: дистанція напилення L , тиск навколишнього
середовища Рс, кут зустрічі потоку з поверхнею напилення
плями напилення dn, величина перекриття проходів lп, напилюваного виробу Тв, швидкість переміщення плями та ін.
Параметри потоку у разі напилення покриттів. Потоки, які утворюються під час напилювання, поділяють на дві групи. Однофазні потоки, які складаються тільки із напилюваних частинок, характерні для вакуумних конденсаційних методів напилювання. Під час газотермічного напилювання утворюються в основному двофазні потоки. Напилювані частинки рухаються в струмені розпилюваного газу.
Параметри однофазних потоків оцінюються за енергією, густиною та іншими параметрами напилюваних частинок. У двофазних потоках необхідно враховувати і параметри струменя: ентальпію, температуру, швидкість тощо, які інколи кардинально впливають на стан напилюваних частинок.
розпилюваного матеріалу. Наприклад, введення порошку у газове полум'я, плазмовий струмінь, детонаційну камеру та ін.
У газополуменевих процесах нанесення покриття (рис. 9.3,б) використовується тепло, яке виділяється при згорянні горючих газів (ацетилену, пропан-бутану, водню, метану тощо) у суміші з окисником (киснем або стиснутим повітрям). Нагріті продукти згоряння при витіканні в простір, заповнений повітрям або іншим газом, утворює запалений струмінь, який називається факелом. При подаванні у факел матеріалу, який напилюється, його частинки нагріваються і прискорюються продуктами згоряння.
Рис.9.3. Принципові схеми методів газотермічного нанесення покриття: а — плазмовий; б — газополуменевий; в — електродуговий; г —
детонаційний; д — газодинамічний; 1 — розпилювач; 2— дуга; 3 — газопорошковий потік; 4 — покриття; 5 — основа
Джерела енергії
Газополуменевий струмінь. Як джерело енергії для нагрівання та прискорення частинок матеріалу, який утворює покриття, найчастіше використовується енергія горіння газів і пари рідких пальних у суміші з
киснем або повітрям. Переважно застосовуються вуглеводневі гази типу СХНГ або їх суміш, і найбільш поширений серед них — ацетилен (С2Н2).
Ацетилен у суміші з киснем має найвищу температуру полум'я - 3100-3200 °С; технічний пропан - 2700-2800 °С; бутан - 2400—2500 °С; метан — 2400 °С; природний газ — 2000-2200 °С; водень - 2600 °С.
Теплота реакції згоряння ацетилену 0 складається з теплоти реакції екзотермічного розпаду ацетилену і суми теплот первинних реакцій згоряння вуглецю і водню.
Процес горіння ацетилену має кілька стадій. Стадія підготовки пального до згоряння характерна наявністю піроген-ного (теплового) розкладення ацетилену в рівновазі з киснем, який протікає в ядрі / полум'я. Пірогенне розкладення виникає внаслідок обмеженої теплової стійкості вуглеводнів. Пальне розкладається на складові елементи: вуглець і водень (С і Н2). Кінцевим продуктом пірогенного розкладення ацетилену за наявності кисню, який називається первинним, є СО і Н,.
Література
Основна література:
Наука, 1963.- 160 с.
Пос.- К.: Вид. «КПІ», 2012.- 230 с.
Додаткова література
1985.- 240 с.