Интернет журныл о промышленности в Украине
Лучевые источники нагрева
Опубликовано: 06.09.2018
К. Г. Штайгервальд в ФРГ [24] Н. А. Ольшанский в СССР [28] предложили использовать в качестве источника сварочного нагрева сконцентрированные потоки (пучки) электронов в вакууме. Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) быстро развивалась в связи с потребностями развития атомной энергетики. Штайгервальдом были созданы специальные электронно-лучевые установки, в которых электронные пучки формировались магнитными линзами после извлечения электронов из термокатодов и ускорения их в поле с разностью потенциалов до 100 кВ. Концентрация мощности в них превосходила 10е Вт/см2, что на 2—3 порядка выше концентрации мощности в сварочной дуге. В 1958 г. началась усиленная разработка проблем ЭЛС в ИЭС им. Е. О. Патона [24]. Уже в первых опытах ее применения для сварки металлов было установлено, что сечение образующегося шва имеет весьма узкую «кинжальную» форму, ранее неизвестную в практике сварки. Изучение процессов формирования, особенностей кристаллизации Металла шва, его микро- и макроструктуры, прочности и т. д. показало ряд преимуществ электроннолучевой сварки перед другими видами сварки плавлением. Наиболее полно они проявляются при сварке химически активных материалов, изделий высокой прочности, при сварке толстостенных конструкций и др.
В 60-е годы бурно развивались исследования ЭЛС, создавались мощные электронные пушки, источники их питания и системы управления. Найдена; возможность формирования электронных пучков различной формы в высоковольтном газовом разряде с использованием холодных катодов и полых анодов. Это существенно упростило электронные пушки, предназначенные для ряда практически важных целей. В настоящее время мощность электрон
7 преимуществ системы отопления HYBRID. Проект бесплатно от SAD-OK.COM
ных пучков, используемых в сварке, достигает 100 кВт. С их помощью за один проход можно проплавить стальные листы толщиной до 200 мм, титановые до 250 мм, алюминиевые до 350 мм. Исследуется возможность применения ионных пучков как источников сварочного нагрева. В работе Б. Е. Патона и др. [32] показано, что ионные пучки позволяют производить одновременно со сваркой физическую и химическую очистки свариваемых поверхностей, легирование металла шва. Они менее чувствительны к действию внешних магнитных полей, практически не дают рентгеновского излучения. В 1954 г. Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в СССР и Ч. Таунсом в США разработаны первые квантовые генераторы-лазеры. С тех пор их теория, принципы конструирования и области применения быстро развивались. С помощью лазеров получают узкие пучки когерентного электромагнитного излучения оптического или близкого к нему диапазона. Излучение может быть импульсным п непрерывным. Мощность импульсов излучения достигает десятков ГВт, концентрация мощности 1013 Вт/см2 [3]. В 1965 г. начались экспериментальные исследования процесса сварки и резки металлов лазерным лучом [4]. В настоящее время с его помощью сваривают стальные листы толщиной до 10 мм. В последние годы выдвинуты и разрабатываются идеи о применении солнечной энергии для целей сварки. При ее фокусировке параболическими зеркалами большой точности плотность потока излучения в фокусе достигает 2* 103 Вт/см2, что вполне достаточно для сварки некоторых металлов. В лабораториях ряда стран успешно проведены опыты по сварке металлических листов толщиной до 5 мм. Предполагается использование солнечной энергии для сварки в космическом пространстве и на поверхности Луны. Развиваются оборудование и методы сварки лучистой энергией от искусственных излучателей. В качестве последних чаще всего используются дуговые ксеноновые лампы сверхвысокого давления [26]. Их излучение концентрируется с помощью моно- или поли эллипсоидных оптических систем с объективами до плотности 2-103 Вт/см2, достаточной для сварки металлов, стекол и пластмасс небольшой толщины. При этом отмечаются такие преимущества сварки лучистой энергией, как бесконтактный ее подвод к свариваемым изделиям от достаточно удаленных источников, возможность нагрева через прозрачные оболочки в любой контролируемой газовой атмосфере и вакууме, широкие возможности регулирования параметров лучистого нагрева, удобства визуального контроля за процессом сварки и пр. Источники лучистой энергии имеют мощность в десятки киловатт, их КПД составляет около 20%. Рассмотрим принципы действия и применения лучевых источников нагрева. Электронные пучки (лучи) формируются устройствами, получившими название электронных пушек. Схемы пушек с термокатодами с одноступенчатым и многоступенчатым ускорением электронов, разработанные в ИЭС им. Е. О. Патона [24], приведены на рис. 1.8. Катод 2 — таблетка из лантан- борида Щ разогревается бомбардировкой электронами, извлекаемыми из накаливаемой током вольфрамовой спирали 1 и ускоряемыми полем специального источника бомбардирующего напряжения. Испускаемые катодом электроны ускоряются в электрическом поле высокой напряженности, создаваемом между катодом 2 и анодом 4. Форма катода 2, управляющего электрода 3 и анода 4 согласуется с ускоряющим напряжением и выбирается такой, чтобы получить минимальный диаметр пучка — кроссовер. Расходящийся за кроссовером пучок фокусируется с помощью магнитной линзы 5 в плоскости свариваемого изделия 7 или близкой к нему.
Диаметр фокального пятна определяет максимальную концентрацию мощности пучка и его технологические возможности. Величина пятна определяется диаметром кроссовера и расстояниями а и б плоскостей их расположения от оптического центра магнитной линзы 5:
Мощность пучка определяется его током и ускоряющим напряжением, прикладываемым между катодом и анодом пушки.
Концентрация мощности в фокальном пятне увеличивается при снижении диаметра кроссовера за счет ускоряющего напряжения и роста мощности пучка. С учетом оптимальных условий фокусировки пучка, сферической аберрации фокусирующей магнитной линзы получено выражение для концентрации мощности пучка
где В — постоянная, I— ток, UуСК —ускоряющее напряжение. Концентрация eо быстро растет по мере увеличения ускоряющего напряжения, поэтому стремление повысить ее значение до ] 107 Вт/см2 с целью получения глубоких и узких швов привело к созданию пушек с Uуск=150 кВ [24]. Однако применение высоких напряжений приводит к существенному усложнению конструкции пушек и источников их питания. Особую остроту приобретают \ проблемы их электрической прочности, : охлаждения, защиты обслуживающего < персонала от рентгеновского излучения. Поэтому в ряде случаев ограничиваются применением в пушках более низ- . ких ускоряющих напряжений 30 и 60 кВ.
При сварке швов снизу вверх на вертикальной стенке горизонтальными I электронными пучками Н. А. Олыпанский получил швы глубиной 115 мм с помощью электронного пучка с токомI„= 1 А, ускоренного напряжением 40 кВ [29].
Электроны характеризуются максимальным отношением е/т заряда к массе, поэтому траектории их движения существенно изменяются даже в слабых магнитных полях. Это обстоятельство широко используется для управления электронными пучками при; сварке. При выходе из пушки пучок! проходит через отклоняющую систему 6 (см. рис. 1.8.) из двух взаимно перпендикулярных магнитных полей, каждое из которых в свою очередь перпендикулярно оси пучка. Под их действием пучок отклоняется от своего! первоначального направления. Меняя величину и закон изменения тока в отклоняющих катушках, можно добиться изменения положения пучка в пространстве и его движения практически по любому закону. Это упрощает наведение пучка на свариваемые стыки», слежение за ними, позволяет легко из менять распределение мощности в зоне сварки и.т. д. Исследования показали, что колебания пучка вдоль шва с небольшими амплитудами и частотами в десятки и сотни герц, а также его круговые движения в канале содействуют улучшению качества швов, устранению некоторых их дефектов.
Схема формирования электронных пучков в высоковольтном газовом разряде приведена на рис. 1.9. Холодный катод вогнутой формы 1 расположен от анода 2 на таком расстоянии й, чтобы произведение рд, \р — давление газа) для промежутка между ними было недостаточным для поддержания самостоятельного разряда при заданном напряжении между электродами. Такие условия создаются лишь вдоль оси отверстия в аноде 2 ив близко расположенных к ней зонах. Разряд возникает под действием электронов, всегда имеющихся в газах, которые, двигаясь в электрическом поле, ускоряются, приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации одного из атомов газа, и ионизируют его (а-процесс). Образовавшиеся ионы движутся к катоду и при столкновении с ним выбивают 5—10 электронов каждый (7-про- цесс) в зависимости от материала катода и энергии иона. Эти электроны и образуют электронный пучок вдоль оси отверстия в аноде. Описанный процесс протекает в газах при давлении 10-3— 10-5 Н/см2 и напряжениях между электродами в 10—30 кВ. При необходимости пучок может быть дополнительно сфокусирован с помощью магнитной линзы 3 (см. рис. 1.9). Концентрация мощности в таких пучках может достигать 105 Вт/см2. Меняя конфигурацию отверстия в аноде, формируют кольцевые, пластинчатые, много штыревые пучки различного назначения [8]. Фотография кольцевого пучка приведена на рис. 1.10. Кольцевые пучки очень удобны при сварке кольцевых стыков, например, труб с трубными досками, втулок зубчатых передач и др.
Газоразрядные пушки отличаются
простотой конструкции н надежностью. Однако с их помощью не могут быть Получены электронные пучки с такой высокой концентрацией мощности, как в пушках с термокатодом. Их основное преимущество состоит в возможности формирования протяженных пучков различной формы, соответствующей форме свариваемого стыка, и сварки таких стыков без относительного перемещения пучка и изделия. Это существенно упрощает сварочную аппаратуру. При бомбардировке ионами катод таких пушек распыляется и его поверхность периодически необходимо восстанавливать проточкой или заменой. В электронных пушках с плазменным катодом электроны вытягиваются из плазмы газового разряда Пеппипга [18] с помощью ускоряющего электрода-экстрактора, играющего роль анода в пушках с твердым термоэмиссионным катодом. Плазменный катод представляет собой небольшую камеру, в которой возбуждается газовый разряд. Газ в нее подается извне с помощью натекателя. Камера помещается в неоднородное магнитное поле, сжимающее столб разряда до размеров выходного отверстия в аноде, через которое плазма выбрасывается в заанодное пространство. Электрическое поле между анодом и экстрактором вытягивает электроны из плазмы п отталкивает ее границу к аноду. Эта граница и служит катодом электронной пушки. Электроны затем фокусируются с помощью магнитной линзы и направляются на стык свариваемых заготовок. Такие катоды характеризуются большим сроком службы, поскольку их легко сделать устойчивыми против разрушения ионной бомбардировкой. Однако подвижность границы плазмы, большой разброс энергии извлекаемых из нее электронов не позволяют сфокусировать из них пучки с концентрацией мощности, превышающей 105 Вт/см2. Кроме того, пушки с плазменными катодами менее стойки против электрических пробоев. В настоящее время надежно эксплуатируются такие пушки при 30 кВ, мощностью 5 кВт. С их помощью можно сваривать стальные листы толщиной до 10 мм при средней ширине шва около 4 мм. Лазерное излучение возникает в результате индуцированных (вынужденных) переходов возбужденных атомов рабочих тел лазеров на более низкие энергетические уровни. Поскольку возможны и обратные переходы, для получения заметной генерации индуцированного излучения необходимо добиться такого состояния рабочих тел, при котором переходы с рождением кванта превалировали бы над переходами с его уничтожением. Это со? стояние достигается возбуждением атомов тел (накачкой) внешними источниками энергии. В твердотелых лазерах накачка осуществляется фотонами специальных источников излучения 5, направляемыми па рабочее тело 2 отражателями 4. Такие лазеры работают, как правило, в импульсном режиме с чередованием накачки и излучения. В их рабочих телах может быть накоплена энергия до 100 Дж. Мощность излучения в импульсе может достигать 107 Вт. Для улучшения условий генерации излучения рабочее тело лазера помещают между высококачественными точно установленными по отношению друг к другу зеркалами-резонаторами 1 и 5. Для вывода излучения одно из них 5 делают полупрозрачным (рис. 1.11). Излучение фокусируют обычными оптическими методами. Благодаря малой расходимости лазерного излучения диаметр пятна нагрева в фокальной плоскости ие превышает сотых долей миллиметра. Для целей сварки подбирают это пятно таким, чтобы концентрация мощности светового потока была достаточной для плавления металла, но не настолько большой, чтобы вызвать его бурное испарение и разбрызгивание. Длительность импульса также выбирается из условий получения необходимой глубины проплавления и благоприятного протекания металлургических процессов. Так, при сварке пластин толщиной до 0,3 мм длительность импульсов выбирают в пределах 1—8 мс. Предпочтителен экспоненциальный спад импульса света. Около 50—70% излучения лазера отражается от свариваемых металлов и безвозвратно теряется. Импульсный характер излучения твердотелых лазеров, сравнительно низкие энергия импульсов и частота их повторения (до 10 в 1 с) ограничивают их применение для сварки тонкостенных изделий точками или непрерывными швами. Основной областью их применения является прошивка отверстий в металлах и диэлектриках, резка и раскрой различных материалов. В газовых лазерах возбуждение атомов и молекул рабочих тел происходит путем сочетания газодинамических явлений с процессами в электрическом разряде. Так, в лазерах па смеси угле
кислого газа, азота и гелия быстрая прокачка смеси происходит в поперечном к ее потоку разряде. Помещенная в резонатор, такая среда с возбужденными частицами генерирует непрерывное излучение с длиной волны 10,6 мкм (инфракрасный диапазон) и КПД около 20%. Достигнута мощность излучения в десятки киловатт, причем с одного метра длины рабочего тела снимается до 100 Вт мощности. При ее фокусировке оптическими методами концентрация мощности в пятне нагрева достигает 10® Вт/см2. С02-лазеры уже получили применение при резке различных материалов. Для интенсификации процесса в зону резки подается струя кислорода или нейтрального газа, изменяющая тепловой эффект процесса и удаляющая материал из этой зоны.
Солнечные нагреватели концентрируют потоки солнечной энергии, интенсивность которых в зависимости от широты, состояния атмосферы и высоты над уровнем моря изменяется- от 0,14 до 0,36 Вт/см2. Для получения ее мощности в десятки киловатт и концентрации 10* Вт/см2, обычно потребных для сварки металлов, солнечную энергию собирают с площади в десятки квадратных метров и концентрируют в пятнах диаметром около 1 см. Трудности изготовления зеркал такой площади с оптической точностью и дифракция света пока ограничивают возможность концентрации солнечной энергии выше 2-108 Вт/см2. Однако в южных районах нашей страны и в горах, где велика интенсивность солнечного излучения и много ясных дней, солнечные нагреватели могут найти применение в сварке и обработке материалов. Концентрация излучения ксеноновых дуговых ламп сверхвысокого давления обеспечивается, когда излучатели помещают в фокусе эллипсоидного отражателя или близко к нему, чтобы получить сходящийся поток фотонов [26]. Дополнительно этот поток может фокусироваться линзовым объективом. Сконцентрированное до 2,2 * 10\3 Вт/см2 излучение направляется на стыки свариваемых заготовок, нагревает и плавит их. Применив в таких нагревателях с моноэллипсоидным отражателем к и линзовым объективом ксеноновую Виампу ДКсР-10 000-1 мощностью 10 кВт, Г. Д. Никифоров [26] создал установку для сварки сталей, титана, аллюминия толщиной до 2 мм. Она же была применена для сварки шлакоситалловых труб, неэлектропроводность которых исключает применение энергии для нагрева в виде заряженных Шгастиц и, следовательно, электрической Куги и электронного луча. Доказана Перспективность применения лучевого нагрева для локальной термической обработки сварных соединений.