Сварные соединения

Сварка — это технологический процесс получения неразъёмного соединения посредством установления межатомных и межмолекулярных связей между свариваемыми частями изделия при их нагреве (местном или общем), и/или пластическом деформировании.

 

Для герметичного соединения деталей в  вакуумной технике могут применяться следующие виды сварок:

 

а) газовая  ацетиленовая;

Источником  теплоты является газовый факел, образующийся при сгорании смеси кислорода и горючего газа. Тепло, выделяющееся при горении смеси кислорода и горючего газа, расплавляет свариваемые поверхности и присадочный материал с образованием сварочной ванны — объёма жидкого металла

Газовая ацетиленовая сварка применяется для малоуглеродистых сталей с толщиной стенки в месте сварки не более 2 мм. Герметичные соединения получают при сварке с отбортовкой; стыковая сварка деталей сверхвысоковакуумных систем не рекомендуется.

 

б) электродуговая;

Источником  теплоты является электрическая дуга, возникающая между торцом электрода и свариваемым изделием при протекании сварочного тока в результате замыкания внешней цепиэлектросварочного аппарата. Сопротивление электрической дуги больше, чем сопротивление сварочного электрода и проводов, поэтому бо́льшая часть тепловой энергии электрического тока выделяется именно в плазму электрической дуги. Этот постоянный приток тепловой энергии поддерживает плазму (электрическую дугу) от распада.

Выделяющееся  тепло (в том числе за счёт теплового  излучения из плазмы) нагревает торец  электрода и оплавляет свариваемые  поверхности, что приводит к образованию  сварочной ванны. В процессе остывания и кристаллизации сварочной ванны образуется сварное соединение.

Электродуговая  сварка может проводиться для соединения деталей низковакуумных систем с толщиной стенки более 2 мм. Лучшие результаты можно получить при автоматической сварке под слоем флюса. Для сверхвысоковакуумных систем она не рекомендуется из-за недостаточной герметичности.

 

в) газодуговая  в защитной среде;

В качестве электрода используется металлическая  проволока, к которой через специальное  приспособление (токопроводящий наконечник) подводится ток. Электрическая дуга расплавляет проволоку, и для  обеспечения постоянной длины дуги проволока подаётся автоматически  механизмом подачи проволоки. Для защиты от атмосферы применяются защитные газы (аргон, гелий, углекислый газ и их смеси), подающиеся из сварочной головки вместе с электродной проволокой. Следует заметить, что углекислый газ является активным газом — при высоких температурах происходит его диссоциация с выделением кислорода. Выделившийся кислород окисляет металл. В связи с этим приходится в сварочную проволоку вводить раскислители (такие, как марганец икремний). Другим следствием влияния кислорода, также связанным с окислением, является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в аргоне или гелии.

Газодуговая сварка в защитной среде (Аг, Не) с плавящимся и неплавящимся электродом для соединения различных металлов может применяться для всех типов вакуумных систем. Нержавеющая сталь, медь, алюминий при толщинах в месте сварки от 0,1 до 2 мм свариваются в среде аргона или гелия вольфрамовым неплавящимся электродом. Лучшие результаты получаются при автоматической сварке в камерах, в которые после откачки воздуха напускается инертный газ.

 

 

г) холодная методом пластической деформации;

Холодная  сварка представляет собою соединение однородных или неоднородных металлов при температуре ниже минимальной  температуры рекристаллизации; сварка происходит благодаря пластической деформации свариваемых металлов в зоне стыка под воздействием механического усилия.

Холодная  сварка методом пластической деформации осуществляется для соединения небольших деталей из пластичных материалов (медь, алюминий). Требует сложного прессового оборудования. Однако она широко применяется для холодной «отпайки», т. е. отделение от вакуумной системы откачанных электровакуумных приборов. Они применяются для отпайки электронных приборов с металлокерамическими корпусами.

 

д) диффузионная в вакууме и сварка трением;

Сварка  осуществляется за счёт диффузии — взаимного проникновения атомов свариваемых изделий при повышенной температуре. Сварку проводят в вакуумной установке, нагревая места соединения до 800 °C. Вместо вакуума может быть использована среда защитных газов. Методом диффузной сварки можно пользоваться при создании соединений из разнородных металлов, отличающихся по своим физико-химическим свойствам, изготавливать изделия из многослойных композитных материалов.

Диффузионная  сварка в вакууме и сварка трением осуществляются для соединения разнородных материалов: меди, керамики и т. д.

 

е) электронно-лучевая;

Источником  теплоты является электронный луч, получаемый за счёт термоэлектронной эмиссии с катода электронной пушки. Сварка ведётся в высоком вакууме (10⁻³ — 10⁻⁴ Па) в вакуумных камерах. Известна также технология сварки электронным лучом в атмосфере нормального давления, когда электронный луч покидает область вакуума непосредственно перед свариваемыми деталями.

Сварка  электронным лучом имеет значительные преимущества:

• Высокая концентрация ввода теплоты в изделие, которая выделяется не только на поверхности изделия, но и на некоторой глубине в объёме основного металла. Фокусировкой электронного луча можно получить пятно нагрева диаметром 0,0002 … 5 мм, что позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. В результате можно получить швы, в которых соотношение глубины провара к ширине до 20:1 и более. Появляется возможность сварки тугоплавких металлов (вольфрама, тантала и др.),керамики и т. д. Уменьшение протяженности зоны термического влияния снижает вероятность рекристаллизации основного металла в этой зоне.
• Малое количество вводимой теплоты. Как правило, для получения равной глубины проплавления при электронно-лучевой сварке требуется вводить теплоты в 4—5 раз меньше, чем при дуговой. В результате резко снижаются коробления изделия.
• Отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла газами. Наоборот, в целом ряде случаев наблюдается дегазация металла шва и повышение его пластических свойств. В результате достигается высокое качество сварных соединений на химически активных металлах и сплавах, таких как ниобий, цирконий, титан, молибден и др. Хорошее качество электронно-лучевой сварки достигается также на низкоуглеродистых, коррозионно-стойких сталях, меди и медных, никелевых, алюминиевых сплавах.

Недостатки  электронно-лучевой сварки:

• Возможность образования несплавлений и полостей в корне шва на металлах с большой теплопроводностью и швах с большим отношением глубины к ширине;
• Для создания вакуума в рабочей камере после загрузки изделий требуется длительное время.

 

Электронно-лучевая  сварка применяется для соединения химически активных и тугоплавких материалов, ответственных узлов из стали, меди и алюминиевых сплавов. Сварка ведется в вакуумных камерах при давлении не более 10^-3 Па.

 

Ко  всем видам вакуумно-герметичной  сварки предъявляются специальные требования.

1. Для получения герметичных соединений сварка должна вестись с постоянной скоростью; перерывы и подварки часто служат местом появления микротрещин, создающих течи.
2. Сварку желательно вести со стороны, обращенной в процессе эксплуатации в вакуум, для уменьшения количества щелей, карманов и неровностей тыльной стороны шва.
3. Допускается вогнутый шов в стыковых и угловых соединениях, получающийся при сварке без присадочного материала.
4. После изготовления сварные швы обязательно должны проверяться на герметичность с помощью вакуумных течеискателей.

 

К конструкции и технологии обработки  деталей, которые подготавливаются к сварке, предъявляются дополнительные требования:

1. детали перед сваркой тщательно очищаются и обезжириваются;
2. сопряжения между свариваемыми деталями должны выполняться по скользящей посадке.

Скользящая посадка применяется  при соединении деталей, которые  плотно входят одна в другую.

 

Детали  для угловых швов можно подготавливать согласно одному из вариантов, показанных на рис. 117. Вариант рис. 117, а рекомендуется для некруглых, а вариант рис. 117, б — для круглых деталей. Соединение тонкостенной трубы с толстой плитой показано на рис. 117, в. Особенностью этой сварки является дополнительное кольцо, выравнивающее толщины свариваемых деталей. Без этого кольца сварка невозможна из-за оплавления тонкостенной детали.

Сварка  фланца с обечайкой может быть выполнена различными способами, показанными на рис. 118. Во всех случаях фланцы не требуют припуска на дополнительную обработку после сварки, так как соединяются одинаковые по толщине тонкостенные элементы, а массивный фланец не успевает даже нагреться за время сварки.

Фланец  – плоское или прямоугольное кольцо с равномерно расположенными ми отверстиями для болтов или шпилек, служащие для прочного и герметичного соединения труб и т.п.

Обечайка  – открытый цилиндрический или конический элемент конструкции (типа обода, кольца, короткой трубы).

 

Сильфоны  из нержавеющей стали, широко применяемые в высоковакуумной технике, могут иметь тол шину стенки от 0,05 до 0,25 мм. Соединения сильфонов при сварке с трубами, фланцами и валами показано на рис. 119.

 

Сильфон – упругая однослойная или многослойная гофрированная оболочка, сохраняющая плотность и прочность при многоцикловых деформациях сжатия, растяжения, изгиба.

Примеры конструкций плоских, цилиндрических и угловых сварных вакуумных соединений с отбортовкой и без нее показаны на рис. 5.12