Сварка сосудов под вакуумом

Диффузия – это процесс, во время которого при тесном контакте между поверхностями молекулы и атомы разных элементов начинают смешиваться и проникать друг в друга. В естественных условиях данный процесс протекает достаточно медленно, поэтому он не приемлем для производственных условий.

Но в 1953 году советский физик Николай Федорович Казаков смог добиться повышения скорости взаимного проникновения молекул и атомов друг в друга. Он поместил соединяемые заготовки в вакуум, повысил температурные показатели и оказал на них усиленное давление. Так и появилась диффузионная сварка, которая позволяет соединять детали из разных видов металлов.

Фото: диффузионный сварочный процесс

Характеристика диффузионной сварки

Во время диффузионной сварки металлов используются специальные сварочные стенды. На их поверхности размещаются элементы, затем стенды с ними помещаются в камеру с вакуумом. На соединяемую зону оказывается давление, если потребуется, она может подвергаться температурному воздействию.

В соответствии с основными особенностями сварочного процесса, он может длиться от нескольких минут до часов. В результате изделие приобретает характеристики, которые невозможно получить при проведении других видов сварок.

Чтобы при проведении диффузной сварки удалось получить прочный и качественный шов стоит обратить внимание на несколько важных условий:

При помощи специальной установки требуется создать вакуум. Чем выше будет разряжение внутри, тем быстрее и эффективнее будет протекать сварочный процесс. Чтобы получить физический вакуум в обычных условиях требуются большие затраты. По этой причине приходиться применять небольшое разряжение, которое редко может превышать 10-5 мм рт.ст.. Но даже этого показателя достаточно для получения отличных результатов.
Во время сварки необходимо нагревать соединяемые детали. Иногда процесс может протекать при комнатной температуре, но тогда на формирование шва может потребоваться много времени. При увеличении температуры повышается текучесть металлов и ускоряется диффузия. Нагревание может выполнять разными способами – индукционным, электроконтактным, радиационным.
После достижения требуемой температуры в область соединения подается необходимое давление. Оно может быть разных типов – длительное или кратковременное, локальное или одновременно распределенное. Это требуется для ускорения взаимного проникновения частиц вещества.
Для повышения прочности сварного соединения требуется применять тонкую медную, золотую, платиновую, никелевую фольгу. Ее толщина должна составлять несколько микрон. Также области стыков заготовок рекомендуется обрабатывать химическими веществами.
Каждая готовая деталь подвергается дефектоскопии. Обычно вакуумная сварка требуется для применения радиации и ультразвука.

Области применения

Диффузионная сварка в вакууме является наиболее подходящим вариантом для сваривания разнородных металлов в различных сочетаниях, к примеру, стали и бронзы, стали и керамики и многое другое.

Данный вид сваривания наиболее подходящий для получения прочного и монолитного соединения. После проведения процесса шов получается ровным, без дефектов, неровностей. Обычно он применяется в ситуациях, когда нет возможности применять стандартные виды фиксирования металлических элементов.

Фото: диффузионная сварка в вакууме

Сварка в вакууме часто используется для изготовления следующих металлических конструкций и заготовок:

гильз двигательных цилиндров. Этот вид сварки часто используют в производстве авиатехники;
тормозных колодок и дисков;
основных компонентов турбокомпрессоров;
штампов с повышенным показателем твердости;
изделий с металлокерамической основой;
для производства сложных композитов разных типов – из стекла и меди, металлов с графитом, кварцем, сапфиром;
этот вид сварки часто используют при соединении труднообрабатываемых стальных и титановых сплавов с высоким показателем жаростойкости;
для создания полупроводниковых компонентов.

Важно! Главная сфера применения диффузионного сварочного процесса – область высоких технологий (авиационной, космической, другие виды машиностроения). Кроме этого этот метод позволяет создавать микроскопические элементы из сферы сложной электроники.

Достоинства

Диффузионная сварка титана и других видов металлов в вакууме обладает целым рядом преимуществ, которые обязательно требуется учитывать при проведении данного процесса:

Во время сварки не нужно применять разные расходные материалы – электроды, флюсовые смеси.
Этот процесс экологически чистый. Во время него не происходит горения и выделения в воздух вредных веществ, паров.
Метод обладает небольшой энергоемкостью. Это позволяет значительно снизить финансовые затраты.
Имеет возможность соединять сразу нескольких заготовок. В итоге это позволит получить многослойные конструкции с уникальными качествами.
При помощи этого метода можно осуществлять соединение поверхностей с разными размерами и формами. При этом показатели толщины заготовок могут быть любыми. Данные условия имеют важное значение для микроэлектроники.
Сварка позволяет получить качественный и прочный шов, с которым не способна сравниться другие виды сварочных процессов.

Стоит отметить! Этот вид сварки имеет еще одно важное преимущество – он постоянно совершенствуется и улучшается. Раньше в камере был только вакуум, а сейчас дополнительно закачиваются инертные газы. Это позволяет производить соединение металлов, пластика, стекла, керамики и других сложных композитных смесей.

Ниже на картинке имеется схема диффузионной сварки, она достаточно простая.

Фото: схема диффузионной сварки

Недостатки

Не стоит забывать, что у диффузионного сварочного процесса имеются отрицательные качества:

оборудование для диффузионной сварки имеет высокую стоимость. Также они нуждаются в постоянном квалифицированном обслуживании, которые могут предоставить только специально обученные люди;
для сваривания больших деталей требуется использование больших вакуумных камер. Но они стоят достаточно дорого;
обязательным условием для проведения сварки является проведение чистки и обработки поверхностей деталей.

Заключение

Проведение диффузионного сварочного процесса позволяет получить качественные и прочные конструкции из разных видов металла и композитного материала. Это безопасный метод, которые не представляет угрозы для окружающей среды и человека. Но все же перед тем как его проводить стоит рассмотреть его важные особенности и нюансы.

Интересное видео

Источник

Сварка в камере с контролируемой атмосферой. Простейший способ применения вакуума состоит в том, что полость сварочной камеры скачивается до давления ~ 5. 10-3 мм рт. ст., после чего камера заполняется аргоном под давлением 1 атм.

В атмосфере аргона производится ручная дуговая сварка узлов из титана, его сплавов и других активных металлов и сплавов. Геометрия швов при сварке изделий из титана в камере несколько отлична от геометрии швов, полученных обычной аргоно-дуговой сваркой: ширина шва увеличена, глубина проплавления на 10-15% меньше. Недостатки такого метода – большой расход аргона, а также значительные затраты времени на откачку воздуха из камеры.

Диффузионная сварка.Этим способом можно сваривать как однородные, так и разнородные металлы, сплавы и неметаллические материалы, которые трудно или невозможно сваривать другими способами. Большой экономический эффект получают при сварке стали и алюминия, титана и стали, чугуна и стали, металлокерамики и стали.

Этот способ соединения основан на использовании взаимной диффузии атомов или молекул в поверхностных слоях соединяемых веществ в условиях вакуума при нагреве их выше температуры рекристаллизации одного или нескольких компонентов свариваемых тел без расплавления поверхностей металла. При достижении заданной температуры соединяемые элементы по поверхности их соприкосновения подвергаются сжатию без пластической деформации.

Сварка сосудов под вакуумом

Соединение в результате диффузии происходит при максимальном сближении чистых поверхностей деталей без применения припоев, флюсов и электродов. Диффузионную сварку в вакууме можно производить либо непосредственным соединением металла с металлом, либо соединением металла с металлом через промежуточную прокладку из другого материала – так называемый подслой.

Металлы можно соединять с керамическими материалами также с применением промежуточной прокладки. Диффузионная сварка – один из наиболее перспективных методов для получения соединений титана и его сплавов, равнопрочных основному материалу. Преимущества метода: вакуум, создаваемый в камере сварки, не дает возможности титану) активно реагировать с элементами, увеличивающими хрупкость шва; отпадает необходимость защиты аргоном, которая удорожает процесс! сварки; температура сварки 0,7-0,8 от температуры плавления свариваемых металлов, т. е. материалы не доводятся до расплавления при сварке, что; уменьшает возможность растворения кислорода и водорода в титане.

Сравнительно невысокая температура сварки и небольшие удельный давления в значительной степени снижают внутренние остаточные напряжения, что предотвращает образование трещин. Для сварки детали помещают в камеру, в которой создается давление – 5•1O-4 мм. рт. ст., нагревают до определенной температуры и сдавливают. При этом не возникает дополнительных источников газоотделения и испарения металла.

Диффузионное соединение можно успешно применять для герметизации металлокерамических электровакуумных приборов при бесштенгельной откачке до давлений порядка 10-9-10~10 мм рт. ст. Применение диффузионного соединения позволяет отпаивать приборы в горячем состоянии при 600-700° С. Это весьма важно, так как в момент отпаивания вакуум не ухудшается, а после охлаждения становится лучше на 1,5-2 порядка.

Электроннолучевая сварка. Электроннолучевая сварка при большой концентрации энергии дает возможность сваривать стали и сплавы толщиной 40-50 мм без разделки кромок и подачи дополнительного металла. При этом расход энергии снижается в 5-10 раз по сравнению с другими методами сварки. При проведении электроннолучевой сварки место сварки подвергают интенсивной бомбардировке быстролетящими электронами в высоком вакууме. Во время электронной бомбардировки большая часть энергии выделяется в виде

Сварка сосудов под вакуумом

тепла, используемого для расплавления металла при сварке. Электронный луч образуется в вакуумной камере с помощью электронной пушки. Сварочная установка (рис. 187) включает электронную пушку с катодом и анодом; вторым анодом служит свариваемое изделие 7, к которому подводится постоянный ток. Катод нагревается с помощью трансформатора 2 до 2500° С. Фокусировка луча производится магнитным полем, создаваемым линзой 8. Линза представляет собой катушку, помещенную в массивный железный каркас. Для перемещения луча по изделию на пути луча установлена отклоняющая магнитная система. На рис. 188 показана электронная пушка. Сварочная установка фирмы Ульвак (Япония) показана на рис. 189.

Источник

СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

Резервуары и сосуды, работающие без давления. К этой группе относятся резервуары и сосуды для хранения жидкостей, газгольдеры для газа низкого давления (менее 0,7 ати). Близкими к этим конструкциям по технологическим приемам сварки являются газопроводы большого диаметра, кожухи различного рода химической аппаратуры, корпуса судов, их переборки, палубы, обшивка и пр. Изделия данного типа собирают из листов толщиной до

10- 12 мм, свариваемых друг с другом в стык или в нахлестку При монтаже таких конструкций швы приходится сваривать в разнообразных положениях: нижнем, вертикальном, горизонтальном и потолочном. От швов в этих конструкциях требуется не только прочность, но и плотность.

Типичными для данной группы конструкций являются резервуары для нефтепродуктов, состоящие из плоского днища, цилиндрической части и крыши. Такие резервуары строятся обычно емкостью до 10 000 мъ. Цилиндрическая часть резервуара изготовляется из поясов, высота которых определяется шириной листов и равна 1400-1500 мм. Вертикальные швы свариваются в стык, горизонтальные – в стык или в нахлестку. Ширина нахлестки должна равняться четырехкратной толщине листа, но не менее 20 мм Листы крыши укладываются на решетчатые фермы и балки, располагаемые по радиусам и скрепляемые поперечными прогонами.

В настоящее время при изготовлении резервуаров широко используются наиболее передовые способы сварки – автоматическая и полуавтоматическая под слоем флюса и в среде углекислого газа. Ручная сварка применяется при сборочно-монтажных работах Используются также новые методы организации работ по строительству резервуаров. Так, например, получил распространение новый рулонный метод изготовления крупных резервуаров, разработанный сотрудниками Института электросварки им. Е. О. Патона. По этому способу стенка, днище и кровля резервуара изготовляются заблаговременно на заводе из отдельных листов с применением автоматической сварки Готовые полотнища свертываются в рулон и в таком виде транспортируются на место установки резервуара Корпус резервуара емкостью 5000 мА, диаметром 23 м и высотой 12 м сворачивается в восьмислойный рулон диаметром 2,8 м, весом 40 т.

С помощью кранов рулоны устанавливают на днище (рис. 68), с помощью лебедок и тракторов их развертывают, после чего резер-

Рис. 68. Развертывание рулона корпуса и монтаж ферм кровли при изготовлении нефтерезервуара

вуар окончательно сваривают Фермы кровли монтируются в процессе развертывания рулона Новый способ значительно сокращает стоимость и сроки сборки и сварки резервуаров и позволяет механизировать основные операции по их сооружению, а также улучшает качество резервуаров

Сосуды, работающие под давлением. К этой категории относятся сосуды, в которых рабочее давление превышает атмосферное более чем на 0,7 ати, например резервуары для сжатых газов, химическая аппаратура, паровые котлы, цистерны для сжиженных газов и др Качество сварных швсв в таких сосудах должно быть высоким и регламентируется правилами Госгортехнадзора СССР. К сварке этих сосудов допускаются лица сдавшие специальные испытания в соответствии с правилами Госгортехнадзора и полу-

чившие удостоверениз (диплом) на право сварки сосудов, работающих под давлением.

Сосуды емкостью не свыше 25 л, у которых произведение емкости в литрах на рабочег давление в атмосферах составляет не более 200,, не подлежат действию указанных выше правил независимо от величины рабочего давления в них.

Наплавленный мзталл швов в сосудах для работы под высоким давлением должен обладать механическими свойствами, указанными в табл. 22.

Таблица 22

Механические свойства наплавленного металла швов сосудов, работающих под давлением

Механические свойства наплавленного металла

Низколегированные

стали

Углеродистые стали

дуговая

сварка

газовая

сварка

дуговая

сварка

газовая

сварка

Предел прочности, кгс/мм2 . .

Относительное удлинение, % (не

менее) ………………………………………………

Ударная вязкость, кг с – м j см2 (не менее) ………………………………………………………..

Не йости ОС или ТУ стали

ниже ниж :новиого л

ДЛЯ СООТВ

НЄГО ПрЄд€

металла. п етствующ[9]

ла проч – о ГОСТ

їй марки

Применяемые при сварке таких резервуаров электроды и металл должны иметь сертификаты*, удостоверяющие их качество. Сосуды, изготовленные из углеродистых сталей, подлежат обязательной термообработке в следующих случаях:

а) если толщина стенки цилиндрической части или днища сосуда в месте сварного стыка более 35 мм

б) если толщина стенки цилиндрической части сосуда, изготовленной из листовой стали вальцовксй, превышает величину, вы-

п численную по формуле ^2р127, > где DB – внутренний диаметр сосуда, см;

в) при изготовлении днищ сосуда (независимо от толщины их стенки) холодной или горячей штамповкой при температуре окончания штамповки ниже 700°. Днища могут подвергаться термообработке до приварки их к обечайке, и в этом случае термообработка, сосуда может не производиться, если она не требуется согласно пп. а и б.

Допускается термообработка сосуда по частям с последующей окончательной местной термообработкой соединительного шва в кольцєеой печи или специальными нагревательными устройствами.

Проверка механических свойств сварных соединений сосудов, работающих под давлением, производится путем испытания образцов, вырезанных из пробных пластин, сваренных одновременно с основным изделием. Механические свойства сварных соединений должны удовлетворять приведенным выше требованиям правил Госгортехнадзора СССР.

После сварки все изделия подвергаются испытанию на прочность и плотность гидравлическим давлением. Для сосудов, у которых рабочее давление менее 5 ати, величина пробного гидравлического давления берется на 50% больше величины рабочего давления, но не ниже 2 ати. При рабочем давлении свыше 5 ати пробное гидравлическое давление должно на 25% (но не менее чем на 3 ати) превышать рабочее давление. Элементы сосудов, работающие при температуре стенки свыше 450° и независимо от температуры стенки – при давлении свыше 50 ати, а также сосуды, изготовленные из легированной стали, воспринимающей закалку на воздухе или склонной к образованию межкристаллитных трещин, подвергаются еще металлографическим исследованиям сварных образцов, вырезанных из контрольных пластин или стыков, если эти испытания предусмотрены ТУ на изготовление.

Кроме вышеуказанных испытаний, стыковые сварные швы исследуются путем проев :чивания рентгеновскими или гамма-лучами[10]. В сосудах, работающих при давлении свыше 50 ати и температуре стенки свыше +430 и ниже -70°, просвечивается 25% общей длины стыковых швов; в сосудах, испытывающих давление до 50 ати и работающих при температуре стенки от +200 до +400 и от -49 до -70°, -15% длины стыковых швов; в сосудах с давлением до 16 ати и температурой стенки от +200 до -40°-10% длины стыковых швов.

Все выполненные швы сварщик обязан клеймить присвоенным ему номером или шифром.

Готовые сосуды снабжаются паспортом, в котором указываются: наименование и заводской номер сосуда, наименование и адрес завода-изготовителя, дата выпуска, рабочее давление и температура стенки, емкость, характер рабочей среды, результаты испытаний и другие сведения, требуемые правилами.

В сосудах, работающих под давлением, следует применять стыковые швы по возможности с двухсторонней сваркой или с подваркой обратной стороны. Сварка должна вестись преимущественно в нижнем положении. Сборочные отверстия в свариваемых листах не допускаются.

Днища сосудос, работающих под давлением, делают обычно выпуклыми и приваривают к обечайке стыковым швом. Продольные и поперечные швы обечаек должны быть только стыковыми Допускаются соединения в тавр для приварки плоских днищ, грубных решеток, фланцев, штуцеров и других подобных элементов, а также двухсторонняя приварка выпуклых днищ в нахлестку к цилиндрической обечайке при толщине отбортованной части днища не свыше 16 мм.

В настоящее время большинство сосудов, работающих под давлением, выполняют с помощью автоматической сварки под флюсом, а толстостенные сосуды – автоматической электрошлаковой сварки. Эти современные способы сварки обеспечивают большую производительность и высокое качество сварных швов. Ручной дуговой сваркой выполняются только короткие швы в местах прихваток, приварки патрубков, опор, люков и др., а также иногда производится предварительная подварка корня швов, свариваемых автоматической сваркой, если эта подварка предусмотрена по технологии.

Самый популярный способ крепления металлических деталей – сварка. И заниматься ею можно не только во промышленных масштабах. В быту сварочные работы используются также часто, причем речь не всегда о сварщиках, …

Чтобы выполнить сварку прочно и качественно, недостаточно иметь только сварочный аппарат. Дополнительно потребуется подобрать расходные материалы с учетом вида свариваемого металла. Перед началом работы определите, что именно вам нужно, и …

Есть несколько факторов, анализировать которые при выборе сварочного аппарата нужно обязательно в магазине сварочного оборудования. Следует учесть рабочий диапазон температур, а также мощность. Рекомендуется учесть возможность смены полярности, и показатель …

Источник