Лучевая сварка

1. совершенствованием и более широким использованием  систем программного управления при модернизации ЭЛУ,  разработкой программного обеспечения,
2. разработкой процессов многолучевой и многофокусной  сварки, 
3. разработкой и повышением надежности датчиков слежения за стыком, 
4. разработкой и серийным производством стабилизированных источников высокого напряжения нового поколения,  
5. применением светооптических устройств для визуального  наблюдения за процессом сварки, размещаемых внутри колонн электронно-оптических систем,  
6. автоматическим управлением и стабилизацией глубины  проплавления,  
7. повышением напряжения питания до 150 кВ в ЭЛУ, предназначенных для сварки конструкций большой толщины, и обеспечением его плавной регулировки в интервале 90–150 кВ,  
8. улучшением качества и доступностью деталей из изоляционных материалов, применяемых в высоковольтных блоках,  а также высоковольтных кабелей, 
9. компьютерным моделированием и оптимизацией конструкции электронно-оптических систем (ЭОС), 
10. разработкой мероприятий по минимизации и коррекции  аберраций электронов за счет совершенствования ЭОС,  
11. применением новых прецизионных приводов для перемещения деталей и роботизированных систем, обеспечивающих возможность ЭЛС соединений любой пространственной конфигурации,  
12. применением присадочной проволоки,  
13. разработкой новых технологий ЭЛС,  
14. пропагандой достижений ЭЛС в конструкторских организациях и среди производителей различных видов техники, 
15. созданием единых норм и правил по всем аспектам ЭЛС,  гармонизированным с международными нормами и правилами по EN ISO, DIN или DVS.

 

Несмотря на высокую стоимость  оборудования для электроннолучевой  сварки, трудоемкость и длительность подготовительных  операций к сварке, опыт эксплуатации сварочных установок  различного типа показал, что срок их окупаемости обычно не превышает  2 лет. При этом установки для массового  сварочного производства могут окупаться  еще быстрее. ISF-Welding  Institute  (RWTH-Aachen University, ФРГ) выполнил сравнительный  анализ  сварки толстостенных труб большого диаметра и длиной до 12 м  (для газо- и нефтепроводов) несколькими методами сварки и по- казал, что электронно-лучевая сварка является наиболее экономичным вариантом продольной сварки труб большого диаметра с толщиной стенки 11–40 мм.

Существенное расширение промышленного использования электронно-лучевой  сварки связано с возможностью эффективного производства с ее помощью изделий  из конструкционных металлов и сплавов больших толщин  (до 300 мм): сосудов высокого давления, корпусов ядерных и химических реакторов, контейнеров для ядерных отходов, корпусов подводных аппаратов, роторов паровых и газовых турбин, несущих конструкций сверхзвуковых самолетов. То, что электронно-лучевая сварка может быть  финишной операцией при сварке металлов толщиной до  80 мм, также определяет перспективы ее применения. Роторные конструкции современных авиационных газотурбинных двигателей из высоколегированных титановых сплавов изготавливаются благодаря применению  электронно-лучевой сварки. В двигателях нового поколения объем применения этого процесса еще более возрастет за  счет сварки последних ступеней компрессора высокого давления из никелевых сплавов. Технология электронно-лучевой сварки дает возможность высококачественно соединять практически все детали и узлы  газотурбинных двигателей для газоперекачивающих станций и судов. В свою очередь конструкция новых газотурбинных двигателей (например, ДН-80, ДГ - 90, ГТ Д - 1 10 и их  модификации) разработана благодаря возможности соединения деталей с помощью сварки электронным пучком. В НПКГ «Зоря» — «Машпроект» (Николаев, Украина) около 90% сварки выполняется электронным пучком и альтернативы этому процессу нет.  Определяющим при этом являются минимальные деформации  и остаточные напряжения, высокие механические и прочностные (практически на уровне свойств основного металла) характеристики сварных соединений.

Табл. 2

Пример, показывающий преимущества электронно-лучевой сварки конкретных деталей  газовых турбин, приведен в табл. 2.

Как можно видеть из этого  примера, электронно-лучевая сварка действительно намного более  производительная, чем традиционная аргонодуговая сварка, и более  экономичная (нет расходных  материалов, заготовки имеют меньшую массу, а изделия — минимальные деформации).

 

Таким образом, в машиностроении имеется немало изделий,  при изготовлении которых электронно-лучевая сварка является  или наилучшим, или единственным технологическим процессом  соединения деталей. Появляются и новые задачи в промышленности, которые необходимо решать с использованием электроннолучевой  сварки и смежных процессов. Так, например, новой  перспективной задачей  по использованию процесса электроннолучевой  сварки в производстве авиационных  газотурбинных дви- гателей является изготовление и ремонт моноколес  компрессора  высокого и низкого  давления из титановых сплавов.

     Использование  новых технологических разработок  в  области электронно-лучевой  сварки материалов дает возможность   решать новые задачи по созданию принципиально новых комбинированных конструкций, таких как роторы и валы из ферро- и пара- магнитных сталей и сплавов, в том числе никелевых, биметаллические токосъемные кольца, подшипники скольжения и т. п. Имеется немало и других новых задач в промышленности.  Например, сварка колес, входных и обратных направляющих  аппаратов в новых конструкциях центробежных компрессоров,  большое количество деталей и узлов новых изделий в авиастроении, ракетно-космической промышленности, энергомашиностроении и т. д. Все эти задачи наиболее качественно и экономично  могут быть решены именно с помощью электронно-лучевой сварки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2.Методы расчета сварных соединений на прочность

А) Типы сварных соединений

 К сварным соединениям  предъявляют следующие общие  требования: металл шва должен  быть равнопрочным основному  металлу, конструкция соединения  должна быть технологичной, швы  не следует располагать в наиболее  нагруженных местах и сечениях, а также в зонах с максимальной  концентрацией напряжений, форма  и размеры швов должны соответствовать  чертежу, нельзя допускать скученности  швов, нужно стремиться, чтобы соединение  имело плавный переход от основного  металла к металлу шва, а  также от одного сечения к  другому. Кроме общих требований, к сварным соединениям предъявляют  дополнительные требования (например, коррозионной стойкости и др.).

Классификация сварных соединений. Кромки стыкуемых листов могут быть без разделки и с разделкой. Форма  разделки определяется типом соединения, толщиной металла и способом сварки. Для способов сварки, не предусмотренных  ГОСТами, конструкции соединений должны быть показаны на чертежах или оговорены  в технических условиях.

В производстве сварных конструкций  применяют следующие типы сварных соединений:

• Соединение встык (рис. 138,а) является наиболее распространенным типом соединения. Соединение имеет высокую прочность при статических и динамических нагрузках. Его рационально применять для соединения листового металла, а также при стыковании уголковых профилей, швеллеров и двутавровых балок.

 

• Соединение втавр (рис. 138, б и в) применяют при производстве балок, стоек, колонн, каркасов зданий и других пространственных конструкций. Тавровые соединения могут быть без подготовки кромок и с подготовкой кромок. В соединениях без подготовки кромок возможен непровар корня шва. Поэтому такие соединения плохо работают при переменных и ударных нагрузках. Односторонний и двусторонний скосы кромок обеспечивают полный провар соединяемых элементов. Эти соединения имеют хорошую прочность при любых нагрузках. При выборе формы разделки кромок следует руководствоваться положениями, изложенными выше.

 

• Соединение внахлестку применяют при сварке листовых конструкций, разного рода обшивок, строительных и крановых ферм и т. д. Такие соединения менее прочны по сравнению со стыковыми при переменных и ударных нагрузках, не экономичны, так как наличие перекрытия приводит к перерасходу основного металла. Соединения внахлестку не рациональны при толщине металла свыше 20 мм. Достоинством нахлесточных соединений является сравнительно простая подготовка и сборка под сварку. Соединения внахлестку осуществляют при помощи угловых швов. В зависимости от расположения швов по отношению к действующему усилию угловые швы могут быть лобовыми (рис. 138, г), если они расположены перпендикулярно к направлению усилия, и фланговыми (рис. 138, д), когда швы расположены параллельно направлению усилия. Напряжения по длине фланговых швов распределяются неравномерно. Крайние участки швов более загружены. Поэтому при проектировании соединений с фланговыми швами длину шва принимают равной не более 50 катетам.

 

• Угловые соединения (рис. 138, е), как правило, применяют в качестве связующих элементов. Угловые соединения обычно не рассчитывают.
• Точечные соединения, выполненные контактной точечной сваркой, применяют большей частью в листовых изделиях толщиной до 20 мм. Точечную сварку широко применяют в серийном и массовом производствах автомобилей, вагонов, самолетов и других изделий и машин, в конструкциях из углеродистых, легированных сталей и цветных металлов. Помимо листовых изделий, с помощью точечной сварки можно сваривать арматурные стержни железобетонных конструкций. Листовые точечные соединения могут быть двух основных типов: внахлестку и с накладками. Последние выполняют с одной или двумя накладками. В зависимости от расположения точек соединения бывают однорядные и многорядные. Количество рядов определяют расчетом. Диаметр точек d назначают в зависимости от толщины соединяемых листов S по формуле

 

 Конструкция точечного  соединения (рис. 138,ж) определяется шагом t= 3d,расстоянием от центра точки до края листа в направлении действия силы tx=2d,расстоянием от центра точки до края листа в направлении, перпендикулярном к действию силы t2= 1,5d,расстоянием между точками Ь. Электрозаклепочные соединения (рис. 138,з)можно выполнять внахлестку, втавр и стыковые. Эти соединения могут быть с пробивкой отверстий в верхнем листе или же без пробивки. При толщине верхнего листа до 3 мм целесообразно сваривать без пробивки отверстий.

Прорезные соединения (рис. 138,и) применяют в том случае, когда основных сварных швов недостаточно для передачи действующих усилий.

Б) Расчет сварных  соединений на прочность.

Методы расчета на прочность. Существует два метода расчета на прочность: по допускаемым напряжениям  и по предельному состоянию. Расчет по допускаемым напряжениям сводится к сопоставлению расчетных напряжений с допускаемыми:

Допускаемые напряжения устанавливают  в зависимости от следующих факторов: свойств материалов, степени точности расчета, характера нагрузки, рода усилия (растяжение, сжатие, срез, смятие).

• Допускаемое напряжение на растяжение в машиностроительных конструкциях, работающих при статических нагрузках, определяют по формуле

где ст_х — предел текучести металла;

п₃— коэффициент запаса прочности.

 Коэффициент запаса  прочности учитывает возможность  перегрузки, отклонения от норм  качества материала и качества  монтажа, условия эксплуатации  конструкции. Для деталей из  стального проката поковок и  штамповок п3 = 1,2-4-1,6.

• Допускаемое напряжение на сжатие [осж] равно или меньше допускаемого напряжения на растяжение [ор], в зависимости от формы и размеров сжатого элемента:

 

 

 Для сварных соединений  допускаемые напряжения выбирают  в зависимости от вида технологического  процесса. Зависимости для определения  допускаемых напряжений в сварных  соединениях машиностроительных  конструкций из низко- и среднеуглеродистых  сталей приведены в табл. 178. Так,  например, допускаемые напряжения  для швов, выполненных автоматической  дуговой сваркой под флюсом  или электродами Э42А, при допускаемом  напряжении основного металла  [Ор] = 1600 кгс/см2 будут иметь следующие  значения: [сг ] = = 1600 кгс/см2, [о'ж] = 1600 кгс/см2, [т'] = 1000 кгс/см2.

 

 Если швы сварены  электродами Э42, то соответственно [о'p ] = = 1440 кгс/см2, [о'сж] = 1600 кгс/см2, [т']= 960 кгс/см2.

• Допускаемые напряжения в сварном соединении, которое должно работать в тяжелых условиях, например при высокой температуре, в кислотной или щелочной средах, назначают после проведения специальных исследований, воспроизводящих условия эксплуатации.

 Расчет по предельному  состоянию позволяет раздельно  учитывать влияние нагрузки, качество  материала, условия работы сварной  конструкции. Сущность этого метода  заключается в следующем. Конструкцию  при расчете рассматривают не  в рабочем состоянии, а в  предельном, т. е. в таком состоянии,  за пределами которого дальнейшая  нормальная эксплуатация конструкции  недопустима. Сварные конструкции  рассчитывают по двум предельным  состояниям: по несущей способности  и по развитию чрезмерных деформаций. При расчете по несущей способности  расчетное напряжение от расчетных  усилий не должно превышать  расчетного сопротивления металла