Сварка покрытыми электродами производится плавящимся электродом с покрытием (см. рис. 2) или неплавящимся электродом без защиты и с газовой защитой. Под действием теплоты сварочной дуги плавится основной металл, а в случае применения плавящихся электродов— и электроды с покрытием. После кристаллизации расплав­ленного металла образуется шов.

При сварке под флюсом (см. рис. 4) сварочная про­волока и гранулированный флюс подаются в зону дуги,
горящей и полости, заполненной парами металла п ма­тер налои флюса.

Под воздействием теплоты сварочной дуги плавя гея кромки основного металла, электродная проволока и часть флюса. По мере перемещения дуги расплавленный флюс всплывает па поверхность сварочной ванны, осты­вает, обра ї у я легко отделяющуюся от шва шлаковую

корку, а металл сварочной ван­ны кристаллизуется в форме сварного шва. Шлак защищает расплавленный металл от воз­действия кислорода п азота воздуха, легирует и замедляет охлаждение металла шва, что способствует получению качест­венного наплавленного металла при высокой производитель­ности.

JJjiu электрошлаковой сварке основная часть теплоты, необ­ходимая для нагрева и плавле­ния основного и электродного металла, поступает за счет про­хождения электрического тока через расплавленный флюс — шлак. Сварка этим способом осуществляется обычно при вертикальном расположении свариваемых деталей и с принудительным формированием металла шва (рис. 6).

Подлежащие сварке детали / собираются на скобах 2 с зазором 20—30 мм. Чтобы предотвратить вытекание жидкого металла и шлака из плавильного пространства и обеспечить нормальное формирование шва 3, по обе стороны зазора стыка прижимаются охлаждаемые водой медные ползуны или пластины 4.

Шлаковая ванна 5 образуется за счет расплавленного флюса, занимающего пространство между кромками со­единяемых детален и формирующими устройствами. Обра­зование шлаковой ванны обычно осуществляется дуговым процессом. Возбуждаемая в начальный период сварки дуга между электродной проволокой и дном «кармана» 10, после расплавления некоторого количества флюса шунти­руется расплавленным электропроводным шлаком и гаснет.

Дуговой процесс заменяется шлаковым. Электродная проволока 6 подается в плавильное пространство роли­ками 7 механизма подачи с заданной скоростью. К элек­троду ток подводится при помощи мундштука 8. Электри­ческий ток, проходящий между электродной проволокой и основным металлом через шлаковую ванну, нагревает расплав и поддерживает в нем температуру выше темпе­ратуры плавления основного металла и электрода. За счет этого шлак расплавляет электродную проволоку и кромки

на дно шлаковой ванны, образуя металлическую (свароч­ную) ванну 9. Вследствие отвода теплоты в основной металл и медные ползуны металл ванны охлаждается и в нижней части кристаллизируется в сварной шов, соеди­няющий кромки свариваемых деталей.

Механизм для подачи электродной проволоки и фор­мирующие ползуны соединены с подвижной частью те­лежки электрошлаковой установки и по мере выполнения шва перемещаются вверх со скоростью сварки.

С помощью электрошлаковой сварки за один проход можно сваривать металл толщиной от 12 мм и более, и это наиболее производительный процесс из всех суще­ствующих способов сварки плавлением.

При сварке в среде защитных газов (газоэлектрическая сварка, рис. V) защитной средой Служат инертные газы (аргон, гелий), активные газы (углекислый газ, водород, азот) и смеси газов (аргона с гелием, аргона с кислородом, углекислого газа с кислородом и др.). Газ предназначен оттеснить кислород и азот воздуха от расплавленного металла, а прн сварке активных металлов — и от нагретых

до высоких температур участков основного металла. К газоэлектрической сварке также относится атомно­водородная сварка.

При атомно-водородной сварке расплавление металла происходит за счет теплоты электрической дуги косвен­ного действия, горящей между двумя неп давящимися вольфрамовыми электродами, укрепленными в специаль­ной горелке, позволяющей подавать водород в зону горения дуги (рис. 8). Под действием теплоты дуги водород диссоциирует по реакции

2 Н — Q (1)

п частично ионизируется. Атомарный водород, со­прикасаясь со сваривае­мым металлом, объеди­няется в молекулы, выде­ляя теплоту, расходуемую на диссоциацию. Некото­рое количество теплоты также выделяется за счет сгорания углерода и ре­комбинации.

При увеличении расстояния между электродами и объема подаваемого водорода дуга приобретает веерооб­разную форму и издает звенящий звук; напряжение воз­растает до 70—150 В; такую дугу называют «звенящей».

Для питания дуги применяют переменный ток от спе­циальных трансформаторов с напряжением холостого хода 250—300 В, позволяющих регулировать сварочный ток в пределах 20—100 А, что требует уделять особое внимание вопросам создания безопасных условий работы.

Для атомно-водородной сварки применяют вольфра­мовые электроды диаметром 1—4 мм, водород по

ГОСТ 3022—80 или диссоциированный аммиак, который при нагревании до температуры 350—600 °С в присут­ствии катализатора диссоциирует по уравнению

2NH3 ->■ N2 + ЗН2. (2)

Наличие азота в газе, поступающем в горелку, не ухудшает качество металла шва, так как в присутствии водорода нитриды разлагаются.

Сварка трехфазной дугой применяется при ручном и механизированных способах сварки. Сущность этого спо­
соба (рис. 9) состоит в том, что к двум электродам /, 2, закрепленным в специальном устройстве, конструкция которого зависит от способа сварки, и к свариваемому изделию 4 подводится пер’еменный ток от трехфазного источника питания. После возбуждения горит не одна дуга, как обычно, а одновременно три однофазные дуги: по одной между каждым из электродов и изделием (дуги 3 и 5) и дуга 6 между обоими электродами. Эта дуга по отно­шению к свариваемому изделию является независимой и может гореть отдельно между двумя электродами.

Сварка трехфазной дугой характеризуется высокой стабильностью процесса, так как угасание дуг происходит попеременно в определенной последовательности. В связи с этим дуговой промежуток всег­да поддерживается в ионизи­рованном состоянии.

Разновидностью дуговой сварки неплавящимся электро­дом в защитном газе является способ сварки сжатой дугой.

При этом способе сварки не­плавящимся вольфрамовым электродом используется свой­ство столба дуги при искусственном сжатии повышать свою температуру и устойчивость.

Сварку малых толщин производят сжатой дугой, воз­никающей между вольфрамовым электродом и охлаждае­мым медным наконечником с подачей аргона для защиты вольфрамового электрода и вытеснения столба дуги из наконечника (рис. 10, а). Такая сжатая дуга имеет тем­пературу до 16 000 °С, в то время как сжатая дуга пря­мого действия (рис. 10, б) может иметь температуру до 30 000—50 000 °С. Благодаря высокой температуре сжатой дуги можно значительно увеличить скорость сварки, которая при обычной аргонодуговой сварке мала; при этом значительно уменьшается расход аргона по сравнению с обычной аргонодуговой сваркой и воз­можна ручная, автоматическая и полуавтоматическая сварка.

Сварка в камерах с контролируемой атмосферой (рис. 11) применяется для соединения легко окисляющихся металлов и их сплавов. В такой камере имеется возмож­ность создания атмосферы из инертных газов, что обеспе-

чивает высокие механические свойства сварного соеди­нения.

Подготовка камеры к сварке заключается в следующем: свариваемые изделия устанавливают в камере, куда также загружают электроды и присадочную проволоку. После чего загрузочные люки и отверстия для перчаток герметизируют, и в камере е помощью вакуумных насосов воздается вакуум до 13 мПа. Для предохранения рези­новых перчаток от разрыва воздух откачивают с наружной

Рис. 10. Сварка сжатой дугой косвенного (а) и прямого (б) действия с подачей присадочной проволоки: 1 — вольфрамовый электрод; 2 — балластное сопротивление рабочей дуги; 3 — катушка токового реле; 4 — источник питания дуги; 5 — контакты токо­вого реле; 6 — балластное сопротивление дежурной дуги; 7 — присадочная проволока; 8 — основной металл: 9 — сжатая дуга; 10 — наконечник

стороны люков, перекрывающих отверстие с перчатками. После откачки камеру заполняют инертным газом до атмосферного давления.

Сварку в камере производят на тех же режимах, что и при сварке в инертных газах на воздухе. Пластичность металла сварного соединения приближается к пластич­ности основного металла.

Автоматическая дуговая сварка в камерах с контро­лируемой атмосферой обеспечивает более стабильное ка­чество сварных соединений.

При электронно-лучевой сварке в вакууме энергия, необходимая для нагрева и плавления металла, получается в результате интенсивной бомбардировки места сварки быстродвижущимися в вакууме электронами.

Вакуум порядка ЇЗДО-3—13-Ю-5 Па, создаваемый в сварочной камере, подобной приведенной на рис. 11, необходим для гою, чтобы резко уменьшить расход энер-

гии электронов на ионизацию и удалить из зоны сварки газы, имеющие большое сродство к свариваемым метал­лам. Схема формирования пучка электронов при элек­тронно-лучевой сварке приведена на рис. 12. Через загру­зочный люк свариваемые детали помещаются на сварочный

стол в вакуумной камере, из чиваются газы.

Вольфрамовый или метал­локерамический катод 1, раз­мещенный внутри фокуси­рующей головки 2, при пропускании через него пере­менного тока низкого напря­жения излучает мощный по­ток электронов. Проходя че-

Рис. II. Сварка в контролируемой атмосфере: 1 — электрод; 2 —смотровое окно; 3 — свариваемое изделие; 4— патрубок для присоединения насоса; 5 — ось поворот­ного стола; 6' — камера; 7 — канал для подачи защитного газа

рез анод 3, магнитную линзу 4 и отклоняющую магнитную систему 5, он фокусируется в узкий луч электронов и направляется на место сварки деталей 6. Для ускорения движения электронов к катоду и аноду подводится вы­прямленный ток напряжением 30—100 кВ.

При ударе электронов о поверхность деталей большая часть их кинетической энергии переходит в тепловую, и на узком участке металл плавится, образуя шов после кристаллизации. Наблюдение за процессом сварки ведется

через смотровое окно. Электронно-лучевая сварка при­меняется при изготовлении деталей из тугоплавких хи­мически активных металлов.

Наряду с электронно-лучевой сваркой применяется лазерная сварка Термин «лазер» получил свое название по первым буквам английской стразы (Light Amplifica­tion by Stimulated Emis­sion of Radiation — laser), которая в переводе озна­чает: усиление света по­средством стимулирован­ного излучения. Эта сварка основана па использовании светового излучения, яв­ляющегося следствием взаимодействия фотонов (микрочастиц световой природы) с атомами си­стемы.

В твердотельном руби­новом лазере применяется искусственный рубин. Он представляет собой стержень, состоящий из корунда А1203 с примесью хромпика Сг203. Схема действия рубинового лазера приведена на рис. 13.

Здесь рубиновый кристалл 1 расположен в кварцевой трубке 2, которая представляет собой газоразрядную лампу, наполненную ксеноном. Эта лампа, называемая лампой накачки, благодаря разрядам высоковольтного конденсатора 3 дает импульсные вспышки света опре­деленной частоты и нужной энергии, которые и обеспе­чивают поток фотонов внутрь рубинового кристалла.

Фотоны, проникая внутрь вещества, возбуждают его агомы. Этот процесс схематически показан на рис. 14.

На рис. 14, а показан рубиновый стержень, в котором атомы не возбуждены и их электроны находятся на основ­ных уровнях. Невозбужденные атомы изображены чер­ными точками. Рубиновый стержень показан с одним зачерненным торцом и другим заштрихованным. Это сделано потому, что в действительности торцы рубинового стержня строго параллельны, посеребрены, но так что один из торцов (зачерненный) отражает все лучи, а вто­рой (заштрихованный) пропускает световой поток при его достаточной интенсивности.

На рис. 14, б стрелками показано, как фотоны лампы накачки проникают в рубиновый кристалл и как неко­торые невозбужденные до этого атомы хрома (черные точки) превращаются в возбужденные до различных уров­ней атомы (кружочки). Так в рубиновом стержне полу­чается огромное количество атомов хрома различной степени возбуждения. Однако все они в таком состоянии могут просуществовать лишь миллиардные доли секунды, так как их электроны стремятся перейти на более низкий уровень возбуждения. Этот переход происходит без лучеис­пускания. Вся энергия перехода превращается в тепловую энергию внутри кристалла, поэтому он должен в процессе работы охлаждаться.

Самое главное происходит тогда, когда множество электронов возбужденных атомов накапливается и за­держивается на определенном уровне (на промежуточной орбите). Хотя эта задержка, как уже говорилось, оказы­вается всего только в несколько тысячных долей секунды, но именно это свойство задержки и накопления большого количества электронов в одинаковом состоянии возбуж­дения является одним из решающих.

Как только возбужденных атомов будет больше поло­вины, достаточно одного внешнего стимулирующего (син­хронного) фотона, чтобы вызвать лавинный процесс «пе­рехода» электронов всех возбужденных атомов с уровня задержки на основной. Именно так и происходит в ру­бине. Последний синхронный фотон /(рис. 14, в) вызывает лавину стимулированных фотонов (происходит излуче­ние — испускание квантов энергии атомами, обозначен­ными стрелками). Лавина фотонов мгновенно умно­жается за счет зеркальных поверхностей торцов рубина. Умножение происходит вследствие того, что на своем

пути фотоны, ударяясь о возбужденные атомы, застав* ля ют их испускать дополнительный поток фотонов.

('оставляя еще недостаточно интенсивное излучение, фотоны отражаются от правого торца со слабым посереб­ренном. Отразившись от пего (рис. 14, г), они уже в огром­ной степени умноженные, бьются о зеркало левого торца п, отразившись or него, еще более умноженные, проры­ваются через правое зеркало, образуя наружный тонкий пучок красного света (рис. 14, д н с). Тут же вслед за выходом пучка фотонов из кристалла все электроны атомов рубина до следующего импульса возвращаются на основные уровни, и атомы становятся нейтральными (черные точки, рис. 14, с). Таким образом, лазер не только генерирует световой пучок, по и усиливает его интенсив­ность. Выходной луч является узконаправленным и очень мощным.

Коэффициент полезного действия рубиновых лазеров невелик и составляет 0,1 %; разработаны лазеры с более высоким КПД.