Вакуумная техника: Справочник.

ред. Е. С. Фролова, В. Е. Минайчева.

Машиностроение, 1992 г.

Общие сведении и классификация

По конструктивным признакам вакуум-плотные герметичные соединения подразделяют на три группы: неразъемные, разъемные и подвижные.

Неразъемные вакуум-плотные соединения получают сваркой, пайкой, склеиванием и герметизацией эпоксидными смолами. К разъемным относят штуцерные, штуцерно-ниппельные и фланцевые соединения, уплотненные   резиновыми   или   металлическими прокладками, расплавляемыми металлами-уплотнителями, а также герметичные муфтовые соединения. В подвижных соединениях для уплотнения используют жидкие металлы, масла, прокладки из антифрикционных вакуумно-плотных материалов, манжеты, шлифованные и притертые контактные   поверхности.

Выбор вида соединения, способа его конструктивной реализации и материала определяется назначением соединения. При этом основными критериями служат: степень вакуума,   рабочая температура, условия взаимодействия с окружающей, средой, влияние излучений.

В зависимости от степенивакуума применяют уплотнения для низкого, среднего, высокого и сверхвысокого вакуума.

В вакуумных системах, подвергаемых обезгаживанию при Т = 723 ... 773 К, неразъемные вакуумные соединения, выполняют сваркой или пайкой высокотемпературными припоями, для разъемных соединений применяют металлические уплотнения или термостойкие вакуумные резины с местным охлаждением. Низкотемпературные неразъемные соединения выполняют сваркой, nbsp;  пайкой   и склеиванием,

В вакуумных герметичных соединениях наиболее часто применяют следующие сочетания материалов: металл—металл, металл —стекло, стекло—стекло, металл— керамика, стекло—керамика.

Качество уплотнения определяется допускаемым потоком натекания

5.2. Сварные соединения

Способы сварки, используемые в вакуумной технике, можно разделить на две группы.

Первая группа объединяет способысварки плавлением, осуществляемой нагревом кромок свариваемых деталей до расплавления и соединением их без механического воздействия. К этой группе относится газовая, дуговая, электронно-лучевая, лазерная и плазменная сварка. Вторая группа объединяет способысварки давлением, осуществляемой сжатием свариваемых детален с нагревом или без него. К этой группе относятся различные виды контактной   и   холодной   сварки.

Для получения вакуумно-плотных соединении в вакуумной технике наиболее распространена дуговая сварка .в защитных газах. Для дуговой сварки используют плавящиеся и неплавящиеся электроды, В последнем случае шов образуется из присадочного металла или вследствие оплавления стыковых кромок. Дуговую сварку ведут как постоянным, так и переменным током.

При сварке постоянным током используют две схемы подсоединения детали и электрода к источнику питания; прямой и обратной полярности. В первом случае электрод является катодом, деталь — анодом, во втором — наоборот. Так как большая часть тепловой энергии выделяется на положительном полюсе, дуговая сварка постоянным током по схеме прямой полярности характеризуется глубоким проплавлением и узким швом. Такой способ целесообразен для сварки массивных деталей. сварка по схеме обратной полярности характеризуется неглубоким проплавленнем и широким швом, поэтому рекомендуется для соединения тонкостенных деталей. сварка постоянным током предпочтительна для немагнитных металлов и сплавов.

При дуговой сварке переменным током образуется узкий сварной шов среднейглубины . При дуговой сварке в защитных газах тепловая энергия выделяется в виде дуги переменного тока, горящей между двумя неплавящимися электродами в среде водорода, и переносится на свариваемый металл в результате диссоциации и рекомбинации молекулярного водорода. Молекулярный водород, подаваемый через держатель электродов, диссоциирует в дуге до атомарного водорода, который рекомбинирует при контакте с более холодным свариваемым металлом. При этом температура в зоне сварки может достигать   4273 К.

Дуговую сварку в средеводорода применяют для соединения трудно-свариваемых материалов, в том числе алюминия и хрома, однако этот способ непригоден для получения вакуумно-плотных соединений сплавов, содержащих никель и склонных к растворениюводорода с последующим образованием трещин и пор (например, сталь   12Х18НЮТ).

При дуговой сварке в защитных газах (аргоне, гелии) тепловая энергия создается дугой, горящей между неплавящимся вольфрамовым электродом и свариваемыми деталями. В установках переменного тока используют ток напряжением около 100 Б, силой 250 ... 300 А, в установках постоянного тока — напряжением 45 ... 75 В, силой 15... 175 А (в мощных установках —До 300 А). Преимущество использования инертных газов — их химическая инертность и нерастворимость в металлах.

Наибольшее применение на практике нашла аргонодуговая сварка. В зависимости от материала аргонодуговую сварку ведут постоянным или переменным   током.

Для сваркиалюминия и магния обычно используют переменный ток, Для сварки коррозионно-стойких сталей, никеля, меди, серебра и титана — постоянный. При сваркеалюминия постоянным током используют схему обратной полярности, так как в этом случае электронная эмиссия металла  области сварки и бомбардировка поверхности положительными ионами способствует удалению оксиднойпленки и повышению качества соединения.

Особенности дугового разряда в средеаргона — высокое напряжение зажигания вследствие высокого ионизационного потенциала этого газа и малое напряжение горения (12 ... 24 В) при длине дуги 1 ... 3 мм, объясняемое повышенной подвижностью электронов в аргоне, отсутствием расходаэнергии на диссоциацию молекул    газа    и    другими   факторами.

В вакуумной технике распространены две разновидности аргонодуговой сварки: в воздухе с местным обдувом кромок соединяемых деталей аргоном и   в   камерах, nbsp;  наполненных   аргоном.

При сварке в воздухекромки соединяемых деталей обдуваются аргоном, который подается между центральным вольфрамовым электродом н керамическим наконечником сварочной горелки под небольшим избыточным давлением (порядка 1 кПа) и не только защищает от окисления нагретый и расплавленный металл в зоне сварки, но и способствует ионизации пространства, в котором горит дуга.

Сварку в воздухе с местным обдувом аргоном, характеризуемую высокой производительностью, используют, когда к чистоте шва (отсутствие загрязнений н оксидов) не предъявляют повышенных требований. Если к чистоте швов предъявляют высокие требования, применяют сварку в камере, на которой предварительно откачивают воздух до давления 1,33 ... 0,133 Па и наполняют ее аргоном с минимальной долей примесей (0,01% О2; 0,01% N2). В камере размещают приспособления для закрепления деталей   и   электроды.

Аргонодуговую сварку не рекомендуют для выполнения конструкций с толщиной кромок более 4 мм. При использовании медных охладителей или специальных накладок можно сваривать тонкостенные детали (до 0,15   мм).

Электронно-лучевая сварка основана на использовании энергии, образующейся при столкновении потока ускоренных электронов со свариваемыми деталями. При этом электроны

передают часть своей энергииатомам и молекуламматериала деталей; в результате температура в зоне действия потокаэлектронов повышается. Электронно-лучевую сварку выполняют в вакууме (5- 1Q"* Па), что позволяет сохранить чистоту свариваемых металлов. Кроме того, отсутствие деформации свариваемых деталей и высокие физико-механические характеристикиматериала сварного шва исключают его последующую механическую и термическую обработку. По прочности сварные соединения, получаемые электронно-лучевой сваркой, значительно превосходят аналогичные соединения, выполненные аргонодуговой   сваркой.

Локальный нагрев зоны сварки позволяет сваривать тонкостенные детали. В этом случае можно создать пятно фокусировки луча площадью 0,1 мм2 и менее, что позволяет достичь высокой точности сварки. Глубокое проникновение электронов в материал, подвергаемый электронной бомбардировке, позволяет резко уменьшить площадь зоны расплава (рис. 5.2).

Электронно-лучевую сварку применяют для полпенни вакуумно-плотного соединенияизделий из коррозионно-стойких сплавов, вольфрама, молибдена, титана, бериллия и тантала, а также различных сочетаний конструкционных   материалов.

При лазернойсварке используют как твердотельные, так и газовые лазеры. Плотность лазерного потока, направленного на свариваемые детали, может достигать 10 ... 10е Вт/см2. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При лазернойобработке отсутствует механический контакт между соединяемыми деталями и устройствами, служащими для передачаэнергии к месту сварки.

Это исключает возможность попадания в зону шва посторонних примесей при газовой, аргонодуговой и контактной сварке. Малая площадь поперечного сечения сфокусированного светового пучка позволяет проводить сварку в труднодоступных местах. Кроме того, лазерный луч проходит через любую пропускающую свет среду. Так, лазером можно сваривать детали, находящиеся в замкнутом оптически прозрачном объеме. лазернойсваркой как в вакууме, так и в обычной атмосфере можно соединять детали толщиной 0,01 ... 1,0 мм из любых металлов в любых комбинациях. Технологиюлазернойсварки используют для соединения стекол. При лазернойсварке основной задачей управления лазерным лучом является уменьшение его энергии до такого значения, при котором материал свариваемых деталей нагревается до температуры плавления, nbsp;  но не испаряется.

Для получения необходимой энергии излучения. W в оптической системелазерной сварочной установки используют линзы с большим фокусным расстоянием или смещают свариваемые поверхности относительно фокальной плоскости (дефокусировка Д/7). На рис. 5.3 заштрихована область оптимальных соотношений W и А, при которых обеспечивается качественная лазерная   сварка.

Плотность потокаэнергииизлучения ф, Вт/см3, в месте падения луча связана с размером фокального пятна соотношением

где W — энергияизлучения с учетом потерь в оптической системе, Дж; ти — время импульса, с; ф — плошадь   фокального   пятна, nbsp;  см2.

Из бесконтактных методовсварки весьма распространены плазменные методы- Плазменно-дуговой нагрев применяют для сварки практически любых материаловвакуумной техники. При плазменной сварке используют горелки с дугой прямого действия, в которых дуга горит между электродом и изделием и струя плазмы совпадает с дугой. Высокие напряжение и мощность при фокусированном факеле обеспечивают получение сварных