Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• Введение
• 1. Основная часть
• 1.1 Общие сведения
• 1.1.1 Электродуговая сварка
• 1.1.2 Сварка неплавящимся электродом
• 1.1.3 Сварка плавящимся электродом
• 1.1.4 Ручная дуговая сварка
• 1.1.5 Газопламенная сварка
• 1.1.6 Плазменная сварка
• 1.1.7 Электронно-лучевая сварка
• 1.2 Виды сварки деталей гироскопа
• 1.2.1 Сварка в среде защитных газов
• 1.2.1.1 Технология аргонодуговой сварки
• 1.2.1.2 Преимущества и недостатки аргонодуговой сварки
• 1.2.2 Микроплазменная сварка
• 1.2.2.1 Технология микроплазменной сварки
• 1.2.3 Лазерная сварка
• 1.2.3.1 Лазерная сварка твердотельным лазером
• 1.2.3.2 Лазерная сварка газовым методом
• 1.2.3.3 Достоинства и недостатки лезерного метода сварки
• 1.2.4 Электронно-лучевая сварка
• 1.2.4.1 Техника электронно-лучевой сварки
• 2. Историческая часть
• 2.1 История развития
• 2.2 Классификация гироскопов
• 2.2.1 Механические гироскопы
• 2.2.2 Вибрационные гироскопы
• 2.2.3 Оптические гироскопы
• 2.3 Применение гироскопа в технике
• 2.3.1 Системы стабилизации
• 2.4 Новые типы гироскопов
• 2.5 Основные части гироскопа и его основные свойства
• 2.5.1 Секстан Флерие
• 2.5.2 Гироскоп Фуко
• 2.5.4 Гироскоп и его основные свойста
• 2.5.5 Механика гироскопа
• 2.6 Гироскоп в авиации
• 2.6.1 Гироскопический тахометр
• 2.6.2 Гироскопический указатель поворотов
• 2.6.3 Авиационный гироскоп направления
• 3. Исследовательская часть
• 3.1 Влияние удельной мощности электронного луча на геометрию зоны проплавления
• 3.2 Влияние изменения рабочего расстояния пушка-деталь на геометрию зоны проплавления
• 3.3 Влияние ускоряющего напряжения на геометрические характеристики проплавления
• 3.4 Режимы сварки для узлов гироскопа
• 4.Технологическая часть
• 3.1 Характеристика заготовки и требование к материалу
• 4.2 Электроно-лучевая сварка узлов гироскопа
• 4.3 Технологический регламент производства работ
• 4.4 Применяемое оборудование и инструменты при производстве работ
• 4.4.1 Некоторые специальные технологические приемы, используемые для обеспечения ЭЛС
• 4.4.2 Управление плотностью пучков электронов
• 4.4.3 Управление положением пучков-электронов
• 4.4.4 Откачные системы
• 4.4.5 Сварочные манипуляторы
• 4.4.6 Системы наблюдения
• 4.5 Подготовительная опперация
• 4.6 Технология сварки узла ниппель - заглушка
• 4.7 Технология сварки узла корпус-крышка
• 4.8 Технология сварки гироскопа (герметизация)
• 4.9 Контрольная операция
• 5. Контроль качества сварных швов гироскопа на герметичность
• 5.1 Применяемые оборудование, приспособления, инструмент
• 5.2 Материалы
• 5.3 Технические требования к оборудованию
• 5.4 Типовой технологический процесс
• 6. Экономическая часть
• 7. Безопасность
• 7.1 Общие требования безопасности
• 7.2 Анализ производственных опасностей и вредностей . Разработка мер по их снижению
• 7.2.1 Метеоусловия
• 7.2.2 Освещенность
• 7.3 Опасность повышенного уровня напряженности электромагнитного поля
• 7.4 Электробезопасность. Статическое электричество
• 7.4.1 Обеспечение электробезопасности техническими способами и средствами
• 7.5 Оценка условий труда
• 7.6 Требования пожарной безопасности
• Заключение
• Список использованной литературы
• Приложения


Введение

К сварным швам современных конструкций предъявляются требования повышенной вакуумплотности, прочности, пластичности и коррозионной стойкости. Этим требованиям отвечают швы, полученные электронно-лучевой сваркой (ЭЛС) в вакууме. Высокая концентрация энергии в луче, изменение плотности энергии в широких пределах, направленное тепловое воздействие, малая энергоемкость процесса и перенос энергии на значительные расстояния позволяют сваривать как миниатюрные детали, так и детали больших габаритов и толщины из многих материалов и их комбинаций. Все это определило широкое распространение ЭЛС в отраслях промышленности, как авиационная, ракетная, ядерная, электронная и приборостроительная.

Целью проекта является исследование особенностей формирования сварного шва для выбора оптимальных режимов сварки и разработка технологии электронно-лучевой сварки деталей гироскопа.

Современное развитие приборостроительной промышленности ведет к смене поколений гироскопов, что базируется как на внедрении все более совершенных процессов обработки в изготовлении гироскопов, так и на использовании технологических методов и процессов производства гироскопов.

Новизна предлагаемой работы заключается в том, что гироскоп, сварка которого производится в данном проекте, является образцом нового поколения гироскопов, и выбор режимов и методов сварки для обеспечения требований к сварным швам является необходимым условием дальнейшего развития приборостроения в области гироскопов.

Новые прецизионные приборы требуют новых эффективных технологических процессов, обеспечивающих высокие качество выпускаемой продукции и производительность.



1. Основная часть

1.1 Общие сведения

Сущность сварки заключается в процессе получения неразъемных соединений отдельных частей из твердых материалов, осуществляемый за счет междуатомных связей как с применением нагрева, так и без него.

Происходящие при сварке междуатомные связи могут возникать при расплавлении и последующем затвердевании металла или других материалов, или при сжатии (сдавливании) свариваемых элементов, нагретых до пластического состояния.

Для производства сварки используются различные источники энергии: электрическая дуга, газовое пламя, лазерное излучение, электронный луч, трение, ультразвук. Развитие технологий позволяет в настоящее время осуществлять сварку не только на промышленных предприятиях, но и на открытом воздухе, под водой и даже в космосе. Производство сварочных работ сопряжено с опасностью возгораний, поражений электрическим током, отравлений вредными газами, облучением ультрафиолетовыми лучами и поражением глаз.

Сварочной дугой называют длительный мощный электрический разряд в ионизированной среде. При этом начальная фаза среды может быть любой: твёрдой (например, сварочный флюс), жидкой (например, вода), газообразной (например, аргон), плазменной.

В соответствии с этим рассматривают основные группы способов сварки по физическим признакам: сварку плавлением, осуществляемую посредством одной операции-нагрева, и сварку давлением, имеющую обычно две операции - нагрев до температуры ниже точки плавления и сдавливания. Решающую роль в последней группе способов сварки играет давление.

Преимуществом сварки плавлением является универсальность: этим способом можно сваривать все известные в технике металлы и сплавы независимо от размера и формы деталей. Преимуществом же сварки давлением является то, что материалы, не плавясь, в большей или меньшей степени сохраняют свою структуру.

В авиационном приборостроении в частности, при изготовлении гироскопов, сварка давлением не получила широкого распространения. Поэтому в данном дипломном проекте анализируют разные виды сварки плавлением такие, как сварка в среде защитных газов, микроплазменная сварка, лазерный и электронно-лучевой виды сварки. Сварка деталей гироскопа, из-за их миниатюаризации, относится к обработке концентрированными потоками энергии (КПЭ).

1.1.1 Электродуговая сварка

Источником теплоты является электрическая дуга, возникающая между торцом электрода и свариваемым изделием при протекании сварочного тока в результате замыкания внешней цепи электросварочного аппарата. Сопротивление электрической дуги больше, чем сопротивление сварочного электрода и проводов, поэтому бомльшая 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-- объёма жидкого металла. В процессе остывания и кристаллизации сварочной ванны образуется сварное соединение. Основными разновидностями электродуговой сварки являются: ручная дуговая сварка, сварка неплавящимся электродом, сварка плавящимся электродом, сварка под флюсом, электрошлаковая сварка.

1.1.2 Сварка неплавящимся электродом

В англоязычной литературе известно как en: gas tungsten arc welding (GTA welding, TGAW) или tungsten inert gas welding (TIG welding, TIGW), в немецкоязычной литературе -- de:wolfram-inertgasschweiЯen (WIG).

В качестве электрода используется стержень, изготовленный из графита или вольфрама, температура плавления которых выше температуры, до которой они нагреваются при сварке. Сварка чаще всего проводится в среде защитного газа (аргон, гелий, азот и их смеси) для защиты шва и электрода от влияния атмосферы, а также для устойчивого горения дуги. Сварку можно проводить как без, так и с присадочным материалом. В качестве присадочного материала используются металлические прутки, проволока, полосы.

1.1.3 Сварка плавящимся электродом

В англоязычной иностранной литературе именуется как en:gas metal arc welding (GMA welding, GMAW), в немецкоязычной литературе -- de:metallschutzgasschweiЯen (MSG). Разделяют сварку в атмосфере инертного газа (metal inert gas, MIG) и в атмосфере активного газа (metal active gas, MAG).

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 и кремний). 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.

1.1.4 Ручная дуговая сварка

В англоязычной литературе именуется en:shielded metal arc welding (SMA welding, SMAW) или manual metal arc welding (MMA welding, MMAW).

Для сварки используют электрод с нанесённым на его поверхность покрытием (обмазкой).

При плавлении обмазки образуется защитный слой, отделяющий зону сварки от атмосферных газов (азота, кислорода), и способствующий легированию шва, повышению стабильности горения дуги, удалению неметаллических включений из металла шва, формированию шва и т. д. В зависимости от типа электрода и свариваемых материалов электросварка производится постоянным током обeих полярностей или переменным током.

Ручная (TIG) и полуавтоматическая (MIG, MAG) импульсная сварка алюминия является более сложным процессом, чем электродуговая сварка чёрных металлов. Причиной тому -- уникальные свойства алюминиевых сплавов, за которые они и ценятся.

1.1.5 Газопламенная сварка

Источником теплоты является газовый факел, образующийся при сгорании смеси кислорода и горючего газа. В качестве горючего газа могут быть использованы ацетилен, водород, пропан, бутан, блаугаз, МАФ, бензин, бензол, керосин и их смеси. Тепло, выделяющееся при горении смеси кислорода и горючего газа, расплавляет свариваемые поверхности и присадочный материал с образованием сварочной ванны. Пламя может быть окислительным, «нейтральным» или восстановительным, это регулируется количеством кислорода.

*В последние годы в качестве заменителя ацетилена применяется новый вид топлива -- сжиженный газ МАФ (метилацетилен-алленовая фракция). МАФ обеспечивает высокую скорость сварки и высокое качество сварочного шва, но требует применения присадочной проволоки с повышенным содержанием марганца и кремния (СВ08ГС, СВ08Г2С). МАФ гораздо безопаснее ацетилена, в 2-3 раза дешевле и удобнее при транспортировке. Благодаря высокой температуре сгорания газа в кислороде (2927°C) и высокому тепловыделению (20 800 ккал/мі), газовая резка с использованием МАФ гораздо эффективнее резки с использованием других газов, в том числе и ацетилена.

*Огромный интерес представляет использование для газовой сварки дициана, ввиду его весьма высокой температуры сгорания (4500°C). Препятствием к расширенному применению дициана для сварки и резки является его повышенная токсичность. С другой стороны, эффективность дициана весьма высока и сравнима с электрической дугой, и потому дициан представляет значительную перспективу для дальнейшего прогресса в развитии газопламенной обработки. Пламя дициана с кислородом, истекающее из сварочной горелки, имеет резкие очертания, очень инертно к обрабатываемому металлу, короткое и имеющее пурпурно-фиолетовый оттенок. Обрабатываемый металл (сталь) буквально «течёт», и при использовании дициана допустимы очень большие скорости сварки и резки металла.

*Значительным прогрессом в развитии газопламенной обработки с использованием жидких горючих может дать применение ацетилендинитрила и его смесей с углеводородами ввиду самой высокой температуры сгорания (5000°C). Ацетилендинитрил склонен при сильном нагреве к взрывному разложению, но в составе смесей с углеводородами гораздо более стабилен. В настоящее время производство ацетилендинитрила очень ограничено и стоимость его высока, но при развитии производства ацетилендинитрил может весьма ощутимо развить области применения газопламенной обработки во всех её областях применения.

1.1.6 Плазменная сварка

Источником теплоты является плазменная струя, получаемые при ионизации рабочего газа в промежутке между электродами, одним из которых может быть свариваемое изделие либо оба электрода находятся в плазменной горелке -- плазмотроне. Струя плазмы сжимается и ускоряется под действием электромагнитных сил, оказывая на свариваемое изделие как тепловое так и газодинамическое воздействие. Помимо собственно сварки этот способ часто используется для технологических операций наплавка, напыление и резка.

1.1.7 Электронно-лучевая сварка

Источником теплоты является электронный луч, получаемый за счёт термоэлектронной эмиссии с катода электронно-лучевой 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.

1.2 Виды сварки деталей гироскопа

1.2.1 Сварка в среде защитных газов

Дуговая сварка в среде защитных газов (аргон, углекислый газ) заключается в том, что сварочная ванна, конец электрода и присадочного прутка, определенные участки шва и околошовной зоны основного металла предохраняются от окисления в процессе сварки при помощи инертных газов.

Аргонодуговую сварку (АДС) выполняют плавящимся электродом (проволока), который подается непрерывно в зону сварки специальным толкающим или тянущим устройством (рис. 1.1.а), а также неплавящимся (вольфрамовым) электродом (рис. 1.1.6). Для сварки вольфрамовый электрод закрепляют в специальном держателе внутри сопла, через которое к месту сварки подается аргон.

Рис.1.1 (а) Схема процессов сварки в среде аргона плавящимся электродом

Рис.1.1 (б) Схема процесса сварки в среде аргона неплавящимся (вольфрамовым) электродом

Аргон практически не вступает в химические взаимодействия с расплавленным металлом и другими газами в зоне горения дуги. Будучи на 38% тяжелее воздуха, аргон вытесняет его из зоны сварки и надежно изолирует сварочную ванну от контакта с атмосферой.

При аргонодуговой сварке возможен крупнокапельный или струйный перенос электродного металла. При крупнокапельном переносе процесс сварки неустойчивый, с большим разбрызгиванием. Его технологические характеристики хуже, чем при полуавтоматической сварке в углекислом газе, так как вследствие меньшего давления в дуге капли вырастают до больших размеров. Диапазон токов для крупнокапельного переноса достаточно велик, например для проволоки диаметром d = 1,6 мм I_св = 120-240А. При силе тока I_св больше 260А происходит резкий переход к струйному переносу, стабильность процесса сварки улучшается, разбрызгивание уменьшается. Однако такие токи не всегда соответствуют технологическим требованиям. Поэтому более рационально для обеспечения стабильности процесса использовать импульсные источники питания дуги, которые обеспечивают переход к струйному переносу на токах около I_св ? 100А.

1.2.1.1 Технология аргонодуговой сварки

Дуга горит между свариваемым изделием и неплавящимся электродом (обычно из вольфрама). Электрод расположен в горелке, через сопло которой вдувается защитный газ. Присадочный материал подается в зону дуги со стороны и в электрическую цепь не включен.

Аргонная сварка может быть ручной, когда горелка и присадочный пруток находятся в руках сварщика, и автоматической, когда горелка и присадочная проволока перемещаются без непосредственного участия сварщика.

При этом способе сварки зажигание дуги, в отличие от сварки плавящимся электродом, не может быть выполнено путем касания электродом изделия по двум причинам. Во-первых, аргон обладает достаточно высоким потенциалом ионизации, поэтому ионизировать дуговой промежуток за счет искры между изделием и электродом достаточно сложно (при аргонной сварке плавящимся электродом после того, как проволока коснется изделия, в зоне дуги появляются пары железа, которые имеют потенциал ионизации в 2,5 раза ниже, чем аргона, что позволяет зажечь дугу). Во-вторых, касание изделия вольфрамовым электродом приводит к его загрязнению и интенсивному оплавлению. Поэтому при аргонной сварке неплавящимся электродом для зажигания дуги параллельно источнику питания подключается устройство, которое называется «осциллятор».

Осциллятор для зажигания дуги подает на электрод высокочастотные высоковольтные импульсы, которые ионизируют дуговой промежуток и обеспечивают зажигание дуги после включения сварочного тока. Если аргонная сварка производится на переменном токе, осциллятор после зажигания дуги переходит в режим стабилизатора и подает импульсы на дугу в момент смены полярности, чтобы предотвратить деионизацию дугового промежутка и обеспечить устойчивое горение дуги.

При сварке на постоянном токе на аноде и катоде выделяется неодинаковое количество тепла. При токах до 300А 70% тепла выделяется на аноде и 30% на катоде, поэтому практически всегда используется прямая полярность, чтобы максимально проплавлять изделие и минимально разогревать электрод. Все стали, титан и другие материалы, за исключением алюминия, свариваются на прямой полярности. Алюминий обычно сваривается на переменном токе для улучшения разрушения оксидной пленки.

Для улучшения борьбы с пористостью к аргону иногда добавляют кислород в количестве 3-5%. При этом защита металла становится более активной. Чистый аргон не защищает металл от загрязнений, влаги и других включений, попавших в зону сварки из свариваемых кромок или присадочного металла. Кислород же, вступая в химические реакции с вредными примесями, обеспечивает их выгорание или превращение в соединения, всплывающие на поверхность сварочной ванны. Это предотвращает пористость.



1.2.1.2 Преимущества и недостатки аргонодуговой сварки

Основная область применения аргонодуговой сварки неплавящимся электродом - соединения из легированных сталей и цветных металлов. При малых толщинах аргонная сварка может выполняться без присадки. Способ сварки обеспечивает хорошее качество и формирование сварных швов, позволяет точно поддерживать глубину проплавления металла, что очень важно при сварке тонкого металла при одностороннем доступе к поверхности изделия. Он получил широкое распространение при сварке узлов гироскопов, для чего разработаны различные конструкции сварочных автоматов. В этом виде сварку иногда называют орбитальной. Сварка неплавящимся электродом - один из основных способов соединения титановых и алюминиевых сплавов.

Аргоновая сварка плавящимся электродом используется при сварке нержавеющих сталей и алюминия. Однако объем ее применения относительно невелик.

1.2.2 Микроплазменная сварка

Этот вид сварки иногда называют сжатой дугой. Если обычный электродуговой разряд пропустить через узкое сопло, «вдувая» и сжимая его потоком инертного газа - аргона, то возникает так называемая плазменная струя, имеющая высокую температуру. Плазменная струя является ионизированным газом, состоящим из смеси электронов, положительных ионов и нейтральных частиц.

Первоначально возбуждается вспомогательная дуга между электродом и плазмообразующим соплом. Затем струя ионизированного плазмообразующего газа, выходящего из сопла, возбуждает основную дугу на изделии; после этого вспомогательная дуга шунтируется и гаснет.

К преимуществам относятся повышение производительности, выполнение соединения без разделки кромок и т.д.

Но недостатки существенны из-за того, что газы, окружающие дугу, имеют температуру, значительно меньшую, чем столб дуги. Это оказывает влияние на характер проплавления металла: столб дуги производит копьевидное, сквозное проплавление, в то время как факел газов расплавляет металл на большую ширину, чем столб дуги. Это может вызвать сильное расплавление кромок свариваемых деталей. Примесные атмосферные газы также ухудшают сварные швы. Защитный плазмообразующий газ может взаимодействовать со свариваемым металлом. Все это не позволяет достичь нужных требований к сварным швам гироскопа.

1.2.2.1 Технология микроплазменной сварки

На рис.1.2 схематично изображен плазмотрон. Принцип действия плазмотрона, питающаяся от источника 1, заключается в том, что дуга между электродом 2 и изделием 3 проходит через очень маленькое сопло 4. Именно проходя через сопло 4 плазмообразующий газ сжимает дугу. Защитное сопло 5 плазмотрона защищает зону горения от окружающего воздуха. Плазмообразующий и защитный газы проходят по двум независящим друг от друга каналам. В качестве плазмообразующего газа используют инертные газы (гелий, аргон) при сварке изделий. В зависимости от материала изделия плазменную сварку проводят на постоянном токе прямой полярности или в импульсном режиме. Для этого плазмотрон соединяют с источником питания 1 постоянного тока или источником питания, обеспечивающим импульсный режим.

Также для микроплазменной сварки применяется плазмотрон следующего вида показанный на рис.1. 3

В корпусе 2 закреплен электрод 1 с помощью цанги 3. Корпус вставляется в верхний каркас 4. Сам каркас соединен с нижним каркасом б через керамическую втулку 5. Вставленный во внутреннюю часть сопла 8 наконечник 7 соединен с нижним каркасом 6. Электрод 1 зажимается в цанге 3 с помощью гайки 9 и специальной втулки 11. Внутренняя конструкция плазмотрона заключена в изолирующий корпус 10, который сверху закрывается колпачком 12.

Рис.1.2 Плазмотрон для микроплазменной сварки

Рис.1.3 Плазмотрон для микроплазменной сварки

1.2.3 Лазерная сварка

Возможности лазерной сварки зависит от физических свойств материала и технологических возможностей лазерного излучения.

При воздействии происходит ряд физических и химических явлений. Время взаимодействия кванта с частицами материала 10" ...10" сек.

Кванты взаимодействуют с внешними электронами атома материала и им передается энергия электронов, переходящих с одного энергетического уровня на другой, и они становятся возбужденными. Происходит передача и увеличение температуры кристаллической решетки материала. Режим переходит в режим теплопередачи. Луч отдает теплоту только в верхний слой материала, а дальше за счет теплопроводности. Не вся энергия поглощается или используется неэффективно, т.е. часть энергии отражается от поверхности.

1.2.3.1 Лазерная сварка твердотельным лазером

Схема твердотельного лазера приведена на рисунке 1.4. В качестве активного тела используется стержень из рубина или стекла с примесью неодима. Он размещается в осветительной камере. Для возбуждения атомов активного тела используется лампа накачки, создающая мощные вспышки света.

Рис.1.4 Твердотельный лазер

По торцам активного тела размещены зеркала - отражающее и частично прозрачное. Луч лазера выходит через частично прозрачное зеркало, предварительно многократно отражаясь внутри рубинового стержня и таким образом усиливаясь. Мощность твердотельных лазеров относительно невелика и не превышает N = 1 кВт, коэффициент полезного действия 2-5%.

Твердотельными лазерами в связи с их небольшой мощностью свариваются только мелкие детали небольшой толщины, обычно объекты микроэлектроники. Например, привариваются тончайшие выводы из проволок диаметром 0,01-0,1 мм, изготовленные из тантала, золота, нихрома. Возможна точечная сварка изделий из фольги с диаметром точки 0,5-0,9 мм. Лазерной сваркой выполняется герметичный шов катодов кинескопов современных телевизоров.

Катод представляет собой трубку длиной 2 мм, диаметром 1,8 мм, толщиной стенки 0,04 мм. К трубке приваривается донышко толщиной 0,12 мм, материал изделия - хромоникелевый сплав. Сварка таких мелких деталей возможна за счет высокой степени фокусировки луча и точной дозировки энергии путем регулировки длительности импульса в пределах 10^-2-10^-7 с.

1.2.3.2 Лазерная сварка газовым методом

Более мощными являются газовые лазеры, в которых в качестве активного тела используют смесь газов, обычно СО₂+N₂+Не. Схема газового лазера с продольной прокачкой газа приведена на рисунке 1.5. Газ из баллонов прокачивается насосом через газоразрядную трубку. Для энергетического возбуждения газа используется электрический разряд между электродами. По торцам газоразрядной трубки расположены зеркала. Электроды подключены к источнику питания. Лазер охлаждается водяной системой.

Недостатком лазеров с продольной прокачкой газа являются их большие габаритные размеры.

Более компактны лазеры с поперечной прокачкой газа рисунок 1.6.



Рис.1.5 Газовый лазер

Рис.1.6 Газовый лазер

Они позволяют достичь удельной мощности 1 кВт на метр трубки, и их общая мощность достигает 20 кВт, что дает возможность сваривать металлы толщиной до 20 мм с достаточно высокой скоростью, около 60 м/ч.

Наиболее мощными являются газодинамические лазеры (на рисунке 1.7). Для работы используются газы, нагретые до температуры 1000-3000 К. Газ истекает со сверхзвуковой скоростью через сопло Лаваля, в результате чего происходит его адиабатическое расширение и охлаждение в зоне резонатора. При охлаждении возбужденных молекул CO₂ происходит переход их на более низкий энергетический уровень с испусканием когерентного излучения. Для накачки может использоваться другой лазер или другие мощные источники энергии. Такой лазер мощностью N = 100 кВт позволяет, например, сваривать сталь толщиной 35 мм с очень высокой скоростью, около 200 м/ч.



Рис.1.7 Газодинамический лазер для лазерной сварки

Схема процесса лазерной сварки газовым лазером приведена на рисунке 1.8.

Рис.1.8 Лазерная сварка газовым лазером, схема процесса

Лазерная сварка производится в атмосферных условиях, без создания вакуума, необходима защита расплавленного металла от воздуха. Обычно для защиты используются газы, в частности аргон. Особенностью процесса лазерной сварки является то, что вследствие высокой тепловой мощности луча на поверхности свариваемого изделия происходит интенсивное испарение металла. Пары ионизируются, что приводит к рассеиванию и экранированию луча лазера. В связи с этим при использовании лазеров большой мощности в зону сварки необходимо подавать, кроме защитного, так называемый плазмоподавляющий газ. В качестве плазмоподавляющего газа обычно используют гелий, который значительно легче аргона и не рассеивает луч лазера. Для упрощения процесса целесообразно применение смесей 50% Аг + 50% Не, которые выполняют плазмоподавляющую и защитную функции. В этом случае сварочная горелка должна обеспечивать подачу газа таким образом, чтобы он сдувал ионизированный пар.

Некоторые конструкции сопел сварочных горелок для лазерной сварки приведены на рисунке 1.9

Рис.1.9 Сопла сварочных горелок для лазерной сварки

При лазерной сварке луч постепенно углубляется в деталь, оттесняя жидкий металл сварочной ванны на заднюю стенку кратера. Это позволяет получить «кинжальное» проплавление при большой глубине и малой ширине шва.

Высокая концентрация энергии в лазерном луче позволяет достигать высоких скоростей сварки, обеспечивая одновременно благоприятный термический цикл и высокую технологическую прочность металла шва.

1.2.3.3 Достоинства и недостатки лазерного метода сварки

К достоинствам этого метода сварки можно отнести: отсутствие механического воздействия на обрабатываемый материал; высокая локализация воздействия лазерного излучения на материал и другие достоинства.

Недостатками, в свою очередь, являются: дендритное строение сварного шва из-за высоких скоростей нагрева и охлаждения, где по границам дендритов скапливаются примеси; значительное повышение микротвердости; плотность дислокаций значительно возрастает по сравнению с исходной из-за высоких скоростей нагрева и охлаждения; в зонах воздействия лазерного излучения, а иногда и за слоем пористого расплава, наблюдается так называемый шлаковый слой, состоящий в основном из окислов железа и других продуктов химико-термического взаимодействия излучения со сплавом в атмосфере воздуха и растворенных в металле газов. Как правило, шлаковый слой содержит много пор, трещин, что противопоказано для обеспечения вакуумплотности; в зоне воздействия излучения идет травление поверхности металла газовыми и ионными струями, вылетающими из зоны обработки.

1.2.4 Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) - это надежный, эффективный, экономичный способ соединения материалов (в том числе разнородных), превосходящий по качеству все другие известные методы сварки, как сварка в среде защитных газов, микроплазменная сварка, лазерная сварка и т.п.

Сущность процесса состоит в использовании кинетической энергии потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме. Для уменьшения потери кинетической энергии электронов за счет соударения с молекулами газов воздуха, а также для химической и тепловой защиты катода в электронной пушке создают вакуум порядка 10^-4... 10^-6 мм рт. ст., т.е. во всем диапазоне термического воздействия, ведение процесса в вакууме, что обеспечивает чистоту обрабатываемого материала, а также возможность полной автоматизации процесса.

Экспериментальные и расчетные данные показывают, что процесс внедрения электронного луча в материал с образованием в нем канала происходит за счет периодического с частотой 10³...10⁶ Гц (в зависимости от концентрации энергии) выброса вещества вследствие взрывообразного испарения материала. В основу таких представлений положили сравнение скоростей ввода энергии и релаксации этой энергии материалом. Для большинства металлов скорость ввода тепла в диапазоне концентрации энергии 10⁵...10⁶ Вт/см² намного превышает скорость отвода его вследствие теплопроводности, что неизбежно приводит к поверхностному испарению и вскипанию микрообъема расплава вещества, в котором выделяется энергия электронного луча.

Установлено, что в жидком металле вокруг электронного луча существует полость. Эта полость все время находится в движении: глубина ее периодически колеблется от нулевой до максимальной с частотами 10...60 Гц. Кроме того, полость периодически смыкается, в основном в верхней части, а иногда и в других сечениях канала.

Трудности изучения физических явлений в зоне воздействия электронного луча обходят путем введения некоторого источника теплоты и использования теории теплопроводности. Такие подходы в ряде случаев дают возможность быстрее получить методики расчетов процесса, чем подробный анализ физических явлений. В существенной степени это связано с действием принципа местного влияния.

Для осуществления теплового подхода, т.е. решения задачи теплопроводности в условиях электронно-лучевого воздействия необходимо знать характер теплового источника и тепловой баланс процесса.

Экспериментальные данные показывают, что потери теплоты на испарение при ЭЛС с глубоким проплавлением не превышают 5... 10%, т.е. тепловой баланс электроннолучевого воздействия при концентрациях энергии до10⁵...10⁶ Вт/см² во многом сходен с тепловым балансом при процессе электродугового нагрева. На этом основании получили соотношения, связывающие мощность электронного луча (с учетом концентрации энергии) с характеристиками проплавления, решая традиционную задачу теплопроводности. Точность вычислений при этом достаточна.

Что касается характера теплового источника, то согласно экспериментальным и расчетным данным в зависимости от ускоряющего напряжения, а вернее от глубины пробега электронов в веществе, он является либо нормально распределенным поверхностным (ускоряющее напряжение менее 20 кВ), либо (для случая высоких ускоряющих напряжений) нормально распределенным по поверхности и глубине. Для оценки тепловых полей в случае ЭЛС с глубоким проплавлением неплохую точность дает аппроксимация теплового источника как линейного конечной глубины либо как комбинация точечного и линейного.

Еще один объект исследований, имеющий важное значение для теории и практики сварки плавлением в целом, связан с изучением движения расплава - это гидродинамические процессы в зоне электронно-лучевого воздействия. От процессов переноса жидкого металла в зоне обработки зависит большинство дефектов при формировании сварных швов, а в ряде случаев гидродинамика определяет производительность обработки. Глубокое проплавление металлов характеризуется появлением специфических дефектов (полостей в объеме шва, колебаний глубины проплавления по длине шва), поэтому гидродинамика является предметом тщательного изучения и при других концентрированных источниках: сварке в защитных газах, аргонодуговой сварке, луче лазера, струе плазмы и др. Значительное распространение получило моделирование гидродинамических процессов в условиях воздействия КПЭ.

Концентрированный поток электронов, падая на поверхность материала, осуществляет разогрев вещества в зоне, ограниченной шириной луча и глубиной пробега электронов. Если скорость тепловыделения меньше скорости отвода энергии вследствие теплопроводности, то происходит нагрев с образованием полусферической (или близко к ней) формы проплавления (мягкий режим нагрева, процесс испарения практически отсутствует). Повышение концентрации энергии в зоне воздействия до 10 ...10 Вт/см² приводит к тому, что скорость тепловыделения становится соизмеримой со скоростью отвода энергии вследствие теплопроводности (критический режим нагрева, начинается существенное парообразование). Если при малых концентрациях энергии энергетический баланс процесса складывается из затрат на отвод тепла обрабатываемым изделием (до60%), его плавление (до35%) и испарение (до5%), то при концентрациях выше критических, когда скорость тепловыделения намного больше скорости отвода тепла, большая часть вводимой энергии тратится на плавление и выброс расплава за счет объемного вскипания или других эффектов.

Эффективность процесса воздействия луча существенно повышается при углублении зоны обработки в материал с образованием канала. Время нагрева и выброса порции вещества мало (-10" ...10" с), поэтому процесс сверления канала носит периодический характер с частотами -10 ...10 Гц.

Так как выброс вещества идет со дна канала, опускающегося в материал с некоторой скоростью, максимальные температура и давление пара находятся у дна канала и падают по его высоте. У выхода из канала температура и давление минимальны.

Взаимодействие электронного пучка с продуктами выброса (смесью пара и конденсата) в объеме канала приводит к тому, что непрерывно действующий пучок электронов периодически рассеивается на стенках канала. Концентрация мощности луча в момент его рассеивания на стенки падает на 1...2 порядка (пропорционально площади внутренней поверхности канала), поэтому такой «размазанный» по стенкам источник обеспечивает практически только плавление стенок. Таким образом, когда канал свободен от паров обрабатываемого материала, электронный луч без потерь достигает его дна, происходит испарение вещества со дна канала. Когда канал заполнен паром, электронный луч рассеивается и передает энергию стенкам, образуя жидкую фазу.

С учетом времени периодической экранировки частота выброса вещества несколько уменьшается, но по-прежнему остается высокой (~10⁴...10⁵ Гц). Углубление канала происходит до тех пор, пока давление пара в нем больше суммарного давления поверхностного натяжения и давления, обусловленного столбом жидкой фазы стенок канала. Наименьшее давление пара во всех случаях имеет место у выхода из канала. Поэтому, как только давление пара становится меньше давления поверхностного натяжения и веса жидкой фазы, канал в верхней части может смыкаться. Если не прерывать действие луча, то смыкание будет иметь периодический характер с частотами порядка 10... 100 Гц. Смыкание канала сверху является причиной специфического дефекта - наличия полостей в объеме проплавления. Таким образом, непрерывный процесс электронно-лучевого воздействия переходит в зоне обработки в колебательный процесс с высокими частотами, обусловленными газодинамическими процессами, и низкими частотами, являющимися следствием гидродинамических явлений.

Следовательно, реализация многообразия термических воздействий электронного луча (от плавки до сверления) зависит от скорости введения энергии.

Параметрами электронного луча, измеряемыми в процессе обработки, являются ток луча I, ускоряющее напряжение U, ток фокусирующей системы 1ф, рабочее расстояние (расстояние от центра фокусирующей системы до поверхности свариваемой детали) 1, скорость перемещения электронного луча и.

Мощность электронного луча (в Вт) q=IU. При заданном рабочем расстоянии 1, токе фокусировки 1ф и мощности сварки можно определить диаметр электронного луча d и, следовательно, удельную мощность qi (Вт/см²), которая является одним из определяющих параметров процесса:

q₂ = IU/(7id²/4).

Погонная энергия (в Дж/см)

Q = 0.24IU/U

не является определяющим параметром, так как при электронно-лучевой обработке в зависимости от величины удельной мощности q2 при одинаковой погонной энергии можно получить различную конфигурацию зоны обработки. При воздействии в импульсном режиме средняя мощность (Вт)

q = IUfT,

где I-величина тока в импульсе, A; f-частота следования импульсов, Гц; т -длительность импульса, с.

Скорость обработки в импульсном режиме (см/с)

1) = В(1-К)/(Т + Тп),

где Тп - время паузы между импульсами, с; к -коэффициент перекрытия точек (обычно к = 0.5...0.9); В -диаметр зоны обработки (точки).

Шаг точек (см)

S = и(т + Тп),

скорость обработки

U - S/(T + Тп).

Параметром, характеризующим соотношение длительности импульса и времени паузы в импульсном режиме, является скважность цикла

G = т /(т + тп).

Наиболее существенным и одновременно наиболее трудноопределяемым параметром электронного луча является его диаметр.

При заданных плотностях тока эмиссии с катода, температуре катода и сферической аберрации линзовой сиcтемы пучок электронов с максимальным током может быть сфокусирован в пятно минимального диаметра (см):

d = So(I/U)^3/8 ,

где

So = [(4^2/3к/тге)*с^2/3 fo²⁷³ *(T/j)]^3/8 .

С учетом выражения диаметра пятна удельная мощность:

q₂ = (l/rc)(2/So)²I^1/4U^7/4 ,

здесь So - постоянная электронно-оптической системы;

е = 1.6*10"¹⁹

Кл- элементарный заряд электрона; к-постоянная Больцмана;

Т - температура катода,

К; fo - фокусное расстояние; с - безразмерная постоянная сферической аберрации линзы или системы линз; j - ток эмиссии с катода, А/м².

1.2.4.1 Техника электронно-лучевой сварки

При сварке электронным лучом проплавление имеет форму конуса (рисунок 1.11). Плавление металла происходит на передней стенке кратера, а расплавляемый металл перемещается по боковым стенкам к задней стенке, где он и кристаллизуется.

Проплавление при электронно-лучевой сварке обусловлено в основном давлением потока электронов, характером выделения теплоты в объеме твердого металла и реактивным давлением испаряющегося металла, вторичных и тепловых электронов и излучением.

Рис.1.11 Схема переноса жидкого металла при электронно-лучевой сварке; 1 - электронный луч; 2 - передняя стенка кратера; 3 - зона кристаллизации; 4 - путь движения жидкого металла.

Возможна сварка непрерывным электронным лучом. Однако при сварке легкоиспаряющихся металлов (алюминия, магния и др.) эффективность электронного потока и количество выделяющейся в изделии теплоты уменьшаются вследствие потери энергии на ионизацию паров металлов. В этом случае целесообразно сварку вести импульсным электронным лучом с большой плотностью энергии и частотой импульсов 100 ... 500 Гц. В результате повышается глубина проплавления. При правильной установке соотношения времени паузы и импульса можно сваривать очень тонкие листы. Благодаря теплоотводу во время пауз уменьшается протяженность зоны термического влияния. Однако при этом возможно образование подрезов, которые могут быть устранены сваркой колеблющимся или расфокусированным лучом.

Основные параметры режима электронно-лучевой сварки приведены нами в таблице 1:

1) сила тока в луче;

2) ускоряющее напряжение;

3) скорость перемещения луча по поверхности изделия;

4) продолжительность импульсов и пауз;

5) точность фокусировки луча;

6) степень вакуумизации.

Таблица 1

Режимы электронно-лучевой сварки

Металл	Толщина, мм	Режим сварки	Ширина шва, мм
		ускоряющее напряжение, кВ	сила тока луча, мА	скорость сварки, м/ч
Вольфрам	0,5	18...20	40...50	60	1,0
	1,0	20...22	75...80	50	1,5
Тантал	1,0	20...22	50	50	1,5
Сталь типа 18-8	1,5	18...20	50...60	60...70	2,0
	20,0	20...22	270	50	7,0
	35,0	20...22	500	20	-
Молибден + вольфрам	0,5 + 0,5	18...20	45...50	35...50	1,0

Для перемещения луча по поверхности изделия используют перемещение изделия или самого луча с помощью отклоняющей системы. Отклоняющая система позволяет осуществлять колебания луча вдоль и поперек шва или по более сложной траектории. Низковольтные установки используют при сварке металла толщиной свыше 0,5 мм для получения швов с отношением глубины к ширине до 8:1. Высоковольтные установки применяют при сварке более толстого металла с отношением глубины к ширине шва до 25:1.

Основные типы сварных соединений, рекомендуемые для электронно-лучевой сварки, приведены на рисунке 1.12. Перед сваркой требуется точная сборка деталей (при толщине металла до 5 мм зазор не более 0,07 мм, при толщине до 20 мм зазор до 0,1 мм) и точное направление луча по оси стыка (отклонение не больше 0,2 ... 0,3 мм).

При увеличенных зазорах (для предупреждения подрезов) требуется дополнительный металл в виде технологических буртиков или присадочной проволоки. В последнем случае появляется возможность металлургического воздействия на металл шва. Изменяя зазор и количество дополнительного металла, можно довести долю присадочного металла в шве до 50%.



Рисунок 1.12. Типы сварных соединений при сварке электронным лучем: а - стыковое (может быть с бортиком для получения выпуклости шва); б - замковое; в - стыковое деталей разной толщины; г - угловые; д и е - стыковые при сварке шестерен; ж - стыковые с отбортовкой кромок

Электронно-лучевая сварка использует для разогрева и плавления металла энергию сфокусированного потока электронов. Электронно-лучевую сварку используют для сварки изделий большой толщины при малом расстоянии между ними. Способ обеспечивает большую глубину проплавления при очень маленькой ширине шва. Электронно-лучевая сварка используется в случаях, когда невозможно выполнить соединение изделий другим способом. Кроме того, он позволяет варить с большой скоростью.

При работе установки с нити накала испускаются электроды, поток электронов контролируется (фокусируется и концентрируется) магнитными линзами. Электронный луч создается тем же путем, что и световой луч в телевизионном приемнике. Энергия электронно лучевой сварки контролируется током, подаваемым на нить накала.

Электронно-лучевая сварка схема, которой показана на рисунке 1.13 в основном производится в вакууме, так как молекулы воздуха мешают движению луча. Вакуумная камера имеет защиту от радиационного излучения, появляющегося в процессе сварки.

Сварщик контролирует процесс через оптическую систему и управляет лучом с помощью системы дистанционного управления.

Рис.1.13 Схема электронно-лучевой сварки



2. Историческая часть

Гироскомп (от др.-греч. гхсп «вращение» и др.-греч. укпрещ «смотреть») -- устройство, способное измерять изменение углов ориентации связанного с ним тела относительно инерциальной системы координат, как правило основанное на законе сохранения вращательного момента (момента импульса).

Для достижения поставленной перед нами задачи дипломного исследования, в данной главе нами будут проанализированны исторические сведения о приборостроение в области гироскопов, будут описаны основные части твердотельных гироскопов.

2.1 История развития

До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издревле люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу. Уже в древности появились первые приборы: отвес и уровень, основанные на гравитации. В средние века в Китае был изобретён компас, использующий магнетизм Земли. В Европе были созданы астролябия и другие приборы, основанные на положении звёзд.

Гироскоп, изобретённый Фуко на рисунке 2.1 (построил Дюмолен-Фромент, 1852). Гироскоп изобрёл Иоганн Боненбергер и опубликовал описание своего изобретения в 1817 году. Однако французский математик Пуассон ещё в 1813 году упоминает Боненбергера как изобретателя этого устройства. Главной частью гироскопа Боненбергера был вращающийся массивный шар в кардановом подвесе. В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон придумал гироскоп с вращающимся диском. Французский учёный Лаплас рекомендовал это устройство в учебных целях. В 1852 году французский учёный Фуко усовершенствовал гироскоп и впервые использовал его как прибор, показывающий изменение направления (в данном случае -- Земли), через год после изобретения маятника Фуко, тоже основанного на сохранении вращательного момента. Именно Фуко придумал название «гироскоп». Фуко, как и Боненбергер, использовал карданов подвес. Не позднее 1853 года Фессель изобрёл другой вариант подвески гироскопа.

Рис. 2.1 Гироскоп изобретенный Фуко и построенный Дюмолен-Фромент

Преимуществом гироскопа перед более древними приборами является то, что он правильно работает в сложных условиях (плохая видимость, тряска, электромагнитные помехи). Однако гироскоп быстро останавливался из-за трения.

Во второй половине XIX века было предложено использовать электродвигатель для разгона и поддержания движения гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применён в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды. В XX веке гироскопы стали использоваться в самолётах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или совместно с ним.

2.2 Классификация гироскопов

Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы:

2-степенные,

3-степенные на рис. 2.2 .

Основные два типа гироскопов по принципу действия:

механические гироскопы,

оптические гироскопы.

По режиму действия гироскопы делятся на:

датчики угловой скорости,

указатели направления.

Однако одно и то же устройство может работать в разных режимах в зависимости от типа управления.

Рис. 2.2 Гироскоп с 3-мя степенями свободы (с двумя рамками карданова подвеса), кинематическая схема.

I_y - ось собственного вращения ротора, вдоль которой направлен его кинетический момент;

I₀ - опорное направление кинетического момента;

j - угол отклонения внутренней рамки карданова подвеса;

w_j - угловая скорость поворота внутренней рамки подвеса (прецессия);

M_q - момент возмущающей внешней силы;

w_q - угловая скорость поворота внешней рамки подвеса (нутация).

Подавляющее большинство физических систем может находиться не в одном, а во многих состояниях, описываемых как непрерывными (например, координаты тела), так и дискретными (например, квантовые числа электрона в атоме) переменными. Независимые «направления», переменные, характеризующие состояния системы, и называются степенями свободы.

При этом важно отметить, что число степеней свободы равно минимальному количеству таких переменных, необходимому для полного описания состояния системы. Например, положение математического маятника можно характеризовать как углом его поворота вокруг оси, так и двумя координатами положения материальной точки относительно оси. Однако у такого маятника всего лишь одна степень свободы, а не две (как может показаться во втором случае), поскольку одного только угла поворота достаточно для описания положения этой системы в любой момент времени.

2.2.1 Механические гироскопы

Среди механических гироскопов выделяется ромторный гироскомп -- быстро вращающееся твёрдое тело, ось вращения которого способна изменять ориентацию в пространстве. При этом скорость вращения гироскопа значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Основное свойство такого гироскопа -- способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на неё моментов внешних сил.

Впервые это свойство использовал Фуко в 1852 г. для экспериментальной демонстрации вращения Земли. Именно благодаря этой демонстрации гироскоп и получил своё название от греческих слов «вращение», «наблюдаю».

2.2.2 Вибрационные гироскопы

Вибрационные гироскопы -- устройства, сохраняющие свои колебания в одной плоскости при повороте. Данный тип гироскопов является намного более простым и дешёвым при сопоставимой точности по сравнению с роторным гироскопом. В зарубежной литературе также употребляется термин «Кориолисовы вибрирующие гироскопы» -- так как принцип их действия основан на эффекте силы Кориолиса, как и у роторных гироскопов.

Разновидности:

1. Пьезоэлектрические гироскопы.

2. Твердотельные волновые гироскопы.

3. Камертонные гироскопы.

4. Вибрационные роторные гироскопы