Лазерная сварка

ЗАДАНИЕ

на курсовое проектирование по курсу

«Технология обработки КПЭ»

Рисунок 1. Задание к курсовому проекту.

Таблица 1. Параметры свариваемых труб

1. Определить параметры режима сварки лучом лазера в непрерывном режиме генерации, воспользовавшись компьютерной моделью процесса лазерной сварки с глубоким проплавлением.
2. По результатам расчета выбрать соответствующее оборудование (технологический лазер, систему транспортировки и фокусировки излучения, манипулятор изделия, технологическую оснастку).

РЕФЕРАТ

с.19, рис.7, табл.5, прил.1, источ. 6.

ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА, ЛАЗЕР, МОДЕЛИРОВАНИЕ, LASERCAD, ЛАЗЕРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНАСТКА

В этой курсовой работе приведен пример подбора оборудования для конкретного материала, в данном случае сталь 12Х17, при определенных сварочных параметрах, полученных с помощью компьютерного моделирования. Даная работа делится на два этапа. Первый этап, это составление модели сварочной ванны и определение сварных характеристик для проплавления насквозь. Второй этап заключает в себя подбор необходимого оборудования и оснастки для реализации сварки деталей указанных в задании с параметрами, приведенными в таблице 1.

Содержание

Введение

Уникальные свойства лазерного излучения – высокая монохроматичность и когерентность, низкая расходимость позволили создать перспективный вид высококонцентрированного теплового источника энергии. Луч лазера, как сварочный источник энергии, который при атмосферных условиях позволяет получить плотности мощности более 106 Вт/см2, реализующие режим глубокого проплавления.

В настоящее время лазеры являются стандартным технологическим оборудованием многих промышленных предприятий, поэтому знание основных технологических возможностей, экономической эффективности, областей практического применения лазерных методов сварки является непременным условием образовательного уровня современного инженера-технолога по сварочным технологиям [1, с.7].

Ход работы

1. Теоретическое исследование

2.Компьютерное моделирование процесса лазерной сварки

3. Подбор необходимого оборудования

1. Теоретическое исследование

1.1 Основные параметры режимов сварки

Для того чтобы выполнить поставленную технологическую задачу, необходимо определить параметры при которых возможна реализация лазерной сварки двух труб в стык.

• P- мощность излучения, Вт;
• Vсв – скорость сварки, см/с;
• Параметры фокусирующей системы;
• Апертура, мм;
• Фокусное расстояние, мм;
• Фокальный радиус, мм.

Кроме основных параметров режима сварки, на процесс также влияют другие характеристики, такие как распределение плотности мощности излучения, расходимость лазерного пучка и другие.

1.2 Сварочная ванна

Сложное формирование шва при лазерной сверке деталей с толщиной более 1,0 мм с глубоким проплавлением обуславливается тем, что как только плотность мощности лазерного излучения станет больше критической, нагрев металла будет идти со скоростью, значительно превышающей скорость отвода теплоты в основной металл за счет теплопроводности. На поверхности жидкого металла под действием реакции образуется углубление. Увеличиваясь, оно образует канал, заполненный паром и окруженный жидким металлом. Давления пара оказывается достаточно для противодействия силам гидростатического давления и поверхностного натяжения, и полость канала не заполняется жидким металлом. При некоторой скорости сварки форма канала приобретает динамическую устойчивость. На передней стенке происходит плавление металла, а на задней - затвердевание. Наличие канала способствует поглощению лазерного излучения в глубине свариваемого материала, а не только на его поверхности. Формируется так называемое "кинжальное проплавление"(каверна). При этом образуется узкий шов с большим соотношением глубины проплавления к ширине шва.

Сварочная ванна (рисунок. 1.2.1) имеет характерную форму, вытянутую в направлении сварки. В головной части ванны расположен канал (кратер) 3. Это область наиболее яркого свечения. На передней стенке канала существует слой расплавленного металла, испытывающий постоянные возмущения. Здесь наблюдается характерное искривление передней стенки в виде ступеньки, которая периодически перемещается по высоте канала. Удаление расплавленного металла с передней стенки осуществляется при перемещении ступеньки сверху вниз. Перенос расплавленного металла из головной части ванны в хвостовую происходит по боковым стенкам в горизонтальном направлении. В хвостовой части ванны 4 расплавленный металл завихряющимися потоками поднимается вверх и частично выносится на поверхность сварочной ванны. При образовании канала 3 над поверхностью металла появляется светящийся факел 2, состоящий из продуктов испарения, мелких выбрасываемых из ванны капель металла и из частиц конденсированного пара.

Рисунок 1.2.1.Схема сварочной ванны при лазерной сварке:1 - лазерный луч; 2 - плазменный факел; 3 - парогазовый канал; 4 - хвостовая часть ванны; 5 - металл шва; 6 - свариваемый металл; Vсв - направление сварки[2].

1.3 Стыковая лазерная сварка

Стыковая лазерная сварка имеет несколько характерных особенностей, которые необходимо учитывать при компьютерном моделировании:

• Сварка без флюса и, как правило, без присадки. Довольно жесткие требования на величину зазора. Зазор должен быть менее 0.2 мм;
• Точность наведения сфокусированного луча на стык также 0.1-0.2 мм;
• Сварка проходит с формированием каверны (кинжальное проплавление), характеризуемой большей глубиной проплавления при относительно малой ширине шва на всю толщину свариваемого металла;
• Фокусировка происходит, как правило, на поверхность металла;
• Глубина лазерной сварки при характерной скорости 2 м/мин составляет 1-1.5 кВт/мм;
• Ширина сварного шва уменьшается при увеличении скорости лазерной сварки и при скоростях больших 5 м/мин всего в 1.5-2 раза превышает размер сфокусированного лазерного луча. Зона термического воздействия при этом уменьшается значительно;
• Требуется защита шва от окисления с помощью инертного газа (Азот, Аргон);
• Многопроходная лазерная сварка с присадочной проволокой и с разделкой кромок реализуется при большой толщине металла. Кромки разделывают под углом 10-15 градусов, а сварку ведут с помощью присадочной проволоки для заполнения металлом образовавшегося дефицита на глубину, равную Р кВт/мм (P-мощность лазерного луча), затем процесс повторяют до полного заполнения стыка.

2. Компьютерное моделирование процесса лазерной сварки

Получение параметров сварки осуществлялось с помощью компьютерного моделирования с помощью программы LASERCAD. Данное программное обеспечение предназначено для решения задач по расчету и определению характеристик сварочной ванны, величины отраженной энергии и прочихвеличин при задаваемых параметрах воздействия лазерного излучения.

Для решения поставленной задачи необходимо подобрать параметры лазерного излучения таким образом, чтобы обеспечить сквозное проплавление, а также сформировать каверну. Критерием для определения геометрии шва являлся ГОСТ 14771-76 для дуговой сварки в защитном газе адаптированный для получения «кинжального» проплавления.Таким образом, для получения прочного сварного соединения при толщине 8 мм, рекомендуется, чтобы ширина шва на поверхности была около 7 мм и около 3,5 мм на середине глубины шва. Для выполнения вышеперечисленных требований параметры излучения в моделируемом процессе регулировались в следующих диапазонах значений:

• мощность излучения 1 кВт – 10 кВт;
• скорость сварки 1 м/с – 10 м/с;
• апертура 1 мм – 15 мм;
• фокальный радиус 0,100 мм – 0,500 мм;
• фокусное расстояние 100 мм – 300 мм;
• длина волны 1.06, 1.07, 10.6 мкм

Подбор параметров осуществлялся с помощью графика показывающего предполагаемую геометрию поперечного сечения шва.

На рисунок2.1 представлена предполагаемая геометрия поперечного сечения шва при найденном оптимальном наборе параметров лазерного излучения.

В таблице 2 приведены подобранные характеристики лазерного излучения для предполагаемой геометрии поперечного сечения сварного шва.

Рисунок 2.1. Предполагаемая геометрия поперечного сечения шва

Таблица 2.Найденный оптимальный набор параметров лазерного излучения

3.Подбор необходимого оборудования

Подбор оборудования осуществлялся из ассортимента представленного как зарубежными, так и отечественными производителями. Из-за малой насыщенности отечественного рынка большая часть оборудования составляют зарубежные.

От правильного выбора оборудования в значительной степени зависит качество получаемого изделия, производительность процесса, экономический эффект и целесообразность применения данного метода.

Для реализации технологического процесса необходимо подобрать и обеспечить совместимость между собой следующих элементов:

• технологический лазер и система охлаждения;
• лазерная голова;
• система отклонения и фокусировки луча;
• оснастку для крепления и перемещения детали;

Основным источником поиска необходимого оборудования являлся интернет.

3.1. Подбор технологического лазера

Технологический лазер подбирался с учетом необходимой мощности излучения равной 7кВт и длины волны 1.06 мкм, определенных при моделированиипроцесса сварки. Этому условию удовлетворяетиттербиевый лазер ЛС-8(см. рисунок 3.1.1). Этот лазерный источник имеет:

• Непрерывный, квазинепрерывный, маломодовыйрежим работы;
• Пиковая мощность 500 Вт – 10 кВт (одномодовый до 5 кВт);
• Встроенный капплер;
• Кондиционер;
• Выходное волокно 200 или 300 мкм в диаметре;
• Возможность модернизации с увеличением мощности;
• 31U стойка Rittal, 1400х856х806.

Рисунок3.1.1.Иттербиевый волоконный лазер ЛС-8(31U)[3].

3.2. Выбор Системы охлаждения

Система охлаждения выбиралась с расчетом отвода тепла при предельно допустимой мощности работы, то есть 8 кВт. Зная, что коэффициент полезного действия для лазеров составляет ƞ = 30%, можно приблизительно рассчитать количество тепла, которое необходимо рассеять. Так как в грубом приближении количество выделяемого тепла источником составит 70%, что есть 5,6 кВт тепла от предельной мощности, на которой работает лазер.

Такое количество тепла способна рассеять охлаждающая система RIEDEL SC 71(см. рисунок 3.1.2.). Технические параметры прибора приведены в таблице 3.

Рисунок 3.1.2. Системаохлаждения RIEDEL SC 71[4].

Таблица 3. Технические характеристики системы охлаждения RIEDEL SC 71.

3.3. Подбор лазерной головы

Выбор лазерной головы осуществлялся на основе выбранных параметров фокусирующей линзы и мощности лазерного излучения. В разрабатываемой технологиифокусирующая линза должна иметь возможность пропускания лазерного излучения мощностью 8000 Вт на фокусном расстоянии 200мм. Также необходимым требованием является совместимость лазерной головы с генератором излучения. Эта совместимость определяется диаметром оптоволокна, с помощью которого происходит соединение головы с генератором. Так же на голове расположен модуль для подачи защитного газа.

Всем этим требованиям удовлетворяет лазерная голова фирмы Highyag модель LaserProcessingHead BIMO (Рисунок 3.3.1).

Рисунок 3.3.1.ЛазернаяголоваLaserProcessingHeadBIMO[5].

Технические характеристики лазерной головы приведены в таблице 4.

Таблица 4. Технические характеристики лазерной головыHighyagLaserProcessingHead BIMO

3.4. Крепление для лазерной головы

Для крепления лазерной головы используется док-станция(рисунок 3.3.1)поставляемая фирмой Highyag в виде дополнительного модуля к лазерной голове.

Рисунок 3.4.1.HighyagДок-станция[6].

3.5. Выбор технологической оснастки

В качестве технологической оснастки используется стол с вращательной системойProArc PT-102и трехкулачковый самоцентрирующийся патрон. Выбор данной оснастки осуществлялся с учетом размеров и массы зажимаемой детали, а также необходимой скоростью вращения6 об/мин. Характеристики вращателя представлены в таблице 5. Для закрепления детали во вращателе необходимо предварительно сделать прихватки в количестве четырех штук (параметры режима сварки для прихваток см. в Приложении).

В комплект к вращателю компания ProArc предлагает различные дополнительные модули. Из необходимых нужно выбрать сварочный стол, направляющие длиной 1200мм и заднюю бабку;

Таблица 5. Технические характеристики ProArc PT-102

Заключение

В ходе работы были рассчитаны оптимальные параметры лазерного излучения для сварки двух труб диаметром 50 мм и толщиной 8 мм встык. Подбор параметров осуществлялся с помощью программы LaserCAD, в которой, изменяя параметры лазерного излучения моделировали вид каверны. Основныепараметры, полученные при компьютерном моделировании:

• Мощность лазерного излучения 7 кВт;
• Скорость сварки 1,5 см/с;
• Фокусное расстояние 200 мм;
• Длина волны 1,06 мкм.

По рассчитанным параметрам было подобрано оборудование и оснастка для реализации технологического процесса сварки двух труб. Сварная установка состоит из:

• Лазерный излучатель ЛС-8;охлаждающая система RIEDEL SC 71;
• Лазерная голова с системой подачи защитного газа highyagLaserProcessingHead BIMO и док-станция;
• Стол с поворотным механизмом ProArc PT-101 D L 12.

Список использованных источников

1. Григорьянц А.Г. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн.5 Л17 Лазерная сварка металлов: Учеб. Пособие для вузов.– М.:Высш. Шк., 1988 – 207 с.
2. Лазерная сварка, [Электронный ресурс], http://www.svarkainfo.ru/rus/technology/laser/laser.php(дата обращения: 13.12.2013).
3. Оптические компоненты и системы, [Электронный ресурс], http://www.oco.ru/catalog/p25/(дата обращения: 13.12.2013).
4. RIEDEL, [Электронный ресурс], http://www.riedel-cooling.de/en/products/standard-series/sc-series-compact-chillers-for-low-output-applications-1-15-kw/ (дата обращения: 13.12.2013).
5. HighYagLasertechnologie, [Электронный ресурс], http://www.highyag.de/v2/108-1-laser-processing-head-bimo-new.html (дата обращения: 13.12.2013).
6. HighYagLasertechnologie Docking station for laser machining tools, [Электронныйресурс], http://www.highyag.de/v2/55-1-docking-station.html (датаобращения: 13.12.2013). 
   

Приложение 1

Подготовка и сборка деталей под сварку

Подготовка кромокдолжна соответствовать ГОСТ 28915-91.

Зажать детали в патроны на вращателе и задней бабке стола.

Таблица 1. Подготовка и сборка деталей под сварку

Таблица 2. Технологические параметры прихватки

Таблица 3. Технологические параметры сварки

Контроль качества сварки

Контролируемые дефекты установлены ГОСТ 30242-97.

Контроль качества сварного соединения должен осуществляться по ГОСТ 3242-79,

ГОСТ 14782-86, визуальный и измерительный контроль по РД 03-606-03.