Лазерная сварка

ЗАДАНИЕ

на курсовое проектирование по курсу

 

«Технология обработки КПЭ»

 

  

 

 

 

Рисунок 1. Задание к курсовому проекту.

 

Таблица 1. Параметры свариваемых труб

Материал	d мм	D мм	L мм	Тип соединения	Технология
12Х17	8	50	100	Вариант 1	Лазерная сварка

 

 

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

Поглощенная энергия	4887 Вт	Мощность излучения	7000 Вт
Потери на испарение	1020 Вт	Скорость сварки	1,5 см/с
Потери энергии на отражение	99 Вт	Апертура	20.00 мм
Скорость вылета паров	84,5 м/с	Фокальный радиус	0.300 мм
Температура стенок	3059 К	Фокусное расстояние	200.00 мм
Канал	присутствует	Фокусное превышение	3.00 мм
Толщина образца	8 мм	Длина волны	1.06мкм
Глубина	6,121 мм	Радиус пятна на поверхности	0,749 мм
Ширина на поверхности	3.607 мм	Тип соединения	стыковое соединение
Ширина на середине глубины	2,681 мм	Площадь проплавления	298,46

 

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.

Чистаяхладопроизводительность, кВт	7,6
Охлаждающая жидкость	Вода
Температура окружающей среды, оС	+15 до +45
Температура охлаждающей жидкости, оС	+8 до +25
Скорость охлаждающего потока, м3/час	1,3
Давление в системе, атм	5-6