Разработка технологии лазерной сварки судовых микропанелей

 

 

Аннотация.

В данном дипломном проекте представлена технология двухлучевой лазерной сварки микропанелей судов. Данная тема рассмотрена на примере изготовления типовой микропанели из стали марки Ст3сп класса А с толщиной полотнища 16 мм и ребрами жесткости толщиной 8 мм.

Рассмотрен вопрос особенности лазерной сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей, установлены режимы двухлучевой лазерной сварки стали типовой микропанели. Выявлены основные дефекты при лазерной сварке и установлены причины их возникновения. Проведен технико-экономический анализ изготовления микропанелей с использованием технологии двухлучевой лазерной сварки.

 

 

 

 

Содержание.

 

 

 

 

1. Введение

 

В производстве корпусов судов значительный объем работ составляет изготовление  микропанелей, причем их число, размеры и масса возрастают по мере увеличения тоннажа выпускаемых судов. В соответствии с этим возникает необходимость изготовления полотнищ и плоских секций с использованием комплексно-механизированных линий, обеспечивающих выпуск широкого диапазона типоразмеров. Механизация и автоматизация изготовления корпусных конструкций – эффективное средство сокращения продолжительности и трудоемкости их производства. В зарубежном судостроении широко применяют комплексно-механизированные поточные линии (МПЛ) для изготовления узлов (микропанелей) плоских подсекций и секций сборочных единиц корпуса судна. В отечественном судостроении МПЛ внедрялись в 70-80-х гг. прошлого века на многих верфях отрасли, но затем в связи со спадом строительства судов МПЛ на этих верфях пришли в упадок и в основном были демонтированы. Однако отечественное судостроение, переживая кризисный период, тем не менее начинает свое возрождение, и снова актуальным становятся механизация и автоматизация корпусосборочного производства, что диктуется дефицитом квалифицированной рабочей силы и возрастающей её стоимостью.

Безусловно, сокращая продолжительность и трудоемкость производства, качество изготовления должно оставаться на высоком уровне, т.к. является ключевым фактором достижения продуктивности в современном судостроении. Анализ современных тенденций развития ведущих верфей и машиностроительных предприятий показывает, что решение проблем повышения качества продукции, сокращение сроков ее изготовления, решение кадрового вопроса возможно широким применением лазерных технологий обработки металлопроката.

Основными достоинствами лазерных технологий являются:

• локальность воздействия, отсутствие контакта с обрабатываемым изделием;
• универсальность, возможность обработки различных материалов;
• высокая скорость и точность обработки в различных геометриях;
• отсутствие потребности в финишных операциях;
• высокая степень автоматизации, быстрота перенастройки и большая производительность лазерного технологического оборудования (ЛТО);
• энергосбережение, минимизация отходов;
• экологическая чистота;
• возможность комбинирования с другими видами обработки;
• высокая экономическая эффективность (при грамотном использовании ЛТО).

Исходя из всего вышеперечисленного, внедрение лазерных технологий в автоматизированное производство микропанелей может оказаться весьма эффективно как экономически, так и качественно.

 

2. Описание материала и изделий.

2.1. Конструкция изделий.

 

В данном дипломном проекте рассмотрен вопрос возможности применения технологии лазерной сварки для изготовления микропанелей различных проектов постройки судна. В таблице 1 представлен объем конструкций по различным проектам.

 

Таблица 1 – Сводная таблица объема конструкций по проектам ОАО «Адмиралтейские верфи»

Наименование	Пр 20071		Пр 15966		Пр 05-55		Пр 05-55 В варианте разбивки на блоки под лист 4,5 х23 м (экспертная оценка)		Пр 70046
	шт	т	шт	т	шт	т	шт	т	шт	т
Дедвейт DW, т	19950		28840		47400		47400		74000
Размеры LxBxH, м	155,1х24,5х13,4		179х25,3х14,3		182,5х32,2х17,5		182,5х32,2х17,5		228,5х35,2х20,2
Масса металлического корпуса, т	5212		8450		7830		7830		13000
S обшивки, мм	От 6 до 42		От 8 до 36		От 12 до 42		От 12 до 42		От 14 до 46
Плоские секции, в том числе: - до 10 х 10 м - более 12 х 16 м	158   110 48	3305   2300,9 1004,1	196   136 60	4100   2844,8 1255, 2	243   165 78	5084   3452,1 1595,9	162   98 65	5084   3075,5 2008,5	304   182 122	6360
Объемные секции днищевые, бортовые, палубные	26 16 16	692,1 1180,6 707,6	28 18 9	1682,3 1427,2 513	39 30 15	2132,4 2110,1 506,4	22 17 9	2132,4 2110,1 506,4	89 126 49	5334,1 5983,9 1309,5
Микропанели,   в том числе: - 1,5 х 2,5  м      - 2,4 х 8  м        - 3,2 х 10  м	662   397 198 67	1170,4   700,1 350,0 120,3	827   455 248 124	1462,1   804,4 438,5 219,2	992   496 348 146	1753,6   876,8 615,2 261,6	992   496 348 146	1753,6   876,8 615,2 261,6	1654   910 496 248	2924,3
Криволинейные объемные секции	66	498,5	82	623,4	98	748,6	98	748,6	164	1246,2
Прямоугольные объемные секции	60	2580,3	76	3526,2	184	4474,9	122	4474,9	312	8860,6
Переборки поперечные плоские	4	59,8	4	66,4	4	72,6	4	72,6	18	1020,3
Переборки поперечные гофрированные	16	471,6	18	697,5	10	251,8	10	251,8	-	-
Переборки продольные плоские	-	-	-	-	-	-	-	-	15	1322,8
Переборки продольные гофрированные	9	216,7	10	363,0	13	620,9	13	620,9	-	-
Профиль	11711	937	14622	1169,7	17590	1407	17590	1407	29254	2375
Балки	268	233,9	336	292,1	404	351,2	404	351,2	668	585,6

 

Из таблицы видно, что для постройки какого-либо из проектов требуется большое количество микропанелей, при этом микропанели различных размеров, с наборами одного и двух направлений, различными шпациями. Мы не будем рассматривать их все, а остановимся на одной типовой микропанели, эскиз которой изображен на рисунке 1.

Рис.1 Эскиз типовой микропанели.

В качестве конструкционного материала использована сталь марки Ст3сп класса А – одна из основных конструкционных сталей при изготовлении судна.

 

2.2. Классификация и свойства материала.

 

Углеродистые и низколегированные стали – основной материал для изготовления корпусов металлических судов, судового механического оборудования, технологической оснастки судостроительных предприятий и т.д.

Чтобы обеспечить надежность и долговечность корпусов современных судов, особенно крупных, необходимо использовать стали, обладающие повышенной вязкостью и прочностью, способностью задерживать распространение трещин и в известной мере предотвращать их возникновение. Эти стали характеризуются высокой ударной вязкостью и низкой критической температурой хрупкости, они должны хорошо свариваться, не вызывать дополнительных технологических и конструктивных трудностей при постройке судна, обеспечить необходимую усталостную прочность корпуса.

Так как назначение и применимость конструкционных сталей в основном определяются их механической прочностью, можно условно разделить все используемые в судостроение и в судовом машиностроение конструкционные стали на следующие категории (таблица 2).

 

Таблица 2 – Классификация конструкционных сталей по прочности

Категория стали	Минимальный предел текучести Re, H/мм2	Относительное удлинение A5, %
Нормальной прочности	235	Выше 25
Повышенной прочности	315, 355, 390	25 – 20
Высокопрочная	420	20 – 8

 

Следует обратить внимание на то, что термины прочная сталь, сталь повышенной прочности, высокопрочная сталь и т.п. носят условный характер, т.к. на различных этапах развития металлургии и в разных областях использования металлов абсолютные величины показателей прочности, соответствующие этим терминам, были различны. Деление, приведенное в таблице 1, наиболее типично в настоящее время.

Ст3сп относительно дешева, обладает хорошей свариваемостью  и не склонна к отпускной хрупкости.

Химический состав и механические свойства стали марки Ст3сп приведены в таблице 3 и 4 соответственно.

 

Таблица 3 – Химический состав стали марки Ст3сп

Марка стали	Массовая доля элементов, %
	углерод	марганец	кремний	хром	медь	никель	азот	сера	фосфор
				не более
Ст3сп	0,14-0,22	0,40-0,65	0,15-0,30	0,30	0,30	0,30	0,008	0,045	0,035

 

 

Таблица 4 – Механические свойства стали марки Ст3сп

Марка стали	Предел текучести, Re, H/мм2	Временное сопротивление, Rm, H/мм2	Относительное удлинение, А5, %	Ударная вязкость KCU, Дж/см²
				+20 С°	-20 С°
	не менее
Ст3сп	245	370-480	26	98	29

 

 

 

3.  Выбор и обоснование способа сварки.

 

3.1  Краткий обзор традиционных способов сварки низкоуглеродистых конструкционных сталей.

 

3.1.1 Общие сведения о свариваемости

Рассматриваемые (низкоуглеродистые и низколегированные) стали обладают хорошей свариваемостью. Технология их сварки должна обеспечивать определенный комплекс требований, основными из которых являются равнопрочность сварного соединения с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном шве. Для этого механические свойства металла шва и околошовной зоны должны быть не ниже нижнего предела механических свойств основного металла. В некоторых случаях конкретные условия работы конструкций допускают снижение отдельных показателей механических свойств сварного соединения. Однако в большинстве случаев, особенно при сварке ответственных конструкций, швы не должны иметь трещин, непроваров, пор, подрезов. Геометрические размеры и форма швов должны соответствовать требуемым. Сварное соединение должно быть стойким против перехода в хрупкое состояние. В отдельных случаях к сварному соединению предъявляют дополнительные требования. Однако во всех случаях технология должна обеспечивать максимальную производительность и экономичность процесса сварки при требуемой надежности и долговечности конструкции.

Механические свойства металла шва и сварного соединения зависят от его структуры, которая определяется химическим составом, режимом сварки и предыдущей и последующей термической обработкой. Химический состав металла шва зависит от доли участия основного и электродного металлов в образовании шва и взаимодействий между металлом и шлаком и газовой фазой. При сварке рассматриваемых сталей состав металла шва незначительно отличается от состава основного металла. В металле шва меньше углерода для предупреждения образования структур закалочного характера при повышенных скоростях охлаждения. Возможное снижение прочности металла шва, вызванное уменьшением содержания углерода, компенсируется легированием металла через проволоку, покрытие или флюс марганцем и кремнием.

Швы, сваренные на низкоуглеродистых сталях всеми способами сварки, обладают удовлетворительной стойкостью против образования кристаллизационных трещин. Это обусловлено низким содержанием в них углерода. Однако при сварке на низкоуглеродистых сталях, содержащих углерод по верхнему пределу (свыше 0,20%), угловых швов и первого корневого шва в многослойных швах, особенно с повышенным зазором, возможно образование в металле шва кристаллизационных трещин, что связано в основном с неблагоприятной формой провара (узкой, глубокой). Легирующие добавки в низколегированных сталях могут повышать вероятность образования кристаллизационных трещин. Все низкоуглеродистые и низколегированные стали хорошо свариваются всеми способами сварки плавлением. Обычно не имеется затруднений, связанных с возможностью образования холодных трещин, вызванных образованием в шве или околошовной зоне закалочных структур. Однако в сталях, содержащих углерод по верхнему пределу и повышенное содержание марганца и хрома, вероятность образования холодных трещин в указанных зонах повышается, особенно с ростом скорости охлаждения (повышение толщины металла, сварка при отрицательных температурах, сварка швами малого сечения и др.). В этих условиях предупреждение трещин достигается предварительным подогревом до 120—200 0С. Предварительная и последующая термическая обработка сталей, использующихся в ответственных конструкциях, служит для этой цели, а также позволяет получить необходимые механические свойства сварных соединений (высокую прочность или пластичность, или их необходимое сочетание).

 

3.1.2 Ручная дуговая сварка низкоуглеродистых сталей.

При ручной дуговой сварке покрытыми металлическими электродами, сварочная дуга горит между электродом и изделием, оплавляя кромки свариваемого изделия и расплавляя металл электродного стержня и покрытие электрода. Кристаллизация металла сварочной ванны образует сварной шов.