Разработка технологии лазерной сварки судовых микропанелей

Эффективность использования мощных лазеров снижает индуцируемая лазерным излучением приповерхностная плазма, которая существенно уменьшает долю энергии, вкладываемую лазерным пучком в обрабатываемое изделие, в результате чего технология лазерной сварки на больших мощностях остается недостаточно эффективной.

Исходя из вышеперечисленного материала, можно сделать вывод, что, используя двухлучевую лазерную с присадочной проволокой, сварку мы избавляемся от ряда недостатков, присущих методу однолучевой лазерной сварки, а именно:

• высокая твёрдость сварного шва;
• высокие требования к сборке кромок;
• большая вероятность появления экранирующей плазмы;

3.3 Качественное и экономическое сравнение двухлучевой сварки и традиционных способов сварки.

3.3.1 Качественное сравнение

В первую очередь стоит отметить, что лазерная сварка имеет более высокую производительность в отличие от сварки под флюсом и сварки в защитных газах. Что касается качества - высокая концентрация энергии, большая скорость лазерной сварки по сравнению с дуговыми способами, незначительное тепловое воздействие на околошовную зону вследствие высоких скоростей нагрева и охлаждения металла существенно повышают сопротивляемость большинства конструкционных материалов образованию горячих и холодных трещин.

Результаты испытаний, выполненных в работе [1], на ударную вязкость по Шарпи металла (сталь 08ГФБАА (К60)) сварных швов, сваренных двухлучевой лазерной сваркой и дуговой сваркой под слоем флюса свидетельствуют о высоком уровне вязкопластических свойств вплоть до температуры испытания минус 40°С. Сравнительные испытания на ударную вязкость при температурах минус 20°С и минус 40°С показали, что ударная вязкость металла сварного шва, выполненного двухлучевой лазерной сваркой примерно в 1,5 раза выше ударной вязкости металла шва, сваренного под слоем флюса. Ударная вязкость металла сварных швов, сваренных лазерной и дуговой сваркой под слоем флюса по средним значениям составляет:

KCV-20 = 96–163 Дж/см2, KCV-40 = 71-132 Дж/см2 - шов двухлучевой лазерной сварки;

KCV-20 = 69-105 Дж/см2, KCV-40 = 44-81 Дж/см2 - шов под слоем флюса.

Что же касается твердости, то у ДЛС она находится в пределах 209-240 HV10, у сварки под флюсом – в пределах 200-233 HV10, что вполне удовлетворяет требованиям в судостроительной промышленности.

 

3.3.2 Экономическое сравнение

Считается, что лазерная сварка процесс дорогостоящий и не подходит для многих сварочных производств. В первую очередь из-за дороговизны оборудования и малого значения КПД лазеров. Однако благодаря высокой концентрации энергии и образованию каналированного проплавления лазерная сварка обладает рядом отличительных характеристик, которые приводят к экономическому эффекту.

В работе [1] производилось сравнение расходов на технологический процесс ДЛС (с помощью СО2 лазера) и сварки под флюсом при выполнении одного метра шва стали толщиной 10мм. Итоги сравнения приведены в таблице 6.

 

Таблица 6.

Наименование расхода	АДС, руб./мин	ДЛС, руб./мин
Проволока	20	1
Флюс	10	–
Газы	–	26,5
Электроэнергия	1,4	3
Итого:	31,4	30,5

 

Из таблицы видно, что расходы на дуговую сварку под флюсом и лазерную сварку сопоставимы, но в данной работе использовались СО2 лазеры. При использовании волоконных лазеров значительно сокращаются затраты на газы и электроэнергию, т.к. КПД их выше, а дорогостоящие газы для работы лазера не используются. При приблизительном пересчете получаем следующие данные (Таблица 7):

 

 

Таблица 7.

Наименование расхода	АДС, руб./мин	ДЛС, руб./мин
Проволока	20	1
Флюс	10	–
Газы	–	13
Электроэнергия	1	1
Итого:	31	15

 

Что касается затрат при сварке в защитных газах, они для заданной толщины (10мм) будут выше, чем при сварке под флюсом, т.к. из-за разделки кромок также расходуется существенное количество сварочной проволоки, а издержки на газы будут превышать издержки на флюс по причине большего количества проходов и стоимости газов.

Соответственно, можно сделать вывод, что лазерная сварка при помощи волоконных лазеров может быть экономически целесообразна благодаря существенно меньшим затратам на технологический процесс.

 

3.3.3 Итог сравнения

Безусловно, стоимость оборудования для ДЛС с помощью волоконного лазера, существенно превышает стоимость оборудования для сварки под флюсом и в защитных газах. Но при этом, мы получаем вдвое меньшую стоимость погонного метра, более высокую производительность и качество сварного соединения.

Стоит заметить, что, используя волоконные, а не CO2 лазеры, мы не затрачиваем дополнительных средств на рабочие газы (He, N2, CO2), а также средств и времени на настройку сложной системы транспортировки лазерного излучения (луч перемещается по оптоволокну).

На данный момент волоконные лазеры превосходят все существующие лазерные технологии в части: уровня мощности, качества пучка, занимаемой площади, расстояния доставки излучения, ресурса работы и стоимости эксплуатации.

 

4. Оборудование для лазерной сварки микропанелей.

 

Возможность осуществления роботизированной сварки материала во многом определяется возможностями имеющегося оборудования. Постановка работ по созданию комплекса оборудования для механизированной сборки и роботизированной сварки микропанелей стала возможна благодаря тому, что компания «IMG» в 2006 -2009 годах выполнила большой объем НИР по установлению возможности использования лазерного сканирования с целью разработки программ управления движением работа. Лазерное сканирование вместе с методом фотограммометрирования позволило существенно упростить разработку программ траектории движения робота, при сварке произвольно расположенных на сборочной плите судовых микропанелей. Это «ноу-хау» ставит совместную разработку ОАО «ЦТСС» и компании «IMG», а именно: комплекс оборудования для механизированной сборки и роботизированной сварки микропанелей в один ряд с лучшими мировыми техническими разработками в сфере автоматизации процессов сборки и сварки в судостроении.

 

В данном дипломном проекте, для сварки микропанелей из низкоуглеродистых и низколегированных сталей, использовалась линия для сварки микропанелей, состоящая из следующих модулей:

1. Манипулятор для установки и прихватки набора, включающий:

• Полный портал с концевыми балками и ходовыми механизмами
• Ходовая каретка на портальной балке с блоком для захвата и прижима
• Оснастка для прихватки вручную

2. Робот для сварки микропанелей с фотограммометрическим сенсором, включающий:

• Напольный рельсовый путь
• Балки для ходовых механизмов
• Опоры с портальной балкой
• Каретка с 6-координатным роботом HR030L фирмы «Hyundai»
• Система управления роботом для 8 внутренних и внешних осей
• Система фотограммометрирования с двойной камерой и программным обеспечением

3. Волоконные источники лазерного излучения ЛС-3 и ЛС-8 фирмы «ИРЭ-Полюс» (Россия).

4. Оптическая лазерная головка YW52 фирмы «Precitec» со встроенным модулем видеосенсора (Германия).

5. Чиллер PC160 фирмы «Riedel» (Германия).

 

Общий вид линии для сварки микропанелей представлен на рисунке 13.

Рис. 13 Общий вид линии IMG.

 

Схема расположения элементов линии с габаритными размерами изображена на рисунке 14.

 

Рис. 14 – Схема расположения элементов линии IMG.

 

 

 

Параметры применяемых листов, профилей и микропанелей

 

Применяется судостроительная сталь ГОСТ 5521 (1993) A,B,D (нормальной прочности) и стали A32 – А36.

 

Листы  мин.  макс.

Длина  1,0 м  12 м

Ширина  0,8 м  3,2 м

Толщина  4 мм  20 мм

Масса   6,0 т

 

Профили:

Полособульб, полоса, уголок (несимметричный и симметричный)

Длина профиля   1,5 -12,0 м

Высота профиля   60 - 500 мм

Максимальная масса   1,0 т

 

Микропанели, максимальные размеры в координатах линии:

Длина,   L 12 м

Ширина,   В 3,2 м

Высота, Н   мах. 0,5 м

 

 

4.1 Манипулятор для установки и прихватки набора

Манипулятор для установки и прихватки, входящий в состав портала для установки и прихватки набора, извлекает профиль из кассеты, расположенной рядом с линией и в котором профили скомплектованы по рабочим заданиям и передает на рабочий стенд. Манипулятор позиционирует и прижимает данный профиль в любом направлении (вдоль, поперек, под углом).

Все передвижения (передвижение портала, манипулятора, подъем и опускание профиля манипулятором) производится с помощью электроприводов.

Для управления предусмотрен джойстик в виде колеса управления и пульт управления на манипуляторе.

Сварочным аппаратом МАГ (напр. KempoMat 4200), перемещаемым манипулятором для установки и прихватки, производится прихватка вручную. Внешний вид и характеристики аппарата представлены на рисунке 15 и в таблице 8 соответственно.

Рис. 15. Общий сварочного аппарата KempoMat 4200

Таблица 8. Технические характеристики сварочного аппарата KempoMat 4200

Напряжение подключения		3Ф, 380 В-10%... 415 В+6%
Сетевой кабель / предохранитель		4х2,5 мм2 / 16 А
Нагружаемость	40% ПВ	420 А/37,5 В
	100% ПВ	265 А/27 В
Напряжение холостого хода		48 В
Сварочная проволока Ø		0,6-1,6 мм
Скорость подачи		0…25 м/мин
Кассета		300 мм
Габариты ДхШхВ		970х480х970 мм
Вес		130 кг

 

Порталом для установки и прихватки набора устанавливается и прижимается продольный и поперечный набор.

Общий вид манипулятора для установки и прихватки набора изображен на рисунке 16.

Рис. 16. Манипулятор для установки и прихватки набора.

 

 

 

 

Таблица 9 – Технические характеристики манипулятора.

Скорость передвижения портала	макс. 20 м/мин
Скорость передвижения каретки	макс. 20 м/мин
Скорость подъема	1,5 – 6 м/мин
Высота подъема	1500 мм
Максимально переносимый вес	500 кг
Усилие прижима	5 кН
Угол поворота	360°
Напряжение питающей сети	~ 380

 

 

 

4.2 Робот для сварки микропанелей с фотограммометрическим сенсором

Для приварки профилей на поверхности листа применяется робот для лазерной сварки, оснащённый фотограммометрическим сенсором. Камера перемещается одновременно на портале робота и производит сканирование на площади 12х3,2м.

Общий вид манипулятора с роботом для сварки микропанелей с фотограммометрическим сенсором изображен на рисунке 17.

Рис. 17 Манипулятор и робот для сварки микропанелей с фотограммометрическим сенсором

 

Таблица 10 - основные параметры манипулятора с роботом:

Рабочая площадь	12х3,2
Скорость передвижения портала	макс. 20 м/мин
Скорость поперечного передвижения	макс. 20 м/мин
Робот с интегрированным пакетом шлангов фирмы «Hyundai»	6 осей
Система управления робота 8 осями	(6 внутренних и 2 внешних оси)

 

Робот Hyundai HR030L его технические характеристики представлены на рисунке 18 и в таблице 11 соответственно.

Рис. 18 – Робот Hyundai HR030L

Таблица 11 - Технические характеристики робота Hyundai HR030L

Грузоподъемность	30 кг
Максимальная дистанция	2431 мм
Степени свободы	6
Стабильность	0,15 мм