Лазерная сварка

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Сущность лазерной сварки

Лазерное излучение обеспечивает высокую концентрацию энергии, значительно превосходящую другие источники энергии, используемые для сварки. Электронный луч, используемый в настоящее время для сварки основных конструкций, также обеспечивает достаточно высокую концентрацию энергии. Однако электронно-лучевая сварка осуществляется в вакуумных камерах, что необходимо для устойчивого проведения процесса. Лазерная сварка принципиально отличается от электронно-лучевой сварки тем, что не требует вакуумных камер. Процесс лазерной сварки осуществляется на воздухе либо в среде защитных газов: Ar, He, CO₂ и др. Благодаря этому лазерную сварку можно применять для соединения элементов крупногабаритных конструкций [8].

Лазерный луч с помощью зеркальных оптических систем легко транспортируется и направляется в труднодоступные места. При этом обеспечивается надежное и оперативное управление процессом лазерной сварки с регулируемыми энергетическими характеристиками. В отличие от электронного луча, дуги и плазмы на лазерный луч не влияют магнитные поля свариваемых деталей и технологической оснастки. Это позволяет получать устойчивое качественное формирование сварного соединения по всей длине.

Для сварки металлов используются твердотельные и газовые лазеры как периодического, таки непрерывного действия.

Благодаря высокой концентрации энергии лазерного излучения в процессе сварки обеспечивается малый объем расплавленного металла, незначительные размеры околошовной зоны термического влияния, высокие скорости нагрева и охлаждения металла шва и околошовной зоны. Эти особенности теплового воздействия предполагают минимальные деформации сварных конструкций, специфику физико-химических и металлургических процессов в деталях при лазерной сварке, высокую технологическую прочность и характерные свойства полученных сварных соединений.

Лазерная сварка осуществляется в широком диапазоне режимов, обеспечивающих высокопроизводительный процесс соединения различных металлов толщиной от нескольких микрон до десятков миллиметров [8].

Преимущества лазерной сварки.

Важнейшим преимуществом лазерной сварки твердотельными лазерами является возможность очень тонкой дозировки энергии, поэтому удается обеспечить получение качественных соединений при изготовлении очень мелких деталей.

Для мощных газовых лазеров преимуществом является получение большой глубины проплавления при малой ширине шва. Это позволяет уменьшить зону термического влияния, сократить сварочные деформации и напряжения.

Кроме того, лазерная сварка обладает рядом преимуществ, не присущих другим способам сварки. Лазер может быть расположен на достаточно большом удалении от места сварки, что в ряде случаев дает существенный экономический эффект. Например, известна установка для лазерной сварки при ремонте трубопроводов, проложенных по дну водоема. Внутри трубы перемещается тележка с вращающимся зеркалом. лазер же находится у конца секции трубопровода и посылает луч внутри трубы. Это позволяет осуществлять лазерную сварку, не снимая с трубопровода балласт и не поднимая ее на поверхность.

Легкость управления лазерным лучом с помощью зеркал и волоконной оптики позволяет осуществлять сварку в труднодоступных, иногда не находящихся в пределах прямой видимости местах. Возможна также лазерная сварка нескольких деталей от одного лазера расщепленным с помощью призм лучом.

Недостатки лазерной сварки.

Недостатками лазерной сварки являются высокая сложность и стоимость оборудования, низкий КПД лазеров. По мере развития лазерной техники эти недостатки устраняются

2. Обрабатываемый материал

Сталь ВКНА - Литейные жаропрочные интерметаллидные сплавы на основе никеля.

Температура плавления - 1400 ?С [14];

Температура закалки - 780 ?С [14];

Температура отпуска - 400 ?С [14];

Температура начала мартенситного превращения 245 ?С [14];

Плотность 7,93 г/см³.

Теплофизические свойства обрабатываемого материала:

Удельная теплоемкость - 0,16 кал/г•град [14];

Коэффициент теплопроводности - 0,07 кал/см•с•град [14].

Рисунок 2.1. Схема линейного источника тепла в пластине: у1 - зона проплавления; у2 - зона закалки; у3 - зона отпуска

3. Расчёт и построение зависимостей температурных полей предельного состояния при изменении технологических параметров сварки

Определим модель распространения тепла, предварительно рассчитав скорость перемещения тепла по формуле [9]:

(3.1)

где а - коэффициент температуропроводности материала детали [9];

t_экс - время экспозиции [9]:

Подставим все в формулу (3.1):

модель быстродвижущегося линейного источника тепла в пластине.

где V - скорость перемещения источника (V = 0,42 см/с).

Тогда для расчета температуры используется следующая формула [8]:

(3.2)

где q = з?P - интенсивность источника нагрева (з = 0,5 - 0,8) [8];

y₀ - координата точки А, в которой рассчитывается температура.

t - время, отсчитываемое от момента, когда источник пересекает линию по y, проведенную перпендикулярно к оси Ох через рассматриваемую точку А;

b - коэффициент температуроотдачи с поверхности пластины [9]:

(3.3)

где б_t - коэффициент теплоотдачи с поверхности пластины;

с - удельная теплоемкость материала;

с - плотность материала;

д - толщина пластины;

а - коэффициент температуропроводности материала.

Рассчитаем значение температур в точках, удаленных на различное расстояние от оси Ох. Построим кривые температурных полей.

Вариант 1

Кривые температурных полей при P = 1 Вт, V = 0,42 см/с показана на рисунке 3.1.

Определим значение скоростей нагрева и охлаждения, максимальные температуры, время их достижения и значение роста зерна. Полученные значения внесем в табл. 3.1

Таблица 3.1 Значение скоростей нагрева и охлаждения, максимальные температуры, время их достижения и значение роста зерна при Р = 1 кВт, V = 0,42 см/с

у, мм	0	0,042	0,078	0,127
Тm, ?С	-	1400,1	779,711	400
tm, с	-	0,033	0,745	0,1317
Wохл, ?С/с	-	-88,6	-55	-39,38
tрз, с	~0,05	~0,05	-	-

Рисунок 3.1. Кривые температурных полей при P = 1 Вт, V = 0,42 см/с:

1) при у = 0 мм; 2) при у1 = 0,042 мм;

3) при у2 = 0,078 мм; 4) при у3 = 0,127мм.

Прогнозируем размеры роста зерна:

(3.4)

где Т₀ - температура предварительного источника нагрева (Т₀ = 0);

f - коэффициент выбираемый из монограмм Рыкалина [15].

Вариант 2

Кривые температурных полей при P = 1,5 Вт, V = 0,42 см/с показана на рисунке 3.2. лазерный сварка сталь

Рисунок 3.2 Кривые температурных полей при P = 1,5 Вт, V = 0,42 см/с:

1) при у = 0 мм; 2) при у1 = 0,0689 мм;

3)при у2 = 0,107 мм; 4) при у3 = 0,147 мм

Определим значение скоростей нагрева и охлаждения, максимальные температуры, время их достижения и значение роста зерна. Полученные значения внесем в табл. 3.2

Таблица 3.2 Значение скоростей нагрева и охлаждения, максимальные температуры, время их достижения и значение роста зерна при Р = 1,5 Вт, V = 0,42 см/с

у, мм	0	0,0689	0,107	0,147
Тm, ?С	-	1400	780	399,864
tm, с	-	0,051	0,116	0,205
Wохл, ?С/с	-	-52,214	-38,634	-20,769
tрз, с	~0,09	~0,09	-	-

Вариант 3

Кривые температурных полей при P = 2 Вт, V = 0,42 см/с показана на рисунке 3.10.

Определим значение скоростей нагрева и охлаждения, максимальные температуры, время их достижения и значение роста зерна. Полученные значения внесем в табл. 3.3

Таблица 3.3 Значение скоростей нагрева и охлаждения, максимальные температуры, время их достижения и значение роста зерна при Р = 2 Вт, V = 0,42 см/с

у, мм	0	0,088	0,126	0,169
Тm, ?С	-	1400	781	400
tm, с	-	0,074	0,166	0,295
Wохл, ?С/с	-	-15,238	-6,465	-4,389
tрз, с	~0,13	~0,13	-	-

Рисунок 3.3 Кривые температурных полей при P = 2 Вт, V = 0,42 см/с:

1) при у = 0 мм; 2) при у1 = 0,088 мм;

3) при у2 = 0,125 мм; 4) при у3 = 0,169 мм

Вариант 4

Кривые температурных полей при P = 2,5 Вт, V = 0,42 см/с показана на рисунке 3.4.

Определим значение скоростей нагрева и охлаждения, максимальные температуры, время их достижения и значение роста зерна. Полученные значения внесем в табл. 3.4



Таблица 3.4 Значение скоростей нагрева и охлаждения, максимальные температуры, время их достижения и значение роста зерна при Р = 1,25 Вт, V = 0,42 см/с

у, мм	0	0,102	0,141	0,187
Тm, ?С	-	1400	780	400,1
tm, с	-	0,1005	0,225	0,399
Wохл, ?С/с	-	-1,1	-0,914	-0,454
tрз, с	~0,18	~0,18	-	-

Рисунок 3.4 Кривые температурных полей при P = 2,5 Вт, V = 0,42 см/с:

1) при у = 0 мм; 2) при у1 = 0,102 мм;

3) при у2 = 0,141 мм; 4) при у3 = 0,187 мм

Вариант 5

Кривые температурных полей при P = 3 Вт, V = 0,42 см/с показана на рисунке 3.5.

Определим значение скоростей нагрева и охлаждения, максимальные температуры, время их достижения и значение роста зерна. Полученные значения внесем в табл. 3.5

Таблица 3.5 Значение скоростей нагрева и охлаждения, максимальные температуры, время их достижения и значение роста зерна при Р = 1,25 Вт, V = 0,42 см/с

у, мм	0	0,114	0,196	0,299
Тm, ?С	-	1400	780	400,2
tm, с	-	0,231	0,394	0,521
Wохл, ?С/с	-	-36,802	-0,072	-0,066
tрз, с	~0,24	~0,24	-	-

Рисунок 3.5 Кривые температурных полей при P = 3 Вт, V = 0,42 см/с:

1) при у = 0 мм; 2) у1 = 0,114 мм;

3) у2 = 0,299; 4) у3 = 0,196 мм

Вариант 6

Кривые температурных полей при P = 2 Вт, V = 0,69 см/с показана на рисунке 3.6.

Определим значение скоростей нагрева и охлаждения, максимальные температуры, время их достижения и значение роста зерна. Полученные значения внесем в табл. 3.6

Таблица 3.6 Значение скоростей нагрева и охлаждения, максимальные температуры, время их достижения и значение роста зерна при Р = 2 Вт, V = 0,42 см/с

у, мм	0	0,068	0,107	0,167
Тm, ?С	-	1400	780	400
tm, с	-	0,04734	0,107	0,189
Wохл, ?С/с	-	-4,739	-2,542	-1,648
tрз, с	~0,08	~0,08	-	-

Рисунок 3.6 Кривые температурных полей при P = 2 Вт, V = 0,69 см/с:

1) при у = 0 мм; 2) при у1 = 0,7936 мм;

3) при у2 = 1,19 мм; 4) у3 = 1,586 мм

Вариант 7

Кривые температурных полей при P = 2 Вт, V = 0,97 см/с показана на рисунке 3.7.

Определим значение скоростей нагрева и охлаждения, максимальные температуры, время их достижения и значение роста зерна. Полученные значения внесем в табл. 3.7

Таблица 3.7 Значение скоростей нагрева и охлаждения, максимальные температуры, время их достижения и значение роста зерна при Р = 2 Вт, V = 0,97 см/с

у, мм	0	0,053	0,092	0,137
Тm, ?С	-	1400	780	3999,9
tm, с	-	0,0242	0,0545	0,097
Wохл, ?С/с	-	-19,745	-10,865	-9,858
tрз, с	~0,04	~0,04	-	-

Рисунок 3.7 Кривые температурных полей при P = 2 Вт, V = 0,97 см/с:

1) при у = 0 мм; 2) при у1 = 0,053 мм;

3) при у2 = 0,092 мм; 4) при у3 = 0,137 мм

4. Построение зависимостей времени пребывания выше температуры закалки в точках, удаленных на различное расстояние от оси шва, в зависимости от параметров обработки

На рисунках 4.1 - 4.2 представлены зависимости времени пребывания выше температуры закалки в точках, удаленных на различное расстояние от оси шва, в зависимости мощности источника, и от скорости его перемещения.

Из графика (рис. 4.1) видно, что при увеличении мощности увеличивается время пребывания выше температуры закалки. Это объясняется тем, что с увеличением мощности излучения повышается температура обрабатываемой поверхности и материал находится выше температуры закалки.

Рисунок 4.1 График зависимости времени пребывания выше температуры закалки от мощности

Рисунок 4.2 График зависимости времени пребывания выше температуры закалки от скорости перемещения источника тепла

Из графика (рис 4.2) видно, что при увеличении скорости движения источника тепла время пребывания выше температуры закалки уменьшается. Это связано с тем, что при относительно высокой скорости движения источника поверхность заготовки не успевает нагреться до высокой температуры, быстрее охлаждается, что и приводит к уменьшению времени пребывания выше температуры закалки.



5. Построение зависимостей изменения ширины зоны проплавления, закалки и отпуска в зависимости от параметров обработки

На рисунках 5.1 - 5.3 представлены зависимости изменения ширины зоны проплавления, закалки и отпуска в зависимости от мощности теплового источника.

Рисунок 5.1 График зависимости изменения ширины зоны проплавления от мощности источника

Рисунок 5.2 График зависимости изменения ширины зоны закалки от мощности источника

Рисунок 5.3 График зависимости изменения ширины зоны отпуска от мощности источника

Из графиков (рис.5.1 - 5.4) видно, что с увеличением мощности источника зоны проплавления, закалки и отпуска увеличиваются, так как с увеличением мощности источника на обрабатываемый материал поступает больше энергии, в связи с этим температура в зоне обработки увеличивается.

На рисунках 5.4 - 5.6 представлены зависимости изменения ширины зоны проплавления, закалки и отпуска в зависимости от скорости перемещения теплового источника.

Рисунок 5.4 График зависимости изменения ширины зоны проплавления от скорости перемещения источника

Рисунок 5.5 График зависимости изменения ширины зоны закалки от скорости перемещения источника

Рисунок 5.6 График зависимости изменения ширины зоны отпуска от скорости перемещения источника

Из графиков (рис. 5.4 - 5.6) видно, что при увеличении скорости перемещения теплового источника зоны проплавления, закалки и отпуска уменьшаются, так как с увеличением скорости источника каждый элементарный участок поверхности детали находится под менее продолжительным воздействием.



Список использованной литературы

1. Артамонов Б.А., Волков Ю.С., Дрожалова В.И. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. Учебное пособие (в 2-х томах). Обработка материалов с применением инструмента / под ред. В.П. Смоленцева - М.: Высш.шк., 1983 г.

2. Филимошин В.Г., Шулепов А.П. Проектирование технологических процессов электрохимического и комбинированных методов обработки поверхностей деталей двигателей летательных аппаратов. Учебное пособие. Куйбышев, 1985 г.

3. М.М. Колосков, Е.Т. Долбенко, Ю.В. Каширский и др. Марочник сталей и сплавов/под общей ред. А.С. Зубченко-М.: Машиностроение, 2001. 672 с.: илл.

4. В.В. Будилов, Р.М. Киреев, С.Р. Шехтман. Технология вакуумной ионно-плазменной обработки. Учебное пособие. Москва.2007 г.

5. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Теоретические основы обработки концентрированными потоками энергии» / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Сост: Р.М. Киреев - Уфа, 2008. - 57 с.

6. Самсонов Г.В., Серебрякова Т.И., Неронов В.А. Бориды. М.: Атомиздат. 1975. 356 с.

7. В.В. Будилов. Технология вакуумного ионно-плазменного нанесения покрытий. Учебное пособие: УГАТУ, Уфа. 1993 г. - 74 с.

8. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. М.: Машиностроение, 1989 г. - 304 с.

9. Галиев В.Э. Конспект лекции по ТООМ КПЭ

10. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки / Г.Л. Амитан [и др.] ; под ред. В. А. Волосатова.-- Л. :

11. Машиностроение. Ленинградское отделение, 1988 .-- 719 с. : ил.; 21 см .-- ISBN 5-217-00267-0: 02,20.

12. Самсонов Г.В., Константинов В.И. «Тантал и ниобий» гос. науч.-техн.издат. по черной и цветной металлургии. Москва ,1959

13. Эрозия катода и расход массы катодного материала в стационарной дуге низкого давления. В.М. Хороших от 30.11.2004 Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий.

14. Марочник сталей и сплавов / М.М. Колосков, Е.Т. Долбенко, Ю.В. Каширский и др.; Под общей ред. А.С. Зубченко - М.: Машиностроение, 2001. 672 с.: илл.

14. С.Б. Масленков, Е.А.Масленкова. Стали и сплавы для высоких температур. Справочное издание в 2-х книгах.-М.: Металлургия, 1991 г.

15. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1951, 296 с.

Размещено на Allbest.ru

...