научная статья по теме ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ ТОНКОСТЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С МАССИВНЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ ТОНКОСТЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С МАССИВНЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ»

ОРГАНИЗАЦИЯ VI ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ

СУДОСТРОЕНИЕ 5'2013

осуществляется пульсирующим током, регулируемым электронным блоком управления. Отечественная разработка позволила отказаться от ртутных контакторов, применяемых в зарубежных аналогах.

Рядом со стапелем предусмотрено парковочное место для автомата, где он находится при выполнении операций сборки, прихватки, кантовки и снятии готовой трубы. Здесь же выполняются техническое обслуживание автомата и наладочные работы, периодическая очистка сварочных роликов и их замена по мере износа.

Автомат контактной шовной сварки осуществляет сварку сплошного шва трех инварных деталей, передвигаясь по поверхности стапеля. Шов соединяет сплошную деталь инварной трубы и отбортованные кромки двух прилегающих деталей суммарной толщиной 4,5 мм (рис. 5). Все детали изготовляются с припуском, на котором начинается и заканчивается сварной шов. По завершении автоматической сварки излишки длины обрезаются и используются в качестве образцов для макроскопического исследования с целью проверки качества сварного шва. Кроме того, качество шовной контактной сварки контролируется

В судовом машиностроении наряду с традиционно применяемыми технологиями необходимо использование узкоспециализированных техпроцессов, направленных на изготовление специфических деталей и узлов. Это прежде всего технологии приварки тонкостенных элементов к массивным корпусным конструкциям (например, в судовых насосах) или вварки тонкостенных труб диаметром 2 мм в трубную доску (в теплообменных аппаратах). Также в последнее время в мировой практике находят широкое применение системы охлаждения, содержащие

Привариваемые

системой регистрации тока сварки для каждого шва. Ток сварки не должен выходить из определенного диапазона, гарантирующего получение качественного сплошного сварного соединения. Окончательная проверка швов проводится в составе танка с помощью гелиевых тече-искателей, с подачей гелия между мембраной и корпусом.

После сварки всех четырех швов трубы, с помощью грузоподъемной системы, установленной в верхней части рамной конструкции стенда, изделие снимается и передается на следующую позицию. Параметры контактной шовной сварки:

трубные решетки с трубами прямоугольного сечения размерами от 20х4х0,5 мм с шагом размещения 2 мм.

При изготовлении перечисленных узлов применить дуговые процессы весьма проблематично, вследствие этого, например, при сварке трубных решеток использовалась низкоэффективная и трудоемкая технология пайки. Теплообменники, изготовленные данным методом, не отличались долговечностью, так как часто эксплуатировались в условиях интенсивных вибраций, а применяющийся при их изготовлении припой

Места шовной сварки

Места шовной сварки

ток 6250-7050 А; давление сварочных роликов 3,5-4,5 бар; средняя скорость сварки 910 мм/мин.

Безопасность работ на стенде обеспечивается наличием дистанционных пультов управления, концевых выключателей, кнопками аварийной остановки.

Стенд обладает достаточной автономностью, может быть быстро смонтирован в подходящем помещении верфи благодаря модульной конструкции. Наличие грузоподъемных приспособлений и автономной системы охлаждения повышают эффективность и облегчают его установку и эксплуатацию.

подвержен искусственному старению. Как правило, разрушение паяных соединений данного типа наступало ранее, чем через 2000 ч работы.

Для решения проблемы изготовления подобных элементов ОАО «ЦТСС» совместно с ФГБОУ ВПО СПбГПУ был предложен метод лазерной сварки при помощи оптоволоконного лазера, обеспечивающий высокую концентрацию энергии на малой площади воздействия. Благодаря данному методу появилась возможность выполнить качественную приварку тонкостенного элемента и вместе с тем снизить трудоемкость процесса изготовления узлов.

На основе предложенной идеи был изготовлен макет для лазерной сварки тонкостенных элементов с массивными конструкциями, оснащенный дисковым источником лазерного излучения фирмы Rof¡n DS 030 HQ (рис. 1).

Макет укомплектован двумя головками. Первая — «сканатор» —

Рис. 5. Схема монтажа инварной трубы. А = 230...250 мм (в зависимости от толщины изоляции]

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ ТОНКОСТЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С МАССИВНЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ

В. К. Букато, Н. А. Афанасьев, Н. А. Носырев,

А. Г. Жмуренков (ОАО «ЦТСС», e-mail: inbox@sstc.spb.ru)

удк 621.791.725.03

СУДОСТРОЕНИЕ 5'2013

ОРГАНИЗАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ

Изделие (труба в трубе) Рис. 1. Макет для лазерной сварки тонкостенных элементов с массивными конструкциями

Рис. 2. Шлифы сварных швов, полученных на макете для лазерной сварки

предназначена для сварки трубных решеток теплообменных аппаратов, а также других изделий, где необходимо получить сварной шов сложной геометрии. Головка выполнена на основе двух гальванометрических сканаторов, преобразующих электрический сигнал управления в отклонение вала двигателя сканатора, и укрепленного на нем зеркала. Зеркала позволяют осуществить развертку луча по двум взаимно перпендикулярным осям в плоскости сварки. Фокусировка происходит при помощи объектива, «просветленного» на длину волны основного(рабочего) лазерного излучения.

Предварительные исследования и подбор режимов сварки проводились на листовых заготовках из нержавеющей стали 12Х18Н10Т толщиной 1—2 мм. В связи с тем, что требуемая глубина проплавления составляла 1,5—2,0 мм, сквозное проплавление листов толщиной 1 — 2 мм позволило выявить область режимов, параметры которых близки к требуемым.

Предварительные эксперименты показали:

сборку «трубка—решетка» с незначительным натягом.

Далее сборка закреплялась в оснастке с горизонтальным расположением трубной доски. Траектория перемещения точки фокусировки лазерного излучения совмещалась с линией свариваемого стыка (взаимное позиционирование изделия и сканатора) с помощью трехкоорди-натного стола с контролем через систему видеонаблюдения по лучу пилотного (красного) лазера. Сварка проводилась в атмосфере защитного газа (100% Аг).

Экспериментально были определены требования, обеспечивающие стабильное формирование качественного сварного соединения:

• зазоры в сборке не должны превышать 0,15 мм;

• разновысотность сборки (трубки были установлены с выпус-

• сквозное проплавление при перемещении по заданной траектории со стабильно сформированным обратным валиком достигается при варьировании скорости сварки в диапазоне 1—3 м/мин и мощности излучения 1—3 кВт;

• эффективная защита зоны сварки достигается при расходах защитных газов (аргон и гелий) 30 л/мин.

Для позиционирования свариваемых образцов была спроектирована и изготовлена оснастка, состоящая из следующих частей: система видеонаблюдения, обеспечивающая контроль при наведении сфокусированного лазерного излучения на свариваемый стык; трехкоординат-ный стол; экран для подачи защитного газа к обратной стороне шва; щелевое сопло для подачи защитного газа в зону сварки.

Решетки (трубные доски) из нержавеющей стали 12Х18Н10Т толщиной 1,5 мм вырезали на комплексе фирмы Arnold, оснащенном вол-новодным СО2-лазером DCX 050. При этом учитывался разброс геометрических размеров трубок и ширины реза. Это позволило осуществить

Рис. 3. Внешний вид и основные составные части головки для сварки в труднодоступных местах:

1 — фокусирующий модуль; 2 — модуль защитного стекла; 3 — модуль зеркала; 4 — клеммный зажим; 5 — удлинитель; 6 — корпус; 7 — втулка; 8 — оптический коллиматор; 9 — гайка; 10 — цанга

ОРГАНИЗАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ

СУДОСТРОЕНИЕ 5'2013

ком) должна находиться в пределах 0,1—0,2 мм.

На рис. 2 показаны шлифы сварных швов, полученных на образцах. В ходе испытаний образцов не было выявлено ни одного дефекта.

Результаты проведенной работы по сварке трубных решеток теплообменных аппаратов при помощи головки «сканатора»:

• выбран способсвар-ки и оборудование для его реализации;

• определены технологические параметры процесса;

• разработана и изготовлена оснастка для сварки образцов и макетов;

• определена методика предварительной оценки качества сварки;

• сформулированы требования к изделиям, поставляемым под сварку.

Вторая головка, проектируемая и изготавливаемая ОАО «ЦТСС» совместно с ФГБОУ ВПО СПбГПУ, предназначена для сварки в труднодоступных местах, а точнее — для выполнения внутренних кольцевых швов диметром не менее 150 мм (рис. 3).

Принцип действия данной головки заключается в следующем. Лазерное излучение, проходящее через оптоконектор оптического выхода лазера, направляется в коллиматор 8, закрепленный в верхней части корпуса 6. Прошедшее через коллиматор излучение поступает в фокусирующий модуль 1, закрепленный в нижней части удлинителя 5, и, проходя через модуль (поворотного) зеркала 3 и модуль защитного стекла 2, поступает в зону обработки (сварки). На корпусе зафиксирован клеммный зажим 4, которым головка

Рис. 4. Эскиз свариваемого изделия

лазерной сварки (ГЛС) присоединяется к манипулятору.

Исследования заключались в выявлении возможности и определении особенностей лазерной сварки тонкостенной обечайки (перегородки) с массивной конструкцией.

Конструктивный узел данного типа используется в различных изделиях, в том числе в качестве статор-ной перегородки герметичного насоса (рис. 4), где материал тонкостенного элемента ХН78Т, а материал горловины — сталь 12Х18Н10Т.

Основное требование при сварке данного элемента — минимально возможный нагрев корпуса насоса, а поскольку сфокусированное лазерное излучение вследствие высокой концентрации энергии (I > 105 Вт/см2) обеспечивает высокие скорости нагрева и охлаждения, то одним из наиболее предпочтительных способов соединения перегородки с корпусом является именно лазерная сварка.

При проведении исследований необходимо было обеспечить следующие требования:

— глубина проплавления — не менее 0,8—1,0 мм;

— содержание кислорода в зоне сварки — не более 70 ррт (для предотвращения окисления материала);

— подача защитного газа к сварному соединению до его остывания по крайней мере до температуры 180 °С.

На первом этапе была осуществлена серия экспериментов по лазерной сварке внахлест п

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Машиностроение»