Содержание к диссертации
Предисловие 6
Глава I. Лазерная сварка конструкционных сталей и сплавов - современный способ обработки материалов.
1.1. Введение II
1.2. Передача энергии излучения обрабатываемым материалам. 18
1.3. Упрощенная тепловая модель процессов лазерной технологической обработки 26
1.4. Мощные непрерывные лазеры и технологические сварочные установки на их основе 34
1.5. Современное состояние проблемы лазерной сварки металлов средней толщины 50
Глава 2. Цели и задачи работы.
2.1. В в е д е н и е 70
2.2. Экспериментальное исследование теплофизических показателей способа непрерывной лазерной сварки 72
2.3. Численное моделирование тепловых процессов при ЛС 73
2.4. Количественное определение прочностных характеристик стыковых соединений, выполненных методом ЛС 73
2.5. Исследование особенностей напряженного состояния в сварных соединениях, выполненных методом
ЛС -4 2.6. Практическая проверка выводов и рекомендаций СтР по эффективному применению исследованных способов ЛС 75
Глава 3. Оборудование и цриборы для исследований.
3.1. Технологическая лазерная установка ЛТ1-2 на базе мощного непрерывного СО -лазера 76
3.2. Специализированный стенд для исследования и разработки процессов и технологии различных способов ЛС 88
Глава 4. Тепловые процессы при лазерной сварке.
4.1. Исследование теплофизических особенностей способа нецрерыБной сварки металлов излучением мощного С02-лазера.
4.1.1. Введение 102
4.1.2. Методика исследовалий 106
4.1.3. Обсуждение результатов экспериментов ИЗ
4.2. Моделирование тепловых процессов при ЛС с помощью численных методов
4.2.1. Состояние вопроса 135
4.2.2. Постановка краевой задачи теплопроводности применительно к процессу ЛС тонкой пластины 137
4.2.3. Практическое использование метода машинного моделирования по МКР для изучения процессов теплопереноса при ЛС 146
4.2.4. Унификация используемой вычислительной программы 157
Глава 5. Исследование свойств сварных соединений, выполненных мощным лазерным лучом
5.1. Технологическая прочность конструкционных сталей и титановых сплавов при лазерной
сварке. 162
5.2. Влияние особенностей лазерной сварки на механические свойства сварных соединений в сопоставлении с традиционными способами сварки плавлением) 189
5.3. Влияние подготовительно-сборочных операций на показатели качества сварных соединений, выполненных методом ЛС 207
5.4. Остаточные деформации и напряжения при лазерной сварке 222
Глава 6. Разработка и апробация опытного варианта технологии ЛС элемента конструкции тепло-обменного аппарата.
6.1. Введение 235
6.2. Особенности сварки элементов теплообменных аппаратов 236
6.3. Основные характеристики реального элемента типа Т-ТР как объекта исследования 239
6.4. Выбор способа ЛС, определение параметров режима и разработка технологической оснастки для сварки узла типа Т-ТР 241
6.5. Сравнительная оценка показателей качества и работоспособности моделей сварных узлов типа Т-ТР, выполненных методами ЭЛС и ЛС 246
6.6. Практические рекомендации по организации типового технологического процесса ЛС 253
Общие выводы 257
Литература 261
Приложения 2
Введение к работе
Разработка и создание новых машин и механизмов требуют постоянного совершенствования техники и технологии машиностроительного производства, применения новых видов и сочетаний материалов, нетрадиционного подхода к способам их обработки и соединения.
В настоящее время значительное место в общем объеме операций металлообработки занимают тепловые методы воздействия - сварка, резка и термообработка; при этом происходит неуклонное наращивание их энергонасыщенности и производительности [81] . Однако в ряде случаев дальнейшая интенсификация указанных методов сдерживается ограниченными возможностями традиционных источников и способов нагрева [56,134] ; црогресс в этой области может быть достигнут только за счет возрастающего применения мощных концентрированных потоков энергии (струи плазмы, ионного, электронного и лазерного лучей[80] ), обладающих высокой тепловой эффективностью и локальностью воздействия на обрабатываемый материал [78] .
Необходимость широкого использования новой техники и технологии с целью повышения эффективности общественного производства неоднократно подчеркивалась в решениях партии и правительства [і] , где среди перспективных научно-технических направлений,требующих ускоренного развития в XI пятилетке, особое место занимает лазерная технологическая обработка материалов (ЛТО). За сравнительно короткий срок лазерная обработка материалов стала обширной областью технологии машиностроения, К настоящему времени во многих отраслях промышленности разработаны, освоены и в ряде случаев внедрены в производство различные способы и виды ЛТО (табл.1.2), в ос -7 ново которых лежит способность лазера создавать на малом участке поверхности облучаемого изделия высокие плотности теплового потока, достаточные для нагрева, плавления или испарения любого материала, независимо от его теплофизических и оптических характеристик [80,151] . В результате многочисленных исследований по проблеме ЛТО сформированы области предпочтительного применения определенных типов лазеров в зависимости от энергоемкости и длительности различных технологических процессов [149](рис.1.I).
Одним из направлений развития лазерной технологии является разработка и освоение промышленных способов непрерывной лазерной сварки конструкционных сталей и сплавов (ЛС). Принципиальная возможность цроплавления металлов мощным лазерным лучом была теоретически обоснована еще в середине 60-х годов [42,49,139,148] однако ее практическое использование началось сравнительно недавно. Так, в конце 70-х годов в Советском Союзе по инициативе и под руководством академиков Е.П.Велихова и Г.А.Николаева были развернуты систематические работы по созданию высокоэффективных способов лазерной сварки современных конструкционных материалов.
Технической базой для ускоренного развития и освоения промышленных способов ЛС послужили специализированные технологические установки, оснащенные непрерывными С02-лазерами. Повышение уровня средней мощности этих установок до 2...5 кВт сделало возможным устойчивое "кинжальнoe,, проплавление большинства металлических материалов на глубину 3...7 мм [89,143,165] , что позволило приступить к решению разнообразных технических задач по сварке изделий средних толщин [24,129,113] . Однако в последнее время развитие работ по оптимизации существующих и созданию перспективных новых способов ЛС сдерживается некоторыми обстоятельствами, в частности:
1. Практически отсутствуют надежные критерии количественной оценки эффективности процесса непрерывной ЛС.
2. Недостаточно изучены основные характеристики и свойства ЛС-соединений средней толщины (до 5 мм) и их связь с технологическими факторами и параметрами режимов сварки.
Указанные обстоятельства не позволяют корректно определять границы реальных возможностей многих способов ЛС и том самым затрудняют их внедрение в производство. Поэтому разработка научных основ эффективной, воспроизводимой и сравнительно недорогой промышленной технологии лазерной сварки является актуальной научно-технической задачей, решение которой в условиях современного машиностроения позволит сформировать области оптимальных режимов ЛС для различных групп материалов, толщин и типов соединений.
Первым этапом в решении этой задачи может стать оптимизация существующих способов ЛС на основе традиционных показателей тепловой эффективности сварочных процессов [84] .
В связи с этим целью настоящей работы являлась разработка, исследование и апробация способа непрерывной лазерной сварки изделий средних (до 5 мм) толщин, отличающегося высокой производительностью и эффективностью использования энергии лазерного излучения и позволяющего получать прецизионные сварные соединения с высокой технологической и эксплуатационной прочностью.
В работе были использованы;
I. Материалы - высокопрочные конструкционные стали и титановые сплавы типа 28ХЗСНМБФА, 18Х2НЗВДА, 10Х16Н4Б, ПТЗВ ГОСТ 19807-74, ВТ28 и др. толщиной 2...5 мм,обладающие в ряде случаев пониженной свариваемостью традиционными методами, но широ ко применяемые в современном машиностроении [85] . до 85% сварных соединений, применяемых в авиа- и автомобилестроении, в транспортном энергомашиностроении и в производстве тепло-обменных аппаратов, имеют толщину до 5 мм [163,165] .
-9 2. Виды сварных соединений - плоские и кольцевые стыковые соединения, выполненные со скоростью 20...50 мм/с непрерывным лучом в атмосфере защитных газов.
3. Источник энергии - образец опытно-промышленной технологической лазерной установки типа ЛТ1-2 [74J мощностью до 5 кВт.
В результате проведения комплекса теплофизических, металлографических, механических и других исследований и экспериментов, включая моделирование тепловых процессов на ЭВМ, оказалось возможным:
1. Научно обоснованное определение основных параметров режимов ЛС, гарантирующих высокую производительность и тепловую эффективность процесса при устойчивом формировании сварного шва.
2. Повышение точности расчетов тепловых процессов, протекающих в высокотемпературных областях тонколистовых соединений при непрерывной лазерной сварке с "кинжальным" цроплавлением.
3. Повышение качества соединений, выполненных исследованным способом ЛС,- в частности, улучшение их механической и технологической прочности по сравнению с традиционными методами сварки плавлением, а также существенное снижение уровня остаточных деформаций.
4,Определение условий подготовки и проведения оптимизированных операций ЛС с учетом требований реального производства и разработка практических рекомендаций, направленных на получение сварных соединений с известными свойствами и работоспособностью.
Анализ выводов и научно-технических результатов исследования позволил сформулировать основные научные положения, выносимые на защиту, следующим образом:
I. Для большинства высокопрочных сложнолегированных сталей и титановых сплавов толщиной до 5 мм режим устойчивого "кинжального" проплавления достигается при концентрации инфракрасного лазерного излучения в зоне обработки до уровня Ю10 Вт/м при абсолютном значении мощности 2,5...5,0 кВт, Оптимальные режимы непрерывной лазерной сварки указанных материалов существуют в широком диапазоне скоростей от 60 до 180 м/ч (от 17 до 50 мм/с) и независимо от состояния облучаемой поверхности характеризуются повышенными теплофизическими показателями, достигающими 60...70 для эффективного к.п.д. и 42...46 для термического к.п.д., что связано с высокой производительностью процесса и с возможным устойчивым существованием узкого парогазового канала в зоне проплавления.
2. Применительно к условиям непрерывной лазерной сварки тонких пластин учет температурных зависимостей коэффициентов теплоемкости, теплопроводности и полной поверхностной теплоотдачи соединяемых материалов при численном моделировании тепловых процессов позволяет повысить точность определения максимальных температур, размеров сварочной ванны и величин скоростей охлаждения металла в высокотемпературной области (свыше 900 К) до 85...90 , тогда как в области средних и низких температур (от 800 К и ниже) тепловые процессы при ЛС мохут быть удовлетворительно описаны аналитически.
Практическая проверка положений и выводов работы осуществлялась путем разработки и апробации в лабораторных условиях опытно-промышленного варианта технологии непрерывной лазерной сварки натурного узла тешюобменного аппарата; комплексная оценка эффективности реального режима ЛС и контроль основных свойств сварного соединения дали вполне удовлетворительные результаты.
