Обладнання 3-мсту Урок№34 Тема: Електрозварювальні установки для лазерного зварювання/різання 27.11.20

 Опрацювати тему: Електрозварювальні установки для лазерного зварювання/різання на сайті http://www.dstu.dp.ua/Portal/Data/1/27/1-27-kl18.pdf

Зробити конспект переваги лазерної зварки

Лазерні технології 

Натепер у промисловості в основному використовують газові СО2- лазери та твердотільні Nd:YAG-лазери, що працюють у інфрачервоному та ближчих до інфрачервоного діапазонах спектру. У СО2-лазерах робоче середовище складається із суміші вуглекислого газу, азоту та гелію. Найпоширенішим є співвідношення газів СО2 – 5%, N2 – 10%, решта – гелій. Принцип роботи усіх СО2-лазерів однаковий, проте в їх 99 конструкції є відмінності в залежності від методів збудження та охолодження газової суміші в резонаторі. Активним середовищем в цих лазерах є вуглекислий газ. Азот сприяє підвищенню потужності лазера, передаючи енергію молекул СО2 та дозволяючи їй залишатися на верхньому рівні лазерного випромінення, гелій пришвидшує відвід теплоти від газової суміші. СО2-лазери мають потужність від десятків ватт до 50...70 кВт при ККД до 10%. Ці лазери найбільш широко використовують для різання, зварювання та поверхневої обробки. Nd:YAG-лазер – твердотільний, в якому в якості активного елемента використовують алюмоітрієвий гранат з неодимом. Ці лазери працюють в імпульсному та неперервному режимах при ККД від 3 до 5% та відрізняються високою ефективністю та надійністю. Проте їх максимальна потужність – 500...600 Вт. Для підвищення цих значень використовують декілька активних елементів потужністю до 5 кВт, які передають промінь оптичним волокном. Волоконні лазери мають можливість транспортування променя оптичним світловодом на відстань до 300 м та більше. Лазери такої конфігурації поширені в автомобілебудуванні. На заміну лампової накачки приходять лазери, що ґрунтуються на діодному принципі. У таких лазерах одиничний випромінювальний елемент - власне лазерний діод з потужністю випромінення близько 5 мВт. Для отримання більшої потужності набирають пакет з таких діодів. До переваг діодних лазерів слід віднести високий ККД (до 50%), що визначає нижчі експлуатаційні витрати, а також невеликі розміри, що дозволяє легко вбудовувати їх в існуючі виробничі системи. Щоб отримати максимальний зиск від лазерної обробки, необхідно знати параметри лазерного променю та властивості оброблюваного матеріалу. Довжина хвилі лазерного випромінення – найголовніший фактор у визначенні можливості застосування лазера для певного виду робіт. Зокрема, поглинання енергії та нагріву не буде, якщо довжину хвилі обрано невірно. Кут падіння променя на поверхню та його поляризаційні характеристики 100 визначають, яку кількість випромінення буде відбито від оброблюваної поверхні. Для підвищення ефективності лазерного зварювання (зниження вимог до підготовки кромок, зменшення небезпеки утворення стоншень, пор, підрізів, зменшення капітальних та інших витрат) використовують різноманітні прийоми та способи, що включають: імпульсно-періодичну модуляцію випромінення, осциляцію сфокусованого лазерного випромінення, подачу додаткового потоку газу; застосування флюсів і присадного дроту; поєднання лазерного нагріву з плазмовим, дуговим або високочастотним (гібридні та комбіновані способи зварювання). Імпульсно-періодичні режими лазерного зварювання використовують як для збільшення глибини проплавлення, так і для проплавлення менше 1 мм. При цьому значно зменшується розмір ЗТВ, підвищується стабільність процесу, усувається небезпека пропалів. При осциляції сфокусований промінь періодично заглиблюють у зварювальну ванну за рахунок коливань фокальної площини відносно зварюваного виробу. Для цього використовують спеціальні механічні або п’єзоелектричні сканатори, лінзи або об’єктиви, що забезпечують варіювання частоти в діапазоні від 0 до 150 Гц з амплітудою коливань, яка дорівнює товщині зварюваних деталей. Осциляція випромінення забезпечує збільшення глибини проплавлення на 40%. Ширина шва при цьому зростає на ~30%, а коефіцієнт форми шва збільшується на 10...15%. Ефективність проплавлення може бути збільшена подаванням у зону зварювання додаткового потоку газу під певним тиском. Додатковий потік спричиняє вплив на параметри плазми в області взаємодії випромінення з матеріалом та на гідродинамічні процеси в каналі проплавлення. Залучення присадного матеріалу дає можливість регулювати в широких межах хімічний склад шва, забезпечити потрібні властивості зварних 101 з’єднань, виключити такі дефекти, як нерівномірність проплавлення, пори у корені шва, гарячі та холодні тріщини, а також знизити вимоги до точності складання деталей під зварювання (допускаються зазори до 30...50% від товщини стінки, депланація – до 50%). Особливістю прийому є використання дроту малого діаметру (до 1 мм) та у точній подачі його під випромінення за допомогою спеціальних механізмів (Vп.д.= 90...100м/год.). При виготовленні тонкостінних (до 1,0 мм) сталевих виробів з нещільно прилягаючими кромками застосовують технологію зварювання розфокусованим променем з подачею порошкового присадного матеріалу. У цьому випадку зварювані кромки складають із зазором, що відповідає товщині деталей, і притискають до мідної підкладки. Необхідність застосування флюсів при лазерному зварюванні спричинена тим, що при достатньо високих швидкостях зварювання (400...600 м/год.) не встигає відбутися повна дегазація зварювальної ванни й у верхній частині шва утворюються пори. Використання флюсу доцільне при його нанесенні тонким (<0,1 мм) шаром, що щільно зчіплюється із зразком. При відносно товстих та нещільно зчеплених шарах потужність випромінення поглинається у флюсі та не встигає передатися металу. Підвищення ефективності процесу лазерного зварювання може бути досягнуте суміщенням лазерного джерела з іншими. Показано, що випромінення СО2-лазера стабілізує електричну дугу плавким електродом, що горить у СО2, „прив’язуючи‖ її до діючого на метал сфокусованого променя та примушує опускатися в паро газовий канал. Лазерно-дугове зварювання забезпечує більш „м’який‖ термічний цикл, який регулюють, варіюючи відстань а між зонами дії лазерного випромінення та дуги (див.рис.25). як показали дослідження, застосування лазерно-дугового зварювання при фіксованій потужності лазерного випромінення доцільне до певної товщини зварюваного металу, вище якої глибина проплавлення не збільшується, незалежно від зниження швидкості зварювання. 102 У промислових масштабах лазерно-дугове зварювання фірма Volkswagen використовує при виготовленні дверей автівок. 1 – виріб; 2 – розроблення; 3 – захисний газ; 4, 7 – сопло; 5 – лазерний пучок; 6 – електродний дріт; 8 – шов ( а – відстань між джерелами теплоти) Рисунок 25 – Схема процесу лазерно-дугового зварювання з використанням дуги, що горить на плавкому електроді Проводяться дослідження щодо використання лазера та дугового зварювання плавким електродом під флюсом (рис. 26). Таке поєднання джерел виявилося реалізувати складніше: флюс провалюється у паро газовий канал лазерного променю, лазерне випромінення поглинається флюсом, а не зварюваним матеріалом. У досліджуваному варіанті захисний газ, необхідний для зварювання лазерним променем, надходив проти напрямку зварювання, щоб здувати флюс, який може попасти в зазор між зварюваними листами, а за лазерним променем встановлювалася роз’єднувальна пластина, яка перешкоджає потраплянню флюсу в зону, розплавлену лазерним променем. Експерименти проводили на різних марках сталей товщиною 8...38 мм при потужності лазера 20кВт. Були отримані якісні шви, за формою відмінні від швів, виконаних лише лазерним зварюванням або під флюсом (рис.27). 103 1 – бункер для флюсу; 2 – контактна трубка; 3 – флюс; 4 – ріка ванна; 5 – твердий шлак; 6 – метал шва; 7 – дротяний електрод; 8 – порожнина шва з дугою; 9 – струмінь гелію; 10 – паро газовий канал; 11 – рідкий шлак; 12 – плазма з парою металу; 13 – роз’єднувальна пластина; 14 – лазерний промінь Рисунок 26 – Схема гібридного лазерно-дугового зварювання під флюсом Рисунок 27 – Макрошліфи швів, виконаних лазерним (а), дуговим (б) та лазерно-дуговим (в) зварюванням