eng
Качество сварного шва зависит от мощности излучения, его модового состава, поляризации, условий фокусирования. С помощью оптических систем, управляя плотностью мощности лазерного излучения, легко перестраивать оборудование с выполнения резки на сварочные операции. Кораблестроительные, авиастроительные предприятия, поставщики углеводородов и сжиженных газов повысят свою конкурентоспособность, если более широко будут переходить на лазерные технологии.
Главная :: Выпуски 2008 года
Выпуск № 6/2008 :: Технологическое оборудование и технологии
А.Грезев.
Лазерное оборудование
и технологии обработки металлов
Загрузить полную версию статьи в формате .pdf (461 кб) Pdf
Качество сварного шва зависит от мощности излучения, его модового состава, поляризации, условий фокусирования. С помощью оптических систем, управляя плотностью мощности лазерного излучения, легко перестраивать оборудование с выполнения резки на сварочные операции. Кораблестроительные, авиастроительные предприятия, поставщики углеводородов и сжиженных газов повысят свою конкурентоспособность, если более широко будут переходить на лазерные технологии.
Лазерная резка металлов и неметаллов позволяет эффективно и быстро изготавливать сложные детали при создании прецизионных конструкций. Ненужной становится механическая обработка, деталь сразу поступает на операции гибки, сварки или покраски. Кроме того, лазерная резка позволяет унифицировать оборудование, использовать его независимо от вида выпускаемой продукции. Это облегчает использование одного и того же оборудования для выпуска разных видов продукции.
ЗАО "Лазерные комплексы" выпускает станки с полем обработки 1,5×2,5 и 1,5×3 м, в которых для резки используются СО2 -лазеры мощностью от 1,5 до 3 кВт [1] с возможностью резки листовой стали толщиной от 1 до 20 мм (рис.1). Для эффективности многоступенчатых операций при резке по сложному контуру (штампованных изделий, обрезки облоя после литья) производятся пятикоординатные лазерные станки с СО2-лазером мощностью 2,2 кВт (рис.2) и лазер-роботы с оптоволоконными лазерами мощностью от 1 до 3,5 кВт (рис.3). Один лазерный станок может выполнять две технологические операции: резки и последующей сварки конструкций. Такое специализированное оборудование, по требованию заказчика, комплектуется дополнительными системами: оптическим электронным зрением с исполнительным механизмом наведения лазерного излучения на свариваемый стык, механизмами подачи присадочной проволоки и защитного газа (рис.4).
Лазерная сварка очень перспективна в создании конкурентоспособной продукции благодаря получению качественного сварного шва, высокой скорости операции, независимости от магнитных полей, наведенных металлическими деталями оборудования. Но ее широкое применение в машиностроении сдерживали жесткие требования к проведению длительных и дорогих испытаний сварных соединений, получение разрешительных отраслевых документов о соответствии сварных соединений техническим условиям и стандартам. Тем не менее, за последнее время в ЗАО "Лазерные комплексы" отработаны и внедрены технологии лазерной сварки нержавеющих труб с испытанием сварных соединений (рис.5, 6). На ВАЗ и ЗИЛ передана технология лазерной сварки шестерен для коробки передач вместе с оборудованием. Начиная с 1990 года, предприятие совместно с научными институтами ВНИИГАЗ и ВНИИСТ и трубными заводами России и Украины отрабатывает технологию лазерной сварки газонефтепроводных труб [2–4], разрабатывается лазерный трубосварочный стан (рис.7).
Проведенные в ЗАО "Лазерные комплексы" исследования сварных соединений углеродистых и легированных марок сталей показали [5–9] высокую технологическую прочность в широком диапазоне скоростей сварки (до 30 м/мин). Это объясняется образованием дисперсной первичной структуры с более мелкими элементами в зоне сварного шва, чем при дуговой сварке. Такая структура препятствует зарождению в нем горячих трещин. При последующем охлаждении в зоне шва образуется вторичная дисперсная структура, которая препятствует росту холодных трещин. В итоге прочность лазерного сварного соединения (рис.8а) оказывается равнопрочной основному металлу.
Замеры термического цикла охлаждения в температурных интервалах хрупкости показали высокие скорости охлаждения: для металла в твердожидком состоянии – до 2000°С/с, а в интервале температур аустенитного превращения – 500–800°С/с [10]. Столь быстрое охлаждение металла снижает пластические свойства сварных соединений. Прежде всего, уменьшается ударная вязкость и увеличивается твердость металла в зоне шва и зоне термического влияния. Проблему решает лазерная сварка двумя и более лучами. Согласно техническим требованиям, максимально допустимая твердость трубных сталей 17Г1СУ, 10Г2БТ, 08Г1НФБ толщиной от 8 до 14 мм составляет 260 HV. При однолучевой лазерной сварке твердость металла в сварной зоне достигала 360–410 HV. Двухлучевая лазерная сварка позволила снизить твердость до 243–257 HV.
Основной сдерживающий фактор применения лазеров в таких отраслях, как металлургия, авиастроение и судостроение, подготовка зазора в свариваемых соединениях. Лазерное излучение после фокусировки сосредоточено в пятне диаметром от 0,2 до 1 мм. Если зазор в стыке свариваемых образцов превышает 0,1–0,25 мм, то одним лазерным лучом нельзя сформировать качественный сварной шов. Двухлучевая лазерная сварка обеспечивает надежные сварные соединения при зазоре в стыке 0,5–0,65 мм (рис.8б), а трехлучевая – до 0,95–1,2 мм (рис.8в). При этом сохраняются высокие скорости лазерной сварки. Так, японская фирма Nittetsu Technoresearch на одном из трубных заводов применяет лазерную сварку труб диаметром 609 мм с толщиной стенки 16 мм. Сварка выполняется СО2-лазером мощностью 25 кВт со скоростью 5 м/мин. Предварительный подогрев свариваемых кромок до 800°С позволил увеличить скорость сварки в 2 раза [11].
Лазерная наплавка металлов спецсплавами позволяет регулировать структуру поверхностного слоя, придавая изделию высокие эксплуатационные свойства. Отличительная особенность лазерной наплавки – локальность тепловложения. Это исключает глубокое расплавление основного металла (≤0,05–0,15 мм) и остаточные деформации конструкции, что обеспечивает высокую износостойкость наплавленного металла. Лазерная наплавка в 2–4 раза увеличивает срок эксплуатации изделия. В частности, она применима для восстановления коленчатых валов двигателя внутреннего сгорания (рис.9).
Оборудование ЗАО "Лазерные комплексы" успешно работает в авиа- и автомобилестроении. ЗАО "Лазерные комплексы" может предложить машиностроительным предприятиям уже готовое лазерное оборудование для обработки металлов, а также разработать для них технологии и лазерное оборудование.
Литература
1. ЗАО "Лазерные комплексы".– www.lasercomp.ru.
2. Грезев А.Н., Лукьяненко В.Л., Забелин А.М. Свойства соединений стали 08Х18Н10Т, выполненных лазерной сваркой. – Автоматическая сварка, 1989, №12, с.63–64.
3. Григорьянц А.Г., Грезев А.Н., Грезев Н.В. Разработка технологии лазерной сварки сталей, используемых в трубной металлургии. – Технология машиностроения, 2005, № 10, с.32–37.
4. Грезев А.Н., Романцов И.А., Горицкий В.В. Натурные испытания нефтегазопроводных труб диаметром 530 мм, сваренных лазерным лучом. – Черная металлургия, 2004, № 9, с.40–44.
5. Рыбаков А.А., Якубовский В.В., Грезев А.Н. и др. Исследование работоспособности сварных соединений трубных сталей 10Г2БТ, выполненных двухпроходной лазерной сваркой. – Автоматическая сварка, 1995, № 7, с.12–17.
6. Григорьянц А.Г., Грезев А.Н., Федоров В.Г. и др. Сравнение технологической прочности соединений, выполненных лучевыми и дуговыми способами сварки. – Автоматическая сварка, 1980, № 10, с.11–14.
7. Грезев А.Н., Григорьянц А.Г., Федоров В.Г. Структура и механические свойства разнородных соединений, выполненных лазерной сваркой. – Автоматическая сварка, 1984, № 9, с.46–49.
8. Грезев А.Н., Басков А.Ф., Лукьяненко В.Л. Сопротивляемость образованию горячих трещин в швах аустенитных сталей при лазерной сварке на больших скоростях. – Сварочное производство, 1996, № 8, с.15–17.
9. Высоконадежный трубопроводный транспорт. – Шатура: ЗАО "Лазерные комплексы", 2000.
10. Грезев А.Н., Григорьянц А.Г., Федоров В.Г. Технологическая прочность и выносливость при лазерной сварке конструкционных сталей. – В кн.: Повышение качества и эффективности сварочного производства на предприятиях г.Москвы. – М.: Знание, 1980, с.11–15.
11. Katsuhiro Minamida. Development of high power laser applications in steel industry.– Ferrum, Japan, 2000, v.6, №2, р.105–110.
Выпуск № 6/2008 :: Технологическое оборудование и технологии
А.Грезев.
Лазерное оборудование
и технологии обработки металлов
Загрузить полную версию статьи в формате .pdf (461 кб) Pdf
Качество сварного шва зависит от мощности излучения, его модового состава, поляризации, условий фокусирования. С помощью оптических систем, управляя плотностью мощности лазерного излучения, легко перестраивать оборудование с выполнения резки на сварочные операции. Кораблестроительные, авиастроительные предприятия, поставщики углеводородов и сжиженных газов повысят свою конкурентоспособность, если более широко будут переходить на лазерные технологии.
Лазерная резка металлов и неметаллов позволяет эффективно и быстро изготавливать сложные детали при создании прецизионных конструкций. Ненужной становится механическая обработка, деталь сразу поступает на операции гибки, сварки или покраски. Кроме того, лазерная резка позволяет унифицировать оборудование, использовать его независимо от вида выпускаемой продукции. Это облегчает использование одного и того же оборудования для выпуска разных видов продукции.
ЗАО "Лазерные комплексы" выпускает станки с полем обработки 1,5×2,5 и 1,5×3 м, в которых для резки используются СО2 -лазеры мощностью от 1,5 до 3 кВт [1] с возможностью резки листовой стали толщиной от 1 до 20 мм (рис.1). Для эффективности многоступенчатых операций при резке по сложному контуру (штампованных изделий, обрезки облоя после литья) производятся пятикоординатные лазерные станки с СО2-лазером мощностью 2,2 кВт (рис.2) и лазер-роботы с оптоволоконными лазерами мощностью от 1 до 3,5 кВт (рис.3). Один лазерный станок может выполнять две технологические операции: резки и последующей сварки конструкций. Такое специализированное оборудование, по требованию заказчика, комплектуется дополнительными системами: оптическим электронным зрением с исполнительным механизмом наведения лазерного излучения на свариваемый стык, механизмами подачи присадочной проволоки и защитного газа (рис.4).
Лазерная сварка очень перспективна в создании конкурентоспособной продукции благодаря получению качественного сварного шва, высокой скорости операции, независимости от магнитных полей, наведенных металлическими деталями оборудования. Но ее широкое применение в машиностроении сдерживали жесткие требования к проведению длительных и дорогих испытаний сварных соединений, получение разрешительных отраслевых документов о соответствии сварных соединений техническим условиям и стандартам. Тем не менее, за последнее время в ЗАО "Лазерные комплексы" отработаны и внедрены технологии лазерной сварки нержавеющих труб с испытанием сварных соединений (рис.5, 6). На ВАЗ и ЗИЛ передана технология лазерной сварки шестерен для коробки передач вместе с оборудованием. Начиная с 1990 года, предприятие совместно с научными институтами ВНИИГАЗ и ВНИИСТ и трубными заводами России и Украины отрабатывает технологию лазерной сварки газонефтепроводных труб [2–4], разрабатывается лазерный трубосварочный стан (рис.7).
Проведенные в ЗАО "Лазерные комплексы" исследования сварных соединений углеродистых и легированных марок сталей показали [5–9] высокую технологическую прочность в широком диапазоне скоростей сварки (до 30 м/мин). Это объясняется образованием дисперсной первичной структуры с более мелкими элементами в зоне сварного шва, чем при дуговой сварке. Такая структура препятствует зарождению в нем горячих трещин. При последующем охлаждении в зоне шва образуется вторичная дисперсная структура, которая препятствует росту холодных трещин. В итоге прочность лазерного сварного соединения (рис.8а) оказывается равнопрочной основному металлу.
Замеры термического цикла охлаждения в температурных интервалах хрупкости показали высокие скорости охлаждения: для металла в твердожидком состоянии – до 2000°С/с, а в интервале температур аустенитного превращения – 500–800°С/с [10]. Столь быстрое охлаждение металла снижает пластические свойства сварных соединений. Прежде всего, уменьшается ударная вязкость и увеличивается твердость металла в зоне шва и зоне термического влияния. Проблему решает лазерная сварка двумя и более лучами. Согласно техническим требованиям, максимально допустимая твердость трубных сталей 17Г1СУ, 10Г2БТ, 08Г1НФБ толщиной от 8 до 14 мм составляет 260 HV. При однолучевой лазерной сварке твердость металла в сварной зоне достигала 360–410 HV. Двухлучевая лазерная сварка позволила снизить твердость до 243–257 HV.
Основной сдерживающий фактор применения лазеров в таких отраслях, как металлургия, авиастроение и судостроение, подготовка зазора в свариваемых соединениях. Лазерное излучение после фокусировки сосредоточено в пятне диаметром от 0,2 до 1 мм. Если зазор в стыке свариваемых образцов превышает 0,1–0,25 мм, то одним лазерным лучом нельзя сформировать качественный сварной шов. Двухлучевая лазерная сварка обеспечивает надежные сварные соединения при зазоре в стыке 0,5–0,65 мм (рис.8б), а трехлучевая – до 0,95–1,2 мм (рис.8в). При этом сохраняются высокие скорости лазерной сварки. Так, японская фирма Nittetsu Technoresearch на одном из трубных заводов применяет лазерную сварку труб диаметром 609 мм с толщиной стенки 16 мм. Сварка выполняется СО2-лазером мощностью 25 кВт со скоростью 5 м/мин. Предварительный подогрев свариваемых кромок до 800°С позволил увеличить скорость сварки в 2 раза [11].
Лазерная наплавка металлов спецсплавами позволяет регулировать структуру поверхностного слоя, придавая изделию высокие эксплуатационные свойства. Отличительная особенность лазерной наплавки – локальность тепловложения. Это исключает глубокое расплавление основного металла (≤0,05–0,15 мм) и остаточные деформации конструкции, что обеспечивает высокую износостойкость наплавленного металла. Лазерная наплавка в 2–4 раза увеличивает срок эксплуатации изделия. В частности, она применима для восстановления коленчатых валов двигателя внутреннего сгорания (рис.9).
Оборудование ЗАО "Лазерные комплексы" успешно работает в авиа- и автомобилестроении. ЗАО "Лазерные комплексы" может предложить машиностроительным предприятиям уже готовое лазерное оборудование для обработки металлов, а также разработать для них технологии и лазерное оборудование.
Литература
1. ЗАО "Лазерные комплексы".– www.lasercomp.ru.
2. Грезев А.Н., Лукьяненко В.Л., Забелин А.М. Свойства соединений стали 08Х18Н10Т, выполненных лазерной сваркой. – Автоматическая сварка, 1989, №12, с.63–64.
3. Григорьянц А.Г., Грезев А.Н., Грезев Н.В. Разработка технологии лазерной сварки сталей, используемых в трубной металлургии. – Технология машиностроения, 2005, № 10, с.32–37.
4. Грезев А.Н., Романцов И.А., Горицкий В.В. Натурные испытания нефтегазопроводных труб диаметром 530 мм, сваренных лазерным лучом. – Черная металлургия, 2004, № 9, с.40–44.
5. Рыбаков А.А., Якубовский В.В., Грезев А.Н. и др. Исследование работоспособности сварных соединений трубных сталей 10Г2БТ, выполненных двухпроходной лазерной сваркой. – Автоматическая сварка, 1995, № 7, с.12–17.
6. Григорьянц А.Г., Грезев А.Н., Федоров В.Г. и др. Сравнение технологической прочности соединений, выполненных лучевыми и дуговыми способами сварки. – Автоматическая сварка, 1980, № 10, с.11–14.
7. Грезев А.Н., Григорьянц А.Г., Федоров В.Г. Структура и механические свойства разнородных соединений, выполненных лазерной сваркой. – Автоматическая сварка, 1984, № 9, с.46–49.
8. Грезев А.Н., Басков А.Ф., Лукьяненко В.Л. Сопротивляемость образованию горячих трещин в швах аустенитных сталей при лазерной сварке на больших скоростях. – Сварочное производство, 1996, № 8, с.15–17.
9. Высоконадежный трубопроводный транспорт. – Шатура: ЗАО "Лазерные комплексы", 2000.
10. Грезев А.Н., Григорьянц А.Г., Федоров В.Г. Технологическая прочность и выносливость при лазерной сварке конструкционных сталей. – В кн.: Повышение качества и эффективности сварочного производства на предприятиях г.Москвы. – М.: Знание, 1980, с.11–15.
11. Katsuhiro Minamida. Development of high power laser applications in steel industry.– Ferrum, Japan, 2000, v.6, №2, р.105–110.
Отзывы читателей
