Установки для лазерно-дуговой сварки. Тема 7-2

1.

ПРОРЫВНЫЕ ТЕХНОЛГИИ
Лазерно-дуговая сварка плавящимся электродом (ЛДСПЭ)
По сравнению с лазерной сваркой
• Снижение точности обработки пластин перед сваркой.
• Возможность сварки по зазору
• Повышение производительности
• Возможность варьирования структурой и механическими
свойствами сварного шва за счёт плавящегося электрода
По сравнению с дуговой варкой
• Увеличение глубины проплавления
• Повышение производительности сварки
• Уменьшение ЗТВ
• Уменьшение деформаций
GMA
Hybrid

2.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЛДСПЭ
Влияние зазора, 3 м/мин
0.5 мм
1 мм
2 мм
Влияние скорости сварки, 0.5 мм
1.2 м/мин
2 м/мин
3 м/мин
Сканирование лазерного луча, 2.2 м/мин, 400 Гц, 0.5 мм, 1.5 мм gap
Без сканирования
Сканирование
15 мм толщина, 14.5 кВт + 7 кВт, скорость подачи проволоки 14.5 м/мин

3. ЛДСПЭ металлов больших толщин

15 мм
РС E36,
толщина 20 мм
380
корень
360
340
Твердость, HV10
320
300
280
260
240
09Г2С
толщина 15 мм
шов в области влияния дуги
220
200
180
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Расстояние, 0.5 мм
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Материал – X80
Металлопорошковая
проволока
Скорость сварки 3 м/мин
Мощность лазерного
излучения 12,5 кВт
Мощность дуги 7 кВт
Ударная вязкость 300Дж
(-40 C)

4. ЛДСПЭ высокопрочных сталей

Hardox H450, толщина 12 мм, твёрдость ≈450 HBW, σт=1050-1300МПа
Лицевая сторона
Обратная сторона
Weldox, толщина 8 мм
Лицевая сторона
Обратная сторона
Weldox, толщина 6 мм
Лицевая сторона
Обратная сторона

5.

ЛДСПЭ алюминиевых сплавов
Al-Mg, Al-Mg-Zn, Al-Li, Al-Mg-Sc
10 mm
Mg, %W
Поверхность
6,485
Центр
5,871
Корень
5,510
О.м.
6,442
Ме. электрода
6,25
АМг6
HLW+MIG
Al+4.5%Mg+1.7%Li+0.6%Zn,
4 мм q = 100 Дж/мм
Al-Li, толщина 4 мм

6.

ЛДСПЭ компонентов ракетных двигателей
(сталь)
Химический состав стали 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72).
Массовая доля химических элементов, %
C
Si
Mn
Ni
S
P
Cr
Cu
-
до 0,12
до 0,8
до 2
9 - 11
до 0,02
до 0,035
17 - 19
до 0,3
(5С – 0,8)Ti, остальное Fe
Лицевая сторона
Обратная сторона
Микрошлиф
Толщина 5 мм: Рл=7 кВт, Vсв=1,8 м/мин, Iд=225А, Uд=24,5В, сварочная проволока 10Х19Н11М4Ф
Толщина 10 мм: Рл=8 кВт, Vсв=1,8 м/мин, Iд=257А, Uд=23,9В, сварочная проволока 10Х19Н11М4Ф
Толщина 15 мм: Рл=11 кВт, Vсв=1,2 м/мин, Iд=173А, Uд=20,9В, сварочная проволока 10Х19Н11М4Ф
Металлографические исследования:
-
получена аустенитная структура металла шва;
-
ЗТВ практически не претерпела структурных превращений;
-
внутренних дефектов не обнаружено.
Механические испытания:
-
значения предела прочности на разрыв сварного соединения: 5мм – 559 МПа (о.м.), 10мм – 590 МПа (с.ш.), 15мм – 588,5 МПа (с.ш.);
(предел прочности на разрыв основного металла – 530 МПа)

7.

ЛДСНЭ компонентов ракетных двигателей
(титан)
Химический состав титанового сплава ОТ4 (ГОСТ 19807-91).
Fe
до 0,3
С
до 0,1
Si
до 0,12
Mn
0,8 - 2
N
до 0,05
Химический состав, %
Ti
Al
91,638 – 95,7 3,5 - 5
Zr
до 0,3
O
до 0,15
H
до 0,012
Примеси
прочих 0,3
Исследование расстояния между электродом и поверхностью свариваемых пластин
2 мм – дуга горит нестабильно (периодическое соприкосновение
расплавленного присадочного металла с электродом);
3 мм – дуга горит стабильно
2 мм
3 мм
Характер переноса присадочного материала в сварочную ванну (С100 CENTURIO, 3000 кадров/сек)
Рл=5кВт, Vсв=0,9 м/мин, Iд=140А, Uд=18В, вылет электрода – 5 мм, расстояние от электрода до пластины – 3 мм,
расстояние от электрода до оси лазерного излучения – 3,5 мм
Лицевая сторона
Микрошлиф
Металлографические исследования:
Обратная сторона
-
получена структура металла шва состоящая из мартенситной α’-фазы;
-
в околошовной зоне наблюдается 3 участка: участок крупного зерна участок
полной перекристаллизации и участок неполной перекристаллизации;
-
внутренних дефектов не обнаружено
Механические испытания:
Рл=5 кВт, Vсв=0,72 м/мин, Iд=160А, Uд=18В, электрод WL15
(диаметр 2,4 мм), проволока ОТ4 (диаметр 1,6мм),
-
предел прочности на разрыв сварного соединения - 657 МПа
(предел прочности на разрыв основного металла – 700-900 МПа)

8.

ЛДСПЭ высокохромистой стали ЧС-82
Химический состав стали ЧС-82 (толщина 7мм)
Содержание элементов, %
Марка стали
ЧС-82
C
Si
Mn
S
V
Cr
Ni
B
Ti
Mo
0,028
0,37
0,27
0,005
0,23
14,35
0,25
1,5
2,9
0,03
Лазерная сварка.
Рл=15кВт, Vсв=3,6 м/мин, Ar, 25 л/мин
Рл=15кВт, Vсв=2,4 м/мин, Ar, 25 л/мин
Дефекты: 1) образование холодных трещин; 2) недостаток металла в шве
Лазерно-дуговая сварка плавящимся электродом
Лицевая сторона
Обратная сторона
Рл=15кВт, Vсв=3,6м/мин, Iд=298А, Uд=28,2В, 10Х19Н11М4Ф, Ar, 25 л/мин
- Отсутствие трещин;
- Шов удовлетворяет требованиям по геометрии;
- Отсутствие иных внутренних дефектов.
Макрошлиф

9. Лазерное термоупрочнение

Коническая замковая резьба корпуса шарового крана (38Х2Н2МА)
Фосфатирование:
-толщина покрытия от 2-8 мкм до 40-50 мкм;
- быстро изнашивается;
- время фосфатирования около 15-20 мин
Лазерное термоупрочнение:
- повышение твёрдости в 1,5 раза до 305HV после 459HV;
- глубина закалённого слоя свыше 50 мкм;
- время термоупрочнения около 2,3 мин
(повышение производительности процесса в 7 раз)
50мкм 460HV
100 мкм 401HV
150 мкм 386HV
200 мкм 353 HV
250 мкм 311HV
300 мкм 285 HV
Рл=1,7кВт
Vт=50 мм/сек

10. Новые лазерные технологии для ОПК

Предпроектные проработки высокой степени готовности, не имеющие аналогов
Лазерная сварка и наплавка разнородных материалов
Сварка Al – Ti
Сварка Al – Cu
Наплавка МНЖ на сталь
в = 280 MPa
Ti-Al
Разработка технологии и оборудования
Наплавка
уплотняющего
пояса и
нанесение
дорожек для
раскола на
корпус
высокоточного
боеприпаса
Сварка
форсунки
двигателя
подводной
ракеты
Сварка
компактного
теплообменника с
повышенной
теплоотдачей

11.

ПРОРЫВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ:
Лазерная наплавка и прямое лазерное выращивание
Моделирование и исследование процессов
Структура задачи
- течение паровой струи, падающей на поверхность подложки
- перенос порошка к поверхности мишени
-нагрев и плавление порошка
- теплоперенос в мишени
Схема процесса

12.

НАПЛАВКА НА ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ОБРАЗЦЫ
Некоаксиальная схема
1.9 мм
~500 HV
3.1 mm
Stellite 6, 12.5 кВт, 750 мм/мин, f = 170 г/мин, Ø = 7 мм, 100 Гц, 8.1 кг/ч (0.54 кв.м/ч), 75%
Коаксиальная схема
Stellite 6: 10.7кВт, 750мм/мин,
265г/мин, Ø=5mm, контроль
мощности, 5.4 кг/ч, D=1%
1.0 мм

13.

ПРЯМОЕ ЛАЗЕРНОЕ ВЫРАЩИВАНИЕ
Некоаксиальная подача со
сканированием – 18 кг/ч
Некоаксиальная подача с
сфокусированной газопорошковой
струей – 5 кг/ч
Коаксиальная подача с
сфокусированной струей – 2 кг/ч

14.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЛАЗЕРНЫХ И ЛАЗЕРНО-ДУГОВЫХ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ (ЛДТК)
• Волоконный лазер
• Дуговой источник
• Лазерный (лазерно-дуговой)
инструмент
• Системы перемещения
• Система слежения за стыком
• Система подачи защитной меси
• Система мониторинга
• CNC

15. ЛДТК НА БАЗЕ 15 кВт ВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА

• 15 кВт волоконный лазр
• 30 м 200 мкм волокно
• Дуговой источник ВДУ-1500 DC
• Плавящийся электрод до 4 мм диаметром
• CNC
• Система слежения за стыком
• Система мониторинга в реальном режиме

16.

ЛДТК НА БАЗЕ 5 кВт ВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА

17.

ЛАЗЕРНО-ДУГОВЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
ПЛОСКИХ СЕКЦИЙ
Лазерная
резка
Дуговая сварка
ЛДС
ЛДС

18.

ЛДТК ДЛЯ СВАРКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ
ПОВЕРХНОСТЕЙ

19.

РОБОТИЗИРОВАННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
КОМПЛЕКС ДЛЯ ЛДС И ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ
3D МОДЕЛЬ
ЛДТК
ЛДС и лазерная резка
Мощность лазера до 20
кВт
Мощность дуги до 500А
Система слежения
Система слежения

20.

РОБОТИЗИРОВАННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
КОМПЛЕКС ДЛЯ ЛДС И ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ
• ЛДС и лазерная резка
• Мощность лазера до 20 кВт
• Мощность дуги до 500А
• Система слежения
• Система слежения

21.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ
ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
Лазерная
сварочная головка
для внутренней
сварки

22.

Сварочно-наплавочный технологический
комплекс
• Волоконный иттербиевый лазер ЛС-20
• Дуговой источник ВДУ-508
• Сварочный трактор
• Система подачи сжатого воздуха
• Система слежения за стыком
• САУ

23. Оборудование и технология гибридной светолазерной обработки

Проба Эриксена
Основной металл
100%
Лазерная сварка
47%
сталь 30XГCA, сварка пластин 0.5 мм
мартенсит
бейнит
брызги
металла
Светолазерная
сварка
61%

24.

Гибридная лазерно-микроплазменная
сварка
Синергетический эффект при совместном действии лазерного излучения и электрической дуги
•Управляемая форма лазерного импульса
•Синхронизация лазерного и дугового
импульсов
•Частота следования импульсов
определяется временем релаксации плазмы
гибридного разряда
Повышение эффективности,
проплавляющей способности и
качества шва

25.

Опытно-производственный сборочно-сварочный участок по
изготовлению корпусных изделий из высокопрочных
броневых сталей нового поколения с использованием
технологии гибридной лазерно-дуговой сварки
Корпус
свариваемого
автомобиля
КАМАЗ
Транспортное
устройство
Площадь комплекса – 120 кв. м
Потребляемая мощность – 100 кВт
Ориентировочная стоимость участка – 100 млн. р.
Производительность – 3 корпуса за 1 смену
Количество постов: 3 – 5
Персонал: 2 - 4 чел.
Требования к помещению – УХЛ 4.2
Подготовка производства – 80 млн. р.
Общая стоимость работ -180 млн. р
Лазерный манипулятор
Инженерный центр "КАМАЗ"
Управление всеми
подсистемами
технологического
комплекса в
автоматическом
режиме

26.

Общее представление о системе мониторинга
Функции системы слежения
- анализ подготовки стыка
- регистрация и обработка сигналов;
- анализ динамики сварочной ванны;
- диагностика поверхности шва
Сигналы в процессе лазерной сварки

27.

МОНИТОРИНГ ПРИ ЛДСПЭ
Temperature
sensor
Схема экспериментальной установки
Sensor of the
reflected laser
radiation
Signals
converter
CMOScamera
Photodiodes
Light filters
Reducer
Light-splitting units
Излучение
плазменного
факела
Напряжение
Ток
Результат процесса
слежения за сваркой
Sensor of
plasma
radiation

28. Расположение датчиков в рабочей зоне

29. ПРОВЕРКА СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА

Сигнал от некоаксиального датчика (светимость плазменного факела)
Сигнал от инфракрасного датчика

30.

ПРОВЕРКА СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА
Изменение ширины зазора
Результаты мониторинга
Удовлетворительное
формирование
сварного шва
Дефекты формирования
сварного шва

31. Проверка системы мониторинга

Внешний вид сварного соединения
Рентгенограмма сварного соединения
Распределение количества пор вдоль шва
350
300
250
200
150
100
10000
20000
30000
40000
Сигнал от датчика фиксирующего отражённое лазерное излучение

32.

САЕ-система LaserCAD
Формирование сварочной ванны, моделирование формирования структуры материала,
моделирование динамики сварочной ванны и дефектообразования
LaserCAD v 4.0
ПТ3-В
Рл=4,5 кВт, v= 15 мм/с,
материал – сталь 10
55% F
89% P