WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

ОБЪЯВЛЕНИЕ О ЗАЩИТЕ КАНДИДАТСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ

Ф.И.О

Левин Юрий Юрьевич

Название диссертации

Исследование и разработка технологического процесса импульсной лазерной сварки тонкостенных алюминиевых конструкций

Специальность

05.03.06 - «Технологии и машины сварочного производства»

Отрасль науки

Технические науки

Шифр совета

Д 212.110.05

Тел. ученого секретаря

(499)141-9495

E-mail

a_paltievich@mati.ru

Предполагаемая дата защиты

16 октября 2008

Место защиты диссертации

Оршанская, 3, ауд. 523А

Автореферат и текст объявления были размещены на сайте «МАТИ»Российского государственного технологического университета им. К.Э.Циолковского в сети Интернет 11 сентября 2008 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета А.Р. Палтиевич

На правах рукописи

ЛЕВИН Юрий Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ

ТОНКОСТЕННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.03.06

«Технологии и машины сварочного производства»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2008

Работа выполнена на кафедре «Сварка, литье и технология конструкционных материалов» Тульского государственного университета

Научный руководитель Кандидат технических наук, доцент

Ерофеев Владимир Александрович

Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор

Шиганов Игорь Николаевич

Кандидат технических наук, доцент

Гончаров Алексей Леонидович

Ведущая организация ОАО «Станкотехника», г.Тула

Защита диссертации состоится «16» октября 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.110.05 в ГОУ ВПО «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу: 121552, Москва, ул. Оршанская, 3, аудитория 523А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «МАТИ» - Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского.

Автореферат разослан «___» 2008 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д212.110.05 А.Р.Палтиевич

Тел. 8(499)1419495

Актуальность работы

В настоящее время широкое применение в приборостроении и машиностроении находят алюминиевые конструкции с толщиной стенки до 2 мм, к достоинствам которых относят их коррозионную стойкость и малый удельный вес.

Анализ особенностей тонкостенных алюминиевых конструкций и требований, предъявляемых к ним, показал, что наиболее эффективным способом получения неразъемных соединений малых толщин является использование импульсной лазерной сварки (ИЛС) твердотельным ИАГ-лазером.

При неправильно подобранном режиме ИЛС могут возникать такие дефекты, как раковины и брызги металла вследствие возникновения выплесков, а также пустоты, кратеры, непровары в стыке свариваемых деталей. При ИЛС трудно подобрать оптимальные параметры режимы сварки (скорость сварки, энергию луча в импульсе, диаметр луча, фокусное расстояние, скважность, частоту импульсов и т.д.) для получения качественного соединения. Необходимо проведение большого количества экспериментов, и поэтому разработка технологии ИЛС является трудоемкой задачей.

Использование компьютерного моделирования процесса ИЛС позволит резко снизить затраты на разработку бездефектной технологии за счёт уменьшения объема экспериментальных исследований. Существует также и необходимость в создании алгоритмов выбора оптимальных параметров режима на основе компьютерного моделирования процесса ИЛС, что позволит обеспечить получение сварных соединений без дефектов.

Поэтому выявление физико-технологических причин возникновения дефектов, создание программного обеспечения для исследования процесса ИЛС, и методики использования компьютерного проектирования технологии сварки для снижения затрат являются актуальными задачами.

Цель работы

Целью исследования является ускорение технологической подготовки сварочного производства при разработке технологии ИЛС тонкостенных конструкций на основе численного моделирования процесса с учётом физико-технологических причин возникновения дефектов.

Методы исследования

Инструментом исследования являлись разработанные компьютерные программы ИЛС. Для верификации результатов компьютерной имитации проведена сварка экспериментальных образцов на сварочной установке КЛТ-01. Для металлографических исследований использованы высокоточная цифровая камера Canon 10x и металлографический микроскоп МЕТ1. При обработке результатов экспериментов использованы стандартные статистические методы сравнения.

Научная новизна работы

1. Математически описаны физико-технологические условия возникновения дефектов сварки, что позволило расчетным путем получить параметры импульса, обеспечивающие формирование шва без выплесков, пустот, кратеров и непроваров. Установлено, что надо увеличивать мощность луча лазера в начале импульса со скоростью, не превышающей критического значения, зависящего от свойств сплава, диаметра луча и ширины шва, уменьшать мощность луча лазера в конце импульса в течение времени, большего времени кристаллизации расплава, поддерживать мощность в паузе на уровне порогового значения возникновения канала.

2. Разработана физико-математическая модель процесса ИЛС, представляющая собой систему уравнений теплопереноса и равновесия поверхности сварочной ванны, в которой учтены закон изменения параметров луча во времени и процесс фиксации предельного пространственного расположения сварочных ванн, возникающих при воздействии импульсов луча.

Достоверность компьютерной имитации подтверждается соответствием результатов расчета и натурных экспериментов.

Практическая ценность состоит в создании программного обеспечения и методики для определения параметров режима ИЛС, обеспечивающих получение качественного сварного соединения и использование которых позволяет снизить затраты на разработку технологии изготовления тонкостенных конструкций.

Разработанные программное обеспечение было внедрено при создании технологии изготовления узлов антенн на ОАО «АК Туламашзавод», г.Тула.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на 3 Всероссийской научно- технической конференции «Компьютерные технологии в соединении материалов» (Тула 2003), на международной научной конференции «ХХХ Гагаринские чтения» (Москва 2004), на 1-ой Международной Интернет-конференции «Компьютерные технологии в соединении материалов» (Тула 2005).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованных источников. Общий объем работы составляет 138 страниц машинописного текста, включая 57 рисунков, 13 таблиц и 118 наименований использованных литературных источников.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель, выбраны методы исследования. Показаны теоретическая и практическая значимость работы.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Проведен анализ особенностей тонкостенных алюминиевых конструкций, часто встречаемых на производстве в приборостроении, в электронной и электротехнической промышленности. Рассмотрены требования, предъявляемые к ним. Рассмотрены вопросы сварки малых толщин, типы сварных соединений и требования к сварному шву, специфичные для приборостроения.

При ИЛС тонкостенных алюминиевых конструкций могут возникать такие дефекты, как раковины и брызги металла вследствие возникновения выплесков, пустоты, кратеры, отсутствие перекрытия точек от действия отдельных импульсов в стыке свариваемых деталей. Дефекты могут также возникать вследствие случайных отклонений параметров (погрешность работы оборудования).

Проблемой возникновения пустот при ИЛС занимались Katayama S., Hamada S., Matsunawa A. Авторами экспериментально выявлена закономерность образования пустот при импульсной лазерной сварке твердотельным ИАГ-лазером, и предложена оптимальная форма импульса излучения лазера, при которой мощность излучения снижается пропорционально длительности импульса. S. Sato, K. Takahashi, B. Mehmetli экспериментально оценили влияние положение фокуса относительно свариваемых поверхностей при различной интенсивности излучения лазера. Они показали, что чем выше мощность излучения и меньше расходимость луча и скорость сварки, тем шире диапазон фокусировки излучения. Козлов В.А, Мелюков В.В., Частиков А.В. экспериментально установили, что при импульсной лазерной сварке на прочность сварных соединений, кроме коэффициента перекрытия, оказывает влияние частота импульсов, т.е. для каждого значения перекрытия соответствует определенный диапазон частот. Basu S.S., DebRoy T. экспериментально исследовали причины возникновения выплесков расплава, которые снижают качество шва. Основные положения этих работ учтены при рассмотрении физических причин возникновения дефектов сварки.

Существуют требования ГОСТ 28915-91 «Сварка лазерная импульсная. Соединения сварные точечные» к размерам сварной точки. Однако нет рекомендаций по определению параметров режима. Обоснована необходимость создания компьютерной программы имитации процесса ИЛС. В основу разработки компьютерной модели ИЛС положена методика Самарского А.А. «модель-алгоритм-программа». Проведен анализ ранее выполненных работ по моделированию процесса импульсной лазерной сварки, связанный с именами Судника В.А., Бадьянова Б.Н., Смурова И.Ю., He X, Fuerschbach P.W. и DebRoy T. Рассмотренные модели позволяют рассчитывать геометрию шва и не учитывают возможность возникновения дефектов сварки.

Исходя из этого разрабатываемая модель должна позволять:

  1. воспроизводить геометрию сварного соединения;
  2. воспроизводить влияние основных параметров режима сварки;
  3. прогнозировать образование дефектов шва.

В связи с этим в диссертационной работе предстояло решить следующие задачи:

  1. исследовать физические явления, приводящие к возникновению дефектов при ИЛС, выявить физико-технологические условия возникновения дефектов при ИЛС;
  2. разработать методику определения оптимальных параметров импульса, учитывающую условия обеспечения бездефектного формирования шва;
  3. разработать математическую модель ИЛС, алгоритм и компьютерную программу на их основе для решения технологических задач.

ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЗДЕФЕКТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Глава посвящена исследованию процесса ИЛС и установлению закономерностей возникновения дефектов сварки.

Выплеск. Выплеск может стать причиной возникновения раковин в шве и появлению брызг. Возможны два механизма возникновения выплеска в начале импульса.

Первой причиной является формирование выпуклости вследствие образования парогазового канала и термического расширения металла, рис. 1. Под действием сил поверхностного натяжения выпуклость в поперечном сечении шва приобретает форму, близкую к сегменту тора. Если диаметр тора превысит ширину ванны, то начинается смыкание горловины канала. После уменьшения диаметра горловины до диаметра луча излучение лазера вызывает кипение металла и выброс расплава силой F реактивной отдачи пара. Объём выпуклости V геометрически оценивается как:

,

где rс, R – радиусы парогазового канала и ванны на поверхности детали, соответственно; zc - глубина проплавления; 0, L – плотности твёрдого и расплавленного металла. Здесь R определяется градиентом температуры, rс равен радиусу сфокусированного луча на поверхности, 2R – ширина шва. Объём выпуклости V формирует поверхность ванны в форме сегмента тора с высотой выпуклости h,. Допустив, что форма выпуклости при исключает возможность заполнения горловины канала, то соотношение

Рис. 1. Форма расплавленной сварной точки

(1)

можно считать геометрическим условием возникновения выплеска расплава.

Второй причиной возникновения выплеска является быстрое заглубление луча с образованием парогазового канала, которое сопровождается вытеснением расплава из канала с большой скоростью. Это вызывает течение расплава от дна канала в направлении поверхности. У поверхности течение жидкости создаёт скоростной напор. Скоростной напор увеличивает давление на поверхности и может преодолеть силы поверхностного натяжения. Скорость движения расплавленного металла vL вблизи поверхности оценивается по скорости заглубления канала и размеру сварочной ванны. Движение расплава создаёт на поверхности сварочной ванны давление скоростного напора. Этому давлению противостоит капиллярное давление, которое не превышает значения.

Если давление скоростного напора превысит капиллярное, то возникнет выплеск. Поэтому соотношение

(2)

можно считать динамическим условием возникновения выплеска расплава.

Пустоты. Для исключения пустот в конце импульса луча лазера, необходимо, чтобы время заполнения канала было меньше времени кристаллизации расплава ванны. Поэтому соотношение

(3)

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»