CC BY
75
14. Sudnik W.A. Digital and experimental temperature distribution in the weld zone when subjected to the effect of a defocused energy beam /' W.A. Sudnik // 2nd Int Conf “Beam Technology”, Dtisseldorf, DVS Verlag. - 1985. -P. 158-161.
15. Судник В.А. Программное обеспечение MAGSIM для анализа, оптимизации и диагностики процесса сварки тонколистовых соединений плавящимся электродом в активном газе / В.А. Судник, В.А. Иванов,
О.А. Мокрое // Свароч. пр - во. - 1995. - №11. - С. 19-24.
16. Судник В.А. Моделирование и численная имитация импульсно-дуговой сварки алюминиевых сплавов / В.А. Судник, А.С. Рыбаков, С.В. Кураков /'/ Свароч. пр-во. - 2002. - №3. - С. 9 - 15.
17. Судник В.А. Теплофизические модели и прикладные программы расчётов на ЭВМ температурных полей при сварке плавлением тонколистовых соединений / В.А. Судник // Сварка цветных сплавов. - Тула: Тул-ПИ.- 1985.-С. 18-28.
18. Ландау С.Д. Теоретическая физика: в 3 т. Т. 3. Механика сплошных сред. / С.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц - М-Л: ОГИЗ. - 1944. - 450 с.
19. Судник В.А. Прогнозирование качества сварных соединений на основе численных моделей формирования шва при сварке плавлением тонкостенных конструкций: дис. ... д-ра техн. наук / В.А. Судник - Л., 1991.-340 с.
20. Судник В.А. Расчеты сварочных процессов на ЭВМ / В.А. Суд-ник, В.А. Ерофеев. - Тула: ТПИ, 1986. - 100 с.
Получено 23.04.08
УДК 621.791.92:658.58
Ю.Ю. Левин, В.А. Ерофеев, В.А.Судник (Тула, ТулГУ)
ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЗДЕФЕКТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ
Рассмотрены физические закономерности ИЛС и установлены физикотехнологические условия возникающих дефектов сварки, отражающие связь появления выплесков в начале импульса, пустот в корне шва в конце импульса, усадочных раковин в паузе между импульсами, герметичности шва с параметрами режима импульсной лазерной сварки. Установлено, что причиной возникновения выплеска является быстрое заглубление луча, вызывающее вытеснение расплава и создающее скоростной напор, который может преодолеть силы поверхностного натяжения.
Анализ конструктивных особенностей изделий в приборостроении и требований, предъявляемых к ним, показал, что наиболее эффективным способом получения неразъемных соединений малых толщин является ис-
пользование импульсно-периодической лазерной сварки (ИЛС). При неправильно подобранном режиме ИЛС могут возникать такие дефекты, как пустоты, усадочные раковины, выплески, негерметичность шва. При данном виде сварки трудно подобрать оптимальные сварочные параметры (скорость сварки, энергию в импульсе, диаметр луча, заглубление луча, фокусное расстояние, скважность, частоту импульсов и т.д.) для получения качественного соединения. Существует необходимость в создании алгоритмов выбора оптимальных параметров режима на основе компьютерного моделирования процесса ИЛС, что позволит обеспечить получение сварных соединений без дефектов.
Возможны два механизма возникновения выплеска в начале импульса. Первой причиной является формирование выпуклости вследствие вытеснения расплава парогазовым каналом и термическим расширением металла (рис. 1). Объём выпуклости V геометрически оценивается как
V = пгс гс
1 о + -7С/?2*,
3
Ро
V
(і)
где Я, гс, - радиусы ванны и парогазового канала на поверхности детали; гс - глубина проплавления; ро, р1 - плотности твёрдого и расплавленного металла.
Здесь Я определяется градиентом температуры, гс, равен радиусу
сфокусированного луча на поверхности. Объём выпуклости V формирует
поверхность ванны в форме сегмента тора с высотой выпуклости И,
2 V 1
. Допустив, что форма выпуклости при И<—(Я-гс)
А =
7Г%+ЯХЯ-ГС)
исключает возможность заполнения горловины канала, соотношение
,2
К
{Я-гсУ(К + гс)
іеот
4 V
>1
(2)
можно считать геометрическим условием возникновения выплеска расплава.
2гс
Рис. 1. Форма расплавленной сварной точки
Второй причиной возникновения выплеска является быстрое заглубление луча, 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 вблизи поверхности оценивается по скорости
\2
заглубления канала и размеру сварочной ванны Уі =
дгс
Ы
'с
К
. Движение
У
расплава создаёт по поверхности сварочной ванны давление скоростного
напора ру 1~ Рь ■ Этому давлению противостоят силы поверхностно-
2
го натяжения ст, создающие капиллярное давление, которое не превышает
а
значения рп <--------.
Я~гс
Если давление скоростного напора превысит капиллярное, то возникнет выплеск. Поэтому соотношение
. 2
_(Я-гс)р Л<#и ~
2ст
дг,
Ы
<1
(3)
можно считать динамическим условием возникновения выплеска расплава.
Для исключения пустот в конце импульса лазера необходимо, чтобы время заполнения канала /с (5) было меньше времени кристаллизации
(6) расплава ванны. Поэтому соотношение
'с < *к (4)
можно считать условием возникновения пустот в конце импульса.
Время заполнения канала расплавом оценивается значением
2СР
(5)
время кристаллизации сварочной ванны - значением
*к *
Я
(б)
Причинами возникновения усадочных раковин являются вытеснение расплава каналом и термическое расширение металла в результате нагрева, формирование выпуклости и частичная фиксация этой выпуклости при кристаллизации сварочной ванны.
Для обеспечения минимального значения выпуклости необходимо после плавного уменьшения мощности луча для предотвращения пустот в корне шва подогревать поверхность лучом лазера при пороговой мощно-
сти, при которой металл остаётся расплавленным на всё время кристаллизации металла в глубине шва. Объём выпуклости при этом минимален
Согласно условиям возникновения дефектов необходимо, чтобы сварочная ванна имела большую плошадь, а скорость роста глубины канала была мала. Для этого необходимо обеспечить постепенное увеличение мощности луча лазера в начале импульса. В паузе между импульсами ее нужно поддерживать на пороговом уровне возникновения парогазового канала:
электросопротивление при температуре кипения металла Ту.
При импульсной сварке для случаев нахлесточного соединения проплавным швом необходимо обеспечить взаимное перекрытие точек, сформированных отдельными импульсами, (рис. 2).
-1 , а минимальные значения остаточного усиления глу-
бины кратера не превысят значения
Чро ,
(7)
Рис. 2. Схема перекрытия точек шва в нахлёсточном соединении: 1,2- верхняя и нижняя детали
Длина ванны в стыке оценивается
А* = ^Ь+--------2\ >
где Ь - длина ванны на поверхности, Ьь=2гс.
Длительность импульса лазера определяется заданной глубиной проплавления гС) а длительность паузы - временем кристаллизации (6). Перекрытие обеспечивается выбором скорости сварки по условию
Алгоритм расчёта параметров импульса основан на решении обратной задачи моделирования ИЛС с учетом физико-технологических условий обеспечения бездефектного формирования шва. Модель ИЛС учитывает воздействие луча на металл и рост глубины парогазового канала и размеров сварочной ванны с учетом потерь энергии на отражение луча от поверхности, парообразование, теплоотвод в металл. При многократном моделировании итерационно подбираются параметры импульса, пока все условия отсутствия дефектов не будут выполнены. Результаты расчетов «РиЬесИ^азе^еИ^-туегее» представлены на рис. 3.
1. Рассмотрены физические закономерности ИЛС и установлены физико-технологические условия возникающих дефектов сварки, отражающие связь возникновения выплесков в начале импульса, пустот в корне шва в конце импульса, усадочных раковин в паузе между импульсами, герметичности шва с параметрами режима импульсной лазерной сварки.
2. Установлено, что причиной возникновения выплеска является быстрое заглубление луча, вызывающее вытеснение расплава и создающее скоростной напор, который может преодолеть силы поверхностного натяжения. Выплесков можно избежать при большой площади ванны и малой скорости роста глубины канала. Для этого необходимо обеспечить постепенное увеличение мощности луча лазера в начале импульса и поддержание его мощности в паузе на уровне порогового значения возникновения канала.
(10)
Выводы
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Т*ісед>й««аГ0СГ 'ЗЯ1-91--—^ » 5-4 Р
Спжовсе Квадестоес* \кк*я і [
Рис. 3. Результаты расчета оптимальной формы импульса программой «РиІ5е<ІЬа$ег \Velding~inуепе»
3. Установлено, что пустоты возникникают, если время заполнения канала меньше времени кристаллизации ванны. Для предотвращения их появления необходимо постепенное уменьшать мощность луча лазера в конце импульса со скоростью кристаллизации.
4. Установлено, что усадочные раковины возникают вследствие фиксации формы поверхности при быстрой кристаллизации расплава. Для их устранения достаточно обеспечить постоянное существование ванны, поддерживая мощность лазера в паузе на уровне порогового значения возникновения канала.
5. Разработаны методика определения параметров оптимальной формы импульса, основанная на решении обратной задачи моделирования ИЛС с учетом физико-технологических условий обеспечения бездефектного формирования шва, алгоритм и программа «PulsedLaserWelding-inverse», опредеяющая также скорость сварки по заданному проплавлению.
Библиографический список
1. Левин Ю.Ю. Программное обеспечение ИЛС для оптимизации процесса сварки / Сборник научных трудов студентов и аспирантов технологического факультета (Тула 2005)
2. Левин Ю.Ю., Ерофеев В.А., Масленников А.В. Компьютерное моделирование процесса импульсной лазерной сварки / Сборник научных и научно-методических работ кафедры «Оборудование и технология сварочного и литейного производства» Тульского государственного университета. - Тула: ТулГУ, 2005.-112с.
3. Левин Ю.Ю., Ерофеев В.А., Судник В.А. Компьютерная модель формирования шва при импульсной лазерной сварке / 1-я Международная Интернет-конференция «Компьютерные технологии в соединении материалов» (Тула, 2005)
4. ГОСТ 30242-97 Дефекты соединений при сварке металлов плавлением. Классификация, обозначения и определения
5. Katayama S., Hamada S., Matsunawa A.: Proc, Of the 6 Int. welding symposium of JWS, Nov. 19-21, 1996, Nogoya, Japan Welding Society, Vol.l, P.249-254.
Получено 23.04.08
