CC BY
2
СВАРКА, РОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.791.725
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-5-379-380
ВЛИЯНИЕ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ РУЧНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ ОБРАЗЦОВ
Д.В. Антипов, Ю.А. Вашуков, Г.И. Рыжов, А.Н. Никитин
В статье производится анализ и оценка прочностных характеристик алюминиевых образцов из материала АМцМ, полученных лазерной сваркой при различных технологических режимах. Исследуется влияние мощности излучения на прочность сварного шва.
Ключевые слова: лазерная сварка, прочностные характеристики, сварное соединение, алюминиевые сплавы, сварка авиационных конструкций.
Ориентация отечественных авиационных предприятий на перспективные технологии в области сварки напрямую зависит от научно-исследовательской базы. В связи с этим проведение различных экспериментов, направленных на изучение новых технологий, является базисом для совершения технологического прорыва.
Конструктивная многогранность деталей, образующая номенклатуру авиационных изделий, заставляет всерьёз задуматься о формировании новых подходов к созданию конструкций с использованием передовых производственных технологий. Одним из таких процессов является лазерная сварка.
Целью исследования являлось выявление влияния различных технологических параметров лазерной сварки на прочностные характеристики сварного шва алюминиевых образцов.
Объектом исследования являются сварные образцы из алюминиевого сплава АМцМ.
Предметом исследования являются зависимости влияния технологических параметров ручной лазерной сварки на прочностные характеристики алюминиевых образцов.
В данном эксперименте использовались алюминиевые образцы марки АМцМ.
АМц — сплав, обладающий высокой пластичностью в отожженном состоянии (АМцМ) и низкой в нагар-тованном (АМцН), хорошо сваривается газовой, атомно-водородной и контактной сваркой, применяется для изготовления баков, бензо- и маслопроводов, горловин кронштейнов, патрубков и фланцев горловин и малонагруженных деталей.
В эксперименте для определения прочностных характеристик использовались специально подготовленные образцы, полученные из ленточных полос с геометрическими параметрами: толщина - 2 мм, ширина - 20 мм. Предварительно образцы были механически зачищены. Последующая термическая обработка сварных образцов не проводилась.
Сварочный аппарат, используемый в эксперименте, основан на теплопроводности используемого материала. Аппарат позволяет контролировать и размеры сварочной ванны, и размеры сварного шва, соответственно, при помощи регулировки таких параметров как ширина, частота и мощность лазерного пучка и импульсов. Излучатель аппарата - иттербиевый твёрдотельный. В качестве защитной среды использовался аргон. Рабочее давление - 20 л/мин.
В таблице 1 представлены характеристики сварочного аппарата.
Таблица 1
_Характеристики сварочного аппарата_
Параметр | Значение
Лазерный источник
Выходная мощность 1500 Вт
Режимы излучения Продолжительный, модуляция, импульсный, линейный массив.
Диапазон регулирования выходной мощности 1...100%
Длина волны лазера 1075+10 нм
Погрешность при регулировке мощности Менее 5%
Максимальная частота модуляция 50 кГц
Время отклика лазера Менее 10 мс
Длина волны коллимационного лазера 650 нм
Выходная мощность коллимационного лазера Менее 1 мВт
Лазерный вывод
Тип Сварочная лазерная головка
Коллиматорное фокусное расстояние 50 мм
Фокусное расстояние 150 мм
Длина оптоволоконного кабеля 10+0,5 м
В руководстве по эксплуатации сварочного аппарата предусмотрены рекомендуемые параметры. В таблице 2 представлены рекомендуемые производителем параметры.
Таблица 2
Рекомендуемые производителем параметры _
Лазер Мощность излучения 0 - 1500 Вт
Диаметр сердцевины оптоволокна 50 микрон
Сварочная голова Фокусное расстояние коллиматора 50 мм
Фокусное расстояние фокусирующего зеркала 150 мм
Основные показатели Ширина шва 0 - 5 мм
Частота колебания луча 0 - 300 Гц
Толщина свариваемого материала <3 мм для сталей < 2 мм для алюминия и меди
Зазор между свариваемыми деталями <10 % от толщины заготовок
Скорость сварки <10 см/сек
Рекомендуемые параметры колебания луча 0,8 - 1,2 мм, 100 - 200 Гц
Рекомендуемое давление защитного газа 0,2 - 0,8 МПа
На первом этапе эксперимента выполнялось исследование влияния мощности генерируемого луча п на прочностные характеристики сварных соединений для материала АМцМ. Методом последовательных приближений с учётом рекомендуемых параметров и технологических соображений были подобраны оптимальные параметры для сварки алюминиевых образцов толщиной Б=2 мм.
В таблице 3 представлены численные значения технологических параметров. Для повышения точности эксперимента для выбранного значения мощности использовались по 3 образца.
Таблица 3
Технологические^ параметры__
№ образца Мощность луча п, % Частота колебаний и, Гц Ширина колебаний L, мм
Материал - АМцМ, S=2 мм
1
2 65
3
4
5 70 150 3
6
7
8 75
9
10
11 80
12
В таблице 4 представлены сварные образцы, полученные при разных технологических параметрах (разной мощности генерируемого луча).
Полученные сварные образцы
Таблица 4
Образцы 1-3
Образцы 4-6
Мощность луча г] =65 %, (S=2 мм)
Мощность луча г] =70 %, (S=2 мм)
Образцы 7-9
Образцы 10-12
Визуальный анализ показал, что образцы являются годными для исследования их прочности на разрыв. Следующим этапом проводилась оценка прочностных характеристик на специальной разрывной машине. Для эксперимента использовались ГОСТы 6966-66 (ИСО 4136-89, ИСО 5173-81, ИСО 5177-81), а также ГОСТ ISO 15614-11 - 2016.
Сварка, родственные процессы и технологии
В таблице 5 представлены результаты определения предела прочности при растяжении Ям. Поскольку для повышения точности эксперимента использовались по 3 образца, то для образцов каждой группы определялось среднее арифметическое значение предела прочности при растяжении ср (таблица 5).
Продолжение таблицы 4
— шШ]
г п
шг щ ¡¡з . 13
Мощность луча п =75 %, (8=2 мм)
Мощность луча п =80 %, (8=2 мм)
Таблица 5
Результаты эксперимента__
№ образца Мощность луча п, % МПа Кмср, МПа
1 84,7
2 65 79,3 84,86
3 89,8
4 70 97,3
5 91,2 94,8
6 95,9
7 97,1
8 75 101 100,7
9 104
10 100
11 80 97,5 98,76
12 98,8
Интервал мощности луча п=65..80 был выбран исходя из качества получения сварного шва для образца толщиной Б=2 мм. В процессе эксперимента было установлено, что мощность луча п<65 % не позволяла сформировать прочный шов. Мощность луча более г|>80% приводила к образованию таких структурных дефектов как прожоги.
По результатам испытаний строилась зависимость предела прочности Rm от мощности луча п (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость предела прочности йт от мощности луча для образца из материала АМцМ толщиной 8=2 мм
В результате итерационного изменения мощности излучателя удалось установить, что максимальное значение прочности сварного шва достигается при мощности 75% (1125 Вт).
Заключение. Таким образом, в ходе эксперимента было исследовано влияние мощности луча на прочностные характеристики сварного шва. Экспериментально установлено, что при мощности луча п= 75 + 2% наблюдается наибольшее значение предела прочности при растяжении RM для материала АМцМ толщиной S=2 мм. Дальнейшее увеличение мощности более п>80% приводит к снижению прочностных характеристик сварного соединения, ведёт к образованию структурных дефектов в сварном шве - прожогов. Значение мощности луча менее П<65% не способствует формированию прочного шва ввиду малого тепловложения.
Список литературы
1.Рыжов Г.И. Анализ основных проблем внедрения лазерной сварки в современное производство летательных аппаратов // Всероссийская научно-практическая конференция "Современные тенденции развития фундаментальных и прикладных наук". 2024. С. 352-355.
2.Григорьянц А.Г. Технологические процессы лазерной обработки: учеб. пособие для вузов. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 665 с.
3.Смелов В.Г., Сотов А.В., Львов М.В. Особенности лазерной сварки тонких деталей авиационно-космической техники. Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет), 2014. Выпуск: Том 13, № 5-2. Специальный выпуск. С. 201-206.
4. Терри ВандерВерт Перспективы лазерной сварки в Российской промышленности - обеспечение наиболее эффективного производственного процесса // Комплект: ИТО. Инструмент, Технология, Оборудование. 2013. № 3. С. 50-53
5. Дёмичев С.Ф., Рясный А.В., Усольцев А.Л. Основные способы сварки и их применение при изготовлении узлов летательных аппаратов и их двигателей: учеб. пособие. Самара: Самарский государственный аэрокосмический ун-т, 2007. 76 с.
6.Курынцев С.В., Гильмутдинов А.Х., Шиганов И.Н. Сварка расфокусированным лазерным лучом. Сварочное производство, 2016, № 2. С. 36-47.
7.Москвитин Г.В., Поляков А.Н., Биргер Е.М. Применение методов лазерной сварки в современном промышленном производстве. Сварочное производство, 2012, № 6. С. 36-47.
Антипов Дмитрий Вячеславович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедры, [email protected], Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет им. ак. С.П. Королёва,
Вашуков Юрий Александрович, канд. техн. наук, доцент, vashukov@ssau. ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет им. ак. С.П. Королёва,
Рыжов Георгий Игоревич, старший лаборант, ryzhov. gi@ssau. ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет им. ак. С.П. Королёва,
Никитин Александр Николаевич, главный технический специалист, Россия, Самара, ООО «Шёлковый
путь»
THE EFFECT OF THE RADIATION POWER OF MANUAL LASER WELDING ON THE STRENGTH CHARACTERISTICS
OF WELDED ALUMINUM SAMPLES
D.V. Antipov, Yu.A. Vashukov, G.I. Ryzhov, A.N. Nikitin
The article analyzes and evaluates the strength characteristics of aluminum samples made ofAMcM material obtained by laser welding under various technological conditions. The effect of radiation power on the strength of the weld is investigated.
Key words: laser welding, strength characteristics, welded joint, aluminum alloys, welding of aircraft structures.
Antipov Dmitry Vyacheslavovich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, an-tipov.dv@ssau. ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after S.P. Korolev,
Vashukov Yuri Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, vashukov@ssau. ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after S.P. Korolev,
Georgy Igorevich Ryzhov, senior laboratory assistant, ryzhov.gi@ssau. ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after S.P. Korolev,
Nikitin Alexander Nikolaevich, chief technical specialist, Russia, Samara, Silk Road LLC
