Способ лазерной сварки металлических деталей и устройство для его осуществления

 

Использование: лазерная сварка толстостенных металлических изделий. Сущность изобретения: устройство содержит лазер 1, узел 4 для закрепления и перемещения свариваемых деталей 5, два статора 6 и 7 торцевого электрического двигателя переменного тока, ус- тановленных за фокусирующей системой и обращенных один к другому полюсами. Стык свариваемых деталей 5 нагревают до расплава, создавая сварочную ванну. На расплав воздействуют пронизывающим вра- щающимся магнитным полем, создаваемым статорами 6 и 7. Под действием центробежных сил в расплаве сварочной ванны образуется уг- лубление и обнажается дно сварочной ванны, на которое продолжает воздействовать лазерное излучение, что увеличивает глубину проплавления. 2 с и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к лазерной сварке и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства.

Известен способ лазерной сварки деталей, заключающийся в том, что нагревают лазерным излучением стык свариваемых деталей до расплава с последующим его охлаждением (Н.Н.Рыкалин, А.А.Углов, И.В.Зуев, А.Н.Кокора "Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. Справочник", М. Машиностроение, 1985, с. 130-131, прототип).

Недостатком известного способа является невозможность сварки деталей больших толщин (более 20 мм) из-за того, что под воздействием лазерного излучения расплавляется только поверхностный слой материалов свариваемых деталей, т.к. расплав не прозрачен для лазерного излучения.

Известно устройство для лазерной сварки деталей, содержащее лазер, последовательно расположенные за ним плоское и фокусирующее зеркала, (фокусирующую систему) (/А.Г.Григорьянц, И.Н.Шиганов "Лазерная сварка металлов", книга 5, Москва, Высшая школа, 1988, с. 82-83, рис.3.1; с. 93-94, рис. 3.4. а, прототип).

Недостатком известного устройства является невозможность сварки деталей больших толщин (более 20 мм) из-за того, что под воздействием лазерного излучения расплавляется только поверхностный слой материалов свариваемых деталей, т.к. расплав непрозрачен для лазерного излучения.

В основу изобретения поставлена задача создания способа лазерной сварки металлических деталей, в которой за счет воздействия на расплав пронизывающим вращающимся магнитным полем, образующим углубление в расплаве, обеспечивается увеличение глубины проплавления и сварка деталей толщиной более 20 мм.

Задача создания способа лазерной сварки металлических деталей решается тем, что нагревают лазерным излучением стык свариваемых деталей до расплава с последующим его охлаждением, согласно изобретению, на расплав воздействуют пронизывающим вращающимся магнитным полем, образующим углубление в расплаве и обнажающим дно сварочной ванны, на которое воздействуют лазерным излучением. Данным способом можно осуществить только сварку металлических деталей, т. к. магнитное поле может действовать только на токопроводящие материалы. Воздействие на расплав пронизывающим вращающимся магнитным полем, образующим углубление в расплаве и обнажающим дно сварочной ванны, позволяет под действием магнитных сил, создаваемых вращающимся магнитным полем, раскручивать в сварочной ванне расплав, при этом возникающие центробежные силы прижимают расплав к боковым стенкам сварочной ванны, обнажая ее дно.

Воздействие лазерного излучения на дно сварочной ванны позволяет расплавлять в глубину свариваемые детали, а одновременное вращение расплава под действием центробежных сил прижимает расплав к боковым стенкам сварочной ванны, позволяя воздействовать лазерным излучением на дно сварочной ванны, непрерывно увеличивая ее глубину. Переход лазерного излучения на новое место стыка свариваемых деталей приводит к охлаждению и кристаллизации расплава.

Целесообразно осуществлять нагрев лазерным излучением стыка свариваемых деталей до расплава с испарением и образованием парогазового канала в сварочной ванне.

Нагрев лазерным излучением стыка свариваемых деталей до расплава с испарением и образованием парогазового канала в сварочной ванне позволяет снизить расход лазерной энергии при сварке металлических толстостенных (более 20 мм) деталей, т.к. расплавляется меньший объем металла при режиме работы сфокусированным лазерным излучением, испаряющим и образующим парогазовый канал в сварочной ванне.

Другой задачей изобретения является создание устройства для лазерной сварки металлических деталей, в котором за счет снабжения устройства двумя статорами торцевого электрического двигателя переменного тока, установленными за фокусирующей системой, обеспечивается сварка металлических толстостенных (более 20 мм) деталей из-за увеличения глубины их проплавления.

Задача создания устройства для лазерной сварки металлических деталей решается тем, что устройство для лазерной сварки, содержащее лазер, расположенную за ним фокусирующую систему, снабжено двумя статорами торцевого электрического двигателя переменного тока, установленными последовательно за фокусирующей системой соосно ее выходной оптической оси и с обращенными друг к другу полюсами с зазором между ними, предназначенным для размещения свариваемых деталей, причем статор, расположенный за фокусирующей системой первым, выполнен с центральным сквозным отверстием.

Снабжение устройства для лазерной сварки металлических деталей двумя статорами торцевого электрического двигателя переменного тока позволяет создавать с двух сторон от свариваемых деталей пронизывающее расплав в сварочной ванне вращающееся магнитное поле, под действием которого расплав в сварочной ванне раскручивается и возникающие центробежные силы прижимают расплав к боковым стенкам сварочной ванны, обнажая ее дно. Лазерное излучение, проходя через центральное сквозное отверстие статора торцевого электрического двигателя переменного тока, попадает на обнаженное дно сварочной ванны, расплавляя его и непрерывно увеличивая глубину сварочной ванны и после перехода лазерного излучения на новое место, приводит к охлаждению и кристаллизации расплава.

На фиг. 1 изображены схема устройства для лазерной сварки металлических деталей, на фиг. 2 продольный разрез статора торцевого электрического двигателя переменного тока, на фиг. 3 разрез по А-А на фиг. 2, на фиг.4 - схема продольного сечения сварочной ванны при расплавлении стыка свариваемых деталей, на фиг. 5-схема продольного сечения сварочной ванны при расплавлении с испарением стыка свариваемых деталей.

Устройство для лазерной сварки металлических деталей содержит лазер 1, расположенную за ним фокусирующую систему, выполненную, например, в виде плоского зеркала 2 с центральным отверстием и фокусирующего зеркала, а также узел 4 для закрепления и перемещения свариваемых деталей 5.

Устройство снабжено двумя статорами 6 и 7 торцевого электрического двигателя переменного тока, соединенными с источником 8 питания, установленными последовательно за фокусирующей системой (фокусирующим зеркалом 3) соосно ее выходной оптической оси и обращенными друг к другу полюсами 9 (фиг.2) с зазором между ними, предназначенным для размещения свариваемых деталей 5.

Статор 6 торцевого электрического двигателя переменного тока, расположенный первым за фокусирующей системой, выполнен с центральным сквозным отверстием 10, а фокусирующее зеркало 3 фокусирующей системы установлено с возможностью перемещения вдоль его оптической оси, например, с помощью электромеханического привода 11. Расстояния от фокусирующего зеркала 3 до свариваемых деталей 5 в зависимости от способа сварки устанавливают различными.

Для способа сварки с расплавлением стыка свариваемых деталей 5 указанное расстояние определяется толщиной статора, расположенного между фокусирующей системой и свариваемыми деталями 5, а также критической величиной интенсивности лазерного излучения на единицу площади, составляющей менее 10⁵ Вт/см₂ и исключающей возможность испарения металла сварочной ванны.

Для способа сварки с расплавлением и с испарением и образованием парогазового канала в сварочной ванне расстояние от фокусирующего зеркала 3 до стыка свариваемых деталей примерно равно фокусному расстоянию фокусирующего зеркала 3. Это сделано для того, чтобы получить лазерное излучение интенсивностью более 10⁵ Вт/см², необходимой для испарения металла.

Статор 6 торцевого электрического двигателя трехфазного тока (фиг. 2 и 3) состоит из корпуса 12, керамической торцевой крышки 13, предназначенной для защиты полюсов 9 от температурных воздействий и брызг расплава, торцевого магнитопровода 14, содержащего шесть полюсов 9, предназначенных для изменения скорости вращения магнитного поля и катушек 15 магнитной системы, расположенных на полюсах 9. Боковая стенка корпуса 12 имеет входные отверстия 16, а керамическая торцевая крышка 13 имеет выходные отверстия 17, предназначенные для выхода охлаждающего газа. Паз 18 предназначен для фиксации и закрепления полюсов 9.

Сварка деталей осуществляется следующим образом.

Производят сборку свариваемых деталей 5 под сварку. Электромеханическим приводом 11 устанавливают расстояние от фокусирующего зеркала 3 фокусирующей системы до свариваемых деталей 5, соответствующее нагреву стыка свариваемых деталей 5 лазерным излучением до расплава. Лазерное излучение, проходя через сквозное отверстие 10, нагревает стык свариваемых деталей 5 до расплава и создает сварочную ванну. На расплав воздействуют пронизывающим вращающимся магнитным полем, создаваемым двумя статорами 6 и 7 торцевого электрического двигателя переменного тока после подключения статоров 6 и 7 торцевого электрического двигателя переменного тока к источнику 8 питания.

При подаче переменного электрического тока в катушки 15 магнитной системы, в магнитопроводе 14 создается переменное магнитное поле, силовые линии которого через полюса 9 выходят в зазор между статорами 6 и 7, где и создается вращающееся магнитное поле. Через отверстие 1 статора 6 подается энергия лазерного излучения. В процессе сварки элементы статоров 6 и 7 подвергаются воздействию тепловых потоков, которые исходят от расплавленного металла сварочной ванны и, кроме того, в катушках 15 выделяется тепло. Поэтому статоры 6 и 7 охлаждаются инертным газом, например, аргоном, который подается через штуцеры 16, проходит между катушками 15 и удаляется через отверстия 17. Крышка 13 предназначена также для защиты катушек 15 и магнитопровода 14 от воздействия прямых лучистых тепловых потоков от сварочной ванны, а также для фиксации и удержания магнитопровода 14 путем крепления его полюсов 9 в пазах 18. Так как отверстия 17 обращены непосредственно к свариваемым деталям 5, использование инертного газа для охлаждения приводит к экранировке расплава от атмосферного кислорода, предотвращая его окисление.

Пронизывающее вращающееся магнитное поле создает вихревые токи в твердой фазе свариваемых деталей 5 и в расплаве. В результате взаимодействия вращающегося магнитного пола и вихревых токов возникает электромагнитная сила, вызывающая вращение расплава в сварочной ванне. При этом возникают центробежные силы, стремящиеся переместить объемы расплава от оси вращения к боковым стенкам сварочной ванны, образуя углубление 19 в расплаве и обнажая дно 20 сварочной ванны.

На обнаженное дно 20 сварочной ванны продолжают воздействовать лазерным излучением, приводящим к расплавлению металла на дне сварочной ванны, и, непрерывно увеличивая ее глубину. Перемещение лазерного излучения на новое место стыка свариваемых деталей приводит к охлаждению и кристаллизации расплава.

Электромеханическим приводом 11 устанавливают расстояние от фокусирующего зеркала 3 фокусирующей системы до свариваемых деталей 5 соответствующее концентрации лазерного излучения более 10⁵ Вт/см² и нагреву стыка свариваемых деталей 5 лазерным излучением до расплава с испарением и образованием парогазового канала 21 в сварочной ванне.

При нагреве стыка свариваемых деталей сфокусированным лазерным излучением интенсивностью более 10⁵ Вт/см² до расплава с испарением и образованием парогазового канала 21 в сварочной ванне, на расплав воздействуют пронизывающим вращающимся магнитным полем, создаваемым двумя статорами 6 и 7 торцевого электрического двигателя переменного тока в зазоре между ними.

Пронизывающее вращающееся магнитное поле также создает вихревые токи в твердой фазе свариваемых деталей 5 и в расплаве. Под действием электромагнитной силы вращается расплав в сварочной ванне и под действием центробежных сил образуется углубление 19. Лазерное излучение проходит через образованное углубление 19 и расплавляет металл на обнаженном дне 20 сварочной ванны.

Примеры применения способа.

Для лазерной сварки металлических деталей нагревают от лазера 1 лазерным излучением мощностью 15 кВт и интенсивностью 8·10⁴ Вт/см² стык свариваемых деталей 5 из нержавеющей стали марки ОХ18Н1ОТ толщиной 80 мм до расплава. На расплав воздействуют пронизывающим магнитным полем, создаваемым статорами 6 и 7 торцевого электрического двигателя переменного тока и имеющим частоту 50 Гц и среднюю величину индукции в зазоре между статорами равную 0,15 тесла, образующим углубление 19 в расплаве и обнажающим дно 20 сварочной ванны, на которое воздействуют лазерным излучением. Процесс проплавления продолжается до достижения глубины углубления равной 60 мм. Перемещение лазерного излучения на новое место стыка свариваемых деталей 5 приводит к охлаждению и кристаллизации расплава. Для лазерной сварки металлических деталей с испарением расплава и образованием парогазового канала в сварочной ванне нагревают от лазера 1 лазерным излучением мощностью 15 кВт и интенсивностью 8·10⁵/Вт/см² стык свариваемых деталей 5 из нержавеющей стали марки ОХ18Н1ОТ толщиной 80 мм до расплава с испарением и образованием парогазового канала в сварочной ванне. На расплав воздействуют пронизывающим вращающимся магнитным полем, создаваемым статорами 6 и 7 торцевого электрического двигателя переменного тока и имеющим частоту 50 Гц и среднюю величину индукции в зазоре между статорами равную 0,15 тесла. В результате воздействия образуется углубление 19 в расплаве и обнажается дно 20 сварочной ванны, на которое воздействует лазерное излучение с испарением и образованием парогазового канала.

Процесс проплавления продолжается до достижения глубины равной 60 мм. Перемещение лазерного излучения на новое место стыка свариваемых деталей 5 приводит к охлаждению и кристаллизации расплав. Величина индукции и частоты пронизывающего вращающегося магнитного поля, достаточного для образования углубления в расплаве, зависит от толщины свариваемых деталей, величины плотности, вязкости расплава и электропроводности материала свариваемых деталей. Эти параметры определяются экспериментально для каждого случая при сварке контрольных образцов и лежат в интервале: индукция магнитного поля 0,05-0,5 тесл; частота вращающегося магнитного поля 25-100Гц. Данным способом можно осуществить только сварку металлических деталей, т.к. магнитное поле может действовать только на токопроводящие металлические детали.

Формула изобретения

1. Способ лазерной сварки металлических деталей, при котором стык свариваемых деталей нагревают лазерным излучением до расплава, отличающийся тем, что на расплав воздействуют пронизывающим вращающимся магнитным полем, образуя углубление в расплаве и обнажая дно сварочной ванны.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев стыка до расплава осуществляют в режиме с испарением и образованием парогазового канала в сварочной ванне.

3. Устройство для лазерной сварки металлических деталей, содержащее лазер и фокусирующую систему, отличающееся тем, что оно снабжено двумя статорами торцевого электрического двигателя переменного тока, обращенными один к другому полюсами, установленными с зазором между ними для размещения свариваемых деталей и расположенными за фокусирующей системой соосно ее выходной оптической оси, причем статор, расположенный за фокусирующей системой первым, выполнен с центральным сквозным отверстием.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5