Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0158

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0158
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых"
Название доклада
Теоретические и экспериментальные исследования комплексной технологии волоконной лазерной сварки листовых деталей из цветного и черного металлопроката для транспортных средств нового поколения.
Докладчик
Люхтер Александр Борисович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью реализуемого проекта является создание комплексной промышленной технологии волоконной лазерной сварки листов из алюминиевых сплавов и конструкционных углеродистых и низколегированных сталей разной толщины, обеспечивающей повышение эксплуатационных характеристик сварных швов для создания легких и надежных конструкций транспортных средств нового поколения.
Объектом ПНИЭР являются сварные соединения, полученные волоконной лазерной сваркой листов из алюминиевых сплавов и конструкционных углеродистых и низколегированных сталей разной толщины.
Актуальность и новизна исследования
Научная новизна работы:
- разработке технологической инструкции получения в лабораторных условиях образцов сварных соединений лазерной сваркой листов из алюминиевых сплавов и конструкционных углеродистых и низколегированных сталей разной толщины внахлест с использованием рациональных параметров технологических режимов;
- найденных оптимальных параметрах технологических режимов лазерной сварки листов из алюминиевых сплавов и конструкционных углеродистых и низколегированных сталей разной толщины внахлест;
- найденной оптимальной форме сварных соединений полученных лазерной сваркой листов из алюминиевых сплавов и конструкционных углеродистых и низколегированных сталей разной толщины внахлест.
Реализация проекта позволит разработать комплексную промышленную технологию волоконной лазерной сварки листов из алюминиевых сплавов и конструкционных углеродистых и низколегированных сталей разной толщины, обеспечивающей повышение эксплуатационных характеристик сварных швов для создания легких и надежных конструкций транспортных средств нового поколения.
Разработанная технология сварки листов из алюминиевых сплавов и конструкционных углеродистых и низколегированных сталей разной толщины внахлест в сравнении с RU 2415739 и RU 2269401 позволяет получить сварной шов в форме кольца, незамкнутого кольца, эллипса, что увеличивает его длину, при этом непрерывное излучение волоконного лазера фокусируется на поверхности более тугоплавкого материала под углом 90 градусов, без использования присадочного материала, с применением защитной газовой смеси ArHe в соотношение 50/50. Сварка деталей происходит за счет нагревания металлов до температур плавления, соединения металла в одно целое.
Описание исследования

Разработка методики оптимизации параметров технологических режимов лазерной сварки листов из алюминиевых сплавов и конструкционных углеродистых и низколегированных сталей разной толщины (основа по достижению цели ПНИЭР)

Целью настоящей методики является определение оптимальных параметров технологических режимов лазерной сварки листов из алюминиевых сплавов и конструкционных углеродистых и низколегированных сталей разной толщины, позволяющих получить качественный сварной шов, удовлетворяющий технологическим требованиям ТЗ.

Задачами являются:

- составление плана проведения экспериментальных исследований;

- определение критериев оптимальных параметров технологических режимов лазерной сварки;

- описание методов обработки экспериментальных данных;

- определение оптимальных параметров технологических режимов лазерной сварки в зависимости от результатов экспериментальных исследований.

Подбор оптимальных параметров технологических режимов основывался на подобранных рациональных режимах. По результатам 2-го этапа выполнения ПНИЭР (раздел 8) был сформулирован диапазон технологических параметров лазерного излучения.

Основными критериями подбора оптимальных технологических режимов лазерной сварки внахлест листов из алюминиевых сплавов и конструкционных углеродистых и низколегированных сталей разной толщины являются:

1) внешний вид сварного соединения, характеризующийся отсутствием видимых дефектов на лицевой части алюминия;

2) положительные механические испытания сварных соединений, характеризующиеся достижением определенных значений следующих характеристик: предела прочности τс на срез не менее 100 МПа; пластичностью не менее 6% согласно пункту 4.1.2 ТЗ;

3) сплошность соединения слоев, характеризующаяся относительной условной площадью всех учитываемых несплошностей металла, которая не должна быть более 2 % на 1 м2.

Для того чтобы сделать выводы о результатах эксперимента, необходимо выполнить статистическую обработку многофакторного эксперимента:

- рассчитать среднее значение параметров оптимизации по пяти параллельным опытам;

- определить дисперсию опыта, воспроизводимости эксперимента;

- проверить дисперсию на однородность;

- вычислить коэффициенты регрессии, проверить их на значимость;

- определить доверительные интервалы;

- рассчитать дисперсию коэффициентов регрессии и дисперсию адекватности;

- проверить уравнения регрессии на адекватность;

- выполнить графические построения зависимостей предела прочности, пластичности и несплошности от мощности ЛИ и скорости обработки.

Расхождение расчетных значений необходимо проверить с экспериментальными, полученными на основном уровне ФЭ.

Порядок определения оптимальных технологических режимов для каждой свариваемой пары подразумевает последовательную проверку характеристик сварных швов по каждому критерию оптимизации полученных лазерной сваркой на рациональных технологических режимах:

1) проверка внешнего вида сварного соединения: сварной шов должен удовлетворять критерию внешнего вида, если сварной шов не удовлетворяет этому критерию, то данный режим не может быть отнесен к оптимальному и не подлежит последующим механическим и структурным исследованиям;

2) проверка требований пункта 4.1.2 ТЗ: сварной шов должен удовлетворять критерию положительных механических испытаний сварных соединений. Оптимальный режим должен обладать пределом прочности τс на срез не менее 100 МПа и пластичностью не менее 6%;

3) сварной шов должен удовлетворять критерию сплошности соединения слоев сварных соединений, характеризующийся несплошностью металла, которая не должна быть более 2 % на 1 м2.

4) в случае получения нескольких режимов, прошедших проверку пункта 4.1.2 ТЗ оптимальным признается режим, обладающий максимальным значением предела прочности τс на срез в сочетании с максимальным значением пластичности ЭОСС.

Затем, на оптимальном технологическом режиме для каждой свариваемой пары получены сварные соединения, со следующими формами при сохранении равной длины сварного шва:

  • поперечным волнообразным;
  • кольцевым замкнутым;
  • кольцевым разомкнутым (с сектором 270°);
  • < >-образным с внутренними углами 45, 60 и 90°.
Результаты исследования

В результате проведенных исследований механических и структурных характеристик ЭОСС внахлест с поперечным швом полученных непрерывным лазерным излучением были определены оптимальные технологические режимы для следующих пар сварных соединений:

   Ст3 +АМг2М, 3,0 / 3,0мм: мощность ЛИ 2100 Вт, скорость обработки 32 мм/сек обладающие пределом прочности на срез – 125,71 МПа, пластичностью 78,54% и несплошностью 0,87%;

   08пс + АМг2М, 1,2 / 1,5 мм: мощность ЛИ 900 Вт, скорость обработки 32 мм/сек обладающие пределом прочности на срез – 125,63 МПа и пластичностью 74,52% и несплошностью 0,04%;

   08пс + АМг2М, 1,0 / 1,5 мм: мощность ЛИ 800 Вт, скорость обработки 45 мм/сек обладающие пределом прочности на срез – 124,9 МПа и пластичностью 85,22% и несплошностью 0,33%;

   Ст3 + АМг2М, 1,5 / 1,5 мм: мощность ЛИ 1000 Вт, скорость обработки 20 мм/сек обладающие пределом прочности на срез – 100,68 МПа и пластичностью 64,61% и несплошностью 0,94%;

   Ст3 + АМг2М, 1,5 / 3,0 мм: мощность ЛИ 1500 Вт, скорость обработки 50 мм/сек обладающие пределом прочности на срез – 111,97 МПа и пластичностью 98,24% и несплошностью 0,28%.

Оптимальной формой сварных соединений, из соединений с кольцевым замкнутым, поперечным волнообразным, поперечным линейным, кольцевым разомкнутым (с сектором 270°) и U-образными с внутренними углами 45º, 60º и 90º швами, считается кольцевая замкнутая форма, которая позволяет получить максимальные значения показателей критериев оптимизации:

- Ст3 +АМг2М, 3,0 / 3,0мм: предел прочности – 120,36 МПа, пластичность 23,92%;

- 08пс + АМг2М, 1.2 / 1.5 мм: предел прочности – 120,15 МПа, пластичность 40%;

- 08пс + АМг2М, 1.0 / 1.5 мм: предел прочности – 123,82 МПа, пластичность 60%;

- Ст3 + АМг2М, 1.5 / 1.5 мм: предел прочности – 124,20 МПа, пластичность 49%;

- Ст3 + АМг2М, 1.5 / 3 мм: предел прочности – 125,66 МПа, пластичность 26,1%.

Разработаны карты эскизов технологии лазерной сварки листов из алюминиевых сплавов и конструкционных углеродистых и низколегированных сталей разной толщины.

Разработана усовершенствованная технологическая инструкция лазерной сварки листов из алюминиевых сплавов и конструкционных углеродистых и низколегированных сталей разной толщины.

 

Практическая значимость исследования
Основным применением результатов данного проекта является получение промышленных технологий лазерной сварки листов из алюминиевых сплавов и конструкционных углеродистых и низколегированных сталей различной толщины с использованием излучения волоконных лазеров.
При успешной реализации проекта предполагается дальнейшая коммерциализация полученных решений, что будет связано с лицензированием полученной продукции. Предполагаемый объем потребности в разрабатываемых системах может составлять более 50 млн. руб в год.
Данная технология будет востребована в автомобильной и самолетной промышленности, что является принципиально новым в отечественных технологиях машиностроения и позволяет перейти на новый качественный уровень осуществления сложных и трудоемких операций, опережающий современный уровень мировых технологий.
Успешное выполнение работ по проекту предполагает создание технологии лазерной сварки корпусов автобусов, которая позволит снизить себестоимость операций сварки не менее чем на 20% и увеличить производительность примерно на 50%, путем снижения трудоемкости при сборочных и сварочных операциях по сравнению с механизированной сваркой. Основными потребителями данной технологии, прежде всего, выступают производители автобусов (ООО «БМГ», ООО "ЛиАЗ", ОАО «Павловский автобус»), автомобильные и машиностроительные предприятия, входящие в машиностроительные кластеры Владимирской, Нижегородской, Рязанской и других областей ЦФО, профильные НОЦ, малые и средние предприятия профильного бизнеса.