1.3.3. Лазерная резка и применяемое оборудование

На современном оборудовании лазерная резка позволяет осуществлять раскрой различных материалов, таких как металлы, пластик, дерево и т.д. При этом используются газовые (СО₂) лазеры непрерывного излучения с выходной мощностью до 2500Вт. Существенным ограничением является невозможность раскроя по сложному контуру хрупких материалов, которые при высоком градиенте температур могут разрушаться от термических напряжений.

Световой луч от лазера 1 (рис.1.17) концентрируется оптической системой 2, проходя через сопло 3, и световое пятно малого размера попадает на заготовку 4. Концентрированный световой луч расплавляет и испаряет материал в зоне воздействия, так как плотность мощности технологических лазеров в сфокусированном световом пятне достигает 10⁷Вт/см² . Для того, чтобы образующиеся пары или продукты горения материала не препятствовали проникновению света к ниже лежащим слоям, зона обработки продувается каким либо газом. Это может быть инертный газ, препятствующий окислению обработанной поверхности материала или кислород, который в случае резки стали позволяет значительно повысить производительность, за счет экзотермической реакции горения железа в кислороде.

Рис.1.17 Схема процесса лазерной резки и рабочая зона лазерного вырезного оборудования

Установки для лазерной резки (рис.1.18, 1.19) позволяют перемещать листовую заготовку относительно сопла лазерной режущей головки. При этом может совершать движение как сама головка, так и листовая заготовка.

Рис.1.18 Установка для лазерного раскроя рулонного листового металла

Рис.1.19 Рабочая зона установки лазерной резки

Толщина разрезаемого материала зависит от его вида. Если толщина разрезаемых заготовок из некоторых пластиков или дерева может достигать 100мм, то максимальная толщина разрезаемых стальных заготовок при мощности лазера 2,5 кВт достигает 20 мм, заготовок из нержавеющей стали -12 мм, а цветных металлов - 10 мм.

При толщине стального листа 1мм скорость резки доходит до 10м/мин. Естественно, что с увеличением толщины снижается линейная скорость резки (см.табл.1,3).

Достижимые скорости лазерной резки низкоуглеродистой стали, м/мин

Таблица 1.3

	Толщина листа, мм
Мощность лазера, Вт	1	2	4	6	8	10
600	7	4	1,8	0,8	-	-
1250	10	6,5	3,8	2	1,3	1

Шероховатость поверхности реза металлических заготовок неравномерна по ширине и колеблется от Rz20 до Rz80 мкм.

При лазерной резке древесины, в том числе ДВП, срез ровный, гладкий, темный, не обугленный, плотный. Изменение цвета обусловлено термической деструкцией волокон древесины на поверхности реза, что даже может иметь декоративное значение. При лазерной резке кожи срез получается слегка обугленный, темный.

	При резке оргстекла лазерный срез получается гладким, прозрачным, не нуждающимся в последующей полировке (рис.1.20).
Рис.1.20 Поверхность заготовки из полиметилметакрилата (оргстекла) после вырезки на лазерной установке

Лазерная резка может применяться и при раскрое ткани, причем при резке полиамидных, полиэстерных и других синтетических тканей волокна в зоне резки как бы сплавляются, что предотвращает краевое расползание выкроенных заготовок.

Рис.1.21 Стальная решетка полученная лазерной вырезкой из листовой заготовки

Лазерная резка эффективно применяется для изготовления листовых деталей сложного контура и в условиях единичного и мелкосерийного производства экономически более выгодна, чем штамповка вырубка. Управление перемещением лазерного луча относительно заготовки осуществляется по программам, совместимым с рядом программ компьютерного проектирования, что резко снижает время и затраты на подготовку производства.

В декоративных целях лазерную резку применяют для изготовления мозаичных панно, декоративных элементов мебели, металлических декоративных решеток и т.д. (рис.1.21). Причем процесс практически не имеет ограничений по сложности вырезаемого контура.

2. Сварка

Сварка – технологический процесс создания межатомных или межмолекулярных связей между материалами отдельных частей изделия.

Сварка возможна как металлов между собой, термопластов, так и сварка разнородных материалов, например, металла и керамики, металла и пластика.

Теоретически, сварка металла была бы возможно просто при сближении поверхностей заготовок на расстояние соизмеримое с размерами атома. Тогда атомы, находящиеся на поверхности и обладающие некоторой свободной энергией, вступали бы в соединение и процесс не требовал бы подвода к зоне соединения какой-либо дополнительной энергии. Однако на практике, в атмосферных условиях, на поверхности металла присутствуют пленки адсорбированных газов, молекулы воды, химические соединения металла, что препятствует свариванию. При очистке же металла в вакууме можно получить не загрязненную поверхность, но она должна быть идеально ровной (высота неровностей на уровне размеров атомов), что на практике не достижимо. Можно реализовать в вакууме идеальное прилегание поверхностей друг к другу за счет их сдавливания и пластической деформации, и в этом случае действительно происходит соединение заготовок. Такие условия иногда реализуются в космическом пространстве, или в условиях диффузионной сварки, проводимой в вакуумных камерах.

Однако в земных условиях оказалось проще производить соединение частей изделия за счет локального расплавления зон сварки, При этом образуется единая сварочная ванна, состоящая из материалов обоих соединяемых частей. Металлы в этой ванне смешиваются и застывают в виде сплава. Естественно, что условием такой сварки является растворение свариваемых металлов друг в друге в жидком состоянии. Для того, чтобы свойства этого сплава были определенными, обычно так сваривают сплавы одного химического состава.

Все виды сварки, в зависимости от вида подводимой к зоне сварки энергии, можно отнести к трем основным группам:

термическая сварка (плавлением) основана на нагревании свариваемых участков заготовок до расплавления и соединения их в процессе затвердевания единой сварочной ванны. К этому виду сварки относятся: электродуговая, плазменная, лазерная, электронно-лучевая, газовая, электрошлаковая;

термомеханическая сварка основана на нагревании и интенсивном механическом сдавливании свариваемых поверхностей. Нагрев зоны сварки может осуществляться как электрическим током, так и механической энергией, например, за счет трения свариваемых поверхностей друг о друга.

К этому виду сварки относятся: электроконтактная, ультразвуковая, диффузионная, сварка трением;

механическая сварка основана на механическом сдавливании места сварки вплоть до его интенсивной пластической деформации, при которой разрушаются поверхностные окисные и другие пленки и происходит межатомный контакт поверхностей свариваемых заготовок.

Многообразие видов сварки и решаемых проблем при ее реализации требует анализа специальной литературы и привлечения соответствующих специалистов (рис.2.1).

Рис.2.1 Примеры сварных крупногабаритных изделий

Поэтому в данном пособии приводятся сведения только о наиболее распространенных видах сварки, чаще встречающихся в практике дизайнера машиностроителя при создании моделей, прототипов.

Электродуговая сварка впервые была использована для соединения металлических заготовок в 1882 году российским инженером Н.Н.Бенардосом. Он использовал для расплавления кромок заготовок электрическую дугу, горящую между заготовкой и угольным электродом. Частичную потерю металла из зоны сварки за счет испарения и сгорания восполняли присадочным материалом, подаваемым в зону сварки вручную (рис.2.2,а). В 1888году Н.Г.Славянов предложил заменить угольный электрод металлическим, который плавится и дополняет сварочную ванну (рис.2.2,б).

Рис.2.2 Схемы электродуговой сварки 1 – присадочный материал, 2 - угольный электрод, 3 – свариваемые заготовки, 4 – слой флюса, 5 – стальной электрод, 6 – расплавленная зона, 7- электрическая дуга

Для устойчивого горения электрической дуги при атмосферном давлении необходимы специальные преобразователи (трансформаторы, выпрямители, инвенторы и т.д.), позволяющие получить напряжение на выходе источника около 60В. Ток же, протекающий через дугу, может достигать 2000А (при ручной сварке - до 500А)..

При таком низком напряжении зажигание дуги возможно кратковременным соприкосновением электродов, возникновению вспышки от плавления и испарения материала в месте контакта и возникновении ионизированного газового канала, по которому может протекать ток, который и поддерживает горячее (до 6000С) ионизированное состояние газового канала. Предварительная ионизация газового промежутка выполняется в современных установках кратковременным приложением к электроду и заготовки высоковольтного высокочастотного разряда, что приводит к возникновению между ними искрового разряда, который автоматически развивается в дуговой.

Ручная электродуговая сварка применяется в основном для сварки малоуглеродистых сталей (С <0,4%) в условиях единичного и мелкосерийного производства.

Рис.2.3 Оборудование и схема ручной электродуговой сварки 1 – заготовка, 2 – образованный сварной шов, 3 – клемма для подвода электрического тока к заготовке, 4 – электрододержатель, 5 – подводящие ток провода, 6 – источник тока

Благодаря простоте применяемого оборудования (рис.2.3) сварку часто используют в полевых условиях (соединение арматуры при создании железобетонных конструкций, изготовлении крупногабаритных металлоконструкций). В качестве электродов обычно используют стальные стержни диаметром 1,5…6мм, покрытые слоем флюса. Покрытие электродов состоит из стабилизирующих, шлакообразующих, газообразующих и связующих веществ. В процессе горения дуги материал покрытия испаряется, образуя ионизированный газовый промежуток, хорошо проводящий ток и стабилизирующий горение дуги. Расплавленные частицы флюса покрывают расплавленный металл в сварочной ванне защитной корочкой, предотвращая его окисление.

Из-за ограничений подводимой энергии при этом виде сварки за один проход можно соединить листы толщиной до 6 мм. При необходимости наложения более «толстых» швов сварку производят в несколько проходов.

Ручная электродуговая сварка возможна при различных положениях электрода и сварочной ванны, хотя при наложении «потолочных» швов требуется значительный опыт и профессиональные умения сварщика (рис.2.4).

К недостаткам этого вида сварки следует отнести низкую производительность, зависимость качества соединения от профессионального мастерства сварщика, вредные условия труда, связанные с ультрафиолетовым и инфракрасным излучениями, присутствием на рабочем месте паров металла и ряда химических соединений.

Рис.2.4 Примеры реализации процесса ручной электродуговой сварки

Электродуговая сварка в среде защитных газов применяется при сварке особо активных металлов, таких как алюминиевые, магниевые, титановые сплавы, высоколегированные стали и т.д.

При реализации такого процесса (рис.2.5) электрическую дугу зажигают в среде инертного газа (аргона, гелия), который защищает зону расплавленного металла от воздействия атмосферных газов. Сварной шов в этом случае имеет чистую, не окисленную поверхность.

Введение присадочного материала в виде прутка, удерживаемого вручную, требует больших профессиональных навыков при получении качественного сварного соединения.

Поэтому дальнейшее развитие сварочных процессов позволило автоматизировать подачу присадочного материала в виде проволоки, которая одновременно является электродом сварочной дуги. Для поддержания постоянства длины дуги скорость расплавления («сгорания») проволоки должна быть равна скорости ее подачи, что может автоматически регулироваться в современных автоматических установках (рис.2.6).

Рис.2.5 Схема и конструктивные элементы горелки для электродуговой сварки в защитном газе 1 – сопло, 2 – включатель электротока и защитного газа, 3 –держатель горелки, 4 – шланги, 5 – оболочка защитного газа, 6 – клемма токоподвода к заготовке, 7 – электрическая дуга, 8 – присадочный материал, 9 – вольфрамовый электрод, 10 – подвод и отвод охлаждающей воды, 11 – линии управления, 12 – кабель подвода сварочного тока, 13 – шланг подвода защитного газа

Рис.2.6 Схема и оборудование для полуавтоматической сварки проволокой в защитном газе 1 – шов. 2 – заготовка, 3 – сварочная горелка, 4 – включатель тока, газа и подачи проволоки, 5 – клемма, 6 – шланги, 7 – подвод тока и подача проволоки, 8 – подвод охлаждающей воды, 9 – защитный газ, 10 – линия управления, 11 – регулятор напряжения, 12 – регулятор скорости подачи проволоки, 13 – баллон с защитным газом, 14 – регулятор давления защитного газа, 15 – катушка с проволокой, 16 – сопло горелки, 17 – электрод подачи проволоки, 18 – защитный газ, 19 – сварочная ванна, 20 – дуга. 21 – привод подачи сварочной проволоки

Полуавтоматическая сварка сталей производится в углекислом газе, обладающем, при сварке стали, защитными свойствами. Разработанные составы металла специальных сварочных проволок позволяют получить соединения равнопрочные основному металлу.

Такая сварка стали является наиболее производительной и качественной и может быть рекомендована для практического применения в условиях экспериментальных мастерских.

Газовая сварка основана на расплавлении локальных зон заготовок пламенем при соединении горючего газа и кислорода. Только при применении кислорода возможно получении достаточно горячего пламени, способного производить локальное расплавление стали. Обычно в качестве горючего газа используется ацетилен, хотя применение водорода для этих целей является весьма перспективным. (рис.2.8)

Рис.2.8 Схема и оборудование газовой сварки 1 – присадочный материал, 2 – гайка крепления сопла, 3 – кислородный вентиль, 4 – рукоятка, 5 – заготовка, 6 – сопло горелки, 7 – трубка смесителя, 8 – вентиль горючего газа, 9 – баллон с ацетиленом, 10 – баллон с кислородом, 11 , 12 – регуляторы давления газов, 13,14 – обратные клапаны, 15 – сопло подачи газов, 16 – ацетилен, 17 – смеситель, 18 – кислород, 19 – шланги подачи газа, 20 - баллоны

Газовая сварка требует ввода в расплавленную сварочную ванну присадочного материала, восполняющего убыль материала из ванны за счет сгорании и испарения. Кроме того, вводом присадочного материала формируют «усиление» сварного шва (валик), позволяющий упрочнить место соединения. При этом сварочная головка перемещается вручную.

Газовая сварка обычно применяется при сварке тонколистовых конструкций с толщиной стенок менее 5 мм. Применяется обычно в полевых условиях, там, где недоступны источники электроэнергии.

Из термомеханических видов сварки наиболее распространенной является электроконтактная сварка, основанная на локальном разогревании места стыка соединяемых заготовок путем пропускания мощного электрического импульса, приводящего к разогреву зоны контакта вплоть до расплавления и последующему механическому сдавливанию, в результате которого окисные пленки выдавливаются из зоны контакта, где и происходит соединение.

При электроконтактной стыковой сварке (рис.2.9) через место стыка стержневых заготовок 1, зажатых в электродах 2, пропускают электрический ток до 10⁶А, величина которого зависит от площади стыка. Так как в зоне стыка из-за точечного характера контакта сопротивление больше, чем на остальных участках электрической цепи, то основное тепловыделение происходит в зоне стыка. Тонкий слой металла плавиться и расплавленная пленка под действием усилия сдавливания заготовок вместе с окисленными и адгезированными пленками выдавливается за пределы контакта, а в самом контакте происходит соединение металла. После прекращения электрического тока давление снимается только после затвердевания металла в контакте. Так как зона сварки весьма узкая (сотые доли миллиметра), таким способом с успехом сваривают разнородные стали. Например, так производят режущий инструмент, выполняя режущую часть его из специальных дорогостоящих и дефицитных инструментальных материалов, а хвостовик или державку из обыкновенной углеродистой стали.

Рис.2.9 Схема стыковой электроконтактной сварки

Особое значение имеет точечная электроконтактная сварка, позволяющая соединять внахлест тонколистовые заготовки (рис.2.10).

Рис.2.10 Схема точечной электроконтактной сварки

При прохождении мощного импульса тока между электродами 1 (рис.2.10) и листами соединяемых заготовок 2 наибольшее сопротивление образуется между поверхностями соединяемых заготовок, а не между электродами и заготовками, так как электроды выполнены из меди. В месте прохождения электрического тока металл на контактной площадке 3 плавится, образуя после остывания сварочную точку.

	Соединяя тонколистовые заготовки, полученные штамповкой вытяжкой, с помощью точечной электро- контактной сварки можно создавать исключительно легкие и прочные объемные конструкции, такие как кузова автомобилей, корпуса бытовой техники, различные емкости и т.д. (рис.2.11)
Рис.2.11 Точечная сварка элементов кузова автомобиля

Оборудование для точечной сварки может быть как переносным (рис.2.12,а), так и стационарным (рис.2,12,б). Сварочными клещами оборудуются также рабочие органы сварочных роботов широко применяемых при изготовлении кузовов автомобилей.

Рис.2.12 Сварочные клещи для точечной сварки (а) и стационарная сварочная установка (б)

При приварке небольших листовых изделий к более крупным возможна сварка сразу по нескольким точкам и сжатие изделий между собой электродами 1. В этом случае, чтобы локализовать зоны сварки, на стыкуемой поверхности одной из заготовок 2 штамповкой выполняют специальные выступы (пуклевки), которые и будут расплавляться при прохождении электрического тока (рис.2.13).

Рис.2.13 Точечная сварка по пуклевкам 1 – электроды, 2 – свариваемые заготовки

При создании тонкостенных емкостей сварной шов должен обеспечить высокую герметичность. Для этого точки сварки в шве должны перекрывать друг друга. Такое расположение сварочных точек можно обеспечить при роликовой электроконтактной сварке (рис.2.14).

В этом случае скорость вращения медных роликов, обеспечивающих перемещение изделия между ними, согласовывается с частотой следования импульсов тока таким образом, чтобы расплавляемые зоны в местах расположения сварочных точек перекрывались.

Рис.2.14 Схема роликовой сварки 1,3 – ролики – электроды сварочной установки, 2 - свариваемые заготовки

При проектировании изделий, изготавливаемых с применением электроконтактной точечной сварки, следует учитывать доступность мест для создания сварочных точек (возможность размещения электродов и их держателей), возможность выхода ролика за пределы изделия при реализации шовной сварки.

Особо следует учитывать возникновение при сварке термических деформаций изделия, что связано с неравномерностью его нагрева. Неравномерный нагрев изделия при сварке приводит к пластическим деформациям в прилегающих к сварному шву областях и при остывании к остаточным деформациям и напряжениям в металле заготовки. Причем эти напряжения доходят до предела текучести материала, а деформации могут быть очень велики, Для правильного проектирования сварного изделия следует использовать специальную литературу.