Конспект лекций Бордусов

70

Рис. 5.3. Упрощенная структурная схема лазерной технологической установки

5.6. Особенности технологической оснастки лазерных технологических установок

1. Особенности приспособлений для лазерной сварки. Конструкция приспособления для лазерной сварки должна обеспечивать плотный надежный тепловой контакт в зоне образования сварного ядра. Если такой контакт не обеспечен, то, например, при сварке листовых деталей «прожигается» и не образуется качественного сварного соединения.

Особенностями приспособлений для лазерной сварки является отсутствие механического контакта между свариваемыми деталями и устройствами для передачи тепловой энергии к месту сварки, что исключает попадание в зону сварки нежелательных веществ, как это имеет место при аргонно-дуговой, электроконтактной и плазменной.

Специфической особенностью приспособлений для лазерной сварки является возможность подвода энергии к нагреваемой площадке через любую пропускающую свет среду, через твердые прозрачные материалы.

Вконструкциях приспособлений предусматриваются специальные прозрачные элементы (из стекла, сапфира и др.), которые прижимают соединенные детали и через них пропускается лазерное излучение.

Вконструкции приспособления может быть предусмотрена герметичная камера, в которую подается газ, например Аr, а лазерный луч пропускается через прозрачную стенку этой камеры в зону сварки, осуществляя сварку в атмосфере аргона. Применяя двухкоординатные столы, перемещаемые посредством двух шаговых электродвигателей и системы ЧПУ, можно лазерную сварку производить по определенной программе.

Приспособления для лазерной сварки проволочек должны обеспечить закрепление свариваемых деталей в необходимом положении и сохранение этой ориентации при действии лазерного луча и давления паров при сварке.

При сварке проволочек встык диаметр свариваемого пятна выбирают примерно равным диаметру проволоки. Если материалы проволок одинаковы, то центр светового пятна совмещают с плоскостью стыка. При сварке разнород-

71

ных материалов центр светового пятна совмещают с плоскостью стыка. При разнородных материалов центр светового пятна смещают в сторону проволоки из металла, имеющего более высокую теплопроводность, температуру плавления или коэффициент отражения.

При лазерной сварке деталей из листовых материалов к более массивным деталям целесообразно сварку осуществлять через предварительно просверленное отверстие, причем диаметр светового пятна выбирают в 2 раза больше, чем диаметр отверстия.

Возможно также соединение со сквозным проплавлением привариваемой листовой детали. В этом случае большое значение имеет хороший контакт свариваемых деталей.

Прижатие свариваемой детали может осуществляться прижимами за счет действия электромагнитных сил, создаваемых катушкой.

Возможно прижатие свариваемых деталей стеклянной или сапфировой пластиной и осуществление сварки лазерным лучом через эту пластину.

Оба варианта приспособления отличаются высокой универсальностью. Путем регулирования тока в электромагнитной системе можно в широких пределах изменять силу прижима соединяемых деталей. Иногда в приспособлениях применяют подпружиненный прижим, а лазерную сварку осуществляют через небольшое отверстие в этом прижиме. Для равномерного прижатия проводников в нижней части прижима приклеивается резиновая прокладка.

2. Особенностью приспособлений для размерной лазерной обработки является то, что часто требуется более точная координация заготовки относительно оси лазерного луча, например, при прошивании n-го количества точно расположенных отверстий.

Для этого применяют приспособления с шаговыми электродвигателями, управляемыми от системы ЧПУ. Точность координирования достигается

+0.03 мм.

Спецификой приспособлений для лазерного сверления отверстий, а также для лазерной резки и размерного контурного вырезания является наличие специальных экранов, предотвращающих попадание жидких частиц металла на поверхность линзы объектива.

Для лазерного сверления отверстий значительных диаметров лазерное излучение формируют с помощью экситонов на кольцевую площадку, с которой происходит удаление металла (лазерная трепанация).

Для обработки глубоких отверстий применяют револьверную оптическую головку с линзами, расположенными на различных фокусных расстояниях F1,

F2,..., Fn.

Многоимпульсная обработка отверстия в этом случае при автоматизированном повороте револьверной головки при переходе. За счет автоматизированной поднастройки лазерного луча можно высококачественно обрабатывать глубокие отверстия.

Часто в конструкциях приспособлений для лазерного разрезания предусматривается газовая продувка зоны обработки с целью охлаждения разрезае-

72

мого материала, препятствия проникновению парогазовой смеси вверх на линзу, удаления продуктов сгорания и активизации процесса обработки.

Рис. 5.4. Принцип действия технического устройства для лазерного сверления отверстий большого диаметра:

1 – лазерное излучение; 2 –линза экситонная; 3 – линза сферическая; 4 – обрабатываемая заготовка

Рис. 5.5. Револьверная оптическая головка для работы в составе лазерной технологической установки:

1 – линза; 2 – привод головки; 3 – лазерное излучение; 4 – головка поворотная; 5 – обрабатываемая заготовка

73

6. Оборудование электроимпульсной обработки пластическим деформированием

Электроимпульсная обработка (ЭИО) пластическим деформированием включает электрогидроимпульсную (ЭГИО) и магнитно-импульсную (МИО) обработку.

Среди способов пластической обработки с использованием высоковольтного электрического разряда в жидкости при ЭГИО или на индукторе при МИО, наибольшее применение получили штамповка, сварка, сборка, поверхностное упрочнение деталей, снятие или перераспределение остаточных напряжений.

6.1. Оборудование электроимпульсной обработки

Сущность ЭГИО основана на преобразовании электрической энергии в механическую энергию гидродинамического характера рабочей жидкости.

Электрогидроимпульсные установки (прессы) включают генератор импульсов тока (с повышающим трансформатором, высоковольтным выпрямителем, импульсным конденсатором или батареей конденсаторов, разрядником) и технологический блок. Технологический блок имеет гидравлический пресс, универсальную разрядную камеру с электродами, технологическую оснастку, систему водоснабжения и вспомогательные устройства (например, устройства подачи, съема заготовок, механическую подачу взрывающегося проводника).

Схемы организации процесса и состава оборудования показаны на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Схемы организации процесса и состава оборудования: 1 – высоковольтный трансформатор; 2 – выпрямитель;

3 – сопротивление, ограничивающее ток заряда; 4 – конденсаторная батарея; 5 – разрядник; 6 – разрядная камера;

7 – рабочая жидкость; 8 – электроды; 9 – изолятор; 10 – заготовка; 11 – матрица

74

Напряжение заряда конденсаторной батареи составляет 10 — 50 кВ.

При энергии разряда 25 — 45 кДж обычно используют один разрядный контур, т.е. энергия выделяется в одном канале разряда. При увеличении запасаемой энергии число включаемых контуров целесообразно увеличить.

По способу формирования канала разряда разрядные камеры установок ЭГИО могут быть двух видов:

а) без инициализатора (с использованием электрического пробоя жидкости);

б) с инициализатором, когда в качестве инициирующего элемента применяют взрывающиеся проводники, струи электропроводящей жидкости, нити с электропроводящим покрытием и т.д.

Использование инициаторов обеспечивает снижение потерь энергии при разряде, повышение его стабильности, увеличение длины межэлектродного промежутка.

При подаче на электроды импульса тока большой мощности происходит нагрев, плавление и испарение инициирующего проводника в виде взрыва. В качестве материалов проводника используют: алюминий, титан, медь, низкоуглеродистая сталь, вольфрам.

При ЭГИО в качестве рабочей жидкости в основном применяют воду. Используют также углеводородные (ГОСТ 20799), кремнийорганические (ГОСТ 10937), полиэтилсилоксановые (ГОСТ 13004) жидкости, глицерин (ГОСТ 682476), расплавы солей и другие жидкости, которые могут иметь свойства электролитов и диэлектриков.

Форма и размеры разрядной камеры определяются размерами и формой обрабатываемой заготовки, а также механическими свойствами ее материала. По этим признакам разрядные камеры для электрогидроимпульсной штамповки делятся на две группы:

—для обработки плоских заготовок;

—для обработки объемных (с предварительно полученной формой) заго-

товок.

6.2.Установки магнитно-импульсной обработки металлов

6.2.1. Элементы оборудования установок магнитной обработки

Установки для магнитно-импульсной обработки (МИО) состоят из двух основных узлов: подготовительного (накопления энергии и формирования импульсного напряжения и тока) и узла исполнительного — технологического. К первому узлу относятся генераторы импульсных токов, ко второму — индукторы и связанная с ними технологическая оснастка.

На рис. 6.2 показана функциональная электрическая схема установки МИО. Батарея-накопитель энергии 1 заряжается от зарядного устройства 3 до требуемого напряжения. По накоплении заданного количества энергии батарея

75

разряжается в импульсном режиме на рабочий индуктор 9 через коммутатор 10 и токопровод 11.

В функции устройства 4 входит управление, контроль и сигнализация. Поджигающее устройство 8 подает команду на включение коммутатора 10. Командный датчик 5 и делитель напряжения 6 регулируют значение запасаемой энергии в автоматическом режиме работы. По достижении установленного напряжения зарядки блок автоматики 7 подает импульсы на включение поджигающего устройства. Снятие остаточного напряжения с накопителя энергии и блокировку осуществляет короткозамыкатель 2.

Рис. 6.2. Функциональная схема установки магнитно-импульсной обработки

Генераторы импульсных токов преобразуют электрический ток промышленной частоты в импульсы токов большой амплитуды, которые образуются при разряде мощной батареи. Основными элементами генератора являются зарядное устройство, батарея конденсаторов, коммутирующее и поджигающее устройства.

В состав зарядного устройства входят повышающий трансформатор, высоковольтный выпрямитель и пускорегулирующая аппаратура. Батарея конденсаторов служит для накопления электрической энергии с дальнейшей разрядкой на технологическую установку. В установках МИО для этих целей применяются импульсные конденсаторы, что обусловлено их способностью отдавать накопленную энергию в виде коротких импульсов большой мощности. Конденсаторы должны иметь минимальную индуктивность, их конструкция должна обеспечивать возможность длительной работы в режиме, близком к режиму короткого замыкания. Соединение конденсаторов в батарею определяется требуемой рабочей характеристикой генератора импульсного тока. Для уменьшения времени разрядки батареи конденсаторов и обеспечения кратковременности выделения энергии в индукторе необходимо уменьшить общую индуктивность установки за счет снижения индуктивности батареи конденсаторов, ошиновки и

76

разрядника, что, в свою очередь, повышает эффективность магнитноимпульсной обработки.

Коммутирующее устройство (коммутатор) должно в заданный момент подать импульс напряжения на рабочую катушку, пропускать возникающий импульсный ток за определенный промежуток времени и регулировать напряжение на конденсаторах. Конструкция коммутатора должна обеспечивать возможность регулирования рабочего напряжения. Коммутатор должен пропускать значительные токи, иметь малую собственную индуктивность, минимальный разброс времени срабатывания и большой срок службы. В установках магнитного формообразования используются механические, ионные и дуговые коммутирующие устройства.

Дуговые разрядники выполняются трех основных конструкций: открытые, вакуумные, и газонаполненные. Более перспективными являются вакуумные и газонаполненные. Основное их преимущество — широкий предел регулирования рабочего напряжения, возможность изменения давления в разряднике и способность коммутировать значительную энергию.

Электрическая схема двухэлектродного газонаполненного разрядника показана на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Схема двухэлектродного разрядника

В ней предусмотрена емкость Сп, подключаемая к основной цепи с помощью вспомогательного разрядника Рп. При его включении емкость Сп начинает разряжаться через цепь Ln—Lk—0,5Lош—земля, при этом в контуре Сп—Ln— Lk—0,5Lош возникают электромагнитные колебания. В момент включения Рп напряжение в точке а скачкообразно возрастает от 0 до Ucn, а затем падает по косинусоиде. В начальный момент времени напряжение в точке b равно Uс = Uсп, в результате чего напряжение на основном коммутирующем устройстве КУ равно сумме напряжений: Uco+Ucn. При пробивном напряжении разрядника Unp < Uco+Ucn происходит разрядка и основная батарея включается на индуктор.

Поджигающее устройство предназначено для запуска основного разрядника. Они могут быть с механическим и электрическим запуском. Схема поджига с поджигающей емкостью Сп, заряжаемой от основного зарядного устройства, показана на рис. 6.4.

77

Для запуска основного разрядника КУ надо разрядить емкость поджига Сп. При этом на электрод поджига подается импульс напряжения, вызывающий вспомогательный разряд. Разрядка конденсатора осуществляется с помощью дополнительной емкости Сз, заряженной вспомогательным выпрямителем Д. Схемы с электрическим запуском применяются в том случае, когда необходимо синхронизировать подачу поджигающего импульса с запуском измерительных или регистрирующих приборов.

Рис. 6.4. Схема поджигающего устройства

Технологический узел — индуктор является одним из наиболее важных узлов установки МИО, поскольку от его конструкции и качества использования зависят возможность выполнения МИО и ее качество. К технологическому узлу предъявляют следующие требования:

а) высокая эффективность преобразования электрической энергии в механическую энергию деформации заготовки;

б) высокая механическая и электрическая прочность; в) конструктивная и технологическая простота.

Взависимости от назначения индукторы выполняют в виде одно- и многовитковых катушек, плоской спирали и др. Долговечность индукторов во многом зависит от качества применяемой изоляции, ее электрических и механических свойств. Чрезмерный нагрев индуктора может вызвать электрический пробой или механическое разрушение изоляции спирали. При прохождении по спирали индуктора больших токов она подвергается значительным механическим и тепловым нагрузкам. Это может вызвать пластическое деформирование спирали, приводящие к разрыву ее витков. Спираль и ее изоляция могут быть частично разгружены от механического воздействия магнитного поля специальными экранирующими вставками.

Необходимый тепловой режим индуктора обеспечивается охлаждением его спирали жидкостью , пропускаемой через специальные каналы в нем. Это позволяет создать индукторы, способные работать в условиях большой частоты следования разрядов в течении длительного времени.

Водновитковом индукторе спираль изготовлена из высоко электромагнитного метала (медь, латунь) в виде массивной плиты, сильно увеличенной в радиальном направлении. Для снижения паразитной индуктивности зазора паза между токопроводами выполняют минимально допустимым, исходя из механической и электрической прочности изоляции.

79

Рис. 6.6. Схема магнитоимпульсной обработки: 1 – индуктор; 2 – заготовка; 3 – матрица;

4 – концентратор магнитного поля