Способ изготовления оребренных панелей и устройства для его осуществления (варианты)
METHOD FOR MANUFACTURING FINNED PANELS AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF (EMBODIMENTS)

Изобретение относится к технологическим процессам, а именно к изготовлению оребренных панелей (плоских конструкций), из конструкционных материалов, в том числе сталей, алюминиевых сплавов, титановых сплавов, магниевых сплавов, медных сплавов и разнородных металлических материалов, для повышения эффективности использования дорогостоящих однородных материалов и использования преимуществ эксплуатационных свойств разнородных материалов.
Анализ отечественных и мировых тенденций производства несущих конструкций, аппаратуры теплообменной техники, повышения жесткости конструкций и их элементов, демонстрирует, что использование панелей с приваренными ребрами жесткости или ребрами для теплоотвода имеет однозначные перспективы. Применение монолитного сварного соединения в случае изготовления несущих конструкций позволит увеличить жесткость, по сравнению с клепанными и болтовыми соединениями, уменьшить количество концентраторов напряжений в виде отверстий, уменьшить вес ребра за счет применения I-образного ребра, взамен L-образного, в котором горизонтальная часть ребра в основном выполняет функцию элемента детали предназначенного для болтового или клепанного соединения и в меньшей степени влияет на жесткость панели. В случае изготовления теплообменного оборудования монолитные соединения из разнородных материалов позволяют увеличить площадь контакта ребра и панели, что повысит теплоотвод через ребро, как показано в работе Курынцева С.В. и др. (см. Курынцев С.В., Шиганов И.Н., Морушкин А.Е. Сварка разнородных сплавов на основе титана и алюминия лазерным излучением. Сварочное производство №2 2019. С. 16-21.). Тогда как применение болтового или клепанного соединения не всегда обеспечивает плотный механический контакт, тем более плохо обеспечивает контакт на уровне атомно-кристаллического строения соединения, критически необходимый для теплопередачи. Также, в течении времени эксплуатации, клепанные или болтовые соединения окисляются и коррозируют, что приводит к уменьшению теплоотвода через ребра.
Известен способ сборки и сварки двутавровой балки (патент №2012113671, МПК B23K 37/04, опубл. 20.10.2013) из листовых заготовок, также известен способ изготовления металлических конструкций из отдельных листовых элементов на установках KIBERYS, с применением дуговой сварки (см. сайт компании «Вебер Комеханикс» https://weber.ru/device/svarochnie-kompleksi-kiberys/), либо известен способ изготовления ребристых панелей, описанный в патенте RU 2483848. Недостатком вышеуказанных производственных устройств является применение дуговой сварки, которая по тепловложению превышает лазерный или электронный луч в несколько раз, что приводит к появлению значительных продольных и поперечных деформаций (в 5-8 раз больше, чем при лучевых видах сварки), увеличению зоны термического влияния в 3-5 раз, является более энергозатратным, низкопроизводительным, менее экологичным и самое главное не может быть применено для изделий с толщиной ребра менее 1.5 мм и панели толщиной менее 1.5 мм, так как в результате высокого уровня тепловложения будет возникать прожог данного тонкостенного металла. Применение лазерных технологий при сварке имеет ряд преимуществ перед дуговой или плазменной сваркой (см. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. М.: издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006, - 664 с.):
Применение прижимных устройств в процессе лазерной сварки тонколистовых элементов теплообменных аппаратов, двигающихся синхронно и непосредственно перед лазерным лучом (на определенном расстоянии 10-15 мм), как показано в работе Курынцева С.В. и др. (см. Курынцев С.В., Гильмутдинов А.Х., Шиганов И.Н., Шарафеев В.Ф.
Лазерная сварка элементов теплообменных аппаратов. Сварочное производство. 2016. №10. С. 42-45.) показало свою эффективность при сварке внахлест тонколистовых заготовок из нержавеющей стали. Применение лазерной сварки при изготовлении различных видов теплообменного оборудования показало, что данный вид сварки обеспечивает надежное и герметичное соединение, это в свою очередь позволяет повысить производительность и эффективность производства (см. Сухов А.Г., Малыш М.М., Шанчуров С.М. Применение лазерных технологий при изготовлении теплообменного оборудования. Сварочное производство №1 2018. С. 34-38).
Использование лазерной сварки для изделий атомной техники также показывает преимущества данной технологии, однако к сборочным операциям предъявляются достаточно жесткие требования, они должны обеспечивать минимальный зазор между свариваемыми кромками (см. Казаков Ю.В., Табакин Е.М., Андреев С.А., Каплин А.В. Влияние качества сборки на процесс сварки тонкостенных изделий атомной техники. Сварочное производство. 2018. №5. С. 32-38.). Известен способ лазерной сварки ребристых панелей (патент 2605032 МПК B23K 31/02 (2006.01) опубликовано 20.12.2016 Бюл. №35), наиболее близкий к заявляемому изобретению и принятый за прототип, включающий установку и закрепление на опорной поверхности подготовленного полотна панели, расположение на нем и фиксацию стрингера с помощью фиксирующего устройства, двухстороннюю приварку ребра стрингера к полотну панели лазерным лучом, направленным под углом к плоскости стыка, отличающийся тем, что закрепление ребра стрингера осуществляют фиксирующим устройством, выполненным в виде жесткой массивной продольной балки с нижней поверхностью, повторяющей контур внутренней поверхности обшивки и с боковой поверхностью для контакта с поверхностью стрингера, и набором струбцин и прижимных планок, при этом сначала осуществляют прихватку с одной стороны ребра стрингера к полотну панели, после чего осуществляют сварку этой же стороны ребра стрингера к полотну обшивки, а затем при снятом фиксирующем устройстве - сварку второй стороны ребра стрингера, причем сварку производят сварочной лазерной головкой, снабженной расположенным под углом к сварочному лучу трубчатым соплом для подачи защитного газа, выполненным по длине перекрывающим зону сварки, со срезами на конце, обеспечивающими прилегание к угловой конструкции соединения, и с отверстием для подачи в зону сварки присадочной проволоки и сфокусированного лазерного луча.
Недостатком данного способа является то, что ребро к панели предлагается приваривать с двух сторон поочередно двумя сварочными проходами, это несомненно приведет к поперечной деформации ребра в сторону первого прохода. Также двух проходная поочередная сварка сначала одной стороны ребра с панелью, а затем второй стороны займет в два раза больше времени только на сварочный процесс, по сравнению с предлагаемой одновременной двухсторонней сваркой и еще будет затрачено время на разборочно-сборочные операции и переналадку сложного фиксирующего приспособления и технологического оборудования. Еще одним существенным недостатком является то, что указанный способ предлагается использовать только для алюминиевых сплавов и предполагается, что стрингер является прямолинейным.
Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение заключается в низкой производительности оребренных панелей и наличии поперечных сварочных деформаций при односторонней сварке ребра и панели.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении высокой производительности, минимизации сварочных деформаций, возможности приварки криволинейных ребер, применении разнородных материалов панели и ребра.
Технический результат достигается тем, что в способе лазерной сварки оребренных панелей, включающим установку и закрепление на опорной поверхности подготовленной панели, расположение на ней и фиксацию ребра с помощью фиксирующего прижимного устройства, сварку ребра и панели лазерным лучом, направленным под углом к плоскости стыка панели и ребра отличающимся тем, что сварку ребра и панели осуществляют одновременно двумя лазерными лучами с двух сторон, при этом направляют лучи в место стыка панели и ребра под одинаковыми углами, составляющими 5-60 градусов относительно плоскости панели и создают общую сварочную ванну дугообразной формы, причем фиксацию ребра осуществляют в процессе сварки синхронно с движением сварочных лазерных головок.
С помощью фиксирующего прижимного устройства обеспечивают прижим ребра с усилием минимум 20-300 Н на 1 мм ширины ребра.
Форму и материал ребра определяют функциональным назначением конструкции.
Сварку осуществляют с образованием сплошного или прерывистого шва.
Сварку проводят с использованием присадочной проволоки.
Сварку ребер с панелью осуществляют вдоль и/или поперек панели по прямой или криволинейной траектории.
После сварки ребер с панелью осуществляют термическую или термомеханическую правку оребренных панелей.
После сварки ребер с панелью осуществляют снятие сварочных напряжений и упрочнение оребренных панелей посредством термической обработки.
Технический результат по варианту 1 достигается тем, что устройство для лазерной сварки оребренных панелей способом по любому из пп. 1-8, включает фиксирующее прижимное устройство и сварочные лазерные головки, характеризуется тем, что фиксирующее прижимное устройство и сварочные лазерные головки закреплены на общем кронштейне с возможностью перемещения вдоль плоскости контакта ребра и панели, фиксирующее прижимное устройство выполнено в виде ролика на торце которого выполнен паз, две сварочные лазерные головки, расположены напротив друг друга, симметрично относительно плоскости контакта ребра и панели, при этом сварочные лазерные головки выполнены с возможностью направления излучения на прямую, лежащую в поперечной вертикальной плоскости механического контакта ребра и панели, под углом 5-60 градусов относительно горизонтальной плоскости панели, и расположенную сзади на 5-10 миллиметров от точки контакта ролика и ребра относительно направления движения ролика.
Технический результат по варианту 2 достигается тем, что устройство для лазерной сварки оребренных панелей способом по любому из пп. 1-8, включает фиксирующее прижимное устройство, выполненное в виде жесткой массивной продольной балки, и сварочные лазерные головки, характеризуется тем, что упомянутая балка выполнена в виде двутавра, имеет стенку в виде перевернутой трапеции, паз для фиксации ребра в нижней полке, в верхней полке выполнены отверстия для болтового соединения балки и сварочного стола, и кронштейна, на котором зафиксированы две сварочные лазерные головки, расположенные напротив друг друга, симметрично относительно паза в нижней полке балки, при этом сварочные лазерные головки выполнены с возможностью направления излучения на прямую, лежащую в поперечной вертикальной плоскости механического контакта ребра и панели, под углом 5-60 градусов относительно горизонтальной плоскости панели. На фигуре 1 представлена панель с приваренными ребрами.
На фигуре 2 представлена принципиальная схема приварки ребра к панели, фиксируемого прижимным устройством с использованием ролика.
На фигуре 3 представлены панель с приваренными ребрами и направляющим роликом прижимного механизма.
На фигуре 4 представлено поперечное сечение панели с приваренным ребром и общей сварочной ванной дугообразной формы.
На фигуре 5 представлена часть устройства для изготовления оребренных панелей в виде продольной двутавровой балки.
На фигуре 6 представлено поперечное сечение панели и не приваренного ребра и поперечное сечение устройства для изготовления оребренных панелей в виде продольной двутавровой балки с болтами для фиксации балки к сварочному столу или полете портальной установки.
На фигуре 7 представлена продольная двутавровая балка, вид сбоку.
На фигуре 8 представлена макроструктура поперечного сечения сварного соединения.
Позиции на фигурах: 1 - панель; 2 - сварочный стол или полета портальной установки; 3 - ребро; 4 - прижимной и направляющий механизм; 5 - прижимное устройство; 6 - фланец последней руки робота; 7, 8 - сварочные лазерные головки; 9 - ролик прижимного механизма; 10 - общая сварочная ванна дугообразной формы; 11 - вершины сварочной ванны дугообразной формы; 12 - продольная двутавровая балка; 13 - верхняя полка продольной двутавровой балки; 14 - отверстия для болтового соединения балки и сварочного стола или полеты портальной установки; 15 - отверстия в стенке продольной двутавровой балки; 16 - нижняя полка продольной двутавровой балки; 17 - паз для посадки ребра; 18 - болты; 19 - прижимное фиксирующее устройство; 20 - кронштейн; 21 - точка пересечения середины ребра и плоскости контакта ребра с панелью.
Сущность способа заключается в следующем.
кр
pол
кр
pол
Изобретение относится к области машиностроения, а в частности к изготовлению оребренных панелей из конструкционных однородных и разнородных металлических материалов. В способе одновременной двухсторонней лазерной сварки ребра с панелью, панель 1 устанавливают на сварочный стол или полету 2 портальной установки, жестко фиксируют обеспечивая ее неподвижность. При необходимости производят механическую и (или) химическую подготовку поверхности, в зависимости от свариваемых материалов. Предустанавливают ребро 3 в паз направляющего прижимного механизма 4 по варианту 1 или паз 17 нижней полки 16 продольной двутавровой балки 12. Прижимной механизм 4 входит в состав устройства в виде кронштейна 5 устанавливаемого на фланце 6 последней руки робота, либо на Y-оси портальной установки (на фигуре не показано), в состав которого также входят две сварочные лазерные головки 7, 8, расположенные напротив друг друга симметрично относительно центра симметрии направляющего ролика 9 прижимного механизма 4. При этом устройство, включающее сварочные лазерные головки и прижимной механизм конструируется и изготавливается максимально жестким, таким образом, чтобы обеспечить взаимодействие лучей и направляющего ролика без каких-либо смещений. При начале движения робота в прямом направлении (вдоль или поперек панели, параллельно кромке панели) ролик направляет ребро, прижимая его к панели с определенной силой, обеспечивающей механический контакт ребра с панелью без зазора. Сила прижима зависит от ширины ребра и находится в пределах 20-300 Н на 1 мм ширины ребра. В точку механического контакта ребра и панели отстоящую на 5-10 мм от точки контакта прижимного ролика и ребра, в направлении, противоположном направлению движения прижимного ролика, с обеих сторон ребра воздействуют двумя лазерными лучами одинаковой мощности, которые расплавляя металл ребра и металл панели, образовывают общую сварочную ванну 10 дугообразной формы, при этом вершины дуги 11 направлены к соответствующим образующим их лазерным лучам (Фигура 4). Движение робота и воздействие лазерных лучей продолжается до конца длины панели, либо прекращается за 5-10 мм до конца длины ребра. За 3-5 секунд до окончания движения робота плавно до 0 Вт уменьшается мощность лазерного излучения обоих лазеров, в случае сварки на малых мощностях (до 1500 Вт) или в импульсном режиме, лазерное излучение может отключится мгновенно. После приварки первого ребра устройство 5, включающее прижимной механизм и две сварочные лазерные головки, с помощью робота или портальной установки перемещаются в точку, заданную технологом по сварочному производству или конструктором, для приварки следующего ребра. В зависимости от материала, толщины, длины и ширины панели, ребра могу привариваться не подряд, а в шахматном порядке или в порядке обеспечивающем, минимальные продольные деформации панели. Используя устройство 5 можно приваривать не только прямолинейные ребра, но и криволинейные волнообразные ребра, радиус кривизны криволинейного ребра будет зависеть от пластичности материала ребра и толщины ребра. Робот, на фланец последней руки которого крепится устройство 5 или направляющая Y-ось портальной установки, технологически, могут обеспечить радиус кривизны в плоскости панели, волнообразно привариваемого ребра исходя из условия - R≥5×R, где, R - радиус кривизны ребра в плоскости панели, R - радиус направляющего ролика.
В качестве материала ребра и панели могут быть использованы как однородные, так и разнородные материалы в зависимости от их конструкционного или эксплуатационного назначения. Например, для увеличения теплоотвода к стальной панели могут быть приварены ребра из алюминия или меди с существенно более высоким коэффициентом теплопроводности. Либо, для увеличения жесткости, к панели из низкоуглеродистой стали могут быть приварены ребра из легированной или высокоуглеродистой стали, имеющие большую жесткость и прочность, чем ребра из низкоуглеродистой стали.
2
В качестве источника лазерного излучения могут использоваться СО-лазеры, дисковые лазеры, волоконные или диодные лазеры. Для охвата большей длины шва основная база робота может находится не на полу производственного помещения, а может быть прикреплена в потолочном положении на кран-балку или стапель. В зависимости от материала и назначения оребренной панели сварка может производится с применением защитного газа для сварочной ванны, и с применением подачи в зону плавления присадочной проволоки, улучшающей механические свойства сварного шва, смачиваемость разнородных материалов, металлургические и микроструктурные характеристики металла шва и околошовной зоны. Для создания общей дугообразной сварочной ванны 10 лазерные лучи должны быть направлены в точку механического контакта ребра 3 и панели 1 под углом 5-60 градусов относительно горизонтальной плоскости панели, в зависимости от толщины и материала ребра. Также угол между лазерным лучом и панелью будет зависеть от расстояния между соседними ребрами и от высоты ребра и иметь величины, обеспечивающие непопадание лазерного луча на соседние ребра.
Менее универсальное, но более надежное и простое устройство для изготовления оребренных панелей представляет собой следующее, панель 1 устанавливают на сварочный стол или полету 2 портальной установки, жестко фиксируют, обеспечивая ее неподвижность. При необходимости производят механическую и (или) химическую подготовку поверхности, в зависимости от свариваемых материалов. Предустанавливают ребро 3 в направляющий прижимной механизм, состоящий из продольной двутавровой балки 12, в верхней полке 13, которой выполнены отверстия 14 для болтового соединения балки и сварочного стола или полеты портальной установки, по два отверстия с каждой стороны балки относительно длины балки, всего четыре отверстия, стенка балки выполнена в виде перевернутой трапеции с отверстиями 15, увеличивающими жесткость и уменьшающими вес балки, в нижней полке 16 балки выполнен паз 17 для посадки ребра на глубину 60 - 70% от высоты ребра, с допуском 0.25 мм с каждой стороны по ширине. В указанный паз 17 устанавливается ребро и прижимается к панели, силой затяжки болтов 18 регулируется сила прижима ребра к панели, обеспечивающая отсутствие зазора между ребром и панелью. После фиксации ребра подводится устройство 19, состоящее из жесткого кронштейна 20, на котором расположены две сварочные лазерные головки 7, 8, которое закреплено на роботе или полете портальной установки, сварочные лазерные головки 7, 8, расположенные напротив друг друга, симметрично относительно точки 21 пересечения середины ребра и плоскости контакта ребра с панелью, установленные таким образом, чтобы направлять лазерные лучи в точки контакта ребра и панели с соответствующих разных сторон, находящиеся на одной прямой, перпендикулярной вектору направления движения сварочных лазерных голов, луч из сварочной лазерной головки 7 на левую сторону ребра, луч из сварочной лазерной головки 8 на правую сторону ребра. Одновременно с началом движения устройства 19 включается лазерное излучение, воздействующее на стык ребра и панели, как указано выше. Лазерные лучи, расплавляя металл ребра и металл панели, образовывают общую сварочную ванну 10 дугообразной формы, при этом вершины дуги 11 направлены к соответствующим образующим их лазерным лучам, как показано на фигуре 4. Движение робота или Y-оси портальной установки и воздействие лазерных лучей продолжается до конца панели, либо прекращается за 5-10 мм до конца длины ребра. За 3-5 секунд до окончания движения робота плавно до 0 Вт уменьшается мощность лазерного излучения обоих лазеров, в случае сварки на малых мощностях (до 1500 Вт) или в импульсном режиме, лазерное излучение может отключится мгновенно. После приварки первого ребра устройство 19, включающее прижимной механизм, состоящий из продольной двутавровой балки, кронштейна 20, на котором расположены две сварочные лазерные головки, с помощью робота или портальной установки перемещаются в точку, заданную технологом по сварочному производству или конструктором, либо панель перемещается под устройством 19, для приварки следующего ребра. В зависимости от материала, толщины, длины и ширины панели, ребра могу привариваться не подряд, а в шахматном порядке или в порядке обеспечивающим минимальные продольные деформации панели.
Используя устройства 19 можно приваривать не только прямолинейные ребра, но и криволинейные волнообразные ребра, радиус кривизны криволинейного ребра будет зависеть от пластичности материала ребра и толщины ребра, а также будет ограничен возможностью изготовления продольной двутавровой балки, с помощью которой осуществляют прижим, в частности сложностью изготовления нижней полки балки, имеющей паз для установки ребра.
Основным, с точки зрения сварочных деформаций и поводок, преимуществом предлагаемого способа является то, что при одновременном двустороннем плавлении ребра и панели не будет образовываться поперечных сварочных деформаций за счет равномерности плавления и кристаллизации сварочной ванны, либо будут образовываться минимальные поперечные сварочные деформации. Также, за счет одновременной двухсторонней сварки двумя лазерными лучами, существенно повысится производительность, в том числе за счет сокращения времени на сборочно-разборочные операции. Это существенно отличается от способа, предлагаемого авторами патента 2605032, в котором процесс сварки осуществляется в два цикла, сначала с одной стороны, потом с противоположной, что, несомненно, приведет к поперечной деформации ребра в сторону первого прохода и, как следствие, к применению правки после сварки.
В качестве примера применения предлагаемого способа была произведена апробация опытной сварки тавровых соединений разнородных сталей 12Х18Н10Т и 08Х15Н5Д4 (РН1), сварка производилась сфокусированным лазерным лучом, направленным под углом 45 градусов, относительно горизонтальной плоскости. Режимы сварки (скорость сварки и мощность лазерного излучения) были подобраны таким образом, чтобы продемонстрировать зависимость глубины проплавления от погонной энергии, которая является отношением мощности лазерного излучения к скорости сварки. Сварка производилась поочередно, с левой стороны, с большей погонной энергией, затем с правой стороны ребра, с меньшей погонной энергией. Как видно, на фигуре 8 (макроструктура поперечного сечения сварного соединения), проплав с левой стороны имеет большую глубину, с правой меньшую, что зависит от количества вводимой погонной энергии. Так как лазерный луч был направлен под углом 45 градусов, в случае проплава с левой стороны, за счет большей погонной энергии, в основном была проплавлена горизонтальная заготовка, имитирующая панель. Если воздействовать лазерным лучом под углом менее 45 градусов к горизонтальной заготовке, с двух сторон одновременно, с меньшей погонной энергией, оптимальной для образования общей сварочной ванны, то можно получить сварочную ванну дугообразной формы, вершины которой направлены к соответствующим образующим их лазерным лучам (фигура 4).