СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ ФОРМЫ
METHOD OF LASER WELDING OF PRECISION AXISYMMETRIC PARTS

Изобретение относится к сварке, в частности, к лазерной сварке прецизионных изделий осесимметричной формы, и может быть применено, например, в производстве топливной аппаратуры дизельных двигателей.
При сварке прецизионных деталей большое значение имеет обеспечение прочностных показателей соединения и предотвращение деформаций конструкции из-за наличия остаточных напряжений. Лазерный луч, попадая на поверхности свариваемых деталей, отражается тем больше, чем выше отражательная способность этих поверхностей. Возникает проблема, связанная с недостаточным прогревом зоны сварки и соответствующим уменьшением глубины проплавления. Прецизионные стальные детали, например, иглы распылителей топливных форсунок, имеют шероховатость поверхностей в зоне сварки не выше Ra0,125, что, по умолчанию, означает высокую отражательную способность. Таким образом, лазерная сварка прецизионных деталей представляет дополнительные трудности.
Известен способ лазерной сварки металлов и сплавов, в котором, для повышения качества сварного соединения, в месте сварки деталей удаляют поверхностный слой с одновременным формированием канала с боковыми стенками, покрытыми тонким слоем расплава (пат. RU 2186667, опубл. 10.10.2001. Бюл. №28). Реализация способа обеспечивается воздействием модульного излучения дополнительного лазера. Процесс сварки в известном решении разбит на два этапа. На первом этапе импульсы высокой интенсивности дополнительного лазера небольшими порциями удаляют материал с поверхностей свариваемых деталей и вдоль их стыка. На втором этапе импульсы основного лазера сваривают детали.
Известен способ повышения эффективности лазерной обработки металлов, в котором также применяется совместное действие двух лазеров, однако при этом цель дополнительного лазера заключается в предварительно обработке поверхности детали для уменьшения ее отражательной способности перед воздействием второго лазера (пат. US 4879449, опубл. 07.11.1989).
К недостаткам известных решений относится необходимость наличия дополнительного лазера. Это требует согласования работы двух лазеров, усложняет установку, процесс и, в конечно счете, удорожает продукцию. Кроме того, дополнительный лазер применяется для воздействия на ту же локальную зону, что и основной. Само по себе, это, в принципе, не решает проблемы сварочных деформаций.
Наиболее близким, по совокупности существенных признаков - прототипом заявляемого изобретения - является способ лазерной сварки прецизионных изделий, который предусматривает выполнение подготовительных операций и последующую сварку. Причем сварку выполняют с предварительной прихваткой одновременно двумя лучами по крестообразной схеме (пат. RU 2240906, опубл. 10.06.2003). Изделие вращают вокруг оси на угол сорок пять градусов от центра прихватки и двумя лучами выполняют сварку в двух диаметрально противоположных секторах при вращении изделия на сто восемьдесят градусов. Такая технология позволяет снизить деформации прецизионных осесимметричных сварных изделий. К недостаткам известного решения относится необходимость специальной оптической системы для разделения лазерного луча на два луча одинаковой интенсивности и формирования ломанной траектории с раздельными оптическими каналами и фокальными плоскостями для каждого канала.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно упрощение процесса сварки при обеспечении выполнения заданных прочностных и геометрических требований к изделию.
Решение поставленной технической задачи за счет применения предлагаемой последовательности выполнения операции.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
Прецизионные детали осесимметричной формы, которые нужно соединить сварным швом, устанавливают на сварочный станок таким образом, что одна из деталей помещается в стандартном технологическом устройстве для установки и закрепления, обеспечивающем одну степень свободы - вращение вокруг продольной оси, например, в трехкулачковом патроне. Вторая деталь закрепляют коаксиально первой с упором своим торцом в торец первой детали и поджимают подпружиненным упором с осевым усилием 25….35 Н.
Устройство для установки и закрепления второй детали может быть выполнено как в виде стандартного технологического решения, так и в виде приспособления, предназначенного специально для данной детали, например, втулки с прецизионным отверстием, соответствующим наружному диаметру свариваемой детали.
Устройства для установки и закрепления свариваемых деталей по способу, предлагаемому в качестве заявляемого изобретения, не являются предметом патентной охраны.
Устройство для установки и закрепления первой детали, имеет привод от электродвигателя. При этом частота вращения технологического устройства для установки и закрепления зависит от частоты и длительности импульсов излучения лазера.
После установки деталей производят проверку биения их продольных осей и последующее закрепление в устройствах для установки и закрепления.
После подачи первого импульса излучения, то есть формирования первой точки сварки, включают вращение устройства для установки и закрепления первой детали. Второй детали передают вращение от первой детали за счет действия сил трения по торцам. Сварку осуществляют при двойном повороте деталей с наложением швов друг на друга, причем угол каждого поворота составляет сумму (360°+α), где дополнительный угол α - величина углового смещения свариваемых деталей после совершения ими полного поворота вокруг своих продольных осей.
Новизной в предложенном способе лазерной сварки прецизионных деталей осесимметричной формы является использование предварительного поджатия деталей друг к другу с заданным усилием и последующая сварка при двойном повороте на заданный угол, определяемый материалом и размерами деталей.
Пример выполнения способа
Выполняли импульсную лазерную сварку иглы распылителя, включающей три коаксиально установленных детали: иглу (материал: сталь Р6М5 ГОСТ 19265, твердость 61…66 HRC, шероховатость Ra0,075), шток (материал: сталь ХВСГФ ГОСТ 5950, твердость 20…25 HRC, шероховатость Ra0,125) и поршень (материал: сталь Р6М5 ГОСТ 19265, твердость 61…66 HRC, шероховатость Ra0,075). Сварку выполняли на установке МУЛ-1 производства ООО «Латиком» в среде углекислого газа, причем подача газа осуществлялась со свободным ручным наведением сопла в зону сварки.
В качестве устройства для установки и закрепления первой детали использовали стандартный трехкулачковый патрон. В патрон зажимали шток, ответные детали устанавливали поочередно во второе устройство для установки и закрепления. После установки детали выставляли для получения несоосности не более 0,002 мм.
Сварку, таким образом, вели с переустановкой деталей.
Усилие осевого прижатия составляло от 28 Н до 31 Н. Использовали следующие режимные параметры процесса: напряжение - 285 В, длительность одиночного импульса 4,5 мс, частота импульсов 4 Гц. Дополнительный угол α - величина углового смещения свариваемых деталей после совершения ими полного поворота вокруг своих продольных осей - составлял 15…20 градусов.
Перекрытие точек в полученном двойном шве составило 0,01 мм.
После сварки опытной партии проводили контроль заданных параметров - величина осевого усилия разрыва (на нескольких произвольно выбранных образцах), биение поверхности запорного конуса иглы относительно прецизионной поверхности поршня после выдержки образцов в течение 12 часов при нормальных условиях.
Усилие разрыва составило 1500…1700 Н при заданной минимальной величине 1350 Н. Наибольшее биение составило 0,05 мм при заданной величине 0,07 мм.
Образцы, не подвергавшиеся испытаниям на разрывной машине, установили в электроуправляемые форсунки производства Алтайского завода прецизионных изделий и проводили стендовые испытания в течение 500 часов. Образцы прошли испытания в полном объеме, без замечаний.
В настоящее время предлагаемый способ лазерной сварки прецизионных деталей осесимметричной формы внедрен в серийное производство на Алтайском заводе прецизионных изделий.