способ лазерной сварки прецизионных изделий

Формула изобретения

1. Способ лазерной сварки прецизионных осесимметричных изделий, включающий разделение лазерного луча, формирование траектории распространения лучей, фокусировку, контроль совмещения облучаемой поверхности стыка с оптическими осями лучей и сварку, отличающийся тем, что разделение лазерного луча осуществляют на два луча одинаковой интенсивности с общей фокальной плоскостью на заключительном участке траектории, при этом оптические оси лучей на заключительном участке траектории располагают в одной плоскости с осью симметрии изделия и ориентируют в этой плоскости под углом наклона относительно перпендикуляра к общей фокальной плоскости, лежащим в диапазоне, определяемом неравенством

(-50°)(+50°),

а расстояние L между оптическими осями в общей фокальной плоскости устанавливают по соотношению

L=D,

где D - номинальный размер деталей, при этом выполняют двухстороннюю сварку, для чего перед сваркой осуществляют предварительную прихватку последовательно с каждой стороны изделия одновременно двумя лучами по крестообразной схеме, вращают изделие вокруг оси вращения на угол ~45° от центра прихватки, а сварку выполняют двумя лучами в двух диаметрально противоположных секторах при вращении изделия на ~180°.

2. Способ лазерной сварки прецизионных осесимметричных изделий, включающий разделение лазерного луча, формирование траектории распространения лучей, фокусировку, контроль совмещения облучаемой поверхности стыка с оптическими осями лучей и сварку, отличающийся тем, что разделение лазерного луча осуществляют на два луча одинаковой интенсивности с общей фокальной плоскостью на заключительном участке траектории, при этом оптические оси лучей на заключительном участке траектории располагают в одной плоскости с осью симметрии изделия и ориентируют в этой плоскости под углом наклона относительно перпендикуляра к общей фокальной плоскости, лежащим в диапазоне, определяемом неравенством

(-50°)(+50°),

а расстояние L между оптическими осями в общей фокальной плоскости устанавливают по соотношению

L=D,

где D - номинальный размер деталей,

при этом осуществляют сварку односторонних швов, для чего перед сваркой выполняют прихватку одновременно двумя лучами по меньшей мере в двух диаметрально противоположных участках стыка, поворачивают узел относительно центра вращения на 90° от центра прихватки и сваривают одновременно двумя лучами по стыку при вращении изделия в диапазоне углов 0 - 180°.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в приборо- и машиностроении.

Известен способ сварки тонкостенных цилиндрических изделий с пластинами [1], принятый в качестве аналога.

Согласно известному способу внутрь цилиндрического изделия вставляют медный сердечник, фокусируют луч на стык и сваривают по всей окружности, последовательно вращая узел относительно оптической оси луча от 0° - первая точка на стыке изделия, до 360° - последняя точка.

Основной недостаток известного способа состоит в несимметричной относительно оси симметрии изделия и односторонней схеме сварки, приводящей к смещению деталей относительно оси симметрии изделия и к взаимному смещению деталей друг относительно друга. Применение сердечника частично выравнивает тепловой лоток при сварке и уменьшает деформации сварного узла, но полностью их не устраняет. Кроме того, применение сердечника не всегда возможно и, в частности, для изделий с закрытыми торцами.

Известен способ лазерной обработки, принятый в качестве прототипа [2].

Согласно прототипу лазерный луч разделяют на несколько лучей с раздельными оптическими каналами, с помощью которых формируются ломаная траектория лучей. При этом, на заключительном участке траектории каждого луча (заключительный участок траектории представляет собой прямолинейный отрезок между последним отклоняющим /или фокусирующим/ зеркалом непосредственно перед поверхностью обрабатываемого изделия и фокальной плоскостью луча, если она совпадает с поверхностью обрабатываемого изделия или с поверхностью обрабатываемого изделия, если луч расфокусирован) лучи ориентируют навстречу друг другу и их оптические оси совпадают, а фокальные плоскости лучей параллельны и находятся на некотором расстоянии друг от друга. Размещают между лучами плоское изделие, фокусируют оба луча на участки поверхности обрабатываемого изделия с противоположных сторон и проводят одновременную обработку с двух сторон. Для наблюдения и контроля положения лучей и участков поверхности обрабатываемого изделия формируют с помощью оптической системы изображение каждого участка поверхности. Наряду с плоскими изделиями прототип позволяет обрабатывать осесимметричные изделия, у которых оси вращения перпендикулярны оптическим осям лучей на заключительном участке траектории. В частности, прототип позволяет сваривать прямоугольные корпуса микросборок, а также цилиндрические изделия со швами, лежащими в плоскости, перпендикулярной оси вращения цилиндра (т.е. в одной плоскости с оптическими осями лучей).

Основной недостаток прототипа при сварке осесимметричных изделий цилиндрической формы заключается в том, что при сварке возникают пластические деформации и взаимные смещения свариваемых деталей, вызванные несимметричной схемой нагрева. Несимметричность нагрева обусловлена тем, что на заключительном участке траектории прототип не позволяет без дополнительных мер совместить фокальные плоскости лучей с плоскостью сварного шва, а оптические оси лучей совместить с центрами предполагаемых сварных точек, которые расположены на противоположных участках (или точках) изделия по его линии диаметра. К числу дополнительных мер можно отнести предварительную маркировку этих участков (или точек) специальными метками, что усложняет известную технологию и не во всех случаях маркировку можно применить. Кроме того, прототип не допускает сварку цилиндрических изделий со швами, стыки которых расположены в торцевой части цилиндра параллельно оси симметрии цилиндра.

Предлагаемое изобретение направлено на создание способа лазерной сварки прецизионных осесимметричных изделий преимущественно цилиндрической формы, к которым предъявляются жесткие требования по возможным деформациям и взаимным смещениям, и, в частности, таких как карданные подвесы.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение деформаций прецизионных осесимметричных сварных изделий.

Указанный результат достигается тем, что в способе лазерной сварки прецизионных осесимметричных изделий преимущественно цилиндрической формы, включающем разделение лазерного луча, формирование траектории распространения лучей, фокусировку, контроль совмещения облучаемой поверхности стыка и двухстороннюю сварку, разделение лазерного луча осуществляют на два луча одинаковой интенсивности с общей фокальной плоскостью на заключительном участке траектории, при этом оптические оси лучей на заключительном участке траектории располагают с одной стороны изделия и в одной плоскости с его осью симметрии и ориентируют в этой плоскости под углом наклона относительно перпендикуляра к общей фокальной плоскости, лежащем в диапазоне, определяемом неравенством

(-50° ) (+50° ),

а расстояние L между оптическими осями в общей фокальной плоскости устанавливают по соотношению

L=D

где D - номинальный размер деталей,

при этом контроль за совмещением поверхности стыков осуществляют при открытом положении обоих каналов, а сварку выполняют с предварительной прихваткой последовательно каждой стороны изделия, причем прихватку выполняют одновременно двумя лучами по крестообразной схеме вначале одной стороны, а затем противоположной, для чего изделие поворачивают в вертикальной плоскости, а после прихватки противоположной стороны возвращают изделие в первоначальное положение, выставляют перекрестие окуляра на центр прихватки и вращают изделие в горизонтальной плоскости вокруг оси вращения на угол ~45° от центра прихватки и двумя лучами выполняют сварку в двух диаметрально противоположных секторах при вращении изделия на ~180° .

В соответствии с другим вариантом для односторонних швов прихватку выполняют одновременно двумя лучами по меньшей мере в двух диаметрально противоположных участках стыка, поворачивают узел относительно центра вращения на ~90° от центра прихватки и сваривают одновременно двумя лучами по стыку при вращении изделия в диапазоне углов от ~0° до ~180° .

Способ осуществляют следующим образом.

Схема сварки прецизионного изделия, состоящего из двух осесимметричных цилиндрических деталей (внутренней и внешней), представлена на чертеже.

Лазерный луч при помощи оптической системы делят на два луча одинаковой интенсивности и для каждого разделенного луча формируют ломаную траекторию распространения с раздельными оптическими каналами и фокальными плоскостями для каждого канала.

На чертеже представлен заключительный участок траектории каждого канала от главной плоскости фокусирующей линзы до поверхности свариваемого изделия, совпадающей с фокальной плоскостью каждого оптического канала. Фокусные расстояния для обоих каналов устанавливают равными друг другу. В этом случае можно ввести понятие об общей фокальной плоскости оптической системы: под общей фокальной плоскостью понимается плоскость, проходящая через точки пересечения оптических осей каждого канала с собственной фокальной плоскостью и перпендикулярная оси симметрии изделия (заметим, что для осесимметричных узлов ось симметрии узла совпадает с осью вращения вращателя). На заключительном участке траектории оптические оси лучей располагают в одной плоскости с осью симметрии изделия. При этом оптические оси ориентируют с помощью поворота главных плоскостей фокусирующих линз относительно оси вращения (точки О_л и О_п) под углом относительно оси симметрии изделия или, что равносильно, относительно перпендикуляра к общей фокальной плоскости, проведенного из оси вращения главной плоскости фокусирующей линзы.

На чертеже условно показаны три положения для угла наклона оптических осей каждого канала: центральное или нулевое ( =0° ) - оптическая ось параллельна оси симметрии изделия; и два крайних положения: левое - с отрицательным значением угла и правое - с положительным значением угла . Угол лежит в диапазоне (-50° ) (+50° ). Величину угла выбирают исходя из конструктивных особенностей свариваемого изделия. Для стыкового шва, у которого свариваемые кромки лежат в одной плоскости, оптимальным может считаться для обоих каналов диапазон значений угла от (-25° ) до (+25° ). В этом диапазоне углов для стыковых швов в зависимости от конкретных задач формируют параллельные оптические каналы, сходящиеся (по отношению к оси симметрии изделия) оптические каналы и расходящиеся оптические каналы.

Для угловых внутренних швов, у которых внешняя деталь выступает относительно внутренней, как показывают эксперименты, оптимальным является формирование расходящихся оптических каналов со значениями углов , лежащих в диапазонах: в левом оптическом канале =(-25° )-(-50° ), в правом оптическом канале =(+25° -÷ (+50° ). Для угловых внешних швов, у которых внешняя деталь расположена ниже внутренней, предпочтительным является формирование сходящихся оптических каналов со значениями углов: в левом оптическом канале =(+25° )-(+50° ), в правом оптическом канале =(-25° )-(-50° ). Для угловых соединений с внутренними швами малого диаметра предпочтительным является формирование перекрещивающихся оптических каналов, когда сходящиеся оптические каналы пересекаются на небольшом расстоянии от поверхности свариваемого изделия. К изделиям с малым диаметром целесообразно отнести сварные узлы, у которых диаметр по стыку менее ~3 мм.

Изменение величины угла наклона оптических осей сверх значений указанного диапазона [(-50° ) (+50° )] приводит к ухудшению качества сварного соединения из-за возможных подрезов одного из свариваемых стыков.

Для цилиндрических изделий при схеме цилиндр в цилиндре расстояние L между оптическими осями лучей в фокальной плоскости (при расположении общей фокальной плоскости на поверхности обрабатываемого изделия) или в плоскости сварки (если сварку выполняют с расфокусировкой лучей и общая фокальная плоскость не совпадает с поверхностью изделия) для любой ориентации лучей определяют исходя из размеров свариваемых деталей и устанавливают равным номинальному (основному расчетному) размеру. Если диаметр внутренней детали равен D ^- (система вала), а внутренний диаметр наружной детали равен D⁺ (система отверстия), где (- ) - поле допуска для вала, (+ ) - поле допуска для отверстия, то расстояние L между оптическими осями лучей в фокальной плоскости определяется как L=D, где D - номинальный размер (или основной расчетный размер). Это условие обеспечивает симметричный и равномерный нагрев кромок каждой детали.

Оптическую ось каждого канала совмещают с перекрестием окуляра и поэтому в окуляре формируется одновременно совмещенное и перевернутое изображение двух диаметрально противоположных участков свариваемого изделия.

При настройке и выставке свариваемого изделия в фокальной плоскости предусматривают три варианта проецирования изображения поверхности свариваемых деталей в устройство наблюдения (окуляр или монитор). Для этого осуществляют поочередное перекрытие оптических каналов: 1-й вариант - оба оптических канала открыты, 2-й вариант - открыт левый оптический канал - закрыт правый оптический канал, 3-й вариант - открыт правый оптический канал - закрыт левый оптический канал.

1-й вариант (основной вариант, по которому осуществляют контроль за совмещением поверхности стыка): в устройстве наблюдения (окуляре установки) формируют совмещенное (сдвоенное) изображение поверхности свариваемого узла, т.е. оператор наблюдает одновременно два стыка: для цилиндрического изделия в зависимости от поля зрения объектива и размеров свариваемых деталей наблюдает изображение двух кругов или участка из двух дуг, пересекающих друг друга или соприкасающихся друг с другом по касательной (в последнем случае центры кривизны у дуг расположены слева и справа от перекрестия окуляра); для прямоугольных корпусов наблюдает изображение четырехугольников или участка прямых линий, которые расположены вдоль оси Y и соприкасаются друг с другом в месте сварки;

2-й вариант: в устройстве наблюдения (окуляре установки) формируют изображение поверхности с одним стыком (для цилиндрического изделия - это круг или участок дуги и для прямоугольных корпусов - это четырехугольник или участок прямой линии) с левой стороны;

3-й вариант: в устройстве наблюдения (окуляре установки) формируют изображение поверхности с одним стыком (для цилиндрического изделия - это круг или участок дуги и для прямоугольных корпусов - это четырехугольник или участок прямой линии), но с правой стороны. 2-й и 3-й варианты используют при настройке.

Перемещением координатного стола по осям XYZ совмещают перекрестие устройства наблюдения (окуляра) с линией стыка свариваемого узла.

При совмещении точки соприкосновения двух дуг с перекрестием окуляра оптическая ось каждого канала совпадает с соответствующим центром предполагаемой сварной точки, каждая из которых должна быть расположена на стыке деталей в диаметрально противоположных участках.

В этом случае оптические оси каждого луча сориентированы в направлении свариваемых стыков таким образом, что каждая оптическая ось совпадает с соответствующим центром свариваемой точки, расположенном на стыке. Эти условия обеспечивают симметричную схему нагрева изделия, при которой исключается взаимное перемещение деталей в направлении прямой, соединяющей центры свариваемых точек.

Перед сваркой выставленного относительно перекрестия окуляра изделия выполняют его прихватку.

Для изделий, у которых требуется сварка с двух сторон, такими, в частности, являются кардановые подвесы, последовательно прихватывают каждую сторону. Прихватку выполняют по крестообразной схеме: одновременно двумя лучами в двух диаметрально противоположных участках (точках) стыка, затем изделие вращают в горизонтальной плоскости вокруг оси вращения на угол ~90° от центра прихваченного участка и проводят повторную прихватку двумя лучами в двух диаметрально противоположных участках (точках) стыка, после чего изделие вместе с приспособлением перевертывают в вертикальной плоскости на противоположную сторону и повторяют прихватку по крестообразной схеме.

Далее изделие возвращают в первоначальное положение, выставляют перекрестие по первой паре сварных точек, полученных в результате прихватки, вращают изделие вокруг оси вращения на угол ~45° от центра прихватки и двумя лучами выполняют сварку в двух диаметрально противоположных секторах при вращении изделия на ~180° . Затем перевертывают изделие на противоположную сторону и выставляют перекрестие по первой паре сварных точек, вращают изделие вокруг оси вращения на угол ~45° от центра прихватки и двумя лучами выполняют сварку в двух диаметрально противоположных секторах при вращении изделия на ~180° .

Для изделий с односторонними швами (например, круглые или прямоугольные корпуса микросборок, состоящие из основания и крышки) прихватку выполняют двумя лучами по меньшей мере в двух диаметрально противоположных участках стыка, затем корпус поворачивают в горизонтальной плоскости относительно центра вращения на ~90° от центра прихваченного одним или несколькими импульсами участка стыка и еще раз прихватывают двумя лучами одним или несколькими импульсами или сразу сваривают по стыку при вращении изделия в диапазоне углов от ~0° до ~180° .

Пример выполнения способа

Выполняли импульсную лазерную сварку прецизионного осесимметричного цилиндрического изделия: карданового подвеса, состоящего из двух подвесов цилиндрической формы, устанавливаемых один в другой. Подвесы изготовлены из сплава 46НХТЮМ-ВИ. Использовали серийную сварочную установку типа КВАНТ (длина волны излучения =1,06 мкм, длительность импульса ~0,5-5 мс, энергия в импульсе Е 20 Дж).

Предварительно собранные и зафиксированные друг относительно друга в сборочно-сварочном приспособлении подвесы устанавливают в оправку вращателя на координатном столе сварочной установки. По требованиям документации кардановый подвес сваривается с двух сторон. Включают освещение и выставляют свариваемое изделие в общей фокальной плоскости оптической системы установки, для чего перемещением стола (или объектива) в вертикальном направлении Z добиваются в окуляре резкого изображения поверхности свариваемых деталей. Перемещением стола по Х и Y добиваются совмещения перекрестия окуляра со стыком свариваемых кромок, изображение которого в виде двух соприкасающихся дуг должно быть в перекрестии окуляра сварочной установки.

Включают сварочную установку и выполняют прихватку по крестообразной схеме: одновременно в двух диаметрально противоположных точках, вращают изделие в горизонтальной плоскости вокруг оси вращения на угол ~90° и проводят повторную прихватку в двух диаметрально противоположных точках, затем изделие перевертывают вместе с приспособлением в вертикальной плоскости на противоположную сторону и повторяют прихватку по крестообразной схеме.

Далее изделие с приспособлением возвращают в первоначальное положение, выставляют перекрестие по первой паре сварных точек, полученных в результате прихватки, в горизонтальной плоскости вращают изделие вокруг оси вращения на угол ~45° и выполняют сварку в двух диаметрально противоположных секторах при вращении изделия на ~180° . Затем изделие вместе с приспособлением перевертывают в вертикальной плоскости на противоположную сторону и выставляют перекрестие по первой паре сварных точек, вращают изделие вокруг оси вращения на угол ~45° и выполняют сварку в двух диаметрально противоположных секторах при вращении изделия на ~180° .

Сваренный узел извлекали из приспособления и контролировали взаимное положение поверхностей торцов сваренных подвесов с точностью ± 1 мкм. Результаты измерений свидетельствуют о том, что взаимное “несовмещение” плоскостей поверхности каждого торца друг относительно друга не превышает величины ~4-6 мкм.

Таким образом, при сварке осесимметричных изделий предлагаемый способ обеспечивает выполнение жестких требований, предъявляемых к прецизионным изделиям и, в частности, к кардановым подвесам, по возможным деформациям и взаимным смещениям деталей в процессе сборочно-сварочных работ. Деформации прецизионных сварных конструкций существенно снижаются и составляют единицы микрометров. Это обусловлено симметричностью нагрева при сварке и оптимальной последовательностью прихватки и сварки изделия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Заявка Японии №61-193788, опубл. 21.01.1987г., № М-555, В 23 К 15/00, 26/00.

2. Заявка Японии №56-49676, опубл. 24.11.1981 г., №2-1242, В 23 К 26/00.