автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.07, диссертация на тему:Оптимизация технологии и повышение надежности при лазерной сварке конструкций атомной энергетики

Санкт-Петербургский Государственный Технический Университет

Р Г Б ОД

САЯПИН Виктор Павлович

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ И ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ КОНСТРУКЦИЙ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Специальность 05.03.07.- Оборудование и технология

лазерной обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1994 г.

\

Работа выполнена в Троицком Институте Инновационных и Термоядерных

Исследований.

Научный руководитель

кандидат технических наук Ф.К.Косырев

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических нчук, профессор М.Н.Либенсон ГНЦ ГОИ им.С.И.Вавилова

кандидат технических наук, заведующий отделом лазерной и термохимической технологии М.Е.Щеглов, НПО ЦНИИТМАШ

Ведущег предприятие

НПО ЦНИИТМАШ

Защита состоится " {{ " НоЛТрч ¡994 Г- в часов на заседании специализированного Совета Д 063.38.17 Санкт-Петербургского Государственного Технического Униьорситетз по адресу: С.-Петербург, Политехническая ул., 29, химический корпус, 1уд.51

С диссертацией мо.ч:но ознакомиться в фундаментальной библиогэке Университета.

Автореферат разослан " " 1994 г.

Отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 195251, С.-Петербург, Политехническая ул., 29, Кафедра "Оборудование и технология сварочного производг ,?вэ"

Ученый секретарь Специализированного Совета доктор технических наук, профессор

В.А.Кархин

Общая характеристика работы

В настоящее время исследуются возможности применения лазерной варки в атомной энергетике, где используется широкий набор ысоколегированных сталей и сплавов. При внедрении технологического роцесса необходима оптимизация параметров фокусирующей оптики рименительно к конкретной лазерной установке.

Для практического использования лазерного луча недостаточно ;сследовано влияние различных факторов, технологических приемов на 'еометрию сварного шва и эффективность проплавления, так как в [роцессе сварки фокусировка ЛИ (лазерное излучение) в пятно ¡иаметром меньше миллиметра вызывает определенные трудности при [аведении луча на стык, а отклонение его от плоскости стыка фиводит к непровару и ослаблению сечения сварного шва. Поэтому на фактике часто приходится получать широкие швы, чтобы осуществить одежное сплавление кромок стыка, учитывая неточности сборки и »тклонение луча от плоскости стыка. С другой стороны процесс сварки (елесообразно вести при реализации механизма глубокого проплавления : большими скоростями и высокой эффективностью.

Проблемой является также получение качественных сварных :оединений из разнородных материалов с использованием легированной ;тали лишь в наиболее напряженных участках или участках, юдверженных действию высоких температур, коррозионных или збразивных сред.

Условия эксплуатации металла оборудования (трубопроводов, 5арабанов-сепараторов и т.д.) в атомной энергетике обусловливают необходимость широкого ' применения коррозионностойких сталей. Эднако экспериментально и теоретически недостаточно изучены особенности лазерного воздействия на склонность сталей типа 18-10 к «ежкристаллитной коррозии.

В работе особое внимание уделялось проведению комплексного исследования изменений геометрических характеристик поперечного сечения сварного шва: производились измерения всех параметров, существенных с точки зрения современных представлений о формировании ива при лазерной сварке с глубоким проплавлением. Осуществление такого комплексного исследования позволило установить взаимосвязь между характеристиками и параметрами режима сварки, что дало возможность сформулировать ряд практических рекомендаций по выбору

-г -

отих условий.

Цель_работы£ исследования влияния различных технологических

факторов на качество, надежность соединений и совершенствование

технологии на базе исследований при лазерной сварке конструкций в

атомной внергетике.

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Изучение и исследование влияния различных факторов, технологических приемов на геометрию шва и эффективность проплавления.

2. Исследование и разработка мероприятий по стабилизации формообразования, массопереноса, снижению требований к точности сборки сварных соединений с помощью пространственной модуляции лазерного луча.

3. Исследование влияния особенностей термических циклов при лазерном воздействии на коррозионнув стойкость сварных соединений и трещинообрэзование при сварке разнородных материалов.

4. Разработка технологии лазерной сварки стержней системы управления защиты реактора РБМК.

_Научная__новизна.

Впервые получены данные о геометрических характеристиках шва в поперечном сечении в зависимости от положения фокального пятна относительно поверхности материала и амплитуды колебаний при различ чх типах развертки луча.

Получено увеличение ширины кинжальной части шва в 1,5 раза и эффективности на 10-15 % при вращении луча.

Впервые установлено и реализовано в технологии лазерной сварки стыковых соединений меди М1 с нержавеющей сталью Х18Н10Т снижение трещинообразования при использовании продольных колебаний лазерного луча для регулирования термических циклов сварки.

Установлено, что лазерное воздействие повышает <оррозионную стойкость нержавеющей стали типа 18-10 за счет образования структуры с мелкодисперсными частицами карбидов, равномерно распределенных по телу зерен.

практическая__ценность__и___реализация___работы. Сформулированы

рекомендации по оптимизации параметров фокусирующих линз при сварке излучением лазеров с неустойчивыми резонаторами.

Разработаны рекомендации по использованию осцилляций лазерного луча в технологии сварки.

Полученные результаты по сканированию лазерного луча при сварке

позволяют управлять формой шва, снизить требования к допустимому зазору стыка деталей, повысить стойкость сварных соединений из разнородных материалов к образованию горячих трещин.

Благоприятное изменение структуры аустенитных хромоникелевых сталей при лазерной обработке дает возможность использовать лазерное излучение для повышения коррозионной стойкости при сварке и поверхностной обработке.

Разработана и практически реализована технология лазерной сварки стержня дополнительного поглотителя реактора РБМК. Партия изделий (440 шт.) с 1986 г. находится в эксплуатации на Игналинской атомной электростанции.

_Апробация_работьи Основные результаты доложены и обсуждены на Всесоюзной конференции "Применение лазеров в народном хозяйстве", г. Звенигород, май 1985 г., на Всесоюзной научно-технической конференции "Взаимодействие излучения плазменных и электронных потоков с веществом", г. Москва, октябрь 1986 г., на 4-й Всесоюзной конференции "Взаимодействие излучения плазменных и электронных потоков с веществом", г. Фрунзе, сентябрь 1990 г.

Публикации.. Основные результаты работы опубликованы в 4 статьях. По результатам работы получено 3 авторских свидетельства.

Структура_____и_____объем______Диссертации^ Диссертационная

работа изложена на 172 страницах, состоит из 4 глав, введения, выводов и содержит 65 рисунков, 13 таблиц, 5 приложений, список литературы из 164 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрено применение лазерной сварки в атомной тромышленности, проанализированы факторы, влияющие на геометрию шва. Особое внимание уделено вопросам сканирования лазерного и электронного луча в технологии сварки, а также использование лазерного луча в сва|пых соединениях разнородных материалов. В связи ; поставленной задачей рассмотрена возможность применения лазерного зоздействия для повышения коррозионной стойкости сварных соединений.

Лазер имеет низкий КПД, поэтому важным представляется повышение эффективности использования излучения с целью увеличения жономической целесообразности применения лазеров. Интересным )бъектом исследования с этой точки зрения является шпульсно-периодический режим (ИПР).Эффективными технологическими фиемами воздействия на расплавленный металл являются сканирование

фокуса луча по толщине свариваемого металла, подача с определенным давлением дополнительного потока газа непосредственно в зону сварки, совмещение лазерного нагрева с дополнительным, менее дорогостоящим источником, например, электрической дугой, соответствующая подготовка поверхности кромок свариваемых деталей, снижение давления окружающей среды. На КПД проплавления при лазерной сварке влияет геометрия пятна нагрева и распределение энергии в парогазовой канале. Все вышеприведенные технологические приемы лазерной сварки б той или иной степени влияют на профиль шва в поперечном сечении. Нг форму проплавления также влияют плазма, конструкция сопла, абберации. Анализ различных технологических приемов показал, чтс одни приемы находятся в стадии лабораторных исследований и пока нб применимы на практике. Другие не оказывают большого воздействия нг кинжальзую часть шва, так как использование лазерной сварки I производстве показало, что узкий шов, особенно в нижней части, способствует дефектам типа несплавлений и непровару.

Перечисленные выше особенности лазерной технологии объясняю] трудности с которыми приходится сталкиваться при внедрении ее I производство. Актуальной становится проблема разработки тако{ технологии, которая была бы не столь критичной к изменение параметров режима, понизила требования к точности сборки и установи изделия. Одним из решений поставленной задачи является использованш развертки луча. Сканирование луча как технологический прием получилс широкое распространение в электроннолучевой сварке. Исходя и: аналогичности процессов лазерной и электроннолучевой сварки I проведенных исследований за рубежом можно предполагать, чт< колебания лазерного луча будут эффективно воздействовать н; формирование шва и качество сварного соединения. В настоящее врем! экспериментальных данных о сканировании ЛЛ (лазерный луч) при сварю явно недостаточно для построения картины явления и проведение такоп исследования является важным и актуальным. Однако подробны; исследований воздействия колебаний лазерного луча на процесс сварю не проводилось, так как исследования в этой области находятся пок; на начальной стадии накопления экспериментальных данных. Потребност] практических применений лазерной сварки требуют более глубокое понимания этого явления. Необходимо комплексное исследование с цель: выяснения влияния воздействия колебаний лазерного луча на геометри сварного шва, а также возможность применения колебаний в технологи: лазерной сварки.

Во второй главе дано описание оборудования, измерительны:

риборов, методика проведения экспериментов при сварке образцов и тработки технологии сварки стержней СУЗ. Эксперименты проводились а мощных непрерывных газовых лазерах ЛТ1-2 и ЛТ1-ЗМ. В кспериментах применялись виброударный авторезонансный сканатор и канатор с вращающимся зеркалом. В оптическом тракте сканаторы станавливались перед фокусирующей линзой. Отраженный от канируащего зеркала лазерный пучок направляется в фокусирующую истему и далее на перемещающуюся со скоростью v деталь в зону азерной обработки (рис.1.). Для фокусировки лазерного излучения спользовались плосковыпуклые линзы из кс1. Фокусирующая система еремещалась в вертикальном и горизонтальном направлениях по двум сям. Соосно с ней непосредственно над образцом располагалось сопло ,ля подачи защитного газа в зону сварки. В качестве защитного газа :спользовался гелий. Образцы сваривались в нижнем положении без квозного проплавления. Для перемещения образцов применялись 1азличные столы перемещений, а также вращатель с диапазоном ;коростей от 20 до 300 м/час.

В третьей главе представлены результаты расчетов размеров юкалького пятна, параметров фокусирующей линзы с учетом сферических |<5ерраций и расходимости лазерного луча. В современных мощных Ю2-лазерах используются чаще всего неустойчивые телескопические >езонаторы с плоским волновым фронтом излучения, имеющего в юперечном сечении кольцевую форму. Расходимость такого светового [учка определяется соотношением внешнего и и внутреннего <а диаметров :ольца м=о/а (М-увеличение резонатора). Применяя теорию аберрации 1-го порядка для вычисления обусловленного аберрацией кружка )ассеяния в плоскости наилучшей установки, получим следующую формулу 1ля вычисления диаметра фокального пятна при фокусировке тонкой >диночной линзой:

3

а = ...О-------+ 1,2 г' (I)

п I 9 I

32 (Г )2 1

) формуле (I) первое слагаемое учитывает влияние сферических зббераций, второе - расходимости на диаметр фокального пятна. При ¡том £'- фокусное расстояние линзы, Х- длина волны излучения (у

302~лазеров \=10,6 мкм). Р- параметр, характеризующий аберрационные сарактеристики линзы, вычисляется по формуле

р = ---- [(1+2/п)а2 - (2+1/п)о+1]

(1-1/п)2

здесь п - показатель преломления линзы. Коэффициент а зависит от коэффициента преломления, радиуса кривизны поверхности линзы и фокусного расстояния

а = 1

пг 1

или, применяя формулу тонкой линзы

1/Г =( (п-1) (-----1-)],

Г1 Г2

а можно определить через соотношение радиусов кривизны поверхностей линзы и коэффициент преломления

а=—-

п(1 -С)

где С=

г1 и г2 - радиусы кривизны поверхностей линзы.

Из (I) следует соотношение, позволяющее оптимизировать линзу по фокусному расстоянию с целью получения минимального фокального пятна

г' рг 1/3

опт.- 0,37Б(--——)

При этом могут быть вычислены основные параметры оптимальной линзы. Влияние аберраций на глубину проплавления зависит от соотношения входящих в (I) величин. При больших , значительно превосходящих о, они практически не оказывают влияния на глубину шва и концентрация энергии определяется, в основном, расходимостью лазерного луча. Так, при й=35 мм, Х=п мм, 1 =160 мм, А.=10,6 мкм и п=1,455 увеличение значений Р от 2,81 (выпукло-плоская линза , обращенная плоской стороной к лучу) до Р=10,23 (та же линза, обращенная плоской стороной к лучу) приводит к возрастанию площади фокального пятна более чем в 3,5 раза. При прочих неизменных

раметрах, но при f=0,5 м такое же изменение Р увеличивает площадь тна всего в 1,04 раза. Поэтому с уменьшением Г необходимо обращать е большее внимание на тип используемых линз. Минимальное значение 2,45 достигается при

Vr2 = = - 0,215.

2n2 v п

е. й случае двояковыпуклой линзы с неравномерными радиусами 1ивизны поверхностей и обращенной более выпуклой поверхностью к чу.

Влияние аберрационных характеристик линз на глубину шва :следовалось путем проплавления сварных образцов линзами с знаковыми фокусными расстояниями i *170 мм. Зависимость ■носительной глубины проплавления Hqth от С и а приведена на рис.2, ш построении графика за единицу принята максимальная глубина шва, >лученная при сварке линзой с С=-0,215. Сравнивались образцы из ■али Ст.З при трех скоростях сварки: 16 мм/с, 20 мм/с, 32 мм/с. В 1честве защитного газа во всех случаях использовался углекислый 13. Согласно рис.2..наибольшая глубина шва достигается при шимальном значении Р, т.е. при наименьших аберрациях линзы (точка I. Этому случаю соответствует двояковыпуклая линза с r1=-o,2is г2. ) же линза, повернутая к лучу менее выпуклой стороной, дает меньшую губину проплавления примерно на ЗНО % (точки II). Выпукло-плоская шза дает почти те же результаты, что и линза с наименьшими ¡еррациями (точки III). При сварке выпукловогнутой линзой (точки /) глубина шва меньше, чем в трех предыдущих случаях. Наихудшие ¡зультатн у плоско-выпуклой линзы (точки V), причем глубина юплавления падает очень существенно - в 3-5 раз. Сравнение кривых 1убины проплавления, снятых при различных скоростях сварки, жазывает, что с увеличением скорости роль аберраций в формировании за увеличивается: при скорости сварки 32 мм/с глубина шва с зеличением аберраций падает более существенно, чем при меньших соростях.

Одним из путей повышения эффективности использования лазерной 1ергии в процессе сварки является применение квазинепрерывных гжимов. Для выявления эффективности применения

мульсно-периодических режимов были проведены эксперименты на зхнологическом импульсно-непрерывном С02-лазере типа JITI-3M при зсквозном проплавлении нержавеющей стали 0XI8HI0T на режимах:

импульсном с частотой 50 Гц, длительность импульсов изменялась в диапазоне (1,5-10) Ю"3с; импульсном с Г=100 Гц, гимп=(1'5-5)10"3 с> непрерывном. В качестве плазмоподавляющего и защитного газа использовался гелий. Мощность излучения изменялась в диапазоне 0,6-1,3 кВт. Скважность импульсов менялась в диапазоне от с=1 для непрерывного режима до с=13,э - для импульсных. Излучение фокусировалось на поверхность металла соляной линзой с фокусным расстоянием 250 мм. Показано, что эффективность применения импульсных режимов значительно выше, чем непрерывных. Формирование швов при применяемых режимах удовлетворительное.

С помощью метода рационального планирования эксперимента исследовано влияние основных параметров режима на геометрические характеристики шва в поперечном сечении. Исследование динамики изменения формы шва в зависимости от параметров режима сварки имеет важное значение для обеспечения высокой производительности процесса и качества сварного шва. Основными параметрами режима при неподвижном /статическом/ луче являются мощность, скорость сварки, фокусное расстояние и величина расфокусировки. Изменяя эти параметры можно получить различные геометрические характеристики шва. Оптимальным для лазерной сварки является глубокое проплавление с коэффициентом формы шва, значительно больше I. Так как шов при глубоком проплавлении имеет два механизма проплавления металла представляет интерес рассмотреть влияние параметров режима на внутренние очертания сварочной ванны. В настоящем исследовании для того, чтобы охарактеризовать шов в поперечном сечении, в качестве критериев оценки приняты: Н - полная глубина проплавления; В ширина шва на поверхности образца; ы- глубина корневой части шва; Ь2 - глубина верхней части шва; ь - ширина корневой части шва (рис.3.). Приведены зависимости геометрических характеристик от каждого фактора и зависимость каждой характеристики от суммарного влияния всех параметров режима. Анализ зависимостей показал, что при расфокусировке в отрицательной области Н и Ы имеют наибольшие значения, в то время как ширина и высота шва верхней части, особенно в районе -I мм, наименьшие. Параметры шва линейно возрастают от мощности излучения, а от скорости сварки, наоборот, убывают. Наиболее эффективно использование линз с фокусным расстоянием до 200 мм. Отмечено, что все 4 параметра режима слабо влияют на ширину нижней части шва ъ. Следовательно, для изменения ь нужно использовать другие факторы.

Как показали проведенные эксперименты, основные параметры

режима мало влияют на ширину ь. Поэтому представляет интерес выяснить влияние сканирующего пучка на формирование шва при неполном проплавлении. Схема процесса сварки с колебаниями поперек и вдоль шва показана на рис Л. Эксперименты показали, что изменяя амплитуду колебаний при сканировании луча поперек ива можно получить конфигурацию геометрии в диапазоне от поверхностного плавления до. глубокого проплавления, как и при сварке сканирующим электронным лучом. Важной частью исследования было выяснение влияния степени фокусировки на процесс обработки. Как показали эксперименты, внешнее формирование шва при осцилляциях удовлетворительное и неблагоприятного динамического воздействия пучка на сварочную ванну не наблюдается. Анализ показал, что профили швов при поперечных и продольных колебаниях мало отличаются от аналогичных профилей при статическом луче. Следует отметить, что при продольных колебаниях в положительной области фокусировки зона перехода от поверхностного плавления к глубокому выражена более четко. Зависимости параметров шва при статическом луче, поперечных, продольных колебаниях и вращении показывают, что кривые параметров, характеризующие внутренние очертания шва /Ы,Ъ2,Ъ/ имеют закономерный вид. Необходимо отметить, что кривые и Ъ2 имеют экстремум и нижняя часть шва изменяется интенсивнее, чем верхняя. Ширина нижней, кинжальной, части шва ь стабильна в широком диапазоне расфокусировки и размер ее на данном режиме составляет менее миллиметра. Установлено, что глубина проплавления Н во всех случаях осцилляций луча имеет также четко выраженный экстремум, то есть кривые при отклонении от оптимума монотонно падают. Глубина проплавления при поперечных колебаниях мало отличается от статического режима. При продольных колебаниях глубина проплавления в отрицательной области фокусировки заметно меньше чем при других осцилляциях. Анализ кривых ширины проплавления В показывает, что при вращении и статическом луче наблюдается прогиб в оптимальном диапазоне фокусировки. Для поперечных колебаний характерно наличие прямого- участка. При продольных колебаниях ширина шва имеет экстремум, который ассиметричен кривой Н и смещен в положительную область фокусировки. Ширина нижней части шва ь практически не изменяется при поперечных и пподольных колебаниях по сравнению со статическим лучом. Значительное увеличение ь (до 50%) происходит при вращении (рис.4). Эффективность проплавления при расфокусировке, которая характеризуется площадью поперечного сечения шва э, при продольных колебаниях несколько меньше чем при статическом режиме, а при

вращении выше на 10-15 % при оптимальной фокусировке. Следует отметить, что эффективность при вращении в корневой части шва почти в два раза выше, чем в делом по сечению шва. При поперечных колебаниях эффективность практически не отличается от статического режима.

Были проведены эксперименты с изменением амплитуды при поперечных и продольных колебаниях. Установлено, что синусоидальные колебанля поперек шва при определенной амплитуде ведут к раздвоению корня шва и даже к полному исчезновению глубокого проплавления. При продольных колебаниях, несмотря на общее снижение глубины проплавления Н, "кинжальное" проплавление не исчезает и при больших амплитудах. Выявлено различное влияние на ширину шва. Если при продольных колебаниях В линейно снижается, то при поперечных, наоборот, возрастает. Ширина нижней части шва ь при продольных колебаниях по сравнению со статическим лучом не изменяется до определенных значений. Затем снижается. При поперечных колебаниях наблюдается тенденция к увеличению ь при уменьшении скорости сварки.

В настоящей работе были изучены особенности формирования сварных соединений меди М1 с аустенитной нержавеющей сталью Х18НЮТ. Оценивслось влияние положения фокуса луча относительно стыка на эффективность сварки. В ходе экспериментов было выяснено, что при наведении сфокусированного пучка на стык кромки не оплавляются. Положительный эффект достигается при смещении фокуса лазерного излучения в сторону нержавеющей стали на несколько сотен микрометров. При металлографических исследованиях в некоторых швах были обнаружены микротрещины - как поверхностные, так и в теле шва. Для уменьшения трещинообразования применялись продольные колебания. Амплитуда колебаний составляла десятые доли диаметра пятна лазерного луча. Установлено, что при этом резко уменьшается трещинообразование.

В исследованиях по коррозионной стойкости выполнялись проплавные швы на пластинах 30x70x3 из нержавеющей стали 08Х18Н9. Сталь предварительно провоцировали на НКК нагревом в печи до 700 град. с выдержкой при этой температуре один час. После термообработки в структуре стали вокруг зерен образовались прослойки в виде карбидной сетки. Для исследований склонности к НКК сварных соединений использовали швы, полученные лазерной и аргонодуговой сваркой (АДС). Лазерную обработку проводили на С02-лазере ЛТ-1 при непрерывном излучении' и со сканированием луча. Коррозионные исследования сварных соединений, обработанных и необработанных ЛЛ,

проводили в азотно-кислых растворах.

Образцы испытывали в растворах в течение 12-15 циклов. При этом продолжительность цикла в кипящих растворах составляла 48 ч, в холодных - 125-160 ч. Коррозию оценивали по потерям массы, по внешнему виду, по измерению толщины и металлографически. Эффект лазерной обработки сварных листовых образцов проявился во всех исследуемых средах. После кЬррозии на необработанных образцах во всех средах наблюдали преимущественное растворение сварного шва. В зоне термовлияния обнаружена также межкристаллитная коррозия, выявлеыая металлографически. Швы, подвергшиеся лазерной переплавке, сохранили большую часть своей толщины. Межкристаллитная коррозия в околошовной зоне отсутствовала. В целом лазерный переплав зоны сварного соединения для стали 12Х18Н10Т приводит к замене локального разрушения шва на равномерную коррозию, близкую по скорости к основному металлу.

Испытания сварных соединений проводились также в промышленных средах.

Результаты испытаний приведены в табл.1.

Таблица I.

Результаты испытаний коррозионной стойкости стали 12Х18НЮТ

Юреда Вид сварки __ _ __г Масса,г I ДО ОПНТЗ г Масса,г после опыта Примечание I

\ I АДС _ г 9,8 } Т 0,7

Лазерная 10,8 1 I 7,5

I 2 АДС I I Полная коррозия £

Лазерная I I 1 Шов сохранился {

Одной из причин увеличения коррозионной стойкости является исчезновение карбидной сетки по границам зерен и образование структуры с мелкодисперсными частицами карбидов, равномерно распределенных по телу зерен.

В главе 4 представлены результаты исследования возможности сварки лазерным лучом стержня дополнительного поглотителя реактора

РБМК. Изготовление изделий на Московском заводе полиметаллов осуществляется с применением метода аргонодуговой сварки. Сварка одного стыка изделия проводится в три прохода по предварительно разделачннм кромкам. Время сварки стыка составляет 140 е., а средняя скорость сварки равна 12,5 м/ч. После аргонодуговой сварки этих изделий вследствие длительного высокотемпературного нагрева и возникающих при этом сварочных напряжений имеет место остаточная деформация вала относительно оболочки. Максимальное отклонение ппи вала относительно оси оболочки достигает 5 мм при допустимом не более 2,2 мм. В связи с этим после сварки 65-70% изделий подвергаются правке безударным методом.

Исследования показали, что увеличение зерна в ЗТВ оболочки при ЛС по сравнению с АДС практически не наблюдается. Зерно в зоне сплавления и в металле оболочки при ЛС имеют одинаковую величину. Склонность сварных соединений к ШК не обнаружена. Содержание альфа-фазы в металле шва не более 4-5,5% (практически не более, чем при АДС). Микротрещин в металле шва и в околошовной зоне не обнаружено. В металле шва обнаружены поры как единичные, так и групповые. Величина пор колеблется в пределах 30-600 мкм. Поры во всех образцах расположены в корневой (нерабочей) части шва на глубине более толщины оболочки. В одном образце обнаружен непровар на половину толщины оболочки. Данный дефект объясняется смещением в процессе сварки стыка относительно оптической оси светового луча и отсутствием требуемой степени точности сборки свариваемого стыка под ЛС. В результате этого металл шва сместился в сторону концевой детали. Радиальное биение при ЛС во всех образцах не лревышает предельно допустимой величины. Механическая прочность сварных соединений при JIC на разрыв удовлетворяет условиям эксплуатации. По разработанной технологии была сварена партия в количестве 440 шт. для Игналинской АЭС. Макет изделия представлен на рис.5.

С учетом результатов исследований по сварке нержавеющей стали с медью были сварены водоохлаждаемые зеркала резонатора мощного непрерывного С02-лазера, к сварным соединениям которых предъявляются жесткие требования относительно вакуумной плотности. Стыковое соединение металла толщиной I мм имеет разгрузочные канавки с обеих сторон. На основании полученных результатов были выбраны оптимальные режимы для сварки торцевых швов зеркал резонатора.Сварка выполнялась при мощности излучения 3 кВт, v„d=i,5 см/с. Защитный газ - гелий. На

С в

торцевых швах были проведены испытания на вакуумную плотность гелиевым течеискателем ПТИ-10, которые подтвердили герметичность

сварных соединений.

В настоящее время изготовление баллонов из стали 08кп осуществляется с применением метода автоматической сварки под флюсом с присадочной проволокой. Метод достаточно надежный с точки зрения качества сварки. Однако относительно невысокая скорость сварки снижает производительность процесса. Кроме этого, применение флюса и присадочной проволоки усложняет технологию, снижает культуру производства. При сварке баллонов рассмотрены варианты различных сварных соединений: проплавного, углового соединения, стыкового. V тедовались возможности сварки обечайки с корпусом, вварки муфтн в днище, приварки основания к корпусу. Анализ полученных сварных соединений показал, что внешнее формирование швов при статическом луче неудовлетворительное из-за раковин и наплывов. Поэтому было применено сканирование лазерного луча, которое обеспечило приемлемое формирование соединений.

выводи

1. Исследована зависимость глубины проплавления от фокусного расстояния и сферических аббераций линз при сварке излучением лазеров с неустойчивыми резонаторами. Предложены расчетные формулы для нахождения оптимальных параметров фокусирующих линз с целью достижения наибольшей глубины проплавления. Показано, что глубина проплавления зависит как от фокусного расстояния линзы, так и от ее аберрационных характеристик. С повышением скорости сварки влияние аберраций на глубину шва увеличивается.

2. Изучены особенности импульсно-периодического режима лазерной сварки. Показано, что ИПР влияет на геометрию шва и повышает эффективность процесса.

3. Исследована эффективность применения осцилляций лазерного луча при сварке с глубоким проплавлением. Показано, что использование осцилляций лазерного луча влияет на параметры шва, позволяет управлять геометрией литой зоны и получать швы заданной формы. Целесообразно применение осцилляций для повышения качества сварные соединений путем снижения трещинообразования, уменьшения непроваров и несплавлений за счет увеличения ширины корневой части шва при глубоком проплавлении, улучшения внешнего вида поверхности сварного шва.

4. Исследованы особенности формирования и структуры сварного

соединения меди с нержавеющей сталью. Установлен факт снижения трещинообразования при продольных колебаниях.

5. Исследовано влияние лазерного воздействия на коррозионную стойкость нержавеющей стали типа 18-10. Показано, что лазерная сварка и поверхностное оплавление приводят к увеличению коррозионной стойкости стали. Повышение коррозионной стойкости связано с образованием структуры с мелкодисперсными частицами карбидов, равномерно распределенных по телу зерен.

6. Полученные результаты работы послужили основой для разработки и внедрения на Игналинской АЭС технологии лазерной сварки стержня дополнительного поглотителя системы защиты реактора РБМК.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Башенко В.В., Лопота В.А., Саяпин В.П. и др. Особенности сварки импульсным лучом С02-лазера.//Сб-к " Электротехническая промышленность ", серия Электросварка. 1981. С. 3-4.

2. Григорьянц А.Г., Фромм В.А., Саяпин В.П. и др. Влияние условий фокусирования лазерного луча на глубину проплавления ч сварке//Известия Вузов. МВТУ. 1983. C.I3I-I35.

3. Антонова Г.Ф., Саяпин В.П., Косырев Ф.К. и др. Исследование структуры металла шва, полученного при лазерной сварке нержавеющей стали с медью.// Автоматическая сварка. 1989. 4. С.41-42.

4. Косырев Ф.К., Копелиович Д.Х., Саяпин В.П. и др. Перспективы повышения коррозионной стойкости сталей типа 18-10 методом поверхностной лазерной обработки. //Вопросы атомной науки и техники. Серия: ядерная техника и технология. 1989. Вып. 5.С.7-10.

5. A.c. 1336384 СССР. МКИ В 23 К 26/00. Устройство для лазерной сварки/Фромм В.А., Саяпин В.П. (СССР). I с. ил.

6. A.C. 1446800 СССР. МКИ В 23 К 26/ 00. Способ лазерной сварки/ Саяпин В.П., Арутюнян Р.В., Косырев Ф.К. (СССР).- I с. ил.

7. A.C. 1376383 СССР. МКИ В 23 К 26/00. Способ лазерной сварки/ Саяпин В.П., Арутюнян Р.В., Дубровский В.Ю., Косырев Ф.К. (СССР).- I с. ил.

РСЭОНЛТСР

Рис.1. Схема процесса лазерной сварки с колебаниями

-ОО -0.72 41,15 0.14 0,312 С

Рис.2. Зависимость характеризующего абберационные характеристики линзы параметра Р и относительной глубины пропдавления Нотн от величины С и^: Уг1„ мм/с: I - 16, 2 - 20, 3 - 32

в

Рис.3. Геометрические параметры сварного шва в поперечном сечении : Н - глубина проплавления, В - ширина шва, /?/ - глубина проплавления корневой части шва, - глубина проплавления верхней части шва, в ~ ширина корневой части шва

Рис.4. Зависимость ширины нижней части шва от положения фокальной плоскости при статическом луче и вращении; Р=3,0 кВт, уов=3 см/с, Р =170 мм, г=0,2 мм, /=50 Гц

Рис.5. Пакет стержня изделия ДП