автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.19, диссертация на тему:Разработка методов и средств автоматизированной сборки теплообменников с использованием лазерной техники

РОССИЙСКАЯ АКЛДНМИЯ НАУК ИНСТИТУТ МАШИНОВГДШИЯ имени Л Л У1Л1 ОНРЛНОНЛ

Для сл\жеСжо1о полыопания ' )к! к? 92 на прапах рукописи

УДК6Я1 7 0Л')

МИДЬКО михаил Михайлович

разработка мг-тодов и ср1-.дств автоматизированной см )рки

шиюоьмшников с использованием ллзьрноН техники

Специальности 05 02 19 - "Экспсриме1ггалыш механика машин"

05 03 07 - "Оборудование и технология лазерной обработки"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1948 г

Работа выполнена в Илсппуге машиноведения иа. А ' Благоиршюоз РАН

Научный руководитель: академик К О Фролов

Научный консультант ют, доцент Л К. Сыюрчеесклй

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Е.Г. Наханстяи доктор 1схдичес1а!х наук, профессор 10 А Самсае»

Ведущая организация агрегатный завод "НАУКА"

Защита диссертации состоится1998 года в Д/ часои на шссдании Диссср! анионного Соьета Д-003 42 02 при Иисппуте машинивелсшш имени А.А Блатнраиоаа РАН и помещении конференц-зала но адресу ЮДОО, Мосыза, иалыА ХартоньслскШ* пер , 4

С дисссрпщиеП ыоа.ж» оликомтгеа в 6»6лио1еке Института машшюведешш РАН по адресу г Москва, ул Бардина, тел 923-70-44

Автореферат разослан/ л [Х- 1998 года

Ученый секретарь ^

Диссер! ацдошюго Соьсга ил и, доцоп А * О а Дуброшшй

/о С /7

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Промышленное применение лазеров, особенно в шшностроении и точном приборостроении, постоянно расширяется за счет шкальных энергетических и физико-механических свойств оптических антовых генераторов и технологических процессов на их основе.

Успехи лазерной технологии по многих сложных операциях обработки, |рочнения и финишной доводки наиболее ответственных деталей юлопрелелили возможность экспериментальных исследований, а в дальнейшем едренне в практику алгоритма, методов и средств автоматизированной сборки делий и агрегатов.

Предпосылкой этого решения явились многочисленные эксперименты и ггоднки, позволившие оценить возможности лазерного излучения. Сначала в честве обрабатывающего инструмента, а затем как основного компонента оркн во многих ответственных операциях.

В диссертационной работе рассмотрены многочисленные аспекты тменеиия лазерного излучения, сначала как простые частные методики, шводяшие к решению единичных задач: пайка, сварка, резка, прошивка верстин и так далее, а затем как единый процесс лазерной сборки. - Однако соединение известных технологических операций с физическими оцессами, возникающими под действием определенным образом ганизованной лазерной энергии, привели к решению более сложных снериментальных задач механики - к сборке деталей в определенной следователи гости и ритме в одном цикле лазерного взаимодействия, то есть зерный луч превратился в инструмент сборки деталей.

В работе изложены принципы автоматизированной сборки гиюобменникоп с использованием лазерной техники.

Для решения этой проблемы экспериментально и теоретически следованы алгоритмы лазерной, гиг.ролазерной и гидродинамической сборок, а <же эффекты в поверхностных метатлических и неметаллических исталлических пленках и сплавах соединяемых деталей.

Впервые для целей сборки исследован механизм лазерного уродинамнческого обострения в жидких металлических средах и дана оценка шости соединяемых деталей, например, точность закрепления трубок в трубной ске теплообменника.

Особенности лазерной сборки, а именно, быстротечность, гоматизированность, взаимосвязанность операций, потребовало новых подходов мания автоматизированных средств в производственных условиях.

Поэтому в работе ра <работаны производственные модели лазерной сборки и манты оснастки для ее осуществления. Рафаботка осуществлялась "на )егатном заводе "Наука". Получены соответствующие рекомендации.

Актуальность и ценность данных исследований определяют серьезные эблемы, которые возникли у отечественных производителей, в частности, пшнонной и космической техники. .Ресурс американских теплообменников на

иорядок превосходит ресурс однотипных; теплообменников, произведенных нашей стране. Это 50000 против 5000 летных часов по техническому паспорт (реальный эксплуатационный ресурс отечественных теплообменников, ка показала проверка произведенная в одной из наших строевых частей, 150-50 летных часов и лишь 1 из партии простоял 800 летных часов).

Цель работы. Разработка экспериментальных методов и средст автоматизированной сборки теплообменников с использованием лазерной техник для достижения их эксплуатационного ресурса более 50 000 летных часов.

Разработать и исследовать алгоритм лазерной сборки летал е теплообменников. Дать оценку характеристикам лазерною луча как инструмент автоматизированной сборки. Изучить явления образования сборочных соединен»! при лазерном, гидролазерном и гидродинамическом воздействии I поверхностные пленки, кристаллические поверхности и сплавы дегале: Исследовать механизмы сборки при явлениях обострения в крнеталлах жидкостях. Экспериментально исследовать модели латериоп сборки и оснастки ней. Разработать и внедрить в практику лазерные методы сбор» теплообменников на агрегатном заводе "Наука" и дать рекомендации I повышению их ресурса и эксплуатационной надежности.

Методы исследования. В работе использовались компьютерные мет/ микросъемки, когерентной фокусировки, лазерной обработки. Мет; математической физики, методы дифференциального исчисления многофакторного регрессионного анализа Метлы сопряжения; восстановлен и записи процессов взаимодействия при обработке и упрочнении

Научная новизна. Впервые разработан и осуществлен на практике алшри экспериментальной автоматизированной лазерной сборки теплообменников использованием методов и средств лазерной техники, что поншлило получить агрегатном заводе "Наука" изделие конкурентоспособное па шиадном рынке ресурсом более 50000 летных часов.

Для целей лазерной сборки исследованы: лазерный луч как' штегруме автоматизированной сборки; гндролазериые и гидродинамические эффекты жндкометаллическнх и кристаллических пленках, воишкшощне на попермки деталей в местах сборки и обуславливающие использование явления латерш обострения в жидкостях для закрепления деталей и автоматизированный конци за качеством сборки; осуществлена экспериментальная сборка дета; теплообменника н разработка оснастки.

Практическая ценность работы. Разработаны экспериментальные метдт средства автоматизированной сборки теплообменников, алгоритм латерт сборки деталей п узлов с использованием латерных, гпдролатернмх гидродинамических эффектов в сопрягаемых элементах собираемых деталей именно, в жидкокристаллических поверхностных пленках, крнсталлач и сплава: Экспериментально исследовано и использовано для сборки птдролатср; обострение как способ прочного укрепления деталей, созданы мидели

-59

разработана оснастка для лазерной сборки, послужившая основой авторских заявок на патенты и изобретения.

Разработанные методы и средства легли в основу процесса изготовления геплообменных аппаратов, имевших наработку на отказ 50000 летных часов, что позволило сделать их конкурентоспособными на мировом рынке.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены на шучиых семинарах кафедры "МТ-3" МП У им. М.Э.Баумана и ИМАШ РАН, Зсесоюзной конференции "Современные методы и средства уровновешнвания лапши и приборов" (Воронеж, 19S9), Всесоюзной научно-технической (онференини по экспрементальным методам в механике деформированного вердого тела (Калининград 1988), а также . а Рыбинском Моторостроительном :асоде, г. Рыбинск.

Публикации. Основные результаты исследований были опубликованы в 1аботах[]) * [14].

Структура и объём работы. Диссертация, общим объемом 128 (аиншописных страниц, состоит из введения, 5 разделов и выводоп по каждому азделу и заключения. Основной текст изложен на 115 страницах машинописного екста н включает 6 таблиц, 36 рисунков, 6 фотографий. Список литературы одержит 144 наименования, из них 14 на иностранных языках.

Автор выносит на защиту. Экспериментальные лазерные методы и средства «томатизнроианной сборки теплообменников.

Алгоритм лазерной сборки с использованием лазерных, гндролазерных и лдродинамических эффектов, экспериментально исследованных в местах □единения деталей, а именно, в жидкокристаллических и кристаллических ленках и сплавах.

Экспериментальные методы закрепления трубок в трубных досках лшообменников за счет гидролазерного обострения в жидких средах.

Экспериментальный процесс.- лазерной сборки теплообменников с эвьпненнымн эксплуатационными свойствами и ресурсом более 50000 летных

1COB.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность разработки экспериментальных гтодов н средств автоматизированной сборки теплообменников с пользованием лазерной техники, определено место лазерных, гндролазерных и [дродинамических эффектов для повышения надежности и долговечности вбираемых конструкций и экстремальных условиях их эксплуатации и показаны шболее слабые Mecia современного производства, приводящие к своевременным отказам и дефектам. '

Отмечена сущность алгоритма лазерной сборки и сопутствующих ей |фектов для повышения точности и качества сборки и важное месю спериментальных методов и средств, рассмотренных ранее

-6- • о

. Отражена специфика использования теплообменных аппаратов в авиационной и космической отраслях для жизнеобеспечения человека. Роль биомеханического взаимодействия приборов жизнеобеспечения и надежности работы исследуемых в диссертации теплообменников повышенной надежности.

Раздел 1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования.

В разделе дан аналитический обзор современных методов и средств сборки, обработки и упрочнения деталей теплообменников. В силу специфики вопроса и использования ряда материалов в спецшпературе и в закрытых разработках в обзор вошли только некоторые сведения принципиального характера. Однако важность достижения предельно возможной безопасности полетов авиакосмической техники заставляет тщательно0 исследовать концептуальные проблемы биомеханического выживания в экстремальных условиях. Поэтому отмечается тот большой вклад, который внесли русские и советские ученые в решение задач надежности, безопасности и долговечности теплообменник аппаратов. Среди них: академик А.И.Целиков, академик И.И.Артоболевский, профессор Г.И.Ворошш, академик М.В.Келдыш, академик В.В.Болотин, профессор Д.И.Попов, академик К.В.Фролов, академик Я.Б.Зельдович, профессор В.А.Светлицкий. В исследованиях этих ученых рассматривается широкий кру| вопросов расчета теплотехнического характера, развита теория теилопсредач1 через конденсированные и распределенные среды; расчет гидроуиругих систел при усталостной прочностной и прочих иафузках. Отмечается динамически!' характер термических, тепловых, циклических и усталостных характеристик : зоне работы теплообменных узлов и агрегатов.

В развитии теории и методов динамического расчета теплообменнико можно выделить следующие направления:

1) исследование линейной теории теплопередачи, основанной на конечны числах;

2) исследование нелинейной модели взаимодействия с учетом тепловик гидродинамических нелинейностей - с применением методов аналитическо механики и числовых методов;

3) учет результатов экспериментальных исследований.

Аналитический обзор показывает, что в области разработь

теплообменников наиболее распространен экспериментальный, а подчас эмпирический методы. В диссертационной работе рассмотрены лазерный мете сборки, средства повышения надежности, долговечности и качества соврсменнь теплообменников (тип 6582 - кожухотрубный). В связи с этим исследовал«' лазерный 'метод сборки, коагулирования, гидролазерный эффект сборк динамическое дорочмеше через пленки и среды. В разделе проанализирован некоторые свойства сплавов и материалов и обсуждены некоторые важж требования к изготовлению и контролю качества теплообменников. Уснс лазерной сборки заложены в трудах основоположников лазерной теории практики: академика Н.Г.Басова, академика А.М.Прохорова, академика Г. Аскарьянца, профессора В.П.Вейко, профессора М.Н.Либенсона, академн

-7»

[Ш.Рыкалина, профессора А.Л.Микаэляна, профессора М.Л.Тер-Микаэляна, академика А.А.Ущова, академика Б.М.Степанова, профессора М.Ф.Стельмаха, трофессора А.Ф.Тимофеева и др.

В становление и внедрение лазерной техники п машиностроение и в зтечественное приборостроение сыграли существенную роль российские ученые, трофессор А.Г.Григорьянц, академик А.А.Чельный, профессор Г.А.Абильсинтов, фофессор В.М.Андрияхин, кандидат технических наук А.Н.Кокора, профессор <.И.Крыло0 и др.

Большой вклад в эту область сделали зарубежные ученые Таунас, Рэди Дж., >оэми Д., Хербрих X. и др.

Процесс изготовления теплообменны . аппаратов представляет собой ложный сборочный цикл подготовительных, основных и вспомогательных терапий. Наиболее ответственными являются операции и переходы связанные, с вделыванием тенлообменной трубы в трубную доску. Эта многоэтапная по своим войствам операция требует высокой квалификации рабочих и плохо поддается втоматизацнн из-за многочисленности однотипных операций и их сложному електировапию. Качество выполнения этих операции на 85-95% определяет ячество, надежность, долговечность теплообменника в целом. По этой причине а основании многолетнего заводского опыта и научно-статистических сследований основных отказов при эксплуатации тсплообменных аппаратов в внационно-космической технике, сложилось убеждение, что надежность грегатов жизнеобеспечения можно значительно повысить за счет создания ового автоматизированного процесса изготовления теплообменников с овышенными эксплуатационными свойствами и ресурсом более 50000 летных асов (Рис. 1.).

В разделе сформулированы основные цели и задачи экспериментальных етодов исследования, среди которых:

1. Разработка и исследование алгоритма лазерной сборки детален :плообменников.

2. Оценка характеристик лазерного луча как инструмента поматизированной сборки.

3. Изучение явления образования сборочных соединений при лазерном, юролазерном и гидродинамическом воздействии на поверхностные пленки, шсталлические поверхности и сплавы деталей.

4. Исследование механизма сборки при явлениях обострения в кристаллах и

1дк0стях.

5. Экспериментальное исследование модели лазерной сборки и оснастки к

й.

6. Разработка и внедрение в практику : лазерных методов сборки плообменннков на агрегатном заводе "Наука" и подготовка рекомендаций по вышению их ресурса и эксплуатационной надежности,

Раздел 2. Научные методы теоретических и экспериментальных следований.

8-

О

В данном разделе изложены основные методики экспериментальных н теоретических исследований разработки алгоритмов лазерной сборки деталей теплообменников.

Особое внимание при этом уделялось вопросам использования лазерной излучения в сочетании с другими источниками энергии и физическим! эффектами В диссертации основные виды схем и методик сведены в таблицу П (приложение диссертации). В реферате эти схемы выделены на рисунках I содержат краткое описание принципов действия автоматизированного процесса приводящего к решению поставленной задачи (Рис.2).

Установка представляет собой обрабатывающий центр, который содержи сгол I, установленную на нем виброплатформу 2, йашшулятор 3 для закрепленн; трубных досок. Обрабатывающий центр шслючает также трубкорасширитель «1 дл: вальцовки труб, бункер 5; для труб 6, снабженный механизмом для ввода труб прошитые отверстия трубных досок, бункер 7, для заготовок трубных досок И снабженный механизмом для подачи их в зону обработки. Установка включас также лазер 9, пульт управления 10 и дисплеи 11 (комплекс для наблюдения з процессом сварки).

Установка работает следующим образом, шлю чаете я пулы управления Н набирается программа изготовления заданного тинорагмера теплообменник; Манипулятор 3, стопорит сложенные вместе заготовки трубных досок 8 толтшю 2-6 мм; включается лазер 9, который прошивает отиереше в сборке из тр>бны досок; после прошивки отверстия из бункера 5 поступает фубка <), кошрая помощью механизма «вода (на чертеже не покатан) вставляйся и нрошнн: отверстие сквозь две зрубные доски; трубкорасширитель 4 развальцовывав трубку 6 в верхней трубной доске 8, после этого включаося лазер 9, ошнт которого изменяет ширину кольца и производи I кольцевую заделку трубки верхнюю трубную доску. Процесс сборки наблюдается на экране дисплея 1 замеченные дефекты, пепроиары и включения устраняемся нспосредстснно процессе сварки. Цикл повторчется, пока нее трубки, согласно программе, I будут вставлены, развальцованы и прочно закреплены и первой трубной доек Затем шслючается виброшштформи 2 и вторая трубная доска 8 нередвинею! 1 противоположный конец труб. Виброцлатформа отключайся, манннуляюр переворачивает и устанавливает противоположный конец второй трубной доски трубкорасширитель 4 производит вальцовку труб 6, н лазер 9 закрепли развальцопанные трубки второй трубной доски. По окончании сборки вп>р1 трубной доски, манипулятор устанавливает боковые пилоны (на мерIеже показаны), которые крепят гидролазерным ударом трубные доски

Для выработки новой концепции и алгоритма автоматической сбор теплообменников были проведены теоретические и эксиернмсшалыи исследования тонкой настройки и (¡юкусировки лагерного излучения пограничных и критических зонах обработки, особенности вганмодейсм! лазерного излучения с кристаллической решеткой, тонною проект пропан ошнческих систем, применяемых для обработки, а также физических явлеш

«

«водящих к упрочнению соединительных элементов и стыков. Для описания зической сушу ости явлений применялся математический аппарат огофакторного регрессионного анализа и обработки полученных результатов на М. Данная методика направлена на решение задач, поставленных в первом деле. Конструктивно исследуемые элементы теплообменника и способы его эаботкп сведены в табл.Ш. Для успешного решения задачи сборки трубок с бнон доской теплообменника была разработана специально для этой ■рации фокусирующая система, способная работать с различными лазерными учатслями, например, с установкой "Квант-18". Суть её состоит п том, что эта ическая система выполнена в виде конической линзы. Соосно с лазером и иконом дополнительно размещены фокус рующее устройство и афокальная адка (Рис. 3.).

Наличие фокусирующего устройства позволяет полностью преобразовать ргию луча, генерируемую лазером, в энергию пучка излучения кольцевой •мы. Потери энергии на преобразование в этом случае практически еделяются лишь отражениями на граничных поверхностях оптических центов с просветляющими диэлектрическими покрытиями.

Средний диаметр светового кольца в фокальной плоскости фокусирующего гайства, в пределах которого концентрируется 98% энергии лазерного 'чения, определяется соотношением:

1), при ц/ «1, Ы26 (я-1)^

/ - расстояние между центрами пятен; Г - фокусное расстояние; 8 - преломляющий угол бипризмы; п - показатель преломления;

Ч1- угол между пучками.

Значение О^ - среднего диаметра светового кольца.

Размещение в установке соосно с лазером, аксиконом и фокусирующим шетвом афокальной насадки к лазеру делает возможным оперативное и 1е управление шириной кольца в фокальной плоскости фокусирующего 1Йства.

Методы исследования особенностей лазерного луча как инструмента (атизированной сборки теплообменника основаны на способах перемещения тьного пятна на элементах собираемых деталей в пределах заданного «а.

На Рис.4 представлена модель преобразования информации лазерного ения в частотно-временной код, который описывается выражениями, вающими два пространства Ьа(К_а) и 1п(Кд), где Ьц(Кп) - пространство, где

-10-

о

преобразуется когерентная энергия на исследуемом объекте; 1-л(К.О пространство активного лазерного излучения (лазерное устройство).

В случае использования в эксперименте лазерного измерительного устройства Ьп(Кц) представляет собой фокальное пространство, ограниченное размерами Лр, где Р - фокусное расстояние оптической системы; ^ -приращение фокуса при динамических исследованиях объекта.

Активное Ьа и пассивное 1.ц пространства связаны квантовыми соотношениями, Рис. 9а.

К

п

1+

\Уг

Ра

ехр

,3

оо ехр^-Л^с/Л

(I)

(2)

л V I

где £ —-0 \\п 2 - коэффициент частоты связи и усиления в канале; И7,. ■

Ау

о

параметры энергии накачки системы; Я- длина волны излучения когерентлогс источника; - фазовые коэффициенты связи по энергетическому канал)

накачки;

2«Лп2

А.--. К^2

-'и

Для целен сборки важнейшим параметром являются геометрические характеристики лазерного луча, Рнс.5,6.

Геометрические характеристики лазерного луча, такие как угловая расходимость 0 н общая площадь его поперечного сечения определяют

геометрические размеры измерительной системы, а также минимальный размер исследуемого объекта и могут меняться в зависимости от параметров активной ветви , а также от наличия дополнительных оптических устройств, применяемых при сборке. В общем случае можно записать:

о Л •> к мл' /г и-"

где Я - длина волны излучения активной ветви; ¡1\,Кг радиусы кривизны зеркал, образующих активную ветвь оптического резонатора; с1„ - начальный диаметр лазерного луча; ф^ф^.ф углы разъюстировки зеркал активной ветви.

»

Площадь поперечного сечения лазерного луча, определяется длиной ассивной ветви оптического резонатора , начальным диаметром луча с1„ , а акже его угловой расходиместыо 9.

Для активной зоны сборки + лГ физика процесса взаимодействия оясняется схемами (Рис. 3, 4) и описывается обобщёнными математическими ыражениями:

й

+Л4(1 +Г"Щ1гп+ д.(1+гвь(рп)1п +

+4(1++4,(1+г^« +

+ А]0( 1 + +4,(1+ГЯ1 +

о

+ Л12(1 + Г5'20Ъ) }|5> (5)

где 0тп - текущее значение расходимости луча; Л - длина волны

)герентного источника; ^ - эффективное значение поперечного сечения луча;

£ - параметр пассивной зоны; - параметр активной зоны; <р - фазовое

учение; А\ +А\2 и коэффициенты, характеризующие когерентное

гастранство , сведены в таблицу 2П.

Физический смысл модели заключается в том, что под воздействием |герентных параметров: ; Я; .5^; ; ; (р^ в исследуемом

¡теме ±лг возникают волны взаимодействия, характеризуемые длиной, стотой и точкой поляризации, которым придаётся номер и число Л'12,1.'

Взаимодействуя в ячейке (атом, молекула, кристалл), возникают )довые колебания, связанные с исследуемым процессом. *

Энергетические соотношения получаем для плотности энергии в юстранстве + л/*" в соответствии со схемами Рис. 3,4.

■ тп' •> 4 Т Т А /7' тп'

-12- 0

Экспериментальные зависимости энергетических характеристик (Рис. 7, лазерного излучения в выбираемой системе л/^ => IV£ => бы

использованы для составления обобщённых математических выражений на Э1! с учётом многообразия значений ( ш; п). Значения коэффициентов Лий таблице 2П. (приложение к диссертации). Плотность энергии при лазерн , сборке определяется из обобщённых выражений:

"" 5» , ^ - 2у ¡с V 1Л

К'

+ А21(1-Гв) ]АГ111п+ Л22{\-Г"^ )Р£ :

где IV£ , Р£ - параметры когерентного излучения; - — \ - коэффициенты излучения.

Экспериментальные исследования высокоскоростного ударно! взаимодействия при сборке деталей теплообменника наталкивается 1 трудности, связанные с переводом части материала в жидкую перегретую фаз При этом механические связи перегретой части материала с остальной массс значительно ослабевают. Ударные волны способствуют упрочнению формированию внутренней части выемки. На Рис. 9, показан мехапи; лазерной сборки и физические процессы, протекающие и поверхности; зкидкометаллнческой плёнке в местах стыков в зависимости от соотношений и изменений энергии в объёме При этом мехашп

изменений стцг, и энергии возрастает от ^ к (к = 2,0 не. (Рис. 9, б,в,г).

При увеличении П\, возрастает градиент температуры изотерм

плавления и кипения материала детали, вследствие чего увеличивается толщж слоя перегретого жидкого материала. Поэтому при сборке деталей наблюдаен интенсивное изменение геометрических 1 ¡арамстрог, деталей, находящихся сопряжении друг с другом. На Рис. ¡0. показан процесс изменения параметр*

сборки /, О?, О ^ трубок при закреплении их в трубной доске в зависимости от

толщины жидкомёталлических плёнок и распределения её при сборке в зависимости от физических ироцессов 1о - 1к.

Интенсивность процесса сборки также зависит от зазоров возникающих между трубкой и трубной доской. Как следует из графиков, Рис. 11,

геометрические параметры I, , и ^тах имеют нелинейный характер,

что должно учитываться на практике.

В данном разделе диссертации приводятся схемы лазерной аппаратуры, обеспечивающей заданную точность измерений при лазерной сборке.

Большим преимуществом предлагаем ж методики расчёта точности является установление коэффициентов соответствия между тарированными рисками, наносимыми на предметное зеркало детали, расположенное в системе трубка - трубная доска , и тарированным электрическим видеосигнал*,^ на экране экспериментальной аппаратуры (Рнс. 21). Для обеспечения этого ;оответствия использовались специальные шторки, положение, размер и ;войства которых подбирались в соответствии с длиной волны X и значением

С учётом характера риски (прямоугольная, круглая, призматическая и т д) /«танавливалась функциональная зависимость

Как показали расчёты, относительная чувствительность метода измерения вставила

лП =5-10-^ < мв

г*

Механизм взаимодействия лазерного луча с жидкокристаллическими шёнками на деталях во многом обусловлен теплофизическими и оптическими ;войствами материала, температурой плавления, теплопроводностью, еплоёмкостыо, показателем преломления, показателем поглощения.

В зависимости от этих параметров имеет место различная интенсивность »сковных фаз протекающего процесса.

Раздел 3. Физические основы автоматизированной лазерной сборки.

В данном разделе рассматриваются физические основы лазерной сборки. Три исследовании взаимодействия лазерного излучения с исходным 1атериалом, были использованы такие свойства металлов как поверхностное 1атяжение, создание высокоскоростных процессов во вспомогательных плёнках I покрытиях, теория фокусировки, фотонно - фононные взаимодействия и .д. Исследования, изложенные в этом разделе направлены на обоснование задач, юставленных в первом-и втором разделах и включают в себя:

-14-

О

- выбор и описание экспериментальной лазерной техники; особенносп гидролазерных взаимодействий при сборке деталей; - исследование ударны: явлений с обострением при фокусировке в глубь материала теплообменника; физического представления об визуализации контроля динамических процессо с одновременной оценкой точности.

В качестве объектов исследования были выбраны схемы соединений трубо в теплообменной доске (Рис. 1) и методологическая схема удобная дл теоретического описания явления фотонно - фононных взаимодействий пр воздействии лазерного излучения. Описанные схемы дают возможност исследовать процесс кольцевой сварки трубки, а также эффект фононног "всасывания" в глубину кристаллической решётки обрабатываемого металла.

Физический механизм образования соединений деталей основан и возникновении процесс обострения параметров в зоне соединения двух детапеГ трубки и кожуха; трубки и трубной доски. При этом после окончанн квазистатической фазы в окрестности воздействия лазерного луча с деталы наступает некое начальное распределение температуры, предыстория которог определяет дальнейший ход развития уже динамической фазы. Математическ эти явления изучаются теорией нелинейных эволюционных уравнений. Последни годы исследования неограниченных решений ( так называемых режимов обострением , т.е. режимов, где за конечный промежуток времени некоторы параметры 7^. достигают бесконечную величину, например; плотность ил

давление).

В данном разделе диссертации описывается физический механизм процесса взаимодействия излучения с деталями в различных средах. Особое внимание уделяется вопросам взаимодействия лазерного излучения с деталями в жидкости или при условии образования жидкометаллнческнх плёнок в местах стыков трубок и трубных досок. При этом возникают различные физические эффекты такие как гидролазерное обострение с образованием различных диссипативиых структур, даётся анализ основных факторов, влияющих па ударные волны, распределение материала и развитие диссипативиых структур в зоне сборки.

На Рис. 12. представлена схема экспериментальной установки для проведения исследований по гидролазерной сборке деталей с эффектом обострения.

В исследуемой жидкости помещается деталь (Д), на поверхность которой через С01С-1 подаётся лазерное излучение. Положение фокального пятна ¡' регулируется в пределах ± Др , что обеспечивает рассмотрение задач воздействия на деталь при режимах лР <0- луч над поверхностью;0

- на поверхности; аР >0 - фокальное пятно внутри детали.

На Рис. 13. представлены схемы расположения фокального пятна для получения эффекта обострения при гидролазерной сборке.

Механизм взаимодействия лазерного луча с деталью в случае если лР <1

эиводнт к гидродинамическому удару над её поверхностью. При этом в зоне ыка не возникает повышения Т^ и Тат до заданных параметров. В этом

1учае сборка, как правило, не происходит.

При условии aF~ О описывается уравнениями термодинамического шновесия:

dt dt dt' ;e dlVg jd t • скорость подвода световой энергии излучения к детали,

ггорая определяется фокальным пятном dQ/dt - скорость поглощения ергии, расходуемой на нагревание вещества от начальной температуры до иовых превращений; dQjJ dt - скорость теплоотдачи излучением.

При условии, что вся энергия поглощается на поверхности детали или в стыке, энергия Pq — Const, то решение имеет вид:

T(x,t) = 2PZXo/k ierfc^Xyjccl¡2^-

at

-( PQ rjx* ё~К1х° )/К+\Р0т1х1/2КуЪ *°х

х er/c^falIZq-x ^[al/2j+

at x

:сь ег/с и ¡ег/с обозначают интеграл ошибок Гаусса.

При смещении Р фокусирующей линзы в толщину детали Ар>0 ачале, как и прил/^= 0возникает квазистатическая фаза, длительность горой возрастает, как показывают эксперименты, в зависимости от величины ещения фокуса.

На рис.14 приведены эпюры интенсивности развития процессов тмодействия от величины смещения Лр> 0.

Нарастание интенсивности процесса оценивается уравнениями для высоки* сазагеле Ти малых временных значений Т,Хп,Т :

-16-

о

Г(х0,() = Ь ечх°г (1-2 / 2 = = К0 е^Н (1-2 77^ / V*)/ (2 (9)

Как показали экспериментальные исследования на физические процессы, протекающие во время с в его г и дра в л н ч е ско ш эффекта помимо выше рассмотренных факторов, оказывают влияние: 1. толщина слоя жидкости на пути следования луча к детали; 2. теплофизические параметры жидкости.

Толщина слоя жидкости на пути следования луча к детали во многом определяет величину рассеяния и поглощения сиетовон энергии. Поэтому чем больше слой жидкости, отделяющей поверхность детали, тем значительнее энергетические потери. На рис.15 приведена зависимость, характеризующая изменение геометрических параметров лунки (с! и / на рис. 16 от толщины слоя воды - А. Как следует из данной зависимости, с увеличением значения А резко уменьшается глубина лунки несколько увеличивается диаметр. Так, например, при изменении толщины слоя жидкости от 0 до 25 мм глубина лунки уменьшается в 5 раз при увеличении диаметра 1,5 раза.

На геометрические параметры лунки (с! и /), которые играют важную роль при образовании ударных волн, оказывает влияние и положение фокуса лЬ .

Зависимость изменения диаметра и глубины лупки от указанного фактора приведено на рис.16, из которого видно, что наибольшая глубина соответствует положению фокуса при некотором его смещении в толщину материала, но близко к его поверхности. При отклонении положения фокуса в ту или другую сторону глубина лунки значительно уменьшается, причем более интенсивно это происходит при положении фокуса над деталью. Изменение диаметра в этом случае осуществляется по линейному закону. Диаметр лунки возрастает по мере смещения фокуса в толщину материала и уменьшается при смещении положения фокуса над деталью.

От соотношения геометрических параметров лунки, энергетических характеристик лазерного излучения, теплофизических свойств материала детали н жидкости зависит вид образовавшейся в результате взаимодействия лазерного излучения с деталью диссипативнон структуры, от чего, в свою очередь, зависят условия для ^образования, роста и схлопывания паровых пузырьков, что и приводит к возникновению ударной волны.

На Рис.17, представлены диаграммы процесса сборки деталей с обострением в жидкости. Отчётливо виден эффект обострения в кадре (д).

Тепловые структуры в случае действия в среде только когерентных источников тепла нестационарны, активно развиваются в режим с обострением

:уществуют лишь короткое время.

Энергетические соотношения воздействия описываются следующими вненкями:

н П£ отнесены к единице площади детали).

Энергия ударной волны приближённо определяется по формуле:

1 00 -

Р о со°

Еув = ~~ТГ1роЛ О»)

1 «

#=— \Nizdx Л (12)

х 2 а -а

Если пренебречь упругими деформациями и упрочнением материала,

о л учим:

У /ч

= —«ТуЛ (13)

Деформация растяжения детали:

(14)

- ох) Прогиб детали:

ЦГ£ = \¥тсоъ{пх12а) (15)

Раздел 4. Разработка экспериментальной оснастки и подбор режимов рной сборки. "

Излагается программа испытаний собранных образцов теплообменников, которой была разработана оснастка, а также сделаны образцы для подборки шов лазерной сборки. Основное требование при лазерной сборке - получение аточного объёма жидкого металла и обеспечение физических условий ределення, рассмотренных в разделе 3. Данное требование выполняется за выбора пары одинаковых материалов с близкими теплофизическими ствамн и выбора оптимальной геометрии соединения и качества подготовки рхности - данное требование осуществляется на стадии проектирования лия совместно с конструктором, технологом и разработчиком. Это позволяет и такое решение, которое отвечает как конструкторским, так н □логическим требованиям и в конечном итоге облегчает освоение изделия.

Однако малые размеры зоны сборки налагают определённые ограничения .(бор типа соединения. Величины зазоров соединяемых деталей - 0,01 - I мм., - 0,03 мм., 0,08 - мм. в зависимости от энергии. Увеличение зазора, выше еденных допусков, качественного соединения не даст, так "ак в жидком

- 18-

О

металле не возникнет гидролазерного обострения по схеме которая бы. рассмотрена в разделах 2,3. Приведенные выше величины зазоров охватываь поля допусков большинства посадок 2-3 классов точности для размеров 50 - < мм., используемых в малом элеетро- и приборостроении. Модель сборки показа! на рис. 18.

При использовании лазерной технологии закрепления труб в трубной доен фокусирование излучения осуществляется непосредственно в место стыка.

Распределение мощности излучения по пятну нагрева и форма соединен! обусловливают резкую неравномерность нагрева поверхностей. Кроме того, п] наличии зазора площадь плавления в стыкуемых деталях может уменьшиться в 3 раза, т.е. доля металла будет различной у каждой'детали. Ситуация усугубляет тем, что при соединении кольцевых швов появляются радиальные или поперечш напряжения. Они увеличивают склонность металла к образованию горяч! трещин вдоль оси соединения. Поэтому при разработке новых технологий 61 создан имитатор. Он моделировал соединение труб с трубными досками в со теплообменника. Образец имитатора представляет собой трубку длиной 35 м» диаметром 6 мм., толщиной стенок 0,5 мм., сделанную из материала ХН-60ВТ. 1 концы трубок насаживались шайбы, диаметром 15 мм., толщиной 10 мм., из то же материала (вид спереди (Рис. 18.а.) и 3/4 сбоку (Рис. 18.6.). Имитат вваривался в специально разработанную оснастку из того же материала (Рис. .19 в собранном виде он показан на Рис. 19.а,б.

Качество соединения оценивалось вначале по наличию макродефектов зоне соединения и основе и по различию микротвердости в материале; дальнейшем - испытанием механической прочности неразъёмного соединет Поэтому, в работе использована система методов, которая включала: а) серийш эксперимент по подбору режима лазерной сборки на установке "Квант-15"; макроанализ шлифов на оптическом инструментальном микроскопе МБС-1; определение ыикротвердости шва и основы на микротвёрдомере ПМТ-3, экспериментальное выявление микродефектов соединений - испытан соединения на разрыв на разрывной машине Р-1, испытание соединения прочность и герметичность импульсным избыточным давлением; д) мнкроанал шлифов на рентгеновском микроанализаторе МАР-1; е) качественш спектральный аналнз шлифов.

Такой подход позволил подобрать режим бездефектной лазерной сборь • оценить влияние лазерного излучения на прочность материма в соединении, также эффекты упрочнения, выявить и изучить возможные макро-' микродефе'кты в соединении, а также оценить причины и условия возникновения о Сборка осуществлялась за один импульс излучения распределялась кольцом за счет поверхностного натяжения. Отработка шовно режима сборки происходила на образцах из материала ХН-60ВТ.

Коэффициент перекрытия точек соединения (параметр К ) выбирал экспериментально, исходя оптимального соотношения скорости сбор (параметр В) и глубины шва (параметр Ь) при различной мощности лазерно

-199

тучения (параметры и лР^Х Рис. 10,11. Режим сборки подбирался так,

)бы энерговклад в материал "ХН-бОВТ" оказался в пределах, достаточных для ¡ественного соединения деталей, а сам материал сохранил после воздействия ¡ерного излучеиня все исходные свойства. То есть так, чтобы в материале ¡утствовали поводки и зона термического влияния, в которой имеются макро- и кродефекты. Макродефекты выявлялись в основном материале н околошовной 1е, а также в самом соединении, Рис. 20а,б.

Результаты подборки режимов были сведены в таблицу. Заводская заратура для лазерной сварки представлена в разделе 5.

Раздел 5. Разработка перспективных методов сборки и рекомендации по их ;дреншо на заводе "Наука".

На основе полученных экспериментальных и теоретических результатов, пи разработаны и внедрены в практику ряд технологических устройств и шессов. В них использовались основные эффекты воздействия лазерного (учения на материалы. Проблемы производства и эксплуатация трубчатых тообменников кратко рассматривались выше.

Для реализации идеи сборки трубчатых теплообменников была разработана )еализована на заводе "Наука" технологическая структурная схема лазерной >рки, которая включала в себя заводское экспериментальное оборудование сти наименований. Важнейшими из них являлись:

- лазерное заготовительное оборудование;

- лазерное контрольное оборудование, частично представленное на рис.21, ючающее в себя лазерный микроскоп и автоматическое видеоконтролыюе

устройство, соединенное с заводским компьютером;

- экспериментальная лазерная установка для автоматизированной сборки бок, рис.22, (существо устройства раскрыто в разделе 2, а также на рис.25, г);

- заводская установка для запрессовки пакетов трубок в доску с эффектом ролазерного обострения, рис.23, (пояснения в разделе 3 и на рис. 25 б,в,д);

- заводская экспериментальная установка для развальцовки пакета трубок в бной доске с эффектом гидродинамического обострения, рис.24.

(пояснения в разделе 3, а также на рис.25 в).

Существо технологических операций, происходящих при эматизированной лазерной сборке раскрывается обобщенными схемами, дставленными на рис.25.

На рис.25 а представлена схема технологической сборки труб в трубной ке при помощи жидкометаллической поверхностной пленки, создаваемой на не трубки и за счет лазерного воздействия. Существо процесса заключается,» зующем. Припой из легкоплавкого материала наносится на торцы труб товой луч воздействует на него, и в зоне воздействия образуется плазменное ако, физика процесса рассмотрена в разделе 2. Оно формирует электрический )яд, который. создает электромагнитное поле. Устройство содержит

-20-

О

накопитель энергии (1), положительный полюс которого присоединён к труб) доске (2), а отрицательный - к диафрагме (3). Трубу (4) устанавливают в трубг доске (2), а торец трубки (4) заглушают плёнкой (5) из легкоплавкого материг Через фокусирующую систему (6) световой луч от квантового генератора направляют на плёнку (5). Накопитель энергии (1) заряжают с помош выпрямителя (8). Устройство работает следующим образом. Луч лазера фокусируется оптической системой (6) на торец трубы (4), где нанесена пленка легкоплавкого материала (5). В момент излучения она разогревается до 1000° < плавится. Возникающее облако паров распространяется навстречу лу ионизируется в промежутке между трубной доской (2) и диафрагмой (3] замыкает электрическую цепь накопителя энергий (1). При разрядке возник волна, которая воздействует на плёнку (5) в месте соединения и формир; плотное паянное соединение.

На Рис. 25г. показана технологическая схема крепления труб посредсть воздействия лазерного излучения в газовой среде замкнутого пространства.

Специальная оснастка заглушает место соединения трубки с трубг доской, образуя замкнутую полость. Лазерный луч ионизирует газовую средз создаёт о ней электромагнитное поле. При этом образуется ударная волна, кото[ распространяется в направлении, перпендикулярном оси трубы. Она обеспечив; сборку трубки с трубной доской оплавленного тепловым потоком. Устройсп содержит закрепляемую трубу (1), установленную в отверстие трубной доски ( С обратной стороны в это отверстие вставлен фиксатор (3) электроизоляционного материала. На нем закреплен узел фокусирующей систе: (4). К узлу фокусирующей системы при помощи крышки (5) прижимае-: фокусирующая линза (6), обеспечивая при этом герметизацию отверстия стороны излучения. Оптический квантовый генератор (7) установлен напрот трубной доски (2). Блок разрядного устройства (8) подключен параллельно конденсаторной батарее (9). Электроды разрядного устройства (8) подключень трубной доске (2) и к узлу фокусирующей системы (4). Излучение лазернс генератора(7) фокусируется в полости, которая образована торцом трубки (1) фокусирующей системой. Стенки .трубки оплавляются излучением по торцам, расплаве возникает ударная волна, которая достигает поверхности обо элеетродов разрядного устройства (8) через 0,3 - 0,5 мсек.

На Рис. 25в. представлена технологическая схема крепления тр впрессовыванием посредством гидролазерного ударного эффекта, создаваемс лазерным излучением в консистентной среде с эффектом обостреиия( см. разде. 2,3.).. '

Трубная «тоска (1) с трубами (2) собирается в блок, который погружают ванну (3) с консистентным материалом (6) (например, машинным маслом). П этом трубная доска остается над его поверхностью. Трубки заглубляют до унов» когда жидкость заполняет их по всей длине под действием сил поверхностно натяжения. Затем устанавливают линзу (4), через которую лазерный луч | направляется в каждую трубу. В жидкости (б), находящейся в трубке, развивают

»

эд воздействием излучения большие перепады температуры и давления. Под гйствием этих факторов возникает гидроудар. Трубка плотно впрессовывается в зубную доску, создавая прочное и герметичное соединение.

На Рис.256, представлена технологическая схема крепления труб цновременным впрессовыванием и сваркой - путем комбинированного »действия электромагнитного поля и кольцевого лазерного излучения.

Установка содержит источник излучения (лазер) (1), аксикон (2), знцептратор (6) с укрепленным на нём электромагнитным индуктором (7), )убную доску (8) с трубой (9). Аксикон выполнен в виде диска. Он имеет моральный конус (3), расположенный вдоль оси, и борта (4) с конусной же 1бочен поверхностью (5), снабженной зеркальным напылением. Луч лазера эпадает на центральный конус (3) и рабочую поверхность (5) бортов (4) и эиобретает кольцевую форму по размеру торца трубы (9). Одновременно с_зтим, шхронно возбуждается электромагнитное поле в индукторе (7) и концентраторе 0. Воздействие на трубу светового луча кольцевой формы обеспечивает юплавление припоя, а электромагнитное поле впрессовывает трубу в трубную 1ску. Воздействие этих двух (¡»акторов обеспечивает прочное и герметичное >еднпенне труб с трубными досками.

Не менее ответственная операция - изготовление трубных досок :плообменника. Процесс осуществляется с помощью экспериментальной водской установки.

Устройство (Рис.25д) состоит из блока питания (1), оптического квантового нератора (2), линзы (3) и источника электромагнитной энергии. Источник [ектромагнитной энергии содержит магнит (4) (выполнен в виде кольца), катод ) (выполнен в виде обечайки, концентрично размещённой внутри магнита, по рая подключена к блоку питания) и анод (6) (выполнен в виде шиндрической втулки, соосно размещенной внутри обечайки, втулка имеет [утреннее оребрение). С помощью описанного устройства выполняют отверстия трубной доске (7). При включении блока питания (1) включается лазер (2). 5лучение через линзу (3) попадает на трубную доску (7) и прошивает в ней верстие. Одновременно с блока (1) подается высоковольтное напряжение на тод (5). Возникающее высокочастотное магнитное поле устраняет в замкнутой шости ионизированные частицы, обеспечивая чистоту оптики. Это повышает хнологичность и точность изготовления трубной доски. После изготовления убной доски, крепёж (б) демонтируется, и из вакуумной камеры извлекается готовленная трубная доска (7).

Как показали эксперименты, изделия, выпущенные по новой технологии, рантируют надежность систем жизнеобеспечения. Оценка лазерной технологии >жет быть дана с нескольких позиций: инженерно-техническо'й, оизводственной и экономической.

о

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны экспериментальные методы и средства автоматизирований! сборки теплообменников с использованием лазерной техники с целью создания : внедрения в производство новой технологии сборки отечественных специальны агрегатов жизнеобеспечения авиакосмической техники с эксплуатационньи {десурсом более 50 ООО летных часов.

2. Для достижения этого исследованы и частично внедрены на агрегатно! заводе "Наука" следующие методы и средства:

- На основе анализа новых методов автоматизированной сборки разработа и исследован алгоритм автоматизированной сборки деталей тегшообменнико! который существенно повысил качество, надежность и ресурс собираемы деталей и соединения из них.

- Создана оснастка для заводской экспериментальной лазерной сборки использованием лазерных, электролазерных, гидролазерных и гидродинамически эффектов, повысивших точность и производительность сборки в 2,4 раза.

3. Наряду с методическими оценками характеристик лазерного луча Ki инструмента автоматизированной сборки даны экспериментальные теоретические исследования процессов, возникающих в стыках при соединеш трубы с трубион доской. Исследованы физические особенности создан» сборочных соединений в жидкометаллических поверхностных жидкокристалических пленках при воздействии одновременно температурны временных и энергетических факторов.

4. Особое значение в работе придавалось специальным исследования механизма гидролазерного обострения в жидкостях, гак как это повышш эффективность сборки и запрессовки в 3 - 5 раз. Явление обострения оказало! зависимым от тонкого оптомеханического эффекта, развивавшегося в объе» фокального пятна. Управление физическими процессами в этом объеме привод! к высокой эффективности лазерной сборки. Разработана заводская оснастка л автоматизированной лазерной сборки. Рекомендации, полученные в результа анализа этих исследовании по повышению ресурса теплобменников, внедрены практику завода "Наука".

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1. К.В. Пачкория, Е.В. Промыслов, А.К. Скворчевский, М.М. Миль Исследование комбинированного лазерного воздействия на материалы.г "Авиационная Промышленность", № 12, 1979.

2. Ф.К. Юосырев, М.М. Милько, С.Ф. Морящев, A.A. Украдиженко.Закал штамповой стали лучом непрерывного лазера // Новые технологические процес и надёжность Г Т Д, № 1 (13), 1978.

3. М.М. Милько. Лазерная обработка. // Новые технологические процессь опытном агрегатостроеиии. Агрегатный завод "НАУКА", 1981.

4. Е.П. Власенко, М.М. Милько ¿Лазерная технология, часть 1, часть 2, часть //Агрегатный заяод "НАУКА", 1982.

5. М.М. Мнлько, Э.Н. Пономарёв, Е.В. Промыслов, В.И. Аиилов, А.К. сворчевский > Способ крепления труб в трубных досках теплообменных паратов. //а.с. № 382912.

6. Я.В. Кравцов, М.М. Мнлько, Э.Н. Пономарёв, Е.В. Промыслов, А.К. сворчевский, В.И. Аннлов. Установка для закрепления теплообменных труб в убной доске. // а.с. № 392318.

7. Я.В. Кравцов, М.М. Милько, Э.Н. Пономарёв, Е.В. Промыслов, А.К. шорчсвский, В.И. Анилов. Способ крепления труб в трубной решётке // а.с. № 17181.

8. Е.В. Промыслов А.К. Скворчевский, Э.Н. Пономарёв, М.М. Милько, В.А. 13нн, А.В. Шишкин. Способ крепления труб в трубной доске теплообменного парата, //а.с. № 515377.

9. Е.В. Промыслов, А.К. Скворчевский, Э.Н.Пономарёв, М.М. Милько, В.А. дин. Способ крепления труб в трубной доске теплообменного аппарата. // а.с. № 8296.

10. Е.В. Промыслов, А.К. Скворчевский, К.В. Пачкория, В.А. Газин, М.М. нлько .Устройство для изготовления трубной доски теплообменника. // а.с. № 6187.

11. В.А. Газин, М.М. Мнлько, Е.В. Промыслов, А.К. Скворчевский. Способ гирования теплообменника и устройство для его осуществления. // а.с. № 6810.

12. Е.В. Промыслов, А.К. Скворчевский, В.А. Газин, М.М. Милько. Способ истки теплообменника от загрязнений. // а.с. № 1060260.

13. М.М. Милько. Способ закрепления труб в трубных досках плообменного аппарата (его варианты). // а.с. № 1095776.

14. М.М. Милько. Споооб изготовления стальной трубчатки плообменника // патент № 2000912.

вход-1

выход-.

Рис. 1.1. Кожухотрубный теплообменник - 6582

4

5

Е

I \_2_ Рис. 1.2. Сот теплообменника.

1 - трубная доска

2 - перегородка

3 - трубка

. Стол с программным управлением !. Лазе; е аксиконом I. Комплекс "С К С - 3" I. Бункер с трубками, в котором

имеется механизм вЕоца >, Оункеу с заготовками трубных досок и перегородок

Рис. 2. Алгоритм лазерной сборки

7. Верхняя трубная доска в. Нижняя трубная цоска 9. Трубки ГО. Робот

11. Манипулятор

12. Виброплатфорыа

6, Пульт г/Г1рл£/1

гь

Рис. 2. Лазерное фокусирующее устройство: I- лазер; 2- коллиматор; 3- корректор; 4- коническая афокальная линза; 5- деталь; б- трубка; 7- припой; 8,9,10- оптика; II- легкоплавкая пленка с поверхностным натяжением.

СЮ

о

Рис. 4, Оптическая схема лазерной сборки: и/Н^А I - активная часть ЬШч ~ пассивная часть схемы; . // /0 .л Г- геометриче кие и энергетические параметры.

Рис. 5. Изменение плсщаци воздействия лазерного луча в зоне

сборки в зависимости от фокального пятна др , структуры луча и ¿а - активной Еетви.

В 0,25 0,5 0,75 1,0 0 0,15 0,5 0,75 1,0

Рис. с. Зависимость изменения площаци сборки при изменении параметров ¿д и лазерного инструмента.

М'ЮтА 1н*15лА 1и'20т/)

¿и :5т/} ш:Ъ5т/\

в с,$ 1,о 1,5 20 ¿¡5 %\>гл. мм"

7 О

Рис. 7. Изменение суммарной модности излучения лазера при сборке в зависимости от ¿д .

Р" мВт

70

Рис. 8. Изменение суммарной мощности излучения лазера в зависимое! от положения аксикона относительно собираемой детали.

л

1

ч

^Онс

Фа

Х/^КМ 50 „О

0,5 нс

Н 2 <

О

Р/м

Рис. 9, ...ехаиизм лазерной сборки в поверхностной плэнке собираемых 1еталей а зависимости от соотношения в и Цп . ■л) схема расположения ; 0) начальные условия;

.0 £ =•■ 1,5 но; г)

0,1 к

Рис. .0. Изменение геометрических параметров лазерной сборки

п> в зависимости от ¿'¿.и толщины поверхностной плэнки £ ,

г 12; ¿г

У//

/ /

ТА 77,

У/

г

и

Рис. 13. Положение фокального пятнадр для получения эффекта обострения при гидролазерной сборке

ъч

Ри:. 14. К расчёту лазерной сборки с обострением

Рис. 15. Зависимость параметров сборки трубок (к и ¿- от толщины слоя расплава.

Л

1 1 / \ 0,» • <

/ / 0.1

£

^ ^ о 2 4 -/-Л^ж

'ис. Ь. Зависимость параметров сборки^/ и & от смещения фокального пятна ^рслучай обострения.

а

в

д

с 7,

•Щ * )

- -К' »6

-X Г '

> V- *

I.. ,«5*, - - Л ■ /

г ^ЗИг* ; с - * ^ - - »-у

' V. -ьл , Л Л * л V

... £ " "

Рис. 17. Процесс сборки деталей с лазерным обострением: до обострения (а,б,в,г), во время (д) и после обострения (е).

Зf

* ьмитатор цля моделирования технологических процессов

лазерной сборки: а) имитатор из материала ХН-бОВТ: б) имитатор из материала Х16НЮХ.

б

1С. 20. ..икрошлифы деталей, полученных методом лазерной сборки: ;) соединение трубки с доской; :) микрошли^ детали после гидролазерной сборки.'-

Рис. 21. Экспериментальна.'; лазерная установка для проведения исследований по гигцэо-

лаэерному обострению, измерению основных параметров технологического процесса.

ч\

чг

Рис. 23. Заводская устчноека для зплресеоркк ппкст<» глубок г* доску с эффектом п:п,;;с/лле;.н?гс сбспт| енгя.

о&всдская установка для разн&лыювки пакета трубок в трубной доске с э^екток гидродинамического обострения.

лУ

Рис. 2о. Основные схемы лазерной сборки: а-сборка трубок в трубной дсске с эффектом поверхностной шпнки; б-сборка с гидролазёрнкм обжатием; в-гидролазесная запсёссовка; г-сбоска с электаогйзролаэерным эффектом; я-г.г.п^ка пакета ^губсх.