PL223218B1 - Sposób wytwarzania cienkościennych konstrukcji przestrzennych zwłaszcza ram do termicznego formowania szyb - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania przestrzennych konstrukcji zwłaszcza ram do termicznego formowania szyb w szczególności arkuszy blach ze stali nierdzewnej i kwasoodpornej o grubości do 2,0 mm.

Znany obecnie i powszechnie stosowany sposób wytwarzania cienkościennych konstrukcji przestrzennych głównie ram do termicznego formowania szyb ze stali wysokostopowych nierdzewnych kwasoodpornych, według obecnego stanu techniki, polega na wycinaniu detali z płaskich arkuszy blach, płaskowników i kształtowników, głównie za pomocą obróbki mechanicznej oraz cięcia i wycinania plazmowego PTA, następnie kształtowaniu za pomocą obróbki plastycznej oraz konwencjonalnym ręcznym spawaniu łukowym GTA o dość niskiej gęstości mocy źródła ciepła, nie przekraczającej 0,8x10⁴ W/cm². Podczas cięcia plazmowego PTA, szczególnie metodą cięcia plazmą powietrzną, stosowaną powszechnie na skalę przemysłową z uwagi na niski koszt cięcia, nie jest możliwe wyeliminowania strefy wpływu ciepła przyległej do powierzchni cięcia, a ponadto w przypadku stali wysokostopowych kwasoodpornych, czy nierdzewnych w obszarach przyległych do powierzchni cięcia może następować częściowe wypalanie składników stopowych przy jednoczesnym nasyceniu tego obszaru gazami z łuku plazmy powietrznej, głównie azotem. Ponadto ze względu na jakość procesu cięcia plazmowego, szczególnie plazmą powietrzną, często wymagana jest dodatkowa obróbka mechanic zna powierzchni cięcia. Z kolei w czasie spawania złączy konstrukcji cienkościennych ze stali kwas oodpornych oraz nierdzewnych przygotowanych do spawania za pomocą cięcia plazmowego często w spoinie pojawia się porowatość, a nawet pęknięcia, co jest wynikiem zaabsorbowania przez metal spoiny gazów z plazmy powietrznej. Dodatkowo przy spawaniu ręcznym GTA złączy ze stali kwasoodpornych oraz nierdzewnych o grubości do kilku mm często wymagane jest ukosowanie złącza w celu zapewnienia pełnego przetopienia złącza doczołowego ze spoinami czołowymi. Ze względu na dość niską gęstość mocy łuku przy spawaniu GTA, w szczególności ręcznym, wymagane jest stosowanie stosunkowo wysokich energii liniowych spawania, co z kolei powoduje wprowadzanie dużych ilości ciepła do złącza oraz utworzenie szerokiej strefy wpływu ciepła SWC. Nowoczesne stale wysokostopowe nierdzewne i kwasoodporne to głównie stale o wysokiej zawartości chromu i niklu z wieloma mikrododatkami stopowymi, posiadające strukturę austenityczną lub ferrytyczno-austenityczną o niskiej przewodności cieplnej i wysokiej oporności elektrycznej. Własności eksploatacyjne wyrobów z tych stali (np. blach, rur, kształtowników itp.) uzyskuje się w wyniku kontrolowanej przeróbki plastycznej. Ręczne spawanie łukowe GTA z dużymi energiami liniowymi złączy ze stali nierdzewnych i kwasoodpornych o niskiej przewodności cieplnej i wysokiej oporności elektrycznej prowadzi do znacznych naprężeń, a często nawet odkształceń spawalniczych złączy, wyraźnego obniżenia własności eksploatacyjnych złączy w porównaniu do materiału rodzimego, głównie wytrzymałości doraźnej, plastyczności, ale również obniżenia odporności korozyjnej. W celu ograniczenia naprężeń spawalniczych oraz poprawy własności eksploatacyjnych złączy wymagane jest wyżarzanie odprężające konstrukcji tego typu po spawaniu łukowym GTA, a często konieczne jest też prostowanie konstrukcji, tak by zapewnić wymaganą dokładność kształtu i wymiarów. Wyżarzanie odprężające prowadzone jest w temperaturze ok. 850°C, a całkowity czas wyżarzania sięga nawet 22 godzin.

Sposób wytwarzania cienkościennych przestrzennych konstrukcji ze stali kwasoodpornych i nierdzewnych, zwłaszcza ram do termicznego formowania szyb, według wynalazku, jest rozwiązaniem problemu dotąd bezskutecznie podejmowanego i polega na zastosowaniu wiązki laserowej, transm itowanej z jednego generatora i ogniskowanej za pomocą jednej głowicy laserowej, która umożliwia dostosowanie parametrów wiązki laserowej do specyfiki poszczególnych procesów technologicznych na poszczególnych etapach procesu wytwarzania, przebiegających w uporządkowanej kolejności.

Sposób według wynalazku polega na tym, że za pomocą wiązki laserowej o mocy 3000-3500 W i współczynniku BPP (Beam Parametr Produkt), o wartości nie wyższej niż 8,0 mm-mrad, transmitowanej z pojedynczego generatora i ogniskowanej za pomocą głowicy laserowej o długości ogniskowej co najmniej 250 mm w pierwszym etapie wycina się detale, a następnie dokonuje się spawania las erowego złączy oraz gięcia i kształtowania laserowego konstrukcji w obrębie jednego stanowiska.

Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest zastosowanie wiązki laserowej do kompleksowego procesu wytwarzania polegającego na wycinaniu detali w pierwszym etapie wytwarzania, następnie w razie konieczności wykonaniu operacji technologicznych spawania laserowego detali w obrębie tego samego stanowiska, lecz po zmodyfikowaniu parametrów wiązki laserowej polegającym głównie na zwiększeniu długości ogniskowej i odległości głowicy laserowej od powierzchni złącza, a tym samym

PL 223 218 B1 zmianie gęstości mocy wiązki laserowej, następnie w razie potrzeby wykonanie operacji gięcia laserowego na tym samym stanowisku, polegającej na miejscowym punktowym albo liniowym nagrzew aniu lub przetapianiu detalu, co prowadzi do jego odkształcenia plastycznego.

W tym celu konieczne jest zastosowanie generatora laserowego gazowego lub na ciele stałym o mocy wyjściowej wiązki laserowej, mierzonej na powierzchni ogniska, nie mniejszej niż 3000-3500 W oraz o wysokiej jakości wiązki laserowej o współczynniku BPP (Beam Parameter Product) nie wyższym niż 8,0 mm-mrad, rozkładzie modowym jak najbardziej zbliżonym do rozkładu podstawowego gaussowskiego np. TEM₀₀, TEM₀₁, z głowicą ogniskującą o długości ogniskowej co najmniej 250 mm oraz możliwością regulacji mocy na poziomie co najmniej 1%. Układ kinematyczny zespołu pozycjonowania musi z kolei zapewnić dokładność pozycjonowania nie mniejszą niż ±0,03 mm, przy prędkościach ruchów roboczych co najmniej 100 m/min.

Wiązka laserowa o ww. parametrach jest źródłem ciepła o bardzo wysokiej gęstości mocy do 10 W/cm , dzięki czemu możliwe jest wycinanie detali z bardzo dużą wydajnością i prędkościami cięcia ponad 30 m/min, jednocześnie przy wysokiej jakości i dokładności, eliminując konieczność da lszej obróbki mechanicznej. Oddziaływanie cieplne na materiał w tego typu procesie cięcia laserowego jest pomijalnie niskie, a strefa wpływu ciepła praktycznie jest niewykrywalna. W związku z tym proces cięcia w takich warunkach nie wywiera negatywnego wpływu na jakość złączy spawanych przygotowanych w wyniku cięcia lub ukosowania wiązką laserową o dużej gęstości mocy.

Z kolei zastosowanie wiązki laserowej o ww. parametrach w procesie spawania złączy o grubości do 2,0 mm umożliwia spawanie techniką z oczkiem spoiny przy minimalnych energiach liniowych wymaganych do przetopienia złącza, a jednocześnie bez konieczności ukosowania złącza. Taka technika spawania laserowego z niską energią liniową gwarantuje spawanie z prędkościami do kilk unastu m/min oraz bardzo wąską szerokość spoiny ok. 0,5 mm przy grubości blachy 2,0 mm, a jednocześnie o bardzo wąskiej strefie wpływu ciepła, często również niewykrywalnej za pomocą mikroskopii świetlnej. Złącza spawane laserowo w taki sposób cechują się najwyższą jakością, niemożliwą do zapewnienia zarówno metodami spawania łukowego GMA, GTA, jak i plazmowego PTA. Oprócz wysokich własności mechanicznych złącza, nie niższych od materiału rodzimego, wysokiej plastyczności oraz wytrzymałości zmęczeniowej spawanie laserowe gwarantuje zapewnienie najwyższej odporność korozyjnej złącza. Ponadto technologia spawania laserowego umożliwia wykonywanie złączy doczołowych płaskich detali wyciętych z arkuszy blach o różnej grubości oraz różnym składzie chemicznym i własnościach mechanicznych (tailored blanks), które następnie mogą być kształtowane i gięte za pomocą klasycznej obróbki mechanicznej z zastosowaniem pras hydraulicznych. Jakość złączy doczołowych o grubości do 2,0 mm ze stali nierdzewnych i kwasoodpornych spawanych wiązką laserową o ww. własnościach jest tak wysoka, iż dalsza obróbka plastyczna, kształtowanie i gięcie płaskich detali spawanych może być prowadzona bez ograniczeń, tak jak w przypadku płaskich arkuszy blach. Dodatkowo wiązka laserowa o ww. parametrach, głównie mocy i jakości, może być zastosowana do laserowego gięcia i kształtowania konstrukcji w wyniku punktowego lub liniowego nagrzewania konstrukcji w miejscu gięcia, w obrębie jednego stanowiska. W wyniku zastosowania wiązki laserowej o ww. parametrach oraz sposobu rozogniskowania wiązki laserowej możliwe jest zatem wykonanie różnych zabiegów i operacji technologicznych jako ciągu etapów przebiegających w uporządkowanej kolejności, począwszy od wycinania laserowego detali, spawania laserowego złączy techniką zarówno z jeziorkiem, jak i oczkiem spoiny oraz gięcia i kształtowania laserowego przestrzennego konstrukcji w obrębie jednego stanowiska i przy zastosowaniu jednego generatora laserowego.

Dzięki zastosowaniu innowacyjnego sposobu wytwarzania przestrzennych konstrukcji, zwłaszcza ram do termicznego formowania szyb, według wynalazku, możliwe jest zwiększenie wydajności i efektywności procesu wytwarzania, ograniczenie lub zupełne wyeliminowanie niektórych etapów i operacji technologicznych, jak np. czasochłonny i energochłonny proces wyżarzania, prostowania konstrukcji, a przez to znaczne skrócenie czasu wytwarzania całej konstrukcji oraz obniżenie jednostkowych kosztów wytwarzania oraz zwiększenie jakości, powtarzalności i dokładności wykonania w yrobu końcowego.

P r z y k ł a d:

Wytwarzanie cienkościennej przestrzennej konstrukcji ramy do termicznego formowania szyb ze stali nierdzewnej austenitycznej za pomocą kompleksowej obróbki laserowej polega na:

- Cięciu i wycinaniu laserowym detali z profili zamkniętych o wymiarach 40x40x2, 40x20x2 i 20x20x2 ze stali nierdzewnej gatunku 304L o strukturze austenitycznej oraz wycinanie i cięcie detali z kształtowników, prętów i rur ze stali nierdzewnej gatunku 304L, 316L i 316Ti. Proces cięcia i wycina4

PL 223 218 B1 nia detali wykonywany jest za pomocą wiązki laserowej transmitowanej z generatora laserowego g azowego CO₂ lub na ciele stałym Nd:YAG o mocy wyjściowej wiązki laserowej nie mniejszej niż 3000-3500 W oraz jakości wiązki nie niższej niż 8,0 mm-mrad i rozkładzie modowym TEM₀₀ lub TEM₀₁. Dodatkowo konieczne jest zastosowanie głowicy ogniskującej o długości ogniskowej co najmniej 250 mm, z kolei układ kinematyczny zespołu pozycjonowania wiązki laserowej musi z kolei zapewnić dokładność pozycjonowania nie mniejszą niż ±0,03 mm, przy prędkościach ruchów roboczych co najmniej 100 m/min.

- Spawaniu detali w obrębie tego samego stanowiska, na którym wykonywano operacje technologiczne cięcia, za pomocą wiązki laserowej rozogniskowanej do średnicy ogniska w zakresie 200 do 250 gm przy gęstości mocy co najmniej 10⁵ W/cm², lecz nie większej niż 1,5-10⁶ W/cm². Spawanie punktowe i odcinkowe z prędkościami spawania powyżej 500 mm/min możliwe jest bez zastosowania osłony gazowej, z kolei przy mniejszych prędkościach spawania konieczne jest zastosowanie nadm uchu argonu technicznego na obszar spawania od strony lica spoiny.

- Gięciu laserowym detali w obrębie tego samego stanowiska, na którym wykonywano operacje technologiczne spawania, polegającym na miejscowym punktowym lub odcinkowym nagrzewaniu lub nadtapianiu powierzchni za pomocą wiązki laserowej rozogniskowanej do średnicy ogniska w zakresie 600 do 1000 gm przy gęstości mocy w zakresie od 3-10³ W/cm² do 3-10⁴ W/cm².

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sposób wytwarzania cienkościennych konstrukcji przestrzennych, zwłaszcza ram do termicznego formowania szyb, znamienny tym, że za pomocą wiązki laserowej o mocy 3000-3500 W i współczynniku BPP (Beam Parametr Produkt), o wartości nie wyższej niż 8,0 mm-mrad, transmitowanej z pojedynczego generatora i ogniskowanej za pomocą głowicy laserowej o długości ogniskowej co najmniej 250 mm w pierwszym etapie wycina się detale, a następnie dokonuje się spawania laserowego złączy oraz gięcia i kształtowania laserowego konstrukcji w obrębie jednego stanowiska.