Влияние присадочного материала на формирование металла шва при лазерной и гибридной сварке

Рис. 2.22. Изменение твердости соединения от шва до исходного металла по экспериментальным точкам 1 - 5 с шагом 1 мм (скорость сварки V = 25 мм/с; ЛС - лазерная сварка, ГС - гибридная сварка)

В точке 3, соответствующей границе «шов - ЗТВ», у всех образцов наблюдается резкий скачок величины твердости.

Задачей эксперимента ставилось определение влияние присадочного материала и различных режимов сварки на формирование металла шва и его физико-химических свойств, при лазерной и гибридной лазерно-дуговой сварке. Проведя анализ всех полученных данных эксперимента, можно заключить:

· Присадочный материал в виде металлопорошковой проволоки влияет на формирование структуры в ЗТВ и металле шва;

· Формирование структуры зависит от скорости сварки;

· Установили прямую зависимость увеличения твердости и микротвердости различных зон образцов от скорости сварки. И если для гибридной сварки эта зависимость имеет плавный характер, то при лазерной сварке увеличение твердости и микротвердости от скорости сварки выглядит скачкообразно, с резким увеличением значений относительно исходного металла;

· Резкое увеличение твердости металла в шве и ЗТВ, относительно твердости исходного материала, оказывает негативное влияние на качество сварного соединения в целом, и в конечном итоге способствует разрушению изделия под нагрузкой. Ввиду этого, целесообразнее использовать гибридную сварку.

· Использование присадочного материала позволяет снизить амплитуду колебаний значений твердости при увеличении скорости сварки.

3. Экономическое обоснование дипломного проекта

3.1 Лазерная сварка

На сегодняшний день промышленная революция обусловлена широким внедрением энергии когерентного светового излучения - лазерного луча. Возможности высокой концентрации лазерного излучения в пространстве, во времени, в частотном спектре открыли абсолютно новые перспективы для размерной и локальной поверхностной обработки материалов, для бесконтактной диагностики процессов и управления ими, для прецизионных измерений, для регистрации, обработки и передачи информации. Уже сегодня степень насыщения лазерным оборудованием для всех передовых промышленных стран стала одним из важнейших критериев индустриального развития. Лазерный луч как технологический инструмент не имеет себе равных по степени «гибкости», быстродействия и износоустойчивости. Но наивысшую эффективность лазерная обработка приобретает в условиях единичного или мелкосерийного производства с быстро меняющейся номенклатурой деталей, что характерно для условий «рыночной» экономики.

Значительную долю в производстве лазерной техники составляют лазерные технологические установки для обработки различных материалов (резка, сварка, сверление, маркировка, локальное модифицирование поверхностного слоя и т.д.) и лазерная контрольно-измерительная и диагностическая аппаратура (мгновенный контроль размеров, перемещений, угловых и линейных скоростей, вибраций, внутренних напряжений и деформаций, размеров и концентраций микрочастиц, экологический мониторинг и многое другое). Ежегодно в мире продаются многие тысячи единиц такой аппаратуры и практически каждый машиностроительный завод в США, Японии и Западной Европе использует лазерные технологии и методики, а многие производства без них уже просто невозможны.

Основные отрасли производства, где наиболее широко используется лазерная технология за рубежом: автомобильная, электронная, судостроительная, авиакосмическая.

В основе использования лазерных технологий в первую очередь лежит экономическая выгода, которая проявляется или напрямую, через снижение стоимости технологического процесса, или косвенно, через более высокие потребительские качества продукции. Большой экономический эффект возникает за счет экономии материалов и энергоресурсов (при сварке, резке), повышения производительности труда (сварка, размерная обработка, маркировка). Немаловажное значение приобретают вторичные эффекты, которые реализуются при использовании конструкций, изначально ориентированных на лазерные технологии (например, достижение большей прочности конструкции при одновременном снижении их металлоемкости).

Технологический процесс лазерной сварки деталей предназначен для соединения сборочных элементов деталей различной конфигурации или выполнения шовной сварки стыковых соединений.

Лазерная сварка обеспечивает высокую плотность потока излучения в зоне воздействия сфокусированного луча лазера, малое тепловыделение в свариваемых материалах, незначительное тепловое влияние на металл околошовной зоны, малое деформирование свариваемых элементов, высокие скорости сварки, возможность сварки разных металлов, трудно свариваемых другими способами, легкость автоматизации процесса сварки.

Лазерная сварка является операцией, в большинстве случаев не требующей последующего устранения остаточных деформаций или механической обработки сварных узлов конструкций. Выполненные лазерным лучом сварные швы отличаются хорошими механическими свойствами, а остаточные деформации при лазерной сварке в 3-5 раз ниже, чем при аргонодуговой, например.

Преимущества лазерных технологий перед альтернативными:

- локальность воздействия,

- минимальные деформации детали,

- высокая концентрация энергии,

- отсутствие контакта с обрабатываемым изделием,

- возможность обработки труднодоступных мест,

- высокая степень автоматизации,

- экологическая чистота,

- высокая производительность.

3.2 Дуговая сварка

Электрическая дуга как сварочный инструмент является одним из самых дешёвых и доступных источников тепла. История электрической сварки насчитывает почти полтора века. На настоящий момент существует множество видов дуговой сварки: плавящимся и неплавящимся электродом, дугой прямого и косвенного действия, ручная, полуавтоматическая и автоматическая, открытой дугой и дугой в сфере защитного газа или под флюсом.

Электрическая дуговая сварка, благодаря своей технологической простоте, мобильности, возможности как ручного, так и автоматического ведения процесса, высокого КПД и дешевизны оборудования и расходных материалов получила очень широкое распространение и не только в сложных технологических отраслях производства, но и в бытовом применении.

Положительные стороны электродуговой сварки:

- низкая стоимость процесса;

- низкая стоимость оборудования и расходных материалов;

- возможность ручного управления;

- компактность оборудования (для ручной сварки);

Отрицательной стороной электродуговой сварки являются:

- низкая степень концентрации энергий в дуге;

- низкое качество сварного шва;

- образование остаточных материалов (шлак, грат и др.);

- большая ширина шва;

- невозможность сваривания некоторых разнородных материалов;

Вследствие данных отрицательных и положительных параметров электродуговая сварка наилучшим образом применима в производстве конструкций и соединений не требующих особой точности и качества соединений. В основном электродуговая сварка находит применение в тяжёлой машиностроительной промышленности, в строительстве зданий и сооружений, а также в качестве вспомогательных операций в большинстве промышленных отраслей.

3.3 Гибридная сварка

Ввиду технологического развития промышленности и появления новых её отраслей всё острее появляется необходимость в более точных и качественных методах обработки материалов и создания сварных соединений и непременным условием этого является экономическая конкурентоспособность на мировом рынке и рентабельность производимой продукции. Эти два фактора обусловили разработку и внедрение в производственные процессы так называемой «гибридной» лазерно-дуговой сварки (технологические особенности представлены в главе 1).

В данной гибридизации электрическая дуга является поставщиком на свариваемую поверхность недорогой энергии (за счёт КПД и низкой стоимости сварочного оборудования), а лазерный луч - инструментом для высококачественной обработки материала. Более того, взаимное влияние лазерного луча и сварочной дуги друг на друга приводит к повышению концентрации энергий в столбе дуги и уменьшению площади поверхности обработки металла дугой (и как следствие повышение КПД дуги и возможность уменьшения размеров сварного соединения), что в свою очередь раскрывает большие технологические возможности гибридизированного процесса. Например это приводит к повышению скорости сварки и увеличению глубины проплавления при тех же энергетических затратах, что косвенным образом дополнительно уменьшает стоимость процесса.

Средняя стоимость лазерных сварочных агрегатов:

2 КВт - Отечественные: 90-100 тыс. евро,

Импортные: 200-250 тыс. евро,

3 КВт_____ - Отечественные: 250-300 тыс. евро,

Импортные: 450-500 тыс. евро,

6 КВт_____ - Импортные: 600-700 тыс. евро,

20 КВт - Импортные: 1,300 тыс. евро (Trumpf).

Средняя стоимость автоматических дуговых сварочных агрегатов:

3-4 КВт - Отечественные: 300-350 евро,

Импортные: 600-800 евро,

6-8 КВт - Отечественные: 1,000-1,500 евро,

Импортные: 2,000-3,000 евро.

Данное различие цен (на три порядка) даёт возможность существенной экономии затрат на обеспечение производства, заменяя лазерную мощность электрической дуговой.

3КВт лазера + 3КВт дуги в полтора раза дешевле чем 6КВт лазера, при том же (потери качества шва не более 10%) качестве сварки.

Значительное увеличение скорости гибридной сварки по сравнению с лазерной (в 1,5 - 2 раза) в свою очередь ведёт к ускорению общего оборота произведённой продукции, а более высокий КПД дуги по сравнению с лазером (КПД лазерной сварки - максимум 20-22%) уменьшает энергетические затраты в производственном процессе.

Табл. 3.1. Сравнительная оценка экономической выгоды различных процессов сварки в баллах по десятибальной шкале

Вид обработки	Стоимость оборудования	Стоимость энергии	Скорость техпроцесса	Качество соединения	Экономическая рентабельность
Дуговая сварка	10	10	4	2	26
Лазерная сварка	2	6	8	10	26
Гибридная сварка	7	8	10	9	34

сварка лазерный дуговой шов

Из таблицы 3.1 видно, что общая оценка рентабельности лазерно-дуговой технологии сварки в полтора раза выше, чем у лазерной и дуговой, взятых в отдельности. Можно сделать заключение, что методы лазерно-дуговой сварки являются более экономически выгодными для производства продукции, требующей особой точности соединений.

3.4 Себестоимость производства единицы продукции

Структура цеховых расходов может быть различна в зависимости от типа предприятия. Примерная номенклатура затрат по цеховым расходам:

1. Оплата труда административно-управленческих работников и ЕСН.

2. Содержание зданий и сооружений (стоимость водоснабжения, отопления, канализации, оплата услуг связи, уборка помещений)

3. Текущий ремонт зданий, сооружений и инвентаря цехового назначения.

4. Амортизация зданий, сооружений и инвентаря цехового назначения.

5. Испытания, опыты и исследования (стоимость затрат на лабораторное и иное оборудование, оплата исследователей и испытателей, ЕСН).

6. Охрана труда (затраты на обеспечение техники безопасности)

7. Возмещение износа и ремонт малоценного и быстроизнашивающегося инвентаря.

8. Прочие затраты, связанные с управлением и обслуживанием производства в цехе.

Общехозяйственные расходы включают в себя:

1. Заработная плата аппарата управления и ЕСН.

2. Оплата командировок и служебных поездок, содержание военизированной и пожарной охраны.

3. Переподготовка кадров.

4. Расходы на сигнализацию.

5. Содержание зданий, сооружений и инвентаря общезаводского назначения.

6. Амортизация зданий, сооружений и инвентаря общезаводского назначения.

7. Текущий ремонт зданий, сооружений и инвентаря общезаводского назначения

3.5 Расчет калькуляции себестоимости одного погонного метра сварного соединения

Составим калькуляцию себестоимости одного погонного метра шва при следующих условиях (скорость лазерной сварки стали толщиной 7 мм составляет 1.2 м/мин; гибридной сварки - 1.8 м/мин):

1. Норма расхода материалов:

Лазерная сварка: газ Ar - 25 л/мин

затраты на расходные материалы на сварку 1 м шва: 520,8 руб.

Гибридная сварка: газ Ar - 25 л/мин, СО₂ - 5 л/мин;

цена за 1 л: Ar - 25 руб., СО₂ - 8.3 руб.

металлопорошковая проволока - 5.5 м/мин;

цена за 1 м - 0.6 руб.

затраты на расходные материалы на сварку 1 м шва: 372,1 руб.

2. Норма расхода энергии (1кВт-1,4 руб.)

Лазерный комплекс - 40 кВт;

затраты на электроэнергию составят (40*1,4)/72=0,78 руб.

Гибридный комплекс - 65 кВт;

затраты на электроэнергию составят (65*1,4)/108=0,84 руб.

3. Основная заработная плата производственных рабочих:

12000 рублей в месяц.

В расчете на одно изделие: лазерная сварка - (12000/176)/72=0,95 руб.

гибридная сварка - (12000/176)/108=0,63 руб.

4. Дополнительная заработная плата производственных рабочих

4800 рублей в месяц.

В расчете на одно изделие: лазерная сварка - (4800/176)/72=0,38 руб.

гибридная сварка - (4800/176)/108=0,25 руб.

Фонд основной заработной платы составит: лазерная сварка - 1,33 руб.

гибридная сварка - 0,88 руб.

ЕСН(ЛС)= руб.

ЕСН(ГС)= руб.

5. Амортизация и текущий ремонт оборудования.

Лазерный комплекс - 166667 руб./мес; на одно изделие - 13,1 руб.

Гибридный комплекс - 500000 руб./мес; на одно изделие - 26,3 руб.

6. Цеховые расходы (на одно изделие) - 6,502 руб., из них:

6.1. Оплата труда административно-управленческих работников - 2,46 руб.

6.2. ЕСН - 0,89 руб.

6.3. Аренда зданий и сооружений цеха (45000 руб./мес) - 2,84 руб.

6.4. Затраты на обеспечение техники безопасности - 0,2 руб.

6.7. Возмещение износа быстроизнашивающихся и малоценных предметов - 0,012 руб.

6.8 Прочие затраты - 0,1 руб.

Итого: цеховые расходы в расчете на одно изделие составят: 6,502 руб.

Цеховая себестоимость:

Лазерная сварка:

ЦС=520,8+0,78+0,95+0,38+0,48+13,1+6,502=542,9 руб.

Гибридная сварка:

ЦС=372,1+0,84+0,63+0,25+0,32+26,3+6,502=407,2 руб.

7. Общехозяйственные расходы (на одно изделие) - 9,58 руб. из них:

7.1. Заработная плата аппарата управления - 4,73 руб.

7.2.ЕСН - 1,72 руб.

7.3. Оплата командировок и служебных поездок - 0,2 руб.

7.4. Охрана и сигнализация - 1,1 руб.

7.7. Подготовка кадров - 1,83 руб.

Общехозяйственные расходы на одно изделие составят: 9,58 руб.

Производственная себестоимость:

Лазерная сварка:

ПрС=542,9+9,58=552,5 руб.

Гибридная сварка:

ПрС=407,2+9,58=416,8 руб.

8. Коммерческие расходы -3,28 руб. из них:

Реклама - 3,28 руб.

Итого полная себестоимость:

Лазерная сварка:

ПС=552,5+3,28 =555,8 руб.

Гибридная сварка:

ПС=416,8+3,28 =420,1 руб.

Все вышеприведенные расчеты представлены в таблиц 3.2.

Таблица 3.2. Данные расчета себестоимости

Статьи	Данные, руб.
	Лазерная сварка	Гибридная сварка
1. Сырье и материалы.	520.8	372.1
2. Энергия.	0.78	0.84
4. Основная заработная плата производственных рабочих.	0.95	0.63
5. Дополнительная заработная плата производственных рабочих.	0.38	0.25
6.ЕСН	0.48	0.32
7. Расходы по содержанию и эксплуатации оборудования	13.1	26.3
8. Цеховые расходы	6.502
9. Итого: Цеховая себестоимость	542.9	407.2
10. Общехозяйственные расходы	9.58
11. Итого: Производственная себестоимость.	552.5	416.8
12. Коммерческие расходы	3.28
13. Итого: Полная себестоимость	555.8	420.1

В результате составления калькуляции мы выяснили, что себестоимость одного погонного метра сварного соединения, произведенного лазерной сваркой, составляет 555.8 рублей, гибридной сваркой - 420.1 рублей. Из этого можно заключить, что использование гибридной сварки в производстве более рентабельно, по сравнению с лазерной.

Задачей данной работы ставилось определение влияние присадочного материала и различных режимов сварки на формирование металла шва и его физико-химических свойств, при лазерной и гибридной лазерно-дуговой сварке. Проведя анализ всех полученных данных эксперимента, можно заключить:

· Присадочный материал в виде металлопорошковой проволоки влияет на формирование структуры в ЗТВ и металле шва, уменьшая вероятность образования мартенсита;

· Формирование структуры зависит от скорости сварки;

· Установили прямую зависимость увеличения значения микротвердости различных зон образцов от скорости сварки. И, если для гибридной сварки эта зависимость имеет плавный характер, то при лазерной сварке увеличение значения микротвердости от скорости сварки выглядит скачкообразно, с резким увеличением значений относительно исходного металла;

· Резкое увеличение твердости металла в шве и ЗТВ, относительно твердости исходного материала, оказывает негативное влияние на качество сварного соединения в целом, и в конечном итоге способствует разрушению изделия под нагрузкой. Ввиду этого, целесообразнее использовать гибридную сварку.

· Использование присадочного материала позволяет снизить амплитуду колебаний значений твердости при увеличении скорости сварки.

· Для выбранной толщины материалов образцов, указанных в эксперименте, оптимальной скоростью сварки является =25 мм/с.

Экономические расчеты в виде калькуляции себестоимости одного метра сварного соединения, выполненного лазерной и гибридной сваркой, показали, что использование гибридных технологий в производстве более рентабельно, по сравнению с лазерными.

Таким образом можно заключить, что оптимальным способом сварки стали 25, толщиной 10 мм, является гибридная сварка с использованием в качестве присадочного материала металлопорошковой проволоки, с режимом сварки: =25 мм/с, Р=5 кВт, U=29 В, I=150 А.

Список литературы

1. В.С. Коваленко. Лазерная технология на новом этапе развития. Автоматическая сварка. - 2001, №12, с. 4-10.

2. В.А. Лопота, Г.А. Туричин, И.А. Цибульский. ЛАЗЕР-ИНФОРМ. Информационный бюллетень Лазерной ассоциации №7 (262) апрель, 2003.

3. Б.Е. Патон, А.А. Бондарев. Современное состояние и новые технологии электронно-лучевой сварки конструкций. Автоматическая сварка. - 2004, №11, с. 23-31.

4. А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, А.М. Чирков. Гибридные технологии лазерной сварки. М: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004, 48 с.

5. В.Д. Шелягин, В.Ю. Хаскин. Тенденции развития лазерно-дуговой сварки. Автоматическая сварка - 2002, №6, с. 28-32.

6. Гвоздецкий В.С., Кривцун И.В., Чижеико М.И. Взаимодействие лазерного пучка с плазмой электрической дуги // Материалы VIII Всесоюз. конф. по физике низкотемпературной плазмы (Минск, июль 1991 г.). - Минск, 1991. - Ч. III. - С. 31-32.

7. Скульский В.Ю. Структура в зоне сплавления и металле ЗТВ сварных соединений высокохромистых теплоустойчивых сталей // Автомат. Сварка. - 2005. - №5. - с. 15-23.

8. Влияние легирования присадочного матераала и свариваемой стали на структуру в зоне сплавления / В.Ю. Скульский // Автомат. сварка. - 2006. - №1. - с. 10 - 16.

9. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Оборонгиз, 1956. - 334 с.

10. Макаров Э.Л. Холодные трещины при сварке. - М.: Машиностроение, 1981. - 247 с.

11. Готальский Ю.Н. Сварка разнородных сталей. - Киев: Технiка, 1981. - 184 с.

12. Ливщиц Л.С. Металловедение для сварщиков. - М., - Машиностроение, 1979. - 253 с.

13. Свойства сварных соединений коррозионностойкой стали 02Х8Н22С6 / В.Н. Липодаев, К.А. Ющенко, В.Ю. Скульский и др. // Автомат. сварка. - 1985. - №4. - с. 41 - 44.

14. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н. Лазерная техника и технология / Под ред. А.Г. Григорьянца: В 7 кн. Кн. 5. Лазерная сварка металлов. - М.: Высш. шк., 1988. - 207 с.

15. Грезев А.Н. Плазмообразование при лазерной сварке // Свароч. пр-во. - 2005. - №5. - с. 20 - 25.

16. Воропай Н.М., Илюшенко В.М., Хаскин В.Ю. Выбор защитного газа для гибридного процесса лазерно - дуговой сварки // Сварщик. - 2006. - №4. - с. 19 - 23.

17. Лазерная сварка тонколистовых сталей с использованием специальных приемов / В.Д. Шелягин, В.Ю. Хаскин, А.В. Сиора и др. // Автомат. сварка. - 2003. №1. - с. 41 - 44.

18. Гибридная сварка излучением СО₂-лазера и дугой плавящегося электрода в углекислом газе / В.Д. Шелягин, В.Ю. Хаскин, В.П. Гаращук и др. // Автомат. сварка. - 2002. №10. - с. 38 - 41.

19. Кривцун И.В. Модель испарения металла при дуговой, лазерной и лазерно - дуговой сварке // Автомат. сварка. - 2001. №3. - с. 3 - 10.

20. Грабин В.Ф., Денисенко А.В. Металловедение сварки низко- и среднелегированных сталей. - Киев: Наук. Думка, 1978. - 276 с.

Размещено на Allbest.ru