Спосіб вводу ультразвукових коливань до розплаву зварювальної ванни

Спосіб вводу ультразвукових коливань до розплаву зварювальної ванни, що включає утворення плями нагріву концентрованим джерелом енергії та занурення її з повздовжніми коливаннями до зварювальної ванни, який відрізняється тим, що коливання здійснюють ультразвуковим перетворювачем та фокусують через пляму нагріву на дно ванни. (19) (21) u200814926 (22) 24.12.2008 (24) 25.05.2009 (46) 25.05.2009, Бюл.№ 10, 2009 р. (72) НІКІТІН ОЛЕКСАНДР ЯКИМОВИЧ, UA, КЛИМЕНКО ОЛЕКСАНДР МИКОЛАЙОВИЧ, UA, ТРУБА ОЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ, UA (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ "КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ", UA 3 нення по висоті каналу при допомозі механічних чи п’єзоелектричних сканаторів фокусуючої системи (лінзи чи об'єктиви) при цьому густина потужності може залишатися постійною по глибині каналу проплавлення при параметрах частоти в межах від 0 до 150 Гц та амплітуди від 0 до 5 мм. (А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов «Лазерная сварка металов» Москва «Высшая школа» 1988, стр. 143). Основний недолік відомого способу полягає в тому, що він має додаткові спеціальні пристрої сканатори, які пересувають фокусуючи пристрої. Ці пристрої механічні чи п'єзоелектричні та мають обмежений діапазон частоти в межах від 0 до 150 Гц та амплітуди від 0 до 5 мм. Ці механічні системи, складні у виготовлені та застосуванні, а також слід враховувати, що ряд технологічних особливостей, таких , як точність наведення на стик, якість підготовки кромок, обмежує застосування цього метода. В основу корисної моделі поставлена задача впливати ультразвуковим полем на речовину поблизу областей фазового переходу рідина - тверде тіло, що може ставить практичну цінність, як новий спосіб регулювання властивостей зварного шву. Поставлена задача вирішується тим, що у способі вводу ультразвукових коливань до розплаву зварювальної ванни, що включає утворення плями нагріву концентрованим джерелом енергії та занурення її з повздовжніми коливаннями до зварювальної ванни з ультразвуковою частотою, у якому новим є те, що коливання здійснюють ультразвуковим перетворювачем та фокусують через пляму нагріву на дно ванни. Такий контакт забезпечує фокусування та перехід ультразвукових коливань розплавленому металу на всю внутрішню поверхню каналу розплаву глибокого проплавлення. Первинними параметрами, які характеризують ультразвукове поле у розплаві, є питома густина енергії, активна складова вхідного опору, швидкості у розплаві та втрати у об'ємі рідкого метала. Вони визначають величини коливального тиску і швидкості у розплаві. Всі ці параметри визначають виникнення у розплаві кавітації, акустичних потоків, і сил в'язкого тертя. У розплавленому металі зварювальній ванні умови для виникнення та розвитку кавітаціонних процесів сприятливі. Тому що розплавлений метал ванни під дією випромінення насичений паром, а це є прискорення утворенню кавітаційних пухирців. На границі твердої-рідкої фаз коливальний тиск достатній, щоб кристали які близькі до температури плавлення подрібнювались, а це при фокусуванні УК сприяє поглибленню каналу. Процеси кавітації приводять до виникнення у розплаві ванни поблизу фронту кристалізації ударних хвиль, що по-перше є причиною руйнування кристалів і, по-друге, як джерело локальних порушень однорідності та термодинамічної рівноваги у розплаві. Акустичні потоки викликають переміщення розплаву, впливають на розподіл температурного поля та прискорюють процеси дифузії. При ультразвуковому полі у кавітапіонному режимі виникають області дуже високих темпера 41533 4 тур та тиску. Таким чином, ультразвукове поле інтенсифікує процеси утворення зародили твердого тіла на границі розділу «тверде тіло розплав». Використання розглянутих процесів на практиці сприяє покращенню якості з'єднань матеріалів при зварюванні, наплавні та інше. Для усунення недоліків властивих наведеним, пропонується передача ультразвукових коливань рідкому металу зварювальної ванни при аргонодуговому, плазмовому, електронно-променевому та лазерному зварюванні і різанні здійснювати плямою нагріву поверхні розплавленого металу зварювальної ванни, яка сприймає коливання з ультразвуковою частотою від лінзи, дзеркала чи катоду розташованих у корпусах фокусуючої системи та електрода. Суть способу пояснюється кресленням, де зображено один з варіантів передачі УК рідкому металу зварювальне ванни з глибоким проплавленням при лазерному зварюванні. Тут: 1 - лазерне випромінення; 2 - осердя магнітострикційного перетворювача; 3 - обмотка осердя; 4 - ультразвуковий перетворювач (хвилевід), притиснутий з зусиллям Рсm, S - корпус фокусуючого пристрою; б стопорне кільце лінзи; 7 - лінза; 8 - шайба, яка пружинить; 9 - тримач корпуса; 10 - сфокусоване випромінення; 11 - паро-газовий канал глибокого проплавлення, який рухається зі швидкістю Vсв, 12 - внутрішня поверхня розплаву ванни глибокого проплавлення з плямою нагріву (фокусна пляма); 13 - рідкий метал хвостової частини зварного шву; 14 - твердий метал переднього фронту шва; 15 напрям акустичних хвиль кавітації; 16 - фокус ультразвукових коливань; 17 - корінь зварного шву; 18 - закристалізований метал шву. Внутрішня поверхня каналу глибокого проплавлення з плямою нагріву 12 рухається з ультразвуковою частотою у повздовжньому напряму за рахунок коливання хвилеводу 4 жорстко прикріпленому до корпуса 5 з закріпленою лінзою 7 стопорним кільцем 6. Тримач 9 корпуса фокусуючого пристрою 5 зберігає направлення випромінення та дозволяє пересуванню корпуса в повздовжньому напряму за рахунок ковзання у отворі тримача, кільце 8 яке пружинить зберігає амплітуду ультразвукових коливань та запобігає розсіянню коливань у тримачі. Коливання лінзи 7 разом з корпусом 5 по амплітуді та частоті ультразвукових коливань передає такі самі рухи фокусній плямі нагріву 12, які в свою чергу викликають у розплаві насиченим паром гідродинамічну та акустичну кавітацію. Розмір плями сфокусованого випромінення на практиці для зварювання коливається у розмірі 0,5÷1,0 мм тому передача ультра звукових коливань супроводжується їх фокусуванням на дні каналу 17 у фокусі 16. Хвостова частина зварювальної ванни 13 має значно більший об'єм рідкого металу ніж передня стінка тому розповсюдження хвиль акустичної кавітації 15 у цьому об'ємі сприяє вирівнянню температури та процесам дифузії. В залежності від потужності джерела ультразвукових коливань цей спосіб можна використовувати для підвищення глибини проплавлення металу шва та рівного профілю кореня шву 17 при незмінній потужності технологічного лазера. 5 Комп’ютерна верстка І.Скворцова 41533 6 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601