Нашли ошибку? Выделите ее мышкой
и нажмите
Ctrl + Enter
Поделиться:
Вы уже голосовали
Спонсор статьи

Возможности использования лазерной техники и технологий в изготовлении и ремонте оборудования горнодобывающей промышленности

11.12.2020

Технологию лазерной обработки деталей применил для своего оборудования Кемеровский завод химического машиностроения. Закалку прошли резьба муфты и ниппель буровой штанги, а также примыкающие к местам свинчивания участки износа буровых штанг. Опытная эксплуатация показала более чем троекратное увеличение срока службы деталей — с 15 000 метров пройденной породы до более 45 000.

Лазерный комплекс ЛК-5В
Лазерный комплекс ЛК-5В

Лазерная обработка относится к наукоёмким технологиям, определяющим уровень производства в промышленно развитых странах. Одним из применений лазерной обработки в промышленности, повышающим срок службы изделий, является закалка и модификация их поверхности мощными лазерами. Горнодобывающее оборудование, как правило, эксплуатируется чрезвычайно интенсивно.

В России горнодобывающая техника зачастую работает в четвёртой и особой климатических зонах и всегда находится в режиме высокой нагрузки, функционируя круглосуточно. Выход из строя крупногабаритных деталей приводит к значительным простоям и материальным потерям. Применение прогрессивных лазерных технологий для увеличения срока службы различных деталей горнодобывающего оборудования является важной и актуальной задачей.

Лазерное излучение на сегодняшний день — наиболее эффективный по сравнению с традиционными инструмент для термических (тепловых) методов обработки материалов и модификации поверхности обрабатываемых объектов [1-3]. Благодаря этому лазерные технологии могут найти широкое применение в изготовлении и ремонтно-восстановительных работах различного технологического оборудования горнодобывающей промышленности.

Лазерный луч обеспечивает лучший по сравнению с другими методами термический цикл для структурно-фазовых превращений со скоростным нагревом и быстрым охлаждением поверхностного слоя. Это происходит благодаря высокой и стабильной плотности мощности в пятне и большой линейной скорости перемещения пятна, без нагрева глубинных слоев материала детали, без возникновения напряжений и деформаций, изменяющих её геометрические размеры.

Лазерное упрочнение позволяет получать вполне достаточную для большинства случаев глубину упрочнённого слоя от десятков микрон до 1,2-1,5 мм без оплавления поверхности и до 2,0-2,5 мм с минимальным оплавлением. Лазерный луч — это тонко регулируемый, хорошо управляемый инструмент со стабильными предсказуемы-ми энергетическими параметрами и качественно новыми возможностями для практического применения.

Получение высоких эксплуатационных характеристик деталей, подвергаемых термическому упрочнению поверхностного слоя, возможно лишь при обеспечении заданных процессов структурно-фазовых превращений в материале. Для этого требуются строго определённый энерго-вклад в зону обработки и необходимый термический цикл в зависимости от исходной структуры металла, химического состава, конструктивных особенностей деталей, условий теплоотвода и т. д.

Рис.3 Вид температурного поля модели нагрева поверхности образца из малоуглеродистой стали лазерным лучом многолучевого лазера
Рис.3 Вид температурного поля модели нагрева поверхности образца из малоуглеродистой стали лазерным лучом многолучевого лазера

Если известна требуемая глубина закалённого слоя (например, из условия допустимого износа детали в процессе эксплуатации или с учетом допустимого числа перешлифовок и т. д.), то требуемое время действия лазерного луча — t определяется по выражению [1]:

t = π• Z2 • [Tпл/ (Tпл — Tзак) ]2 / 4•a, (с) (1), где a – коэффициент температуропроводности материала, см2/с; Tзак — температура нагрева материала детали под закалку, С; Tпл — температура плавления материала детали, С.

Необходимая эффективная плотность мощности — Qэф теплового источника определяется из выражения:

Qэф = λ• Z (Tпл — Tзак) / A, (Вт/см2) (2), где λ – коэффициент теплопроводности обрабатываемого материала, Вт/(см•°С); A — коэффициент поглощения энергии лазерного излучения материалом детали.

При кольцевом пятне излучения, характерном для многолучевого электроразрядного лазера, используемого в комплексе ЛК-5В, выражение (2) приобретает вид:

Qэф = γ• A• Po• Z / π (r1/2- r2/2 ), (3) где r1 и r2 — внешний и внутренний радиусы кольца.

Для обеспечения стабильности режимов обработки в лазерных многокоординатных комплексах применяется компенсатор, обеспечивающий постоянство длины оптического тракта.
Качество выполняемой операции в значительной степени зависит от равномерности распределения мощности по лазерному пятну.

Вид процессов лазерной закалки внутренней резьбы муфты а) наружной резьбы ниппеля б) буровой штанги
Вид процессов лазерной закалки внутренней резьбы муфты а) наружной резьбы ниппеля б) буровой штанги

В многоканальном газоразрядном лазере указанная равномерность достигается определённым расположением излучателей в лазере [4] — таким, что пятно на поверхности детали имеет форму кольца с конкретным соотношением радиусов r1 и r2, зависящим от длины оптического тракта, и положения пятна относительно точки фокуса или положения пятна относительно выходного сопла лазерной головки. В этих условиях задача определения параметров обработки усложняется.

Из выражения (3) следует, что при заданной мощности излучения Po и его эффективной плотности Qэф, толщине упрочнённого слоя Z и ширине дорожки упрочнения, определяемой радиусом пятна, величина внутреннего радиуса равна:

r2=(r2/1- γ• A• Po• Z / π Qэф)0,5 (4)В то же время, исходя из условия равномерного распределения мощности по пятну нагрева во время движения, соотношение между радиусами r1 и r2 имеет вид:

r2≈r1 (2+0,1r1)-1 (5)

Соотношение между радиусами r1и r2 в выражении (5) можно обеспечить только при определённой длине оптического тракта, которую можно установить с помощью компенсатора.

Тогда выражение для квазиоптимальной плотности мощности будет иметь вид: Qко = γ• A• Po• Z / πr2/1[1-(2+0,1r1 )-2]. (6) Здесь Qко – квазиоптимальное значение плотности мощности.

Исходя из изложенного выше, процедура обеспечения квазиоптимальных параметров лазерного упрочнения будет выглядеть следующим образом.

Мобильный роботизированный комплекс
Мобильный роботизированный комплекс
  1. Исходя из требуемой глубины закалки для данного материала определяется необходимое время нагрева по выражению (1) и требуемая мощность излучения Р0. Выбирается необходимая ширина дорожки упрочнения (2 r1).
  1. По выражению (5) определяется требуемый внутренний радиус кольца пятна излучения из условия равномерности распределения мощности в пятне нагрева.
  2. Перемещением зеркал компенсатора проводится настройка необходимой длины оптического тракта, обеспечивающая квазиоптимальное значение плотности мощности пятна излучения.
  3. Исходя из времени нагрева, определяется скорость перемещения луча.

Как правило, охлаждение поверхности или объёма, нагретых лазерным лучом, происходит на воздухе или в среде инертного газа естественным образом. В тоже время применение управляемого принудительного охлаждения может значительно повысить эффективность лазерной обработки и эксплуатационные свойства изделия.

Многократное увеличение скорости при использовании управляемого охлаждения в процессе лазерной закалке не приведёт к формированию новых фаз и структур. Однако высокая скорость охлаждения приводит к тому, что после охлаждения образуются более высокодисперсные структуры и образующийся при этом мартенсит более дисперсный, чем при естественном охлаждении.

Измельчение зёрен благоприятно сказывается на свойствах стали, и, прежде всего, возможно достижение наиболее оптимального сочетания прочности и пластичности. Особенно сильное влияние измельчение зёрен оказывает на повышение сопротивлению ползучести, поскольку границы зерен эффективно препятствуют пластическому течению металла при повышенных температурах.

Вместе с тем, несмотря на стремление получить высокую равномерность теплового воздействия на упрочняемую зону, условия естественного охлаждения как по ширине дорожки лазерного упрочнения, так и в направлении относительного движения луча и детали будут различными вследствие различных условий теплоотвода. Это не позволит получить высокую равномерность свойств упрочнённого слоя и скорость охлаждения выше критической [1] по всей ширине дорожки упрочнения.

На рис. 3 приведён вид температурного поля (изотермы) модели нагрева поверхности образца из малоуглеродистой стали лазерным лучом многолучевого лазера комплекса ЛК-5В (ООО «ТермоЛазер») мощностью 5кВт, перемещающимся со скоростью V=10 мм/с при ширине дорожки упрочнения 10 мм. Параметры режимов охлаждения существенно зависят от геометрии детали и содержания углерода в данной марке стали.

Следовательно, необходимо непрерывно вслед за движущимся лазерным лучом осуществлять управляемое охлаждение со скоростью выше критического значения с температуры нагрева в интервале АС1 нач-АС1 кон до точки начального мартенситного превращения и замедленное охлаждение в зоне этого превращения (300-200°С) с учётом формы изделия и содержания углерода в данной марке стали.

Такое ступенчатое охлаждение возможно путём подачи в зону нагрева вслед за движущимся лазерным лучом управляемого потока охлаждающей среды. При широкой дорожке упрочнения расстояния от зоны температуры нагрева поверхности в интервале АС1 нач-АС1 кон (нагрев под полную закалку) до центра лазерного пятна по краям дорожки и в её центре вследствие различных условий теплоотвода могут значительно отличаться (до величины соизмеримой с размерами лазерного пятна).

Алгоритм функционирования мобильного робота при обработке крупногабаритного объекта участками
Алгоритм функционирования мобильного робота при обработке крупногабаритного объекта участками

При этом величины указанных расстояний и их соотношение существенно зависят от геометрии обрабатываемого изделия и содержания углерода в данной марке стали. Для обеспечения формирования в поверхностном слое структуры мартенсита после нагрева необходимо осуществлять дополнительное непрерывное охлаждение обрабатываемой поверхности охлаждающей жидкостью, подаваемой непосредственно на участок поверхности, температура нагрева которого находится в интервале АС1 нач-АС1 кон. Это можно выполнить с помощью совокупности трубок подачи хладагента [5].

Положение участка следует определять для каждого объекта перед его обработкой натурным экспериментом с использованием тепловизионный матрицы или машинным экспериментом с учетом марки стали и геометрии объекта, например, с помощью пакета моделирования физических процессов COMSOL.

Трубки следует выполнять с возможностью регулирования расхода охлаждающей жидкости или газа через каждую их них и с возможностью изменения их взаимного положения по направлению относительного движения лазерного луча и объекта обработки.

Для бурения скважин при поисках и разведке ТПИ и воды, при инженерно-геологических изысканиях и в строительстве используются обсадные и колонковые трубы повышенной прочности преимущественно из стали 45 длиной до 12 метров. Для повышения износостойкости наружной поверхности колонковых труб и ниппелей диаметром 57, 73 и 89 мм концы труб на длине 500 мм подвергаются поверхностной закалке на установках ТВЧ.

Ниппели для исключения заедания резьбы и увеличения ее износостойкости в дополнение к закалке ТВЧ проходят процесс карбонитрации. Поверхностная твердость закалочных мест тела трубы — min 40HRC, ниппелей — min 50HRC. Используя лазерную закалку, можно обеспечить твёрдость поверхности обрабатываемых участков труб до 50-55 HRC без оплавления и деформации профиля резьбы при высоких производительности и уровне автоматизации.

На сегодняшний день одной из самых перспективных отраслей горнодобывающей промышленности является открытая разработка полезных ископаемых. Карьерным методом добывают руды металлов, стройматериалы и сырье для химической промышленности. Современные карьеры — это предприятия с целыми комплексами специализированной крупногабаритной техники.

В России горнодобывающая техника зачастую работает в четвёртой и особой климатических зонах и всегда находится в режиме высокой нагрузки, работая круглосуточно. Выход из строя крупногабаритных деталей приводит к значительным простоям и материальным потерям. Выполнение ремонтно-восстановительных работ деталей и узлов горнодобывающего оборудования на месте работы с использованием лазерных технологий является важной и актуальной задачей.

Подавляющее большинство операций при ремонтно-восстановительных работах крупногабаритных объектов, например, очистка поверхности и наплавка изношенных ковшов и других деталей карьерного оборудования горнодобывающей промышленности; очистка, наплавка и сварка при ремонтно-восстановительных работах крупногабаритных деталей и узлов подъемно-транспортного оборудования на месте его эксплуатации; осуществляется вручную с применением средств механизации непосредственно на месте их расположения.

При этом обработка крупногабаритного объекта должна выполняться с требуемой точностью в условиях его практически недетерминированного пространственного положения. Задача автоматизированной обработки крупногабаритных объектов с требуемой точностью, в том числе в полевых условиях может быть решена с использованием мобильного робото-технического комплекса, манипулятор которого оснащен диодным лазером и тележка которого в процессе выполнения операции должна перемещаться часто по неровной и нетвёрдой (грунтовой) поверхности или базироваться на ней при обработке крупногабаритного объекта участками.

Требуемую точность и качество обработки при не стабильном положении тележки можно обеспечить путем измерения её текущего положения в некоторой инерциальной системе координат и введения корректирующих воздействий в траекторию движения рабочего инструмента и его положения относительно объекта обработки.

Однако это потребует сложной измерительной системы, сложных алгоритмов вычисления корректирующих воздействий на управляющие сигналы для приводов подающей робототехники в реальном времени и может привести к нежелательным колебательным процессам в ходе выполнения операции. Поскольку в общем случае тележка может смещаться по всем шести координатам декартовой системы, реализация обозначенного выше решения потребует большого количества степеней подвижности манипулятора подающей робототехники.

Для обеспечения требуемой точности и качества обработки крупногабаритных объектов в мобильном робототехническом устройстве предлагается реализовать систему стабилизации положения основания манипулятора робота относительно тележки и обеспечить высокую устойчивость и жёсткость неподвижного положения тележки на нежёсткой, например, грунтовой поверхности при работе в полевых условиях. Алгоритм функционирования мобильного робота при обработке крупногабаритного объекта участками приведён на схеме.


По материалам:
Д. О. Чухланцеа, Д. А. Рыжикова, И. Е. Ручая — ООО «ТермоЛазер», В. П. Умнова — ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых»
.

Литература:

  1. А.Г. Григорьянц, А.Н. Сафонов. Основы лазерного термоупрочнения. М., «Высшая школа», 1990.
  2. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. Пособие для вузов /Под ред. А.Г. Григорьянца .- М.:Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана,2006.-664 с.
  3. В.С. Майоров. Лазерное упрочнение металлов/ Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок. / Под ред. В.Я.Панченко. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. – с.439-469.
  4. Патент №2580350, Россия, C21D 1/09, Способ упрочнения поверхности детали / Югов В.И., Мальцев В.В., Рыжикова Д.А., Шишкин Е.С., Старостин Д.А.

Поделиться:
Статья опубликована в журнале Добывающая промышленность №6, 2020
Нашли ошибку? Выделите ее мышкой
и нажмите
Ctrl + Enter
Поделиться:
Вы уже голосовали

Обсуждение закрыто.

Подпишитесь
на ежемесячную рассылку
для специалистов отрасли

популярное на сайте

Подпишитесь
на ежемесячную рассылку
для специалистов отрасли

Спасибо!

Теперь редакторы в курсе.