Лазерный мир

А.М. Кудрявцева, А.Н. Лабусов // Инновационные идеи в машиностроении. Cборник научных трудов Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. Под редакцией А.А. Поповича, Д.П. Гасюка. Санкт-Петербург, 2022. С. 271-274. 

В работе изложено исследование макета пальцев высоконагруженной первой стенки реактора-токамака ИТЭР в процессе лазерной сварки биметаллической крышки (CuCrZr-IG/316L(N)-IG). Выполнен тепловой и механический расчеты макета методом конечных элементов в программе Ansys WorkBench. При выполнении расчетов макета был использован приближенный метод моделирования процесса лазерной сварки с допущениями. Полученные результаты могут быть использованы в следующих работах для выполнения корректного механического расчета последующих этапов изготовления макетов.

Для достижения цели были поставлены следующий задачи: выполнить тепловой и механический расчеты макета в процессе лазерной сварки, получить НДС макета. Все расчеты были выполнены методом конечных элементов в программе
Ansys WorkBench. Для расчета была рассмотрена 1/2 часть макета с учетом симметрии. На данном моделируемом этапе производства стальная опора и элементы облицовки отсутствуют (см. рис. 1а), поэтому не учитываются в расчете. Материалы макетов: нержавеющая сталь 316L(N)-IG и хромоциркониевая бронза CuCrZr [1]. Все расчеты были выполнены с учетом пластических свойств стали и бронзы. Конечно- элементная модель представлена на рисунке 1б.

При выполнении расчетов макета был использован указанный ниже приближенный метод моделирования процесса лазерной сварки с допущениями:
лазерная сварка– способ сварки плавлением, при котором металл нагревают излучением лазера [2]. Особенностью лазерной сварки является быстрый точечный нагрев металла в области сварного шва до температуры плавления (1450°С). Данное значение необходимо учесть в тепловом расчете. Сварка продольных швов выполняется последовательно с промежутком по времени более 10 минут между каждым швом для изменения положения макета в оснастке, что также необходимо учесть в расчетах. продольные укорачивающие напряжения (рис.2), возникающие в сварных швах вдоль макета, приводят к продольной изгибной деформации макета, которая была измерена на 6 сваренных макетах и составляет в среднем Х = 0,5–0,6 мм (рис.3). Таким образом для получения НДС макета после лазерной сварки также необходимо решить обратную задачу – подобрать соответствующее значение продольной силы, действующей вдоль длинных швов (швы вдоль макета), приводящей к деформации макета, полученной при испытаниях; продольными укорачивающими напряжениями (рис.2), возникающими в сварных швах поперек макета, можно пренебречь из-за малой длины швов поперек макета.

Заключение
В данной работе был разработан и представлен приближенный метод моделирования процесса лазерной сварки с допущениями. В работе был выполнен тепловой расчет макета в процессе лазерной сварки с учетом некоторых упрощений. Под действием теплового распределения, полученного в тепловом расчете, и подобранной нагрузки, действующей вдоль сварного шва, был выполнен механический расчет НДС макета в процессе лазерной сварки. Полученное НДС макета может быть использовано в следующих работах для выполнения корректного механического расчета последующих этапов изготовления макетов.