Григорьянц А.Г. Гибридные технологии лазерной сварки. Учебное пособие А. Г. Григорьянц, И. Н. Шиганов, А. М. Чирков гибридные технологии лазерной сварки
 Скачать 2 Mb.
|
|
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н.Э. БАУМАНА Учебное пособие А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, А.М. Чирков ГИБРИДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ И з д а т е л ь с т в о М Г Т У и м е н и Н . Э . Б а у м а н а 2 МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н.Э. БАУМАНА А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, А.М. Чирков ГИБРИДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов по образованию в области машиностроения и приборостроения в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 6514 «Машиностроительные технологии и оборудование», специальность 1207 «Машины и технология высокоэффективных процессов обработки материалов» Москва Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана 2004 3 УДК 621.791.7(075.8) ББК 34.441 Г83 Рецензенты: д-р техн. наук, проф. В.А. Фролов, д-р техн. наук, проф. В.М. Неровный Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Чирков А.М. Г83 Гибридные технологии лазерной сварки: Учебное пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 52 с.: ил. ISBN 5-7038-2614-4 В учебном пособии рассмотрены основы современных технологий гибридных методов лазерной сварки, а также основные технологические недостатки лазерной сварки. Представлены примеры практического применения технологии гибридных методов лазерной сварки. Для студентов старших курсов, обучающихся по специальности «Машины и технология высоко- эффективных процессов обработки материалов», и инженеров-технологов машиностроительных предприятий. Ил. 39. Табл. 5. Библиогр. 7 назв. УДК 621.791.7(075.8) ББК 34.441 ISBN 5-7038-2614-4 © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004 4 ВВЕДЕНИЕ Уникальные свойства лазерного излучения – высокая монохроматичность и когерент- ность, низкая расходимость позволили создать перспективный вид высококонцентрированного теплового источника энергии. Луч лазера, как сварочный источник энергии, открыл новые техно- логические возможности в теории и практике сварочных процессов. Лазер, в настоящее время, является единственным доступным сварочным источником энергии, который при атмосферных условиях позволяет получить плотности мощности более 10 6 Вт/см 2 , реализующие режим глубо- кого проплавления. Любое сравнение лазерной сварки с другими методами является достаточно условным, поскольку каждый метод сварки, имеет свои определенные преимущества и недостатки, которые определяют области оптимального технико-экономического применения. Лазерная сварка в процессе своего научно-технического развития получила свое даль- нейшее развитие в виде создания гибридных методов сварки – двухлучевой лазерной, лазерно- дуговой, лазерно-индукционной, лазерно-плазменной, лазерно-светолучевой, которые находят все большее применение в промышленности вследствие своей высокой технико-экономической эффективности. Соединение различных методов сварки с лазерной, в единый технологический свароч- ный процесс, позволяет нивелировать недостатки каждого метода сварки и получить новое каче- ство в виде функции расширения технологических возможностей. В настоящее время лазеры являются стандартным технологическим оборудованием мно- гих промышленных предприятий, поэтому знание основных технологических возможностей, экономической эффективности, областей практического применения лазерной и гибридных ла- зерных методов сварки является непременным условием образовательного уровня современного инженера-технолога по сварочным технологиям. В данном учебном пособии обобщен теоретический и практический опыт гибридных способов лазерной сварки конструкционных материалов, произведен сравнительный количест- венный и качественный технико-экономический анализ гибридных способов лазерной сварки. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ Лазерная сварка, обладая определенными преимуществами перед известными классиче- скими методами сварки, в то же время, как и любой другой метод сварки, имеет недостатки, ко- торые, в большинстве своем, обусловлены физикой взаимодействия лазерного излучения с веще- ством или являются логическим следствием ее преимуществ. 1.1. Поглощение лазерного излучения обрабатываемой поверхностью Поглощательная способность – А обрабатываемой лазерным излучением поверхности за- висит от длины волны лазерного излучения, температуры и оптических свойств поверхности вполне определенными для каждого металла. На рис. 1 показана зависимость поглощательной способности стали и алюминия, как функция длины волны лазерного излучения, при комнатной температуре. Поглощательная способность алюминия составляет около 2%, при применении СО 2 - лазера с длиной волны 10,6 мкм, и 5%-10% при применении твердотельного лазера λ = 1,06 мкм. Что касается металлических материалов, то лазерное излучение поглощается в скин-слое и через электроны, в области проводимости, энергия передается в глубь металла, то есть передача тепла металлу происходит за счет столкновений электронов, поглотивших лазерное излучение, с кристаллической решеткой и другими электронами. Этот процесс развивается на глубине 0,1 ÷ 1 мкм, за промежуток времени примерно равный 10 -11 сек. Постепенно температура электронного газа и кристаллической решетки выравниваются и примерно через 10 -9 ÷ 10 -8 сек можно говорить об общей температуре металла в зоне обработки. 5 Рис. 1. Зависимость поглощательной способности от длины волны лазерного излучения Для алюминия это означает, что при применении твердотельного лазера поглощательная спо- собность выше, чем для стали. 1,06 λ, Сталь Al А, 10,6 Низкий уровень поглощательной способности обрабатываемой поверхности и ее зависи- мость от длины волны лазерного излучения является существенным недостатком технологии ла- зерной обработки, так как приводят к значительному повышению порогового значения уровня плотности мощности, необходимой для обработки материала. Низкие значения поглощательной способности металлов делают, на первый взгляд, мало- эффективным использование мощных лазеров в металлообработке. Однако поглощательная спо- собность металла может быть существенно повышена специальной обработкой поверхности – увеличением исходной шероховатости, нанесением специальных покрытий, созданием окисной пленки, а также с использованием физических методов. Технологические операции изменения шероховатости поверхности, нанесения специаль- ных покрытий увеличивают длительность технологических циклов и трудоемки, поэтому жела- тельна замена или исключение из технологического цикла изготовления детали данных техпро- цессов. Более целесообразным является воздействие на обрабатываемую поверхность дополни- тельными источниками нагрева, которые производятся одновременно (параллельно) с лазерной сваркой и, изменяя физико-оптические свойства поверхности, значительно увеличивают погло- щательную способность обрабатываемой поверхности. Поглощательная способность неокисленной металлической поверхности лазерного излу- чения с длиной волны λ = 10,6 мкм описывается уравнением Хагена-Рубенса. А = 112,2 (σ -1 ) 1/2 (1) где, σ – удельная электропроводность металла, (Ом·м) -1 ; А – поглощательная способность (коэффициент поглощения) металла. Поскольку электропроводность металлов уменьшается при увеличении температуры, то, соответственно, возрастает и коэффициент поглощения. При переходе металла из твердого со- стояния в жидкое, число электронов проводимости на один атом металла, плотность металла, удельное сопротивление металла по постоянному току изменяются (рис. 2). Рис. 2. Температурная зависимость удельного сопротивления для железа и сталей 6 Изменение данных физических величин приводит, в соответствии с законом Хагена- Рубенса, к повышению коэффициента поглощения в точке плавления металла (рис. 3). Ag Al Au Cu Pb W T, K 2000 1000 0,05 0,10 0 0 A Рис. 3. Расчетная зависимость коэффициента поглощения чистых металлов от температуры В качестве дополнительных источников воздействия, для изменения оптических свойств поверхности, может выступать электрическая дуга, струя плазмы, светолучевая обработка, кото- рые, действуя одновременно (параллельно) с лазерным излучением, изменяют коэффициент по- глощения обрабатываемой поверхности и одновременно участвуют в образовании и формирова- нии сварного шва. 1.2. Термические циклы лазерной сварки Существенное значение на свариваемость металлов оказывают термические сварочные циклы. Лазерная сварка обладает жестким термическим циклом. Скорость нагрева в сварном шве характеризуется значением 1,4 ⋅ 10 4 град/с. Скорость нагрева в зоне термического влияния в ин- тервале полиморфного превращения сталей составляет 5 ⋅ 10 3 град/с., а скорость охлаждения 5 ⋅ 10 2 град/с. Уменьшение жесткости термического цикла, в определенных случаях, может благо- приятно сказываться на свариваемость. Уменьшение жесткости сварочного термического цикла может быть реализовано одно- временным наложением термического цикла лазерной сварки и менее жестких термических цик- лов других методов сварки, например, индукционной, плазменной, светолучевой, используя их в режиме предварительного или сопутствующего подогрева (рис. 4). 7 а) б) в) Т, Е К t,c Т, Е К t,c Т, Е К t,c Рис. 4. Термические циклы различных методов сварки а) термический цикл лазерной сварки б) термический цикл индукционного подогрева в) термический цикл гибридной лазерно-индукционной сварки Как видно (рис. 4в) жесткость термического цикла снижается при гибридной лазерно- индукционной сварке, что благоприятно сказывается, в отдельных случаях, на технологической прочности сварного соединения. 8 1.3. Процессы порообразования при лазерной сварке Процесс порообразования относится к сложным физико-химическим явлениям и его раз- витие обусловлено не только свойствами исходного металла, но и параметрами сварки. Рассмот- рим порообразование применительно к лазерной сварке алюминиевых сплавов. Одной из основ- ных причин порообразования при сварке алюминия и его сплавов является водород, попадающий в металл сварочной ванны из основного и присадочного металла. Из-за высокого сродства рас- плавленного металла к водороду и "падения растворимости", которое имеет место во время кри- сталлизации алюминия, необходимо принять меры по предотвращению любого притока водорода в зону шва (рис. 5). Расплавленный алюминиевый сплав при температуре 660°С может раство- рить около 0,7см 3 /100 г водорода - то при температуре 658°С, как только он кристаллизовался, только 0,036 см 3 /100 г. Одной из отличительных черт лазерной сварки является низкая погонная энергия, что означает, что для обратной диффузии водорода остается очень мало времени - си- туация, которая, в конечном счете, приводит к образованию водородных пор. С другой стороны, используя методы сварки в которых погонная энергия выше, сварочная ванна больше, больше время кристаллизации - что благоприятно сказывается на эвакуацию большего количества водо- рода и, соответственно уменьшение пористости. г см G 100 , 3 Т, о С Рис. 5. Растворимость водорода в алюминии в зависимости от температуры где, G – растворимость водорода, см 3 /100 г. Таким образом, уменьшение длительности существования жидкой фазы расплава свароч- ной ванны должно подавлять развитие зародышей пузырьков, а увеличение – способствовать их росту и, следовательно, эвакуации пузырьков из жидкой фазы сварочной ванны. Увеличение дли- тельности существования сварочной ванны возможно за счет увеличения погонной энергии. Снижением погонной энергии (ужесточением термического цикла сварки) можно умень- шить размер пор (суммарный объем несплошностей) за счет сокращения времени развития газо- вых пузырьков. Однако при этом давление водорода в порах будет повышенным из-за того, что большая часть влаги будет реагировать с уже закристаллизовавшимся металлом с выделением водорода в объем несплошностей. Исследование лазерной сварки сплавов алюминия показало, что гибридная двухлучевая лазерная сварка позволяет уменьшить порообразование, за счёт снизижения жесткости термиче- ского цикла. 1.4. Гидродинамическая неустойчивость ванны расплава при высоких скоростях лазерной сварки При определенных, высоких, скоростях лазерной сварки (V св > 200 мм/с) качественное формирование швов нарушается в результате образования так называемых “горбов”, (“вспле- сков”). 9 Причины образования горбов следующие. При сварке со сквозным проплавлением суще- ствует множество факторов (возмущений), вызывающих нарушение качественного формирова- ния шва. К ним относятся возмущения, обусловленные технологической наследственностью, оп- ределяемые химической и структурной неоднородностью металла, а также системными ошибка- ми технологической подготовки производства (колебаниями толщины зазора, угла скоса кромок свариваемых деталей и др.). Технологические возмущения приводят к случайным изменениям кривизны жидкой фазы расплава металла шва и соответственно к изменению сил поверхностного натяжения, что вызывает перепад давлений в жидкой фазе поперечного сечения сварочной ван- ны, который приводит к торможению жидкой фазы металла части ванны шва. В месте торможе- ния жидкой фазы увеличивается объем жидкого металла и при кристаллизации образуется “горб”. Таким образом, жидкая фаза ванны расплава шва испытывает гидродинамическую неус- тойчивость, ведущую, на больших скоростях сварки, к образованию “горба”. Использование дополнительных источников нагрева в виде второго, менее мощного луча, дуги или плазмы позволяет сглаживать образующиеся “горбы”. 1.5 Требования к геометрии сборки свариваемых деталей Высокие значения коэффициента сосредоточенности лазерного сварочного источника энергии определяют минимальные объемы расплава сварочной ванны, а режим глубокого про- плавления – высокое значение коэффициента формы шва. Вышеуказанные факторы предъявляют более высокие требования к точности геометрии сборки свариваемых деталей под сварку, по сравнению с аргоно-дуговой сваркой (АРДС). Например, при сварке в стык, без присадки (рис. 6), конструкционных сталей толщиной Н, требования предъявляемые к зазору в стыке – b и смещение кромок – ΔH при лазерной сварке – ЛС являются более жесткими по сравнению с АРДС (таблица №1). 10 b H Δ Н Рис. 6. Геометрия зазора и смещения свариваемых кромок при сварке встык 11 Таблица 1 Толщина ме- талла, мм Скорость сварки, мм/сек Максимально допустимая величина зазора (b), мм Максимально допустимое смещение кромок (ΔН), мм 0,8 – 1,5 5,5-22,2 22,2-33,3 0,12 0,10 0,1 1,5 – 3,0 5,5-22,2 22,2-33,3 0,15 0,12 0,15 Невыполнение требований по геометрии сборки свариваемых деталей при лазерной сварке может привести к утонению (ослаблению) шва, потере конструкционной прочности сварного со- единения или к непровару корня шва. Требования к точности геометрии сборки можно значительно снизить, если увеличить объем сварочной ванны и уменьшить значение коэффициента формы шва. Этого можно достичь, например, используя параллельно с лучом лазера электрическую дугу, которая, формируя сва- рочную ванну в режиме теплопроводности, значительно уменьшает коэффициент формы шва, то есть использовать гибридную технологию лазерно-дуговой сварки. 1.6 Требования к стабильности диаграммы направленности лазерного Излучения Стабильность диаграммы направленности лазерного излучения имеет исключительно важную роль в технологической воспроизводимости процесса лазерной сварки. Высокое значе- ние коэффициента формы шва и минимизация диаметра пятна, предъявляют жесткие требования к стабильности диаграммы направленности лазерного излучения, то есть к смещению оптической оси лазерного излучения. Особенно значительно данный эффект может сказываться если свароч- ный пост находится на расстоянии нескольких десятков метров от излучателя лазера. Изменение положения центра диаграммы направленности в пространстве приводит к смещению энергетического центра сварочного источника тепла, и, как следствие, к смещению геометрии формирования шва и особенно корня шва (рис. 7), что может привести к непровару корня шва. 2 1 Рис. 7. Изменение геометрии формирования шва в результате нестабильности диаграммы на- правленности лазерного излучения 1 – исходное положение диаграммы направленности 2 – смещенное положение диаграммы направленности Стабильность диаграммы направленности определяется не только лазером, но и системой транспортировки и фокусировки лазерного излучения. 1.7 Технико-экономическая эффективность лазерной сварки При выборе вида сварочного источника энергии, для сварки конкретных изделий, необходимо учитывать, энергетическую и экономическую эффективность сварочного источника, а также качество и надежность полученных сварных соединений. Оценку технико-экономической эффективности различных методов сварки производят по многим параметрам, в том числе по значению удельной плотности энергии – W E , необходимой для формирования шва (рис. 8). W Е , Дж/см 2 lg W Е W 0 Е = W св Е + W всп Е W ш Е 2 3 4 5 6 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 Рис. 8. Энергетическая эффективность сварочных источников энергии Где, 12 ш E W – плотность энергии, необходимая для образования шва; св E W – плотность энергии сварочного источника; всп E W –плотность энергии вспомогательных систем; 0 E W – суммарная плотность энергии при сварке Сравнение критериев , для шва при однопроходной сварке конструкционной стали, показывает, что переход от сварки концентрированным источником энергии (например, газовым пламенем ≈ 200÷400 Дж/мм ш E W ш E W 2 ) к высококонцентрированным в значительной мере снижает значение ш E W В то же время общие затраты удельной энергии , в которых учитывается полное КПД источника энергии, сервисное энергообеспечение (например, вакуумирование для электронно- лучевой сварки) для высококонцентрированных источников энергии выше по сравнению с концентрированными источниками энергии. O E W Стоимость одного ватта энергии концентрированного источника энергии, например свето- лучевой сварки, составляет примерно на парядок ниже стоимости одного ватта высококонцен- трированного сварочного источника энергии. Поэтому объединение различных видов сварки в единый технологический процесс позволяет снизить стоимость одного Вт энергии сварочного источника энергии. Таким образом, соединение лазерной сварки с другими источниками нагрева, в единый технологический процесс, позволяет в значительной мере нивелировать присущие каждому из методов сварки недостатки и, одновременно, получить новое качество, в виде расширения техно- логических возможностей. В частности, повысить качество сварных соединений и значение верхнего предела скорости сварки, а так же снизить дефектообразование при сварке и себестои- мость сварки одного погонного метра шва,. Наиболее разработанными являются процессы гибридных технологий двухлучевой лазер- ной сварки, лазерно-дуговой, лазерно-индукционной, лазерно-плазменной и лазерно- светолучевой. 13 |