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.
|
|
2. ЛАЗЕРНО-ДУГОВАЯ СВАРКА К настоящему времени дуговой разряд, как один из самых распространенных и дешевых видов сварочных источников, наталкивается в своем дальнейшем развитии на существенные трудности, связанные с недостаточной концентрацией энергии в электродуговой плазме и неус- тойчивостью горения дуги при высоких скоростях сварки. В связи с этим дуговой разряд, как технологический инструмент для реализации процессов сварки и металлообработки, не удовле- творяет современным требованиям промышленности в отношении производительности и качест- ва сварных соединений. Лазерная сварка, как было сказано, также имеет определенные недостат- ки. Гибридная лазерно-дуговая сварка позволяет в значительной мере нивелировать вышепере- численные недостатки, присущие каждому из указанных методов сварки. Гибридная лазерно-дуговая сварка – это такой метод сварки, при котором формирование сварочной ванны происходит при одновременном действии лазерного излучения и сварочной ду- ги. Процесс лазерно-дуговой сварки металлов может быть реализован по двум схемам – в первой схеме луч лазера и дуга действуют с разных сторон (рис. 9,а), во второй схеме воздейст- вие дуги и луча осуществляется с одной стороны, по отношению к направлению сварки и норма- ли к поверхности металла (рис. 9,б). При совместном действии дуги и лазерного луча с одной стороны детали основанием дуги служит образованная лазерным лучом приповерхностная плаз- ма, что способствует повышению скорости сварки, так как дуга, подплавляя поверхностный слой металла, способствует повышению коэффициента поглощения лазерного излучения. Выбор той или иной схемы лазерно-дугового процесса определяется, прежде всего, конструктивными осо- бенностями сварного узла. Схема (а) может быть использована при сварке листовых материалов, а при сварке изделий типа обечайки предпочтительнее схема ( б). 14 Рис. 9. Геометрические схемы реализации процесса лазерно-дуговой сварки б) Лазерное излучение Лазерная плазма Фокусирующая линза W-электрод Плазма электрической дуги Жидкая фаза расплава Сварной шов V V св св Жидкая фаза расплава Анодное пятно W-электрод ) Парогазовый канал а Процесс лазерно-дуговой сварки может осуществляться неплавящимся или плавящимся электродом. При использовании неплавящегося электрода дуга зажигается впереди по ходу свар- ки. Дуга подогревает металл и расплавляет его верхний слой, а лазерный луч осуществляет глу- бокое проплавление. В случае использования плавящегося электрода электрическую дугу зажи- гают позади сфокусированного лазерного излучения, которое проплавляет только соприкасаю- щиеся части металла, например в V-образной разделке его кромки, а заплавление скоса кромок осуществляет электрическая дуга с расходуемым электродом. 2.1. Основные энергетические характеристики процесса лазерно-дуговой сварки Поскольку лазерно-дуговая сварка осуществляется двумя источниками нагрева, необхо- димо рассмотреть энергетический баланс процессов лазерной, дуговой и лазерно-дуговой сварки. При лазерной сварке часть энергии лазерного луча - Q поглощается облаком плазмы (фа- келом) - Q , отражается от металлической поверхности - Q , расходуется на испарение - Q и образование сварочной ванны - Q , а также отводится в металл теплопроводностью - Q . При этом баланс энергии при лазерной сварке определяется следующим образом: л ф л 0 л и л в л Т Q = Q л ф +Q л 0 +Q +Q +Q (2) л и л в л Т Дуга рассматривается как квазиравновесная система, состоящая из трех источников энер- гии – катодного W к , анодного W а и столба дуги W ст . При этом теплота, выделяющаяся в катодной и анодной зонах, затрачивается на нагрев, плавление и испарение соответствующих электродов. Рассмотрим баланс тепла при сварке неплавящимся W - электродом на прямой полярно- сти. В первом приближении полная электрическая мощность дуги U д I, складывающаяся из тепла, выделяемого на аноде W а , катоде W к и в столбе дуги W ст , расходуется на подогрев, плавление и испарение электрода Q , отводится в свариваемый металл (анод) теплопроводностью Q , затра- чивается на образование сварочной ванны Q и на потери тепла за счет радиации Q . Пренебре- гая радиационными потерями в анодной и катодной зонах, можно считать, что Wа ≈ Q + Q ,а Wк = Q . В общем виде получаем следующее выражение: Д Э Д Т Д В Д Р Д Т Д В Д Э U д I = W а + W ст + W к = Q + Q + Q + Q (3) Д Т Д В Д Э Д Р Тепло от двух источников энергии должно суммироваться, однако, как показали экспери- ментальные исследования, тепловой баланс при лазерно-дуговой сварке не является суммой ба- лансов тепла отдельных источников (таблица №2). 15 Таблица 2 Источник нагрева P, Вт U д , В I, А U д I+P, Вт V св , мм/с S, мм 2 Лазерный 950 — — — 31,3, 0,809 Дуговой — 24 50 1200 31,3 0,756 Лазерно-дуговой 950 20 50 1950 31,3 1,988 Количество тепла, затраченное на образование сварочной ванны, пропорционально пло- щади поперечного сечения шва S. Так как площадь поперечного сечения шва при лазерно- дуговой сварке превышает сумму площадей сечения швов, выполненных, отдельно дуговой и ла- зерной сваркой, то и количество тепла, затраченное при этих процессах на проплавление металла, различно. Таким образом, взаимное влияние источников приводит к повышению эффективности сварочного процесса. Баланс тепла при лазерно-дуговой сварке необходимо рассматривать как от единого лазерно-дугового источника суммарной мощностью Р+U д I. Р+U д I = Q + Q + Q + Q + Q + Q + Q (4) ЛД В ЛД Т ЛД Э ЛД И ЛД 0 ЛД Ф ЛД Р Основными энергетическими характеристиками процесса лазерной сварки плавлением яв- ляются эффективный - η эф , термический - η т и полный - η тепловой КПД. При лазерно-дуговой сварке эффективный КПД - η эф процесса определяется отношением суммы потерь при сварке к общей введённой мощности: I U P Д эф + + + = ЛД И ЛД Т ЛД В Q Q Q η (5) Термический КПД - η т определяет долю энергии, введенной в материал, затраченную на плавле- ние: ЛД И ЛД Т ЛД В ЛД В Q Q Q Q + + = t η (6) Полный тепловой КПД представляет собой произведение термического и эффективного I U P Д t эф + = ⋅ = ЛД В Q η η η (7) и наиболее полно информирует об эффективности процесса. Рассмотрим влияние параметров режима сварки на полный тепловой КПД. Из закона со- хранения энергии следует естественное ограничение сверху , где , – полный КПД лазерной и дуговой сварки. С другой стороны, очевидно, что ] max[ Д Л η η η + < Л η Д η [ ] Д Л η η η + ≥ min . Эти ограничения на полный КПД процесса лазерно-дуговой сварки соблюдаются во всем диапазоне изменения параметров режимов. 16 Величина η определяется степенью влияния лазерного и дугового источника друг на дру- га, что в свою очередь зависит от соотношения мощностей источников, их взаимной геометриче- ской ориентации и других параметров сварки. При воздействии лазерного излучения и дуги в процессе сварки по второй геометрической схеме, КПД выше для случая, когда дуга располагается впереди по ходу движения лазерного луча (таблица 3). Таблица 3 Геометрическое положе- ние источников P, Вт I, А V с , мм/с S, мм 2 η Дуга впереди луча 950 100 40 2,370 0,32 Дуга сзади луча 950 100 40 1,856 0,25 Поэтому сварку без присадки рекомендуется проводить с расположением сварочного W- электрода впереди луча, поскольку такой процесс более эффективен. Наибольший интерес представляет характер изменения эффективности нагрева в зависи- мости от соотношения мощностей лазерного и дугового источника. Исследования, проведенные на лазерной установке мощностью до 1000 Вт и установке для аргонно-дуговой сварки W-электродом в диапазоне токов 15...120 А, показали, что в указанном диапазоне токов дуги с увеличением мощности лазерного луча полный КПД лазерно-дуговой сварки повышается до максимальных значений. Этот факт указывает на то, что решающая роль в эффективном тепловложении принадлежит энергии лазерного излучения. В зависимости от тока дуги, при фиксированном значении мощности лазера, полный теп- ловой КПД для малых токов остается приблизительно постоянным, а затем с увеличением тока дуги понижается. При больших токах мощность дуги, в суммарной мощности лазерно-дугового источника, составляет большую часть, а поскольку эффективность тепловвода дуги меньше, то это и обуславливает наблюдаемое понижение полного КПД (рис. 10). η 0,32 0,28 0,24 20 40 60 80 100 I, А 17 Рис. 10. Зависимость полного теплового КПД лазерно-дуговой сварки от тока дуги (сталь 08Х18Н10Т, Р=900 Вт; V св =21,3 мм/с) В результате снижения КПД, с увеличением доли мощности дуги в суммарной мощности лазерно-дугового источника нагрева, уменьшается и скорость сварки, что подтверждается экспе- риментальными исследованиями (рис. 11). V св , мм/сек 80 60 40 20 1,0 1,4 1,6 2,2 2,6 3,0 P, (U Д ⋅ I) 2 1 Рис. 11. Предельные скорости сварки при проплавлении пластин толщиной 1,5 мм на всю глубину: 1—лазерно-дуговая сварка (P=900 Вт); 2—лазерная сварка Определялась предельная скорость V св , обеспечивающая полный провар пластины из не- ржавеющей стали толщиной H = 1,5 мм, при увеличении мощности источника нагрева, за счет повышения мощности дуги, при постоянном значении мощности лазерного луча – 900 Вт (рис. 11), кривая 1. На этом же рисунке нанесены расчетные (кривая 2) значения предельной ско- рости лазерной сварки в зависимости от мощности, полученные пересчетом по эксперименталь- ному режиму (Р = 900 Вт, V св = 21,3 мм/с). 2.2. Электрические характеристики дуги при лазерно-дуговой сварке При лазерно-дуговой сварке электрические параметры дуги определяются не только про- цессами, происходящими в дуге, но и явлениями, возникающими при лазерном воздействии на металл. При лазерно-дуговой сварке металлов напряжение на дуге ниже, чем напряжение при ду- говой сварке (таблица 4), при практически постоянном сварочном токе эффект понижения на- пряжения на дуге свидетельствует об увеличении проводимости дугового промежутка. 18 19 Таблица 4 Вид сварки и параметры дуги Материал анода дуговая лазерно-дуговая U д , В I, А U д , В I, А P, Вт Нержавеющая сталь 26,6 20 20,2. 20 500 Медь 29,9 75 24,8 75 900 Титан 22,0. 35 19,0 35 500 Алюминий 23,1 30 17,3 30 900 Увеличение проводимости дугового промежутка может происходить либо при уменьше- нии объема ионизированного газа за счет локализации и стабилизации дуги, либо за счет допол- нительного источника заряженных частиц в дуговом промежутке, вследствие интенсивного испа- рения материала образца (анода) под действием лазерного излучения. Зависимости напряжения на дуге от мощности лазерного излучения (рис. 12) показывают, что резкое уменьшение напряжения на дуге происходит при мощности излучения 500 Вт во всем диапазоне исследуемых токов. Экспериментально установлено, что в случае лазерной сварки, при одинаковых условиях фокусировки, переход от теплопроводностного режима проплавления к режиму сварки с кин- жальным проплавлением наблюдается начиная с мощности 500 Вт. Следовательно, при этих ус- ловиях на поверхности свариваемого материала достигается режим интенсивного испарения, ко- торый и обеспечивает глубокое проплавление. Пары металла при температуре интенсивного ис- парения (порядка температуры кипения) являются эффективным источником заряженных частиц. Именно поэтому имеет место резкое понижение напряжения на дуге. Анализ характера формирования швов показывает, что стабилизация дуги лазерным лучом осуществляется во всем диапазоне исследуемых мощностей. Однако существенное понижение напряжения на дуге происходит лишь при мощности лазерного луча свыше 500 Вт. Таким обра- зом, проводимость дуги при лазерно-дуговой сварке повышается вследствие увеличения концен- трации заряженных частиц в дуговом промежутке за счет интенсивного испарения материала под действием лазерного излучения. Как было показано выше, фокусировка лазерного излучения достаточной интенсивности в пятно нагрева дуги приводит к испарению материала из зоны воздействия луча, а пары металла являются эффективным источником заряженных частиц в анодной зоне. Это снижает анодный потенциал практически до нуля. Экспериментально этот факт подтверждается тем, что снижение общего напряжения на дуге при лазерно-дуговой сварке с мощностью изучения более 500 Вт происходит до одной и той же величины независимо от тока дуги (рис. 14). 20 Uд, В 28 Рис. 12. Зависимость напряжения на дуге от мощности лазерного излучения, при сварке нержа- веющей стали (а): 26 24 22 20 18 16 200 400 600 800 P, Вт Uд, В 25 24 22 20 18 16 200 400 600 800 P, Вт 1 2 3 1 2 3 ) ) а б 1 – I=75 А; 2 – I=50 А; 3 – I=20 А; В соответствии с этим вольт-амперные характеристики дуги при лазерно-дуговой сварке смещены по отношению к вольт-амперным характеристикам дуги при дуговой сварке в сторону меньших напряжений, т. е. лазерное излучение оказывает такое же влияние, как и уменьшение длины дуги. Снижение анодного потенциала приводит к перераспределению напряжения по столбу дуги, повышению эффективности тепловвода электрической энергии в свариваемый ме- талл и соответствующему влиянию на геометрию формирования шва. 2.3. Особенности формирования геометрии шва при лазерно-дуговой сварке Формирование геометрии проплавления при лазерно-дуговой сварке определяется энерге- тическим балансом энергии лазерного излучения и электрической дуги и их количественным со- отношением между собой. При лазерной сварке с Wp ≥ Wкр формирование шва происходит в режиме кинжального проплавления, который характеризуется узким и глубоким швом с большим значением коэффициента формы шва. Механизм формирования геометрии шва при дуговой сварке определяется механизмом теплопроводности и характеризуется низким значением коэффициента формы шва. Формирова- ние геометрии проплавления при лазерно-дуговой сварке отвечает некоторому промежуточному соотношению глубины и ширины шва и может регулироваться относительным вкладом энергии каждого источника. В зависимости от соотношения мощностей лазерного луча и дуги геометрия проплавления изменяется от типично лазерной до типично дуговой (рис. 13). 21 Рис. 13. Изменение формирования геометрии формы шва при варьировании мощности лазерного излучения и мощности дуги: а – P=900 Вт; б – Р=500 Вт; в – P=200 Вт; V св = const: а) б) в) 1 3 2 1 – I = 20 A; 2 – I = 75 A; 3 – I = 105 A Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что если мощность лазерного излучения P≥U Д I форма проплавления практически соответствует получаемой при лазерной сварке. Увеличение мощности дуги, при выполнении условия U Д ⋅ I < Р, приводит к расширению литой зоны у поверхности(рис. 13а). Если Р< Д I полный КПД лазерно-дугового процесса не ниже, чем при лазерной сварке, и уменьшается лишь при дальнейшем увеличении мощности дуги. 1 2 3 4 5 Рис. 14. Изменение геометрии щва и глубины проплавления в зависимости от скорости сварки (Р=900 Вт; I=50 A – const): 1 – V св =21,3 мм/с; 2 – V св =40 мм/с; 3 – Vсв=62 мм/с; 4 – V св =100 мм/с; Формирование геометрии шва и глубины проплавления зависит от скорости сварки (рис. 14). С увеличением скорости сварки уменьшается ширина и глубина шва. 2.4. Особенности технологического процесса лазерно-дуговой сварки Лазерно-дуговая сварка характеризуется большим количеством независимо изменяемых параметров, к которым относятся мощность лазерного излучения P, сварочный ток I, скорость сварки V св , положение фокуса лазерного излучения относительно свариваемой поверхности ∆F, диаметра электрода, угол его заточки и т. д. Обычно параметры режима сварки оптимизируют таким образом, чтобы обеспечить заданную глубину проплавления. При лазерно-дуговой сварке глубина проплавления определяется не только параметрами сварки, но и взаимным геометрическим положением энергетических центров источников нагрева на поверхности свариваемого материала. Очевидно, что если источники не совмещены и не ока- зывают влияние друг на друга, то глубина проплавления определяется действием лишь лазерного или дугового источника. Исследования зависимости глубины проплавления от смещения поло- жения дуги относительно точки фокусировки лазерного излучения в продольном и поперечном направлении показали, что смещение на величину порядка диаметра сфокусированного луча ла- зера d f не оказывает существенного влияния на глубину проплавления при лазерно-дуговой свар- ке. Поэтому для получения максимальной глубины проплавления необходимо достаточно точно совмещать центра пятна нагрева обоих источников. При лазерно-дуговой сварке неплавящимся электродом с увеличением тока дуги (т. е. с увеличением мощности источника нагрева за счет увеличения мощности дуги) резкое возраста- ние глубины проплавления происходит только в области Р≥U д I, а при Р I лазерно-дуговой источник эквивалентен по эффективности на- грева лазерному. По результатам исследований, в широком диапазоне скоростей, глубина проплавления при лазерно-дуговой сварке изменяется в зависимости от положения точки фокуса лазерного луча от- носительно поверхности свариваемого металла, аналогично лазерной сварке. Поэтому для случая 22 Р≥U д I можно воспользоваться методом расчета глубины проплавления, разработанным для ла- зерной сварки. Заменяя лазерно-дуговой источник на эквивалентный лазерный с мощностью P экв = P + UдI и диаметром P I U P d d Д f экв + ⋅ = , получаем: ( ) 2 / 2 1 1 св ЭКВ св ЭКВ ЭКВ ЭФ V d а V Ed P h + ⋅ ⋅ ⋅ = η , (8) где, E – теплосодержание, 23 Рис. 15. Расчетные зависимости глубины проплавления от тока дуги h, мм 3,0 2,0 1,0 20 40 60 80 100 1 2 3 I А (сталь: 08Х18Н10Т, V св =21,3 мм/с): 1 – P=900 Вт; 2 – P=500 Вт; 3 – P=200 Вт Эффективный тепловой КПД для лазерной сварки определяется через полный тепловой КПД ( ) В С экв Л ПР Л ЭФ V d а / 2 1 + = η η . ( пр η – предельное значение полного КПД). Расчетные значения глубины проплавления удовлетворительно согласуются с экспери- ментальными (рис. 16). h, мм 2,0 1,0 0 20 40 60 80 100 Vсв, / 1 2 Рис. 16. Расчетные зависимости глубины проплавления от скорости сварки: 1 – лазерная сварка P=900 Вт; 2 – лазерно-дуговая сварка P=900 Вт; I=50 A |