2.5.
Технологическая подготовка производства при лазерно-дуговой сварке
Одним из достоинств лазерно-дуговой сварки по сравнению с лазерной является снижение требований к точности геометрии свариваемых деталей. Максимальный зазор, не нарушающий формирования сварного шва, зависит, прежде всего, от тока дуги и скорости сварки (рис. 18). b, мм
0,6 0,4 0,2 0
20 40 60 80 100
I, А
а) b, мм
0,8 0,6 0,4 0,2 20 40 60 V
св
, мм/сек б)
Рис. 18. Изменение предельной величины зазоров при сварке в стык от тока дуги (а) и скорости сварки (б)
Максимально допускаемый зазор определяется поперечным размером сварочной ванны и свойствами материала. Величина b линейно возрастает с увеличением тока дуги и быстро пони- жается с увеличением скорости сварки. Минимальные зазоры соответствуют «чисто» лазерной сварке и могут быть определены как b ≈ 0,15Н.
2.6.
Технико-экономическая эффективность лазерно-дуговой сварки
Сочетание дуговой и лазерной сварки взаимно дополняет друг друга своими преимущест- вами и взаимно нивелируют недостатки присущие каждому из методов сварки:
- воздействие дуги на металл увеличивает коэффициент поглощения лазерного излучения, способствуя повышению эффективного и термического КПД сварки;
- дуга уменьшает коэффициент формы шва и повышает технологическую воспроизводимость процесса сварки;
24
25
- дуга, увеличивая объемы расплава, позволяет уменьшить жесткость термического цикла и, следовательно, благоприятно влияет на технологическую прочность сварного соединения;
- дуга позволяет снизить требования по точности геометрии сборки свариваемых деталей;
- воздействие лазерного излучения на металл в режиме глубокого проплавления сопровожда- ется интенсивным испарением и плазмообразованием, что обеспечивает стабилизацию и ло- кализацию положения центра пятна дуги;
- гибридный процесс сварки позволяет снизить мощность лазерного луча и, соответственно, потребление энергии от лазерного источника. Твердотельный лазер имеет полный КПД примерно 3%. Снижение мощности лазерного излучения на 1 кВт дает снижение потреб- ляемой мощности из электрической сети приблизительно на 35 кВА;
- замена до половины лазерной мощности на электрическую мощность дуги не снижает эф- фективности и производительности процесса лазерной сварки. Именно в этом состоит глав- ная технико-экономическая эффективность лазерно-дуговой сварки, так как стоимость од- ного кВт лазерной энергии намного больше одного кВт энергии дуги. Гибридная лазерно- дуговая сварка, как показывают расчеты, при полной загрузке оборудования в 1,5÷2 раза более эффективна по сравнению с лазерной;
- гибридная лазерная сварка требует существенно меньших капиталовложений, чем процесс лазерной сварки, так как оборудование для
дуговой сварки стоит значительно меньше;
Таким образом, гибридная лазерно-дуговая сварка реализует технологический процесс в котором взаимно усиливаются преимущества каждого из методов сварки, а недостатки каждого нивелируются, что приводит к расширению технологических возможностей.
3.ГИБРИДНАЯ ЛАЗЕРНО-СВЕТОЛУЧЕВАЯ СВАРКАГибридная лазерно-светолучевая сварка – это способ сварки, при котором формирова- ние сварочной ванны происходит при одновременном действии лазерного излучения и светового луча. Свет, как источник энергии, издавна привлекал к себе внимание человечества. По мере раз- вития науки и техники, различные физические явления, связанные со световым излучением, на- ходят все более широкое применение в научных и промышленных целях.
Возможность фокусирования светового потока в небольших объемах пространства и получение W
E
и W
P
достаточных для нагрева и плавления различных конструкционных материа- лов открыли принципиальную возможность применения световой энергии для сварки, пайки, термообработки.
Полихроматический свет от промышленных световых ламп, вследствие хроматиче- ской, сферической аберрации и конечных размеров световых ламп удается сфокусировать в ми- нимальную локальную область, с характерным размером d f
1 мм. В результате, достигнутая в настоящее время, наибольшая плотность мощности в пятне нагрева составляет ≈ 10 3
Вт/см
2
, что
соизмеримо с нагревом от пламени газовой горелки . Схема процесса светолучевой сварки пока- зана на рис. 19 .
Н
WE(0)
2
)
0
(
)
(
krEEeWrW−
=
Рис. 19. Схема процесса светолучевой сварки (H – толщина листа):
1 – источник излучения; 2 – фокусирующий отражатель; 3 – свариваемые детали; 4 – сварочная ванна; 5 – оксидная пленка; 6 – распределение потока по пятну; 7 – конвективные поток и
Сущность светолучевой обработки конструкционных материалов заключается в пре- образовании энергии света в тепловую энергию. Основными достоинствами светолучевых мето- дов обработки являются: отсутствие механического воздействия на обрабатываемую деталь; воз- можность плавного программного регулирования и поддержания температуры в зоне обработки.
При разработке технологии светолучевой сварки для повышения коэффициента
А в каче- стве рабочей среды для низкоуглеродистых
сталей целесообразно использовать воздух, а для вы- соколегированных – азот. Термические циклы при светолучевой сварке менее жесткие, чем при лазерной сварке или лазерно-индукционной (рис. 20)
Рис. 20. Расчетный (1) и экспериментальный (2) термические циклы сварки для стали 08Ю
26
27
. Светолучевая сварка имеет следующие технологические особенности:
- снижение газонасыщения металла шва за счет незначительной ионизации газов в зоне об- работки;
- отсутствие электрических и магнитных полей в зоне обработки;
- низкая себестоимость погонного метра шва по сравнению с лазерной сваркой;
- высокий энергетический КПД светолучевой установки до 45%;
- высокая экологическая чистота технологического процесса по сравнению с традиционны- ми сварочными процессами;
- простота в работе и обслуживании;
- высокая безопасность технологии.
Эти особенности определили следующие области применения метода: сварка в стык тонколистовых (0,3 ÷ 4,0 мм) однородных и разнородных металлов и материалов (углеродистые и нержавеющие стали, титановые, алюминиевые, медные сплавы; неметаллические материалы: стекло, пластмасса, керамика; скорость сварки 10÷60 м/час).
Возможность получать в зоне светолучевой обработки плотности мощности порядка
10 3
Вт/см
2
и получать температуру до 3000°C может быть использована в гибридной лазерно- светолучевой сварке для предварительного или сопутствующего подогрева, для уменьшения же- сткости термического цикла при лазерной сварке. Изменение физико-химических свойств по- верхности материала, которое сопутствует светолучевой обработке, изменяет оптические свойст- ва поверхности и увеличивает коэффициент поглощения лазерного излучения и тем самым по- вышает эффективность сварки.
Гибридная технология лазерно-светолучевой сварки обеспечивает повышение скоро- сти сварки тонколистовых соединений толщиной до 1,0 мм. Световой луч обеспечивает закры- тие, в результате нагрева кромки тонколистового стыка, зазора перед лазерным лучом, что ис- ключает прожоги тонколистовых соединений и снижает затраты на подготовку кромок. Лазерно- светолучевая обработка позволяет программировать термический цикл в зоне обработки.
В настоящее время в выпускаются переносные светолучевые сварочные установки, кото- рые предназначены для ручной светолучевой сварки металлов и неметаллических материалов,
сварки их комбинаций, пайки и резки металлов. В горелке используется ксеноновая дуговая лам- па мощностью от 1,0 кВт до 2,0 кВт с комбинированной системой водяного и воздушного охлаж- дения лампы.Горелки установок снабжены набором сменных насадок для выполнения работ в защитных газах и термической резки различных материалов. С помощью этих установок свари- вают металлы толщиной от 0,1 до 1,0 мм.
Преимущества данного гибридного метода сварки заключаются в следующем:
• Скорость сварки возрастает в 4 раза (А1), в 6 раз (Fe) на толщинах 0,5 мм;
28
• Значительное увеличение глубины проплавления: от 0,3 мм при лазерной сварке ста- ли до 0,8 мм при совмещенной сварке лазером и световым источником;
• Снижение себестоимости изготовляемой на нем продукции за счет комплектации световым модулем;
• Повышение качества сварных соединений;
• Экономия потребляемой электроэнергии;
• Расширение технологических возможностей лазера;
• Существенное сокращение времени на подготовительные операции к сварке тонко- листовых соединений.
4. ДВУХЛУЧЕВАЯ ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА
Одним из направлений развития гибридных лазерных технологий обработки материалов является технология двухлучевой лазерной обработки материалов, т. е. такого способа сварки при котором формирование сварочной ванны происходит при одновременном воздействии двух лучей лазера.
Существует несколько способов обработки материалов двумя лучами – суперпозиционный (рис. 21а), последовательный ( 21,б) и параллельный (рис. 21 в), которые определяются различными геометрическими расположениями двух лучей лазера относительно друг друга и выполнением различных функциональных задач при лазерной обработке материалов.
+∆F a) наложение лучей лазера – суперпозиционная лазерная обработка
∆x
∆y б) последовательная лазерная обработка в) параллельная лазерная обработка
Рис. 21. Различные виды двухлучевой лазерной обработки
Выбор способа обработки двумя лучами лазера определяется конкретным видом лазерной технологии – сварки, наплавки, термообработки и технологическими задачами , стоящими перед сваркой.
Формирование 2
х лучей лазера может быть реализовано различными способами (рис. 22).
Лазер1 Лазер2
а)
б)
Рис. 22. Функциональные схемы формирования двух лучей лазера а) используется один лазер б) используется два лазера
В настоящее время разработаны технологические лазеры, на выходе из резонатора которых имеются одновременно два луча лазера.
3.1.
Технологические особенности двухлучевой лазерной сварки
Сварка двумя параллельными лучами.
Лазерную сварку двумя параллельными лучами используют (рис. 23) для уменьшения порообразования, устранения прожогов, соединения разнотолщинных деталей.
Рис. 23. Лазерная сварка с использованием двух параллельных лучей лазера
Луч лазера
Δх
Δх
Первый луч лазера
Второй луч лазера
V
св
При сварке разнотолщинных материалов (рис. 24), мощность второго луча может быть значительно ниже мощности первого луча, что снижает вероятность образования прожогов при сварке разнотолщинных материалов.
Первый луч лазера
Второй луч лазера
Рис. 24. Лазерная сварка разнотолщинных материалов двумя параллельными лучами
Использование лазерной сварки с двумя параллельными лучами лазера становится особенно эффективно, когда необходимо уменьшить высокоинтенсивную центральную часть теплового источника сварки, например, при сварке в стык тонколистовых материалов (рис. 25).
Расстояние между оптическими осями лучей
Распределение плотности мощности в зоне обработки
Рис. 25. Управление плотностью мощности в стыке шва за счет изменения расстояния между оптическими осями лучей лазера
Получаемое за счет одновременного действия двух лучей лазера распределение мощности по сечению стыка сварного соединения оказывает позитивное влияние на формирование шва, особенно при сварке тонколистовых материалов.
Сварка двумя последовательными лучами лазера
Сварные швы, формирующиеся при высоких скоростях сварки, не всегда соответствуют всем требованиям по качеству сварного соединения, вследствие существования нестабильностей процесса. При больших скоростях сварки, когда возникает гидродинамическая нестабильность жидкой фазы поверхности ванны расплава, приводящая к образованию “горба” или появлению несплошностей можно использовать последовательное воздействие лучей различной мощности
(рис. 26).
2
й луч лазера
1
й луч лазера
V
св
Рис. 26. Лазерная сварка двумя последовательными лазерными лучами
На
динамику процесса плавления, при лазерной сварке двумя последовательными лучами оказывает влияние расстояние Δx между центрами диаметров лучей. Оптимизация Δx позволяет повысить максимальную скорость сварки приблизительно на 50%, при которой могут быть получены бездефектные сварные соединения (рис. 27). а) б) а) Δх = 0 мм ;б) Δx = 2 мм
Рис. 27. Макроструктура швов стали 10Х6CrNiTi18, полученных двухлучевой лазерной сваркой последовательными лучами; V
св
= 433 мм/сек; суммарная мощность P
L
= 7 кВт (P
1
= P
2
= 3,5 кВт)
Лазерная сварка суперпозиционными лучами
При этом методе сварки два различных луча направляются в одну точку, при этом параметры этих лучей как по мощности, так и по оптическим характеристикам могут быт различными.
Важнейшей характеристикой луча лазера является качество лазерного излучения.
Качество лазерного излучения определяется многими факторами – модовым составом, распределением энергии по сечению луча, поляризацией, расходимостью, диаметром луча. Если лазерное излучение одномодовое, распределение энергии по сечению пучка гауссово, поляризация круговая, то коэффициент качества луча определяется как отношение дифракционной расходимости лазерного излучения к фактической расходимости. Если расходимость лазерного излучения равна дифракционной, то коэффициент качества – К равен единице, если больше, то меньше единицы 0<К<1. Чем больше значение К, тем выше качество лазерного излучения.
Дифракционная расходимость
θ
Д
одномодового лазерного излучения с гауссовым распределением энергии по сечению пучка определяется по формуле (10)
d
Д
λ
π
θ
⋅
=
4
(10) где, d – диаметр луча лазерного излучения;
Коэффициент качества лазерного излучения – К определяется как
θ
θ
Д
K
=
(11)
Таким образом, коэффициент качества
θ
π
λ
⋅
⋅
=
d
K
1 4
(12)
Диаметр сфокусированного луча – d
f
определяется расходимостью лазерного излучения и фокусным расстоянием
4 4
К
f
К
d
F
F
d
f
⋅
=
⋅
⋅
=
⋅
=
π
λ
π
λ
θ
(13) где, f – фокусирующее число
d
F
f
=
Таким образом, чем больше значение К, то есть чем выше качество луча лазера, тем меньше диаметр сфокусированного луча лазера и тем выше Wр (при заданном уровне мощности излучения) и соответственно больше глубина проплавления. Глубина проплавления зависит от скорости сварки и параметров К и f (рис. 28).
h, мм
Δ f = 3
K = 0,1
○ f = 4
K = 0,1
□ f = 6
K = 0,1
● f = 4,2 K = 0,26
■
f = 6,6 K = 0,26 0
6 5
4 3
2 1
0 33 66 132 165
V
св
, мм/сек
Рис. 28. Зависимость глубины проплавления от скорости сварки при различных значениях параметров f и K, P
L
= 4,5 кВт, защитный газ - гелий где, Р
L
– суммарная мощность лучей лазера
Лазеры высокой мощности имеют, в общем случае, невысокое значение качества луча.
Улучшить эти характеристики можно при суперпозиции отдельных лучей от лазеров меньшей мощности, имеющих высокое значение коэффициента качества луча. Тем самым могут быть повышены два параметра – суммарная мощность и качество излучения (рис. 29).
Единичный луч Комбинация лучей
К=0,1 К
1
=0,18; К
2
=0,28
d
f
= 500 мкм d
f
=250 мкм
Рис. 29. Распределение мощности луча лазера в фокусе, при суперпозиции лучей лазера
Р
L
= 5,8 кВт.
Комбинацией двух лучей можно достигнуть большей глубины проплавления, чем одним лучом лазера той же мощности (рис. 30).
● К = 0,1 – 7 кВт
□ К = 0,28 – 3,5 кВт / К = 0,18 – 3,5 кВт
∆ К = 0,1 – 3,5 кВт / К = 0,28 – 3,5 кВт
h, мм
1 2
3 4
5 6
7 0 16 66 132 198 264
V, мм/с
Рис. 30. Зависимость глубины проплавления при лазерной сварке одним лучом и двухлучевой сварке от скорости сварки
Из рис. 30 видно влияние коэффициента качества луча на достигаемую глубину проплавления сварки (при одинаковой суммарной мощности). Результат показывает, что через суперпозицию двух лучей СО
2
-лазеров достигается повышение глубины проплавления особенно на высоких скоростях сварки.
Впервые лазерная сварка двумя последовательными лучами была применена фирмой
ЕАДС, Германия .
Целью внедрения технологии лазерной сварки при производстве воздухозаборников было снижение производственных затрат, так как существующая технология была связана с большим объемом механической обработки – фрезерования.
При разработке технологии лазерной сварки с присадкой T-образного соединения вкладышей воздухозаборника, изготовленного из алюминиевого сплава одним лучом было выяснено, что наряду с обычной чешуйчатостью поверхности сварного шва, выполненного с присадкой, наблюдается брызгообразование жидкой фазы ванны расплава и образование единичных открытых пор на поверхности. Указанные дефекты обусловлены технологическим процессом лазерной сварки одним лучом и не устраняется путем оптимизации параметров сварочного процесса.
Предложенная схема (рис. 31) гибридной лазерной сварки двумя последовательными лучами позволила устранить вышеуказанные недостатки
Ребро Т-образный сварочный шов Присадочная проволока Nd: YAG-лазер (1-3 кВт) – 1й луч лазера Nd: YAG-лазер (2-3 кВт) – 2й луч лазера Основной материал – AlCuLi Vсв = 266 мм/с Рис. 31. Схематическое изображение лазерной сварки двумя последовательными лучами с присадкой
Для реализации технологии двухлучевой лазерной сварки было создано роботизированное рабочее место для сварки вкладышей воздухозаборника с использованием твердотельного YAG- лазера со световолоконной системой .
Для реализации двухлучевой лазерной обработки создан двухлучевой лазер модели
“ТАНДЕМ”. Этот лазер имеет ряд конструктивных особенностей:
- на выходе излучателя одновременно два лазерных луча;
- расстояние между
оптическими осями лучей лазера регулируется;
- имеется возможность плавно перераспределять мощность излучения между лучами;
- выходящие из резонатора лучи лазера имеют прямоугольное сечение;
- лазер “ТАНДЕМ” универсален – может производить технологические операции резки, сварки, термообработки, наплавки, напыления, лазерно-плазменную обработку; имеет режим работы с безгелиевой смесью; полностью автоматизирован, включая автоюстировку резонатора.
Основные технические характеристики СО
2
-лазера модели “ТАНДЕМ”, приведены в
Таблица 5 .
Скачать 2 Mb.