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.
|
|
Технические характеристики ПАРАМЕТРЫ Длина волны 10,6 мкм Номинальная мощность 6,0 кВт Диапазон регулирования мощности 0,1÷7 кВт Стабильность мощности ±3% Диаметр луча лазера 20×20 (квадрат) Модовый состав TEM * 00 Расходимость (полный угол) < 1,4 млрад Стабильность расходимости < 0,1 млрад Поляризация линейная, 0º (от вертикали) Наличие двух лучей - Расстояние между оптическими осями лучей; + min 15 мм max 25 мм - Перераспределение мощности в лучах лазера 20%→80% 1 й луч 80%→20% 2 й луч Частота импульсов 0÷1,0 кГц Потребляемая мощность 70 кВт Чистота газов 99,9 Расход газов 5:35:60 (CO 2 ; N 2 +O 2 ; He) л/час Габариты лазера, мм: длина 3200× ширина 1050× высота 2000 Вес, кг 1900 5. ГИБРИДНАЯ ЛАЗЕРНО-ИНДУКЦИОННАЯ СВАРКА Гибридная лазерно-индукционная сварка – это способ сварки, при котором формирование сварной ванны происходит при одновременном действии лазерного излучения и токов высокой час- тоты. Жесткий термический цикл, сопутствующий лазерной сварке, имеет, с одной стороны, опре- деленные преимущества (малые зоны термического воздействия, уменьшение влияния межкристал- литной коррозии, снижение уровня продольных и поперечных деформаций), а с другой стороны, в ряде случаев, может приводить к снижению технологической прочности сварного соединения. Уменьшение жесткости сварочного термического цикла может быть реализовано использова- нием гибридной лазерно-индукционной сварки, то есть когда сварочная ванна формируется при од- новременном воздействии луча лазера и токов высокой частоты (ТВЧ-нагрев) (рис. 32). 37 Т,К t,с Лазерно-индукционный нагрев Лазерный нагрев Индукционный нагрев Рис. 32. Влияние индукционного предварительного подогрева на термический цикл при лазерной сварке сталей Как показано на рис. 30, жесткость термического цикла снижается при гибридной лазерно- индукционной сварке, что благоприятно сказывается на технологической прочности при сварке среднеуглеродистых сталей с С = 0,26÷0,45% и легированных сталей с С>0,2% . Функциональная схема технической реализации способа лазерно-индукционной сварки пока- зана на (рис. 33). луч лазера зеркало индуктор деталь поворотное фокуси- рующее зеркало сформированный лазерный луч предварительно подогреваемая зона Рис. 33. Функциональная схема технической реализации лазерно-индукционной сварки Лазерно-индукционная сварка значительно снижает градиенты температуры на границе шва и свариваемого металла, что благоприятно сказывается на технологической прочности сварного со- единения (рис. 34). 1 мм 1 мм а) б) Рис. 34. Шов сварного соединения Ст45 а) шов после обычной сварки лазером (видно наличие трещин) б) шов, выполненный лазерно-индукционной сваркой (трещин нет) Преимущества лазерно-индукционной сварки В сравнении с подогревом в печи, индукционный способ подогрева имеет следующие пре- имущества: - полностью параллелен с машинным временем цикла лазерной сварки; - невысокие инвестиционные затраты; - невысокий расход энергии; 38 39 - прост в обращении; - меньший нагрев свариваемого узла; - исключение отпуска уже сваренных деталей; - снижение длительности технологического цикла; - компактный дизайн оборудования. Лазерно-индукционная сварка, сохраняя все преимущества лазерной сварки, уменьшает жест- кость термического цикла и повышает свариваемость. В настоящее время ежегодно методом лазерно-индукционной сварки сваривается до 450000 приводных валов автомобилей из сталей С38/26Мn5. Приводные валы имеют меньший износ и вы- держивают большую нагрузку по сравнению с обычно сваренными валами . Лазерно-индукционная сварка позволяет сваривать пружинные, цементируемые стали, а так- же чугун. 6. ГИБРИДНАЯ ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА Гибридная лазерно-плазменная сварка – это способ сварки, при котором формирование сва- рочной ванны происходит при одновременном действии луча лазера и плазменной струи. При плазменной обработке источником тепла служит плазменная струя – поток ионизирован- ных частиц, обладающих высокой энергией. Плазменной струей принято называть сжатый дуговой разряд с интенсивным плазмообразо- ванием. Плазменная дуга может быть прямого и косвенного действия. В первом случае анодом слу- жит изделие (рис35,а), и столб дуги в этих случаях часто называют "проникающей дугой", а также дугой прямого действия. Если анодом служит сопло, которое конструктивно может совпадать с ка- налом плазменной головки, то источник теплоты становится независимым от изделия со струёй плазмы, выделенной из столба дуги в виде факела (рис. 35,б). Такую дугу называют дугой косвенно- го действия или просто плазменной струей . 40 а) б) 1 ГАЗ 3 Е 2 Е 4,5 2 4 5 1 ГАЗ 3 L Рис. 35. Принципиальные схемы дуговых плазменных горелок прямого (а) и косвенного (б) действия 1 – вольфрамовый электрод – катод; 2 – канал сопла; 3 – охлаждение; 4 – сжатая дуговая плазма; 5 – столб дуги (струя); Е – источник тока; И – изделие Плазменная дуга, благодаря обжатию ее в канале сопла газовым потоком, в отличие от обыч- ной дуги, характеризуется высокими температурами столба (рис. 36) (до 15300...25000 К и более) и высокими скоростями потока плазмы. Это значительно расширяет ее технологические возможности при резке, сварке, наплавке и напылении материалов. Ar Ar 24000 К II I 18000 К 10000 К 10000 К 14000 К 14000 К 10 5 10 5 r, мм r, мм + Z 41 Рис. 36. Распределение температур в обычной дуге (I) и плазменной (II) струе Для получения дуговой плазменной струи используют специальные плазменные головки, так называемые плазмотроны, в которых обычно имеется неплавящийся вольфрамовый или медный ка- тод, изолированный от канала и сопла головки, а анодом может служить сопло или изделие. Плазменная струя образуется в канале горелки и стабилизируется стенками канала и холод- ным газом, отделяющим столб дуги от этих стенок. Сравнительно малый диаметр и достаточная длина канала обеспечивают требуемую для стабилизации плазменного столба скорость газового по- тока. В существовании стабилизирующего канала и заключается основное отличие плазмотрона от обычной горелки для сварки в защитных газах. В качестве плазмообразующего материала обычно применяют газы (аргон, азот, гелий, водо- род, воздух и их смеси), что обеспечивает температуру плазмы до 50000 К. Преимущества плазменной сварки состоят в следующем : 1. По сравнению с аргонодуговой плазменная сварка отличается более стабильным горением дуги, при этом обеспечивается более равномерное проплавление кромок. 2. По проплавляющей способности плазменная дуга занимает промежуточное положение между электронным лучом и дугой, горящей в аргоне. 3. Способ дуги и струя плазмы имеют цилиндрическую форму, поэтому площадь поверхно- сти металла, через которую осуществляется теплопередача, не зависит от расстояния между элек- тродом горелки и изделием. 4. Благодаря цилиндрической форме столба дуги плазменно-дуговая сварка менее чувстви- тельна к изменению длины дуги, чем аргонодуговая. Плазменная сварка позволяет иметь практиче- ски постоянный диаметр пятна и дает возможность стабилизировать проплавление основного метал- ла. Плазменная сварка, также как и многие другие методы сварки, наряду с преимуществами имеет и свои недостатки: 1. Недостаточная плотность мощности в зоне обработки. 2. Невозможность достичь стабилизации дуги при высоких скоростях сварки. Путем совместного воздействия на образование сварочной ванны лазерного луча и плазмен- ной струи реализуется комбинированный лазерно-плазменный процесс сварки. Такая комбинация приводит к улучшению пространственной стабилизации пятна дуги на поверхности металла и по- вышению устойчивости ее горения при малых токах и больших скоростях перемещения. Одновре- менно происходящий нагрев металла плазмой приводит к локальному повышению температуры в зоне нагрева и, как следствие, изменению оптических свойств поверхности и соответственно к уве- личению коэффициента поглощения лазерного излучения. В итоге эффективность лазерной сварки возрастает, что особенно важно при использовании лазеров небольшой мощности. Все это позволя- ет, с одной стороны увеличить скорость и стабильность плазменной сварки, а с другой – повысить эффективность и снизить себестоимость лазерной сварки. Если лазерное излучение проходит через плазму дуги, то наблюдается изменение полного энергетического баланса дугового разряда, связанное с дополнительным выделением энергии в объ- еме дуговой плазмы, вследствие поглощения лазерного излучения. В том случае когда мощность, вносимая в дугу лазерным пучком, соизмерима с ее электрической мощностью, реализуется проме- жуточный (между оптическим и дуговым) тип газового разряда – комбинированный лазерно-дуговой разряд. Интегральные и особенно локальные характеристики плазмы такого разряда существенно отличаются от соответствующих характеристик исходной сжатой дуговой плазмы. Характеристики лазерного излучения также претерпевают существенные изменения в резуль- тате поглощения и рефракции лазерного излучения в плазме разряда. В результате энергия, вводимая в свариваемую деталь, не сводится к простой сумме энерговкладов лазерного и дугового источников тепла, взятых в отдельности. В лазерно-плазменном разряде происходит существенное изменение, по сравнению с плаз- менным разрядом, температуры, газодинамического давления, распределения интенсивности лазер- ного излучения вдоль оптической оси, вольтамперные характеристики разряда. Поглощение лазерного излучения дуговой плазмой приводит к существенному повышению температуры ее центральных областей, причем максимально достижимые значения Т увеличиваются с ростом мощности пучка P. Отмеченный рост температуры плазмы способствует повышению ее электропроводности и, как следствие, увеличению плотности тока в приосевой зоне разряда. Таким образом, разряд, генерируемый лазерно-дуговым плазмотроном, характеризуется повышенной кон- центрацией тепловой и электрической энергии в той области плазмы, которая подвергается воздей- ствию лазерного пучка и жестко связана с его осью, а также высокой пространственной стабильно- стью этой области (рис. 37). 3 2 1 3 2 1 3 2 1 Т, 10 3 К 30 20 10 0 2 4 6 r, мм z = 5,5 z = 10,0 z = 14,0 мм Рис. 37. Пространственные распределения температур плазмы разряда в лазерно-дуговом плазмо- троне (I=200A) при мощности лазерного пучка: 1 кВт (1), 2 кВт (2), 3 кВт (3). 0 кВт (штриховая кривая) r – расстояние от оси лазерного луча 42 Z – расстояние от среза катода Описанное изменение теплового режима горения плазменной дуги, под воздействием лазер- ного излучения, вызывает существенное перераспределение газодинамических характеристик потока плазмы при увеличении P. Одной из основных причин этого является снижение вязкости аргоновой плазмы при повышении температуры. Другой причиной является упомянутое выше перераспределе- ние плотности тока в разряде, усиливающее роль электромагнитных сил в ускорении плазменного потока. В результате аксиальная компонента скорости плазмы на оси разряда заметно увеличивается. Несмотря на возрастание скорости, снижение плотности плазмы при повышении температуры при- водит к тому, что газодинамическое давление плазменного потока в приосевой зоне комбинирован- ного разряда несколько уменьшается. Следует отметить, что это снижение, вызывающее уменьше- ние динамического воздействия на поверхность расплавленного металла, важно для процесса на- плавки с использованием лазерно-дугового плазмотрона. Происходящее в рассматриваемом плазмотроне взаимодействие лазерного излучения с дуго- вой плазмой приводит к перераспределению не только ее характеристик, но и самого лазерного пуч- ка (за счет поглощения и рефракции в плазме разряда). Так, например, поглощение лазерного излу- чения приводит к тому, что на расстоянии 20 мм от среза катода мощность пучка для рассматривае- мых условий составляет всего около 30 % от его исходной мощности P, тогда как интенсивность из- лучения на его оси возрастает при этом более чем в два раза (рис. 38). Wp, 10 3 80 40 0 5 10 15 z, мм F 1 2 3 Рис. 38. Распределение плотности мощности лазерного излучения вдоль оси комбинированного раз- ряда (P=3кВт) при токе дуги: 100 (1), 200 (2), 300 A (3), штриховая кривая - без плазменной дуги Таким образом, взаимодействие лазерного пучка с плазмой комбинированного разряда вызы- вает его дополнительное фокусирование, усиливающееся с ростом тока и мощности луча лазера. 43 Следовательно, варьируя этими двумя параметрами, можно эффективно управлять фокусированием пучка в плазме комбинированного разряда, создаваемого с помощью лазерно-дугового плазмотрона, что важно при использовании подобных устройств для сварки и резки. Вольт-амперные характеристики разряда с использованием медного водоохлаждаемого анода при различных значениях мощности луча и так плазматрона показаны на рис. 39,а. Видно,что под воздействием лазерного пучка напряжение на дуге уменьшается, причем основное его падение про- исходит при мощности лазера P < 2,5 кВт. Что касается самой плазменной дуги, то под воздействием лазерного излучения она несколько сжимается, что можно наблюдать визуально или по возрастаю- щим вольт-амперным характеристикам разряда (рис. 39, б). ааааа U, В 28 24 20 16 0 1 2 3 Р, кВт U, В 29 25 21 17 10 150 20 250 I, А а) б) а) б) Рис. 39. Зависимость напряжения на разряде в лазерно-дуговом плазмотроне от мощности P (a) и то- ка I (b): ■ - Ia=150, × - 200, ▲ - 250A; ♦ - Р=0, □ - 1, ○ - 3кВт; штриховая линия - расчетные данные при I=200A Исследования показали, что соосное объединение плазменной дуги с лазерным пучком в ла- зерно-дуговом плазмотроне дает возможность за счет улучшения пространственной стабильности горения дуги повысить скорость сварки в 2...3 раза по сравнению с обычной плазменной сваркой. Кроме того, отмеченное выше уменьшение напряжения на дуге в комбинированном процессе снижает опасность двойного дугообразования, что особенно важно при работе на больших токах (более 300 А). Это является предпосылкой для повышения производительности процесса сварки за счет увеличения тока дуги. Дальнейшее развитие лазерных и плазменных способов сварки было направлено на создание интегрированных лазерно-дуговых плазматронов. 44 Существуют различные схемы реализации интегрированных плазмотронов на основе соосно- го объединения лазерного луча и плазменной дуги. Отличительная особенность таких устройств – конструкция катодного узла, позволяющая вводить лазерный луч в дуговую плазму вдоль оси плаз- моформирующего канала. По аналогии с дуговыми, интегрированные плазмотроны могут быть прямого (рис. 40, а) и косвенного (рис. 40, б) действия, причем последние можно разделить на плазмотроны с самоуста- навливающейся либо с фиксированной длиной дуги. Интегрированные плазмотроны прямого дейст- вия могут использоваться для лазерно-плазменной сварки, наплавки и резки металлов, а косвенного действия – для обработки диэлектрических материалов, закалки металлических поверхностей, нане- сения покрытий и ведения других технологических процессов. а) б) Рис. 40. Схемы интегрированных плазмотронов прямого (а) и косвенного (б) действия: 1 – катод; 2 – анод; 3 – плазмоформирующее сопло; 4 – плазмообразующий газ; 5 – лазерный пучок; 6 – плазма; 7 – изолятор В зависимости от расхода плазмообразующего газа лазерно-дуговые плазмотроны можно раз- делить на работающие в ламинарном или турбулентном режиме течения газа. Также как в дуговых плазмотронах, в них можно использовать различные способы пространственной стабилизации раз- ряда (например, вихревую газовую стабилизацию). При выборе способа стабилизации следует пом- нить, что за счет воздействия на дуговую плазму пучка излучения СО 2 -лазера в ней формируется вы- сокотемпературная токопроводящая область, жестко связанная с осью пучка. Это само по себе дела- ет комбинированный разряд пространственно более стабильным, чем дуговой. Основные преимущества лазерно-плазменной сварки проявляется в следующем: 45 46 - значительно повышается скорость сварки, при этом скорость сварки становится выше, чем просто арифметическое сложение скорости лазерной и плазменной сварки; - процесс практически не зависит от оптических свойств поверхности; - при лазерно-плазменной сварке алюминиевых сплавов происходит очистка поверхности от окисной пленки Al 2 O 3 ; - при лазерно-плазменной сварке происходит снижение температуры поверхности ванны рас- плава, при которой начинается переход от теплопроводного режима проплавления к режиму глубокого проплавления. Разработана технология для скоростной лазерно-микроплазменной сварки тонколистовых алюминиевых сплавов, основанные на совместном использовании лазерного пучка малой мощности и микроплазменной дуги обратной полярности. Предложенный способ позволяет производить очи- стку поверхности алюминия от окисной пленки в процессе сварки, чего нельзя достичь при лазерной сварке, стабилизировать движение дуги при больших, по сравнению с микроплазменной, скоростях сварки, а также существенно повысить эффективность использования энергии лазерного излучения и электрической дуги. При сварке алюминиевого сплава АМг-2 толщиной 0,35 мм с током дуги 22 А и мощностью лазерного пучка 250 Вт удается достичь скорости сварки 9 м/мин с хорошей очисткой поверхности и полным проплавлением образца, при этом ширина швов составляет 1,0...1,2 мм. Сле- дует отметить, что использование только лазерной или только микроплазменной сварки не позволяет производить сварку данного металла даже на скорости 3 м/мин. Использование внешнего ионизатора – плазменной струи, при лазерной сварке без образова- ния плазменного факела, позволяет снизить температуру поверхности ванны расплава, при которой начинается переход от теплопроводностного режима проплавления к более эффективному режиму глубокого проплавления. Это является одной из основных причин более высокой эффективности ла- зерно-плазменной сварки по сравнению с лазерной. 47 СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Основная литература 1. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н. Лазерная сварка металлов. – М.: Высшая школа, 1988. – 207с. 2. Дьюли У. Лазерная технология и анализ материалов. - М.: Мир. 1986 г. 488 с. 3. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки металлов. М.: Машиностроение . 1989 г. 301 с. Дополнительная литература. 1. Горный С.Г., Лопота В.А., Редозубов В.Д. Особенности нагрева металла при лазерно-дуговой сварке. Автоматическая сварка. .№ 1 , 1989 г. стр. 73-74. 2. Патон Б.Е. и др. Гибридная лазерно-микроплазменная сварка металлов малых толщин. Авто- матическая сварка №3, 2002 г. с 5-9. 3. Кривцун И.В. Особенности проплавления металла при лазерно-дуговой сварке с использова- нием ИАГ-лазера. Автоматическая сварка № 12 2001 г. стр.33-36. 4. Фролов В.А. Конструктивно-технологические особенности создания сварных металлических конструкций с применением светолучевой сварки. Сварочное производство. №3, 1998 г. с.8- 12. 48 ОГЛАВЛЕНИЕ Стр. Введение………………………………………………………………………….. 4 1. Технологические особенности лазерной сварки…………………………….. 5 1.1. Поглощение лазерного излучения обрабатываемой поверхностью…… 5 1.2. Термические циклы лазерной сварки……………………………………. 7 1.3. Процессы порообразования при лазерной сварке…………………….. 8 1.4. Гидродинамическая неустойчивость ванны расплава при высоких скоростях лазерной сварки……………………………………………………… 9 1.5. Требования к геометрии сборки свариваемых деталей…………….. 10 1.6. Требования к стабильности диаграммы направленности лазерного излучения………………………………………………………………… 11 1.7.Технико-экономическая эффективность лазерной сварки…………… 12 2. Лазерно-дуговая сварка……………………………………………………. 14 2.1. Основные энергетические характеристики процесса лазерно-дуговой сварки……………………………………………….. 15 2.2. Электрические характеристики дуги при лазерно-дуговой сварке…. 19 2.3.Особенности формирования геометрии шва при лазерно-дуговой сварке…………………………………………………………………….. 21 2.4.Особенности технологического процесса лазерно-дуговой сварки…..23 2.5.Технологическая подготовка производства при лазерно-дуговой сварке…………………………………………………………………….. 25 2.3.Технико-экономическая эффективность лазерно-дуговой сварки… …26 3. Гибридная лазерно-светолучевая сварка……………………………….. 48 4. Двухлучевая лазерная сварка…………………………………………… 28 4.1Технологические особенности двухлучевой лазерной сварки……… 29 5. Гибридная лазерно-индукционная сварка……………………….. .. .37 6. Гибридная лазерно-плазменная сварка……………………………….40 Список рекомендуемой литературы………………………………………….47 Содержание……………………………………………………………………. 48 |