Новости

Дата публикации: 24.11.2015

Отличительные особенности лазерной сварки с применением волоконных и СО2-лазеров.

блок

Проведено исследование влияния различной газовой среды на процесс сварки с помощью волоконных лазеров в сравнении с СО2-лазерами при применении методики плавного изменения положения фокального пятна относительно поверхности свариваемого образца. Рассмотрено влияние плотности мощности лазерного излучения на поведение плазмы и процессы протекающие в сварочной ванне при сварке на волоконных лазерах на мощности 2,5 и 5 кВт.

Применение волоконных иттербиевых лазеров в сварке металлов имеет большие перспективы. Это обусловлено, прежде всего, следующими факторами:

  • высоким КПД к 30 %, более чем в два раза превышающим КПД СО2-лазеров;
  • возможностью доставки лазерного излучения к месту сварки по оптоволокну, а не оптическими зеркалами, которые требуют создания специальных конструктивных систем, препятствующих более гибкому использованию лазерного луча в труднодоступных местах и при обработке крупногабаритных конструкций.

Однако СО2-лазеры к настоящему времени достигли достаточно высокой степени теоретической и технологической проработки. В частности, достаточно полно изучена физика взаимодействия лазерного излучения с металлами и газами, определен уровень интенсивности лазерного излучения (~106 Вт/см2), при котором качественно протекает процесс сварки без поглощения лазерного излучения плазмой и кипения металла в сварочной каверне, формируется сварной шов с необходимыми параметрами и свойствами.

Волоконные лазеры существенно отличаются от СО2-лазеров, прежде всего, длиной волны излучения, которая на порядок меньше и равна 1,07 мкм. Лазеры типа ЛТН 103 мощностью до 300 Вт, диодные и дисковые лазеры мощностью от 100 до 500 Вт имеют широкое практическое применение в машиностроении и приборостроении. Установлено, что плазма, образующая при сварке на данных типах лазеров, прозрачна для длины волны излучения 1,07 мкм и не оказывает влияния на полное использование энергии лазерного излучения для плавления металла и качественного формирования сварных швов.

Однако, с ростом мощности лазерного луча наблюдаются количественные и качественные изменения в физике взаимодействия излучения с газами и металлом при сварке, что приводит к изменениям в характере формирования сварных швов и отражается на свойствах сварных соединений.

В связи с этим, необходимо было провести исследования в области физики взаимодействия лазерного излучения с газами, традиционно применяемыми при сварке для защиты швов.

В работе экспериментально изучены плазменные процессы, происходящие при лазерной сварке при изменении положения фокуса относительно свариваемой поверхности в различных газовых средах. Показано влияние плотности мощности на процессы формирования сварных швов в различных газовых средах.

Эксперименты проводились с использованием оптоволоконных лазеров: ЛС-3,5; ЛС-10. Фокусировка лазерного излучения осуществлялась проходной оптикой из кварцевого стекла с фокусным расстоянием 300 мм.

Сварка на СО2-лазере выполнялась на установке ТЛ-5 с проходной оптикой из КСl с фокусным расстоянием 300 мм.

Для изучения влияния газовой среды на процесс сварки использовали методику плавного изменения положения фокального пятна относительно поверхности свариваемого образца. Для этого свариваемый образец из стали толщиной 3 мм и длиной 450 мм устанавливали под углом 6,38° относительно горизонтальной поверхности. Изменение положения фокального пятна при сварке на оптоволоконном лазере ЛС-3,5 фиксировали с помощью киносъемки цифровой камерой VP-D85i (24 кадра в секунду).

В зону сварки подавали следующие газы: Не, Аг, С02 и воздух. Эксперименты проводились на мощности излучения 2,5 кВт, скорости сварки 0,7 м/мин, расход газов, подаваемых в зону сварки, составлял 14 л/мин.

Положение фокуса относительно свариваемого образца в процессе сварки изменялось за счет горизонтального движения луча вдоль наклонной поверхности. Следовательно, изменялась плотность энергии лазерного излучения, которая проходила разные этапы: от плотности мощности, при которой металл практически не плавился, затем она доводилась до значений около 107 Вт/см2, при которых расплавленный металл в каверне имел признаки кипения, и при дальнейшем движении образца происходило снижение плотности мощности до значений, исключающих плавление металла. В частности, при положении фокуса над поверхностью образца на расстоянии 40 мм возникала плазма, при дальнейшем движении перетяжка проходила через толщину металла, и в это время происходило плавление металла с последующим формированием сварного шва. При этом наблюдалась плазма наиболее яркого свечения.

Дальнейшее продвижение фокуса под поверхность образца приводило к расфокусировке излучения. Плазма теряла свою яркость, изменялись ее размеры и при дальнейшем заглубление фокуса на 40 мм плазма гасла.

Установлено, что при всех защитных средах изменение положения фокуса относительно свариваемой поверхности приводит к видоизменению формы плазмы, которая проходит через разные этапы и имеет общие признаки. На изменение формы плазмы при одинаковом расходе газов оказывает влияние плотность мощности, которая при сварке по наклонной поверхности образца постоянно изменялась, в направлении от минимальных значений к максимальным, а затем обратно.

Геометрический диаметр пятна определяли посредством замера следа в соответствующей точке, оставленного на образце из стали, установленного под тем же углом наклона, что и провариваемые в данном эксперименте стальные образцы. Мощность излучения лазера снижалась до 100 Вт, и на той же скорости производили проход над образцом, оставляя след без расплавления металла. Замеры ширины следа при помощи микроскопа измерительного МПБ-ЗМ позволяли с точностью 0,01 мм определять диаметр пятна фокусировки в различных точках сварки наклонного образца.

При защите зоны сварки гелием уменьшается выброс расплава с корневой части каверны, что связано, по-видимому, с уменьшением перегрева металла в каверне и его кипения на стенках каверны.

Таким образом, при лазерной сварке на волоконных лазерах в сопоставлении с СО2-лазерами:

  • Более выражены процессы, приводящие к кипению металла в сварочной каверне и активизации выбросов расплава в виде капель на лицевую поверхность свариваемого металла, а также к образованию дефектов сварного соединения в виде ослабления сварного шва, подрезов.
  • Вид защитного газа оказывает влияние на проплавляющую способность металла. Лучшие результаты получены, как и на СО2-лазерах, при защите зоны сварки гелием.
  • При лазерной сварке на волоконных лазерах лучшие результаты по формированию сварного соединения получаются при положении фокуса с заглублением или подъемом относительно свариваемой поверхности на 1/3 толщины свариваемого металла при плотности мощности лазерного излучения 2 х 106 Вт/см2.
  • Лазерная сварка на волоконных лазерах при положении фокуса на поверхности металла или с незначительным заглублением приводит к активному кипению металла.

Источник: Сварочное производство, 2014, №12.- С.24-24 / А.Г.Григорьянц, В.А.Грезев // www.ic-tm.ru/info/svarochnoe_proizvodstvo_



Статьи по теме:

страницы: 1