Финские специалисты опубликовали Обзор особенностей гибридной лазерно-дуговой сварки.

Дата публикации: 26/09/2010
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

Проанализированы особенности применения различных способов гибридной сварки с учетом используемых параметров процесса, типов свариваемого металла и его толщины.
Рассмотрены экономические аспекты применения гибридной сварки, особенности контроля качества.
Исследование выполнили специалисты П. КАХ, А. САЛМИНЕН, Дж. МАРТИКАИНЕН из Лаборатории технологии сварки и обработки лазером (Технологический университет, г. Лаппеенранта, Финляндия), и Центра машиностроительных технологий («Турку Лтд.», г. Турку, Финляндия).
Изучение процесса гибридной лазерно-дуговой сварки началось в 1978 г. с выхода в свет первой статьи о сварке ТИГ в сочетании с лазерной сваркой.
Сегодня лазеры, используемые в гибридной лазерно-дуговой сварке, включают лазеры старшего поколения (СО2-лазер, Nd:YAG-лазер, диодный), а также новые типы (дисковый и волоконный).
СО2-лазер был первым и наиболее часто используемым при гибридной сварке.
Nd:YAG -лазеры успешно применяют при гибридной сварке для соединения алюминия, материалов с высокой отражательной способностью и стали, благодаря его короткой длине световой волны гарантируется больший уровень ее поглощения. Одним из преимуществ Nd:YAG-лазера является применение оптоволокна для перемещения пучка. Гибридная сварка объединяет энергию двух различных источников энергии в одной зоне проплавления.
Как правило, сфокусированный лазерный пучок направлен в зону соединения перпендикулярно поверхности пластины, а горелка наклонена под определенным утлом к точке взаимодействия лазерного пучка и материала. При этом лазерный пучок с высокой плотностью энергии и электрическая дуга с высоким энергетическим КПД взаимодействуют одновременно в одной области процесса (плазма и сварочная ванна), помогая друг другу. При гибридной сварке количество переменных параметров увеличивается вследствие объединения различных процессов, имеющих свои параметры.
Существует множество гибридных способов сварки, отличающихся лазерным источником (СО2-лазер, Nd:YAG-лазер, диодный, волоконный или дисковый) и способами дуговой сварки (МИГ/МАГ, ТИГ, плазменная сварка, тандем-сварка, дуговая сварка металлическим покрытым электродом). При этом можно также использовать специальные головки, в которых лазерный пучок окружен электрической или плазменной дугой.
В процессах гибридной сварки потенциал, как правило, определяют с помощью выбора соответствующей настройки оборудования и базовых параметров, режимов, адаптированных к требованиям материала, его структуре и условиям изготовления.
Если граничные условия процесса выбраны правильно, то гибридная сварка является стабильной, эффективной и гибкой технологией.
Исследования выявили, что при совмещении различных способов сварки достигается синергетический эффект, при этом недостатки отдельных способов сварки компенсируются. Например, типичный узкий шов лазерной сварки в некоторых случаях способствует появлению металлургических проблем и проблем при сборке, а повышенное количество подводимого тепла при дуговой сварке увеличивает деформацию изделия, что приводит к последующим затратам на повторную обработку. К преимуществам относят возможность заполнения зазора при увеличенном зазоре в стыке вследствие неточной подготовки кромок и допусков по фиксации; повышение проплавления и скорости сварки, что удерживает на минимальном уровне подводимое тепло и тепловую деформацию; повышение равномерности формирования наплавленного валика; расширение сферы применения адаптированных к требованиям материалов конструкций и условиям изготовления; снижение инвестиционных расходов в связи с экономией лазерной энергии.
Отмечено также улучшение металлургических свойств при использовании присадочного материала и уменьшение пористости благодаря ускоренному выделению газа из сварочной ванны увеличенного размера, особенно в швах с частичным проплавлением.
При гибридной сварке дуга находится в стабильном состоянии, поскольку катодное пятно дуги расположено в области теплового воздействия благодаря лазерному излучению в парогазовом канале.
Результаты, полученные с помощью высокоскоростной камеры, показали, что генерируемая лазером плазма оказывает решающее воздействие на стабильность дуги. Гибридную сварку в основном применяют в случае, если толщина пластины позволяет выполнять однопроходную сварку. При этом ограничивающим фактором является мощность лазерного излучения.
При использовании высокомощных лазеров можно сваривать пластины толщиной до 30 мм за один проход. Однако с помощью лазеров средней мощности также возможно соединение стальных листов большой толщины, при этом необходим фиксированный зазор между свариваемыми пластинами и применение многопроходной сварки.
Как и при лазерной сварке с присадочной проволокой, при гибридной сварке возможно использование лазеров средней мощности для больших сечений.
И хотя лазер не обязательно должен быть очень мощным (что означает сокращение инвестиционных расходов), возможно получение качественных соединений.
Кроме подготовки кромок без скоса при выполнении стыкового шва, можно также использовать V- и Y-образную подготовку кромок, которая часто может быть обеспечена непосредственно при вырезке заготовки без дальнейшей механической обработки. Сфера применения гибридной лазерно-дуговой сварки включает многие отрасли промышленности (например, судостроительную, автомобильную, производство контейнеров).
Благодаря значительным преимуществам гибридная сварка является достаточно надежным способом соединения различных материалов.
Расстояние между положением лазерного пучка и дугой, называемое «расстоянием процесса», является важным параметром гибридной лазерно-дуговой сварки. Если оно слишком большое, плазмы дуги и лазера находятся отдельно друг от друга, что приводит к нестабильности дуги, поскольку в этом случае плазма лазера и нагретый материал не направлены на ее генерирование и поддержку. Если же «расстояние процесса» составляет 5 мм или более, указанные процессы действуют независимо. Это зависит от скорости сварки, мощности дуги и лазера, а также используемого материала.
Гибридная лазерно-дуговая сварка под флюсом является наиболее целесообразной среди способов гибридной лазерно-дуговой сварки.
Промышленность проявляет значительный интерес к этому способу сварки, имеющему практическое применение благодаря использованию менее дорогостоящих и гибких источников лазерного излучения.
Использование в этом процессе твердотельных лазеров дает возможность для дальнейшего развития этого способа сварки и расширения области его применения. Одним из его преимуществ является уменьшение риска плазменной защиты, поскольку легче объединить более короткую длину волны твердотельного лазера в материале, подлежащем обработке.
При более короткой длине волны также может быть улучшена гибкость оборудования, поскольку можно обойтись без сложного наведения лазерного пучка через зеркальную оптику, а направлять его через оптоволокно в обрабатывающую оптическую систему.
Для достижения лучшей дегазации и получения шва с минимальным количеством пор или без них можно расширять или стабилизировать парогазовый канал. Одним из путей этого могло бы стать применение сварки и контроля с помощью адаптированной оптической колебательной системы. Введение защитного газа и/или технологического газа является еще одним параметром процесса сварки. При использовании эффективного твердотельного лазера, например волоконного, можно бы-ло бы исключить применение защитного газа, а использовать сжатую воздушную струю во избежание необходимости очистки шва, что сделает данный способ сварки более экономичным.
При процёссе гибридной лазерно-дуговой сварки под флюсом достигается лучшая дегазация за счет покрытия расплавленного металла шлаком, хорошего заполнения шва и более высоких возможностей этого способа сварки по сравнению с лазерной сваркой для соединения толстых пластин с использованием проволоки различных диаметров. Большие надежды связаны с применением комбинаций проволока + флюс и новых лазерных технологий.
Таким образом, исходя из результатов исследования различных способов гибридной лазерно-дуговой сварки, можно заключить, что указанный способ сварки находит широкое промышленное применение благодаря экономическим и техническим преимуществам технологии.
Внедрение этой передовой технологии может изменить способы сооружения конструкций, а также принятые производственные парадигмы.
Производители утверждают, что вследствие ее применения они получают большие выгоды, чем их конкуренты. Гибридная сварка требует соответствующих настройки системы и подбора основных параметров. Если эти граничные условия выбраны правильно, то эта технология оказывается стабильной, эффективной и гибкой, а если они установлены не надлежащим образом, то в швах будут образовываться дефекты. Производительность этого способа сварки можно улучшить путем увеличения скорости сварки, которая для листового материала может составлять до 40 % с традиционной лазерной сваркой.
При использовании гибридной сварки инвестиционные расходы на источник лазерного излучения значительно уменьшаются, а затраты на электроэнергию становятся намного выше. При гибридной МИГ/МАГ сварке высокопрочной конструкционной стали толщиной до 20 мм с зазором до 1 мм в нижнем положении возможно достижение проплавления по всей глубине как без разделки кромок, так и при V- и Y-образной разделке. Гибридная сварка найдет промышленное применение и для соединений большой толщины с изменяющимся зазором в кромках.
При этом желательно разработать технологические условия, позволяющие обеспечить стабильное качество швов.

Источник: «Автоматическая сварка», 2010, №6, с.38-47 / www.nas.gov.ua/pwj

Статьи по теме: