Особенности лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом высокопрочных алюминиевых сплавов

Рассмотрено влияние интенсивности испарения элементов основного металла и электродной проволоки, а также состава защитной газовой среды на прохождение лазерного излучения к свариваемому металлу при гибридной сварке алюминиевых сплавов. Исследованы технологические особенности гибридной лазерно-дуго...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2009
Hauptverfasser:	Шелягин, В.Д., Хаскин, В.Ю., Машин, В.С., Пашуля, М.П., Бернацкий, А.В., Сиора, А.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2009
Schriftenreihe:	Автоматическая сварка
Schlagworte:	Производственный раздел
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101382
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Особенности лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом высокопрочных алюминиевых сплавов / В.Д. Шелягин, В.Ю. Хаскин, В.С. Машин, М.П. Пашуля, А.В. Бернацкий, А.В. Сиора // Автоматическая сварка. — 2009. — № 12 (680). — С. 28-35. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-101382
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1013822016-06-04T03:01:38Z Особенности лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом высокопрочных алюминиевых сплавов Шелягин, В.Д. Хаскин, В.Ю. Машин, В.С. Пашуля, М.П. Бернацкий, А.В. Сиора, А.В. Производственный раздел Рассмотрено влияние интенсивности испарения элементов основного металла и электродной проволоки, а также состава защитной газовой среды на прохождение лазерного излучения к свариваемому металлу при гибридной сварке алюминиевых сплавов. Исследованы технологические особенности гибридной лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом, выбраны режимы, проведено сравнение полученных результатов со сваркой импульсной дугой плавящегося электрода. The paper deals with the influence of the intensity of evaporation of base metal and electrode wire elements, as well as shielding gas atmosphere composition on laser radiation propagation to the metal being welded in hybrid welding of aluminium alloys. Technological features of hybrid consumable electrode laser-arc welding were studied, modes were selected and the obtained results were compared with consumable electrode pulsed arc welding. 2009 Article Особенности лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом высокопрочных алюминиевых сплавов / В.Д. Шелягин, В.Ю. Хаскин, В.С. Машин, М.П. Пашуля, А.В. Бернацкий, А.В. Сиора // Автоматическая сварка. — 2009. — № 12 (680). — С. 28-35. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101382 621.791.72 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Производственный раздел Производственный раздел
spellingShingle	Производственный раздел Производственный раздел Шелягин, В.Д. Хаскин, В.Ю. Машин, В.С. Пашуля, М.П. Бернацкий, А.В. Сиора, А.В. Особенности лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом высокопрочных алюминиевых сплавов Автоматическая сварка
description	Рассмотрено влияние интенсивности испарения элементов основного металла и электродной проволоки, а также состава защитной газовой среды на прохождение лазерного излучения к свариваемому металлу при гибридной сварке алюминиевых сплавов. Исследованы технологические особенности гибридной лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом, выбраны режимы, проведено сравнение полученных результатов со сваркой импульсной дугой плавящегося электрода.
format	Article
author	Шелягин, В.Д. Хаскин, В.Ю. Машин, В.С. Пашуля, М.П. Бернацкий, А.В. Сиора, А.В.
author_facet	Шелягин, В.Д. Хаскин, В.Ю. Машин, В.С. Пашуля, М.П. Бернацкий, А.В. Сиора, А.В.
author_sort	Шелягин, В.Д.
title	Особенности лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом высокопрочных алюминиевых сплавов
title_short	Особенности лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом высокопрочных алюминиевых сплавов
title_full	Особенности лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом высокопрочных алюминиевых сплавов
title_fullStr	Особенности лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом высокопрочных алюминиевых сплавов
title_full_unstemmed	Особенности лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом высокопрочных алюминиевых сплавов
title_sort	особенности лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом высокопрочных алюминиевых сплавов
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Производственный раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101382
citation_txt	Особенности лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом высокопрочных алюминиевых сплавов / В.Д. Шелягин, В.Ю. Хаскин, В.С. Машин, М.П. Пашуля, А.В. Бернацкий, А.В. Сиора // Автоматическая сварка. — 2009. — № 12 (680). — С. 28-35. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT šelâginvd osobennostilazernodugovojsvarkiplavâŝimsâélektrodomvysokopročnyhalûminievyhsplavov AT haskinvû osobennostilazernodugovojsvarkiplavâŝimsâélektrodomvysokopročnyhalûminievyhsplavov AT mašinvs osobennostilazernodugovojsvarkiplavâŝimsâélektrodomvysokopročnyhalûminievyhsplavov AT pašulâmp osobennostilazernodugovojsvarkiplavâŝimsâélektrodomvysokopročnyhalûminievyhsplavov AT bernackijav osobennostilazernodugovojsvarkiplavâŝimsâélektrodomvysokopročnyhalûminievyhsplavov AT sioraav osobennostilazernodugovojsvarkiplavâŝimsâélektrodomvysokopročnyhalûminievyhsplavov
first_indexed	2025-07-07T10:48:22Z
last_indexed	2025-07-07T10:48:22Z
_version_	1836984882911248384
fulltext	УДК 621.791.72 ОСОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНО-ДУГОВОЙ СВАРКИ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ ВЫСОКОПРОЧНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ В. Д. ШЕЛЯГИН, В. Ю. ХАСКИН, В. С. МАШИН, кандидаты техн. наук, М. П. ПАШУЛЯ, А. В. БЕРНАЦКИЙ, А. В. СИОРА, инженеры (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины) Рассмотрено влияние интенсивности испарения элементов основного металла и электродной проволоки, а также состава защитной газовой среды на прохождение лазерного излучения к свариваемому металлу при гибридной сварке алюминиевых сплавов. Исследованы технологические особенности гибридной лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом, выбраны режимы, проведено сравнение полученных результатов со сваркой импульсной дугой плавя- щегося электрода. К л ю ч е в ы е с л о в а : лазерно-дуговая сварка, алюминие- вые сплавы, импульсная дуга, плавящийся электрод, гибрид- ный процесс, стыковые соединения, параметры режима, характерные дефекты, механические свойства Алюминиевые сплавы применяют для сварных конструкций автомобильного и железнодорожно- го транспорта, судов различного назначения, ави- ационной и космической техники, корпусов при- боров и т. д. Основной проблемой изготовления таких конструкций чаще всего является получе- ние качественных сварных соединений, при вы- полнении которых используют присадочные или электродные проволоки, а также отбортовку кро- мок. Толщина стенок соединяемых деталей пре- имущественно составляет от десятых долей мил- лиметра до 1…3 мм (реже 4…8 мм) [1]. Одним из важных моментов при выборе того или иного алюминиевого сплава для изготовления элементов указанных выше конструкций является макси- мально возможное снижение общей массы изде- лий при сохранении их механических характерис- тик. Этот подход приводит к необходимости применения сплавов с различными системами ле- гирования. Так, в современных ответственных конструкциях переходят от сплавов систем леги- рования Al–Mg–Mn (сплав АМг6) и Al–Cu–Mg (сплав Д16) к сплавам, например, системы Al– Mg–Li (сплав 1420), имеющим высокие механи- ческие характеристики при низкой их плотности и повышенном модуле упругости [2]. Для изготовления конструкций с указанным диапазоном толщин стенок отдельных элементов, кроме дуговых и плазменных (микроплазменных) способов сварки, можно использовать лазерную сварку (ЛС) [3]. На практике этот способ не по- лучил широкого применения, в первую очередь, из-за высокой стоимости технологических лазе- ров. Однако использование лазерно-дуговой свар- ки позволяет снизить примерно на 50 % себес- тоимость погонного метра сварного шва за счет частичной замены лазерной мощности дуговой и повысить на 50 % производительность процесса [4]. Такой процесс должен позволить сохранить большинство преимуществ ЛС и сделать его более привлекательным для потребителя. Перед проведением экспериментальных иссле- дований проанализированы публикации, посвя- щенные гибридной лазерно-дуговой сварке алю- миниевых сплавов с целью уточнения параметров режима сварки. В работе [5] рассмотрены техно- логические особенности сварки алюминия и его сплавов излучением CO2-лазера мощностью P = = 0,6 кВт совместно с дугой неплавящегося воль- фрамового электрода. Так, сплав 5052 толщиной δ = 3,2 мм предложено сваривать со скоростью vсв = 30,5 м/ч при токе Iсв = 70 А в защитной среде гелия [5]. Соотношение лазерной мощности к дуговой составляло примерно 1:3. В связи с малой мощностью лазерного излучения форми- рование шва имело типичный для дуговой сварки характер. При соотношении лазерной и дуговой мощностей приблизительно 1:1 формирование швов имело кинжальный вид, который прибли- жался к характерному для ЛС [6, 7]. Так, при повышении мощности лазерного излучения от 0,1 до 1,5 кВт (длинa дуги 10 мм) для получения на- дежного проплавления скорость увеличивалась от 0,5 до 2,0 м/мин. При этом отношение глубины проплавления к ширине шва изменялось от 0,5 до 2,0, а погонная энергия от 3,2 до 0,5 кДж/см. В работе [8] отмечается, что в отличие от ЛС, при которой зазор между стыкуемыми элемента- ми не должен превышать 10 % толщины металла, при гибридной сварке этот параметр может сос- тавлять 25…30 %. В работе [9] рассматривалась гибридная сварка алюминиевых сплавов излуче- © В. Д. Шелягин, В. Ю. Хаскин, В. С. Машин, М. П. Пашуля, А. В. Бернацкий, А. В. Сиора, 2009 28 12/2009 нием CO2- и Nd:YAG-лазеров в диапазоне мощ- ностей от 0,4 до 6,0 кВт. По критерию снижения склонности к трещинообразованию был подобран режим гибридной сварки алюминиевого сплава серии 6000 (δ = 2 мм), превосходящий по скорости ЛС на 40 %. В обзорной работе немецких ученых [10] отдельно рассмотрены технологические воз- можности комбинированной лазерно-дуговой сварки (при которой дуга и лазерный пучок воз- действуют на изделие на определенном рассто- янии один от другого) и гибридной сварки (оба источника тепла воздействуют на изделие в пре- делах общей сварочной ванны). Особое внимание авторы уделяют сварке алюминиевых сплавов гибридом лазерного излучения с дугой плавяще- гося электрода и даже рассматривают двухдуго- вой гибридный способ. В обзорной работе [11] для сварки алюминиевых сплавов (5052 и 6008) рекомендуемый диапазон варьирования расстоя- ния между сфокусированным излучением Nd:YAG-лазера и дугой плавящегося электрода составлял 0…10 мм (лучше 4…10 мм). При этом ток дуги изменяли в пределах Iсв = 60…240 А, мощность непрерывного излучения лазера P = = 1,5…3,5 кВт. Проанализировав литературные данные, мож- но заключить, что для гибридной сварки алюми- ниевых сплавов толщиной δ = 4…6 мм целесо- образно использовать лазерное излучение с дли- ной волны 1,06 мкм в диапазоне мощностей P = = 2…5 кВт и дугу плавящегося электрода. При этом соотношение мощностей лазерного излуче- ния и дуги должно лежать в пределах от 1/1 до 1/1,5. Целью данного исследования являлась отра- ботка техники и технологических режимов сварки алюминиевых сплавов АМг6, 1420 и Д16 гибрид- ным способом с использованием излучения Nd:YAG-лазера и импульсной дуги плавящегося электрода (ИДПЭ), а также изучение технологи- ческих особенностей такой гибридной лазерно- дуговой сварки. Для достижения поставленной цели был про- веден ряд экспериментов согласно схеме, приве- денной в работе [12] (рис. 1). Как показано в ра- боте [13], эта схема полностью пригодна для свар- ки алюминиевых сплавов. В качестве источника лазерного излучения использовали Nd:YAG-лазер модели DY 044 (фирмы «Rofin Synar», Германия) с мощностью излучения до P = 4,4 кВт. Импуль- сную дугу плавящегося электрода питали от ус- тановки «Fronius TPS-2700» (фирмы «Fronius», Австрия), обеспечивающей сварочный ток до Iсв = = 270 А. Гибридную головку размещали на манипуля- торе, перемещавшем ее относительно неподвиж- ного образца, зажатого в сварочном приспособ- лении. Образцы размером 300 100 δ мм свари- вали встык. Использовали сплавы АМг6 (δ = = 6 мм), Д16 (δ = 5 мм) и 1420 (δ = 4 мм) (ГОСТ 4784–74), а также проволоки СвАМг6 и СвАК5 диаметром 1,2 мм (ГОСТ 7871–75). Перед прове- дением экспериментов были определены механи- ческие свойства свариваемых металлов (табл. 1). Испытания на растяжение образцов проводили на машине УМЭ-10ТМ. Сварку проводили на съем- ной подкладке из нержавеющей стали с канавкой глубиной 2 мм в аргоне (ГОСТ 10157–79) или гелии марки Б (ТУ 51-940–80), подаваемых со- ответственно с расходом 20 и 30 л/мин. Сварку вели «углом вперед». При этом угол наклона оси лазерного излучения относительно нормали к об- разцу составлял 9°, а угол наклона дуговой го- релки — 55°. Скорость сварки изменяли в пре- делах vсв = 30…60 м/ч. В момент завершения каж- дого эксперимента по гибридной сварке при ос- тановке сварочной головки сначала выключали ИДПЭ, а через 1…2 с лазерное излучение, что позволяло точно определить положение сфокуси- рованного лазерного излучения относительно зо- ны действия ИДПЭ. Наибольшая глубина проп- лавления соответствовала расстоянию 2…4 мм. Кроме того, исследовали взаимное влияние мощ- Т а б л и ц а 1. Механические свойства свариваемых алю- миниевых сплавов Сплав σв, МПа σ0,2, МПа σ0,01, МПа δ5, % Д16 458...462 460 318...348 330 235...265 257 14,6...16,2 15,4 1420 465...477 470 236...252 244 — 9,1...10,1 9,5 Рис. 1. Схема проведения экспериментов по гибридной лазер- но-дуговой сварке алюминиевых сплавов: 1 — лазерное из- лучение мощностью P; 2 — фокусирующий объектив с фокусным расстоянием F; 3 — защитное сопло; 4 — приса- дочная проволока; 5 — медный токоподводящий мундштук; 6 — образец; ΔF — заглубление горловины каустики излуче- ния относительно поверхности образца; L — расстояние меж- ду концом плавящегося электрода и осью лазерного излу- чения 12/2009 29 ности лазерного излучения и скорости подачи электродной проволоки (сварочного тока) на элек- трические параметры процесса ИДПЭ. Для исследований по подбору режимов гиб- ридной сварки сплавов АМг6, Д16 и 1420 приняли следующую методику. Критерием оптимизации режима служило стабильное формирование корня шва при минимальной мощности обоих источ- ников нагрева и максимальной скорости сварки vсв. При этом сочетание мощностей лазерного и дугового источников выбирали близким к реко- мендованному в литературе соотношению 1:1. Выбор режима проводили путем выполнения нап- лавок образцов и их сварки. Геометрические па- раметры швов определяли по поперечным мак- рошлифам с точностью ±0,1 мм. Измеряли ши- рину швов B, высоту их выпуклости H, ширину b и высоту h корня шва при полном проплавлении металла (табл. 2), глубину швов (в случае непол- ного проплавления металла) и площадь сечения швов S в различных их зонах. Оценивали также количество и диаметр пор и пустот в швах. Мак- роструктуру швов выявляли путем химического травления шлифов в растворе, состоявшем из трех кислот — 72 см3 HCl + 24 cм3 HNO3 + 4 см3 HF. Для определения прочностных характеристик сварных соединений использовали образцы с вы- пуклостью швов и удаленным корнем. В ходе проведения экспериментов установле- но, что через 5…10 с после начала гибридной сварки начиналось интенсивное поглощение ла- зерного излучения образующимся над сварочной ванной плазменным факелом. Это приводило к падению глубины проплавления. По нашему мне- нию, это связано с интенсивным выделением сва- рочных аэрозолей, образующихся над ванной рас- плава под действием дуги плавящегося электро- да [14]. Исследования, проведенные в ИЭС им. Т а б л и ц а 2. Влияние режимов сварки ИДПЭ и гибридной ИДПЭ+ЛС алюминиевого сплава АМг6 в аргоне на геометрические параметры швов № образца vсв, м/ч Iсв, А Uд, В vпр, м/ч Р, кВт В, мм Н, мм b, мм h, мм 1 30 126 20,0 8,3 — 9,0 3,0 — — 2-1 30 113 21,9 8,3 2 9,5 2,7 — — 2-2 30 119 20,6 8,3 2 10,0 3,0 — — 3 30 121 20,1 8,3 3 — — — — 4 30 120 20,0 8,3 4 9,0 2,5 5,0 2,0 15 30 119 19,0 7,5 — 8,0 2,8 — — 14 30 111 20,5 7,5 4 14,0 2,5 2,5 1,0 16 30 130 20,5 8,3 — 8,8 2,7 — — 18 30 122 21,0 8,3 4 14,2 1,5 5,5 1,4 17 30 145 21,5 9,3 — 9,0 3,3 — — 19 30 138 21,5 9,3 4 16,0 2,0 4,0 1,3 20 45 131 19,6 8,3 — 6,2 2,7 — — 12 45 123 21,1 8,3 4 11,0 2,3 — — 22 45 150 21,3 9,3 — 8,5 2,2 — — 11 45 142 21,1 9,3 4 12,0 2,0 3,0 1,2 23 45 164 21,9 10,1 — 9,0 2,3 — — 21 45 156 22,6 10,1 4 13,0 2,0 — — 25 60 150 21,0 9,3 — 7,0 2,2 — — 6 60 140 21,7 9,3 4 10,0 2,2 — — 27 60 177 22,0 10,9 — 8,0 2,5 — — 9 60 162 22,4 10,9 4 11,0 1,5 — — 26 60 198 22,3 12,2 — 8,5 2,2 — — 24 60 194 23,0 12,2 4 12,0 2,0 — — 7 60 126 20,5 8,3 4 9,0 2,0 — — 8 60 157 22,0 10,1 4 10,0 2,0 — — 10 60 182 23,7 11,6 4 12,0 1,7 — — Непрерывное излучение с длиной волны 1,06 мкм. 30 12/2009 Е. О. Патона, показали [15], что с увеличением тока при сварке плавящимся электродом в инер- тных газах средняя температура капель электрод- ного металла повышается, достигая температуры кипения алюминиевого сплава, из которого из- готовлена электродная проволока. При неизмен- ном сварочном токе повышение диаметра про- волоки приводит к снижению средней темпера- туры капель электродного металла. С повыше- нием содержания гелия в гелий-аргоновых смесях температура капель также снижается, достигая на- именьших значений при сварке в чистом гелии [15]. Это, в свою очередь, приводит к снижению испарения магния в каплях, повышению его со- держания в шве и улучшению механических свойств соединений. При гибридной сварке ИД- ПЭ+ЛС наблюдалось свечение лазерного излуче- ния над сварочной ванной около зоны действия ИДПЭ, свидетельствующее о возросшем погло- щении излучения. С повышением скорости плав- ления проволоки (сварочного тока) увеличивается количество капель электродного металла и объем продуктов испарения из них и основного металла [14]. Это повышает плотность газовой среды, спо- собствует поглощению лазерного излучения и со- ответственно снижению глубины проплавления. Как показано в работе [16], при ЛС в гелии и в аргоне процесс испарения металла сварочной ванны различный. При испарении в гелии в ре- зультате более интенсивной боковой разгрузки па- рового факела плотность паров металла на пути лазерного излучения оказывается существенно меньше, чем при испарении в аргоне. Это поз- воляет объяснить наблюдаемый эффект достиже- ния стабильного глубокого проплавления при ис- пользовании гелия или гелийсодержащих смесей. В связи с предположением относительно из- менения характера разлета паров металла, обра- зующихся над сварочной ванной в том или ином защитном газе, было предложено использовать вместо непрерывного излучения импульсное. Ожидалось, что в случае защиты аргоном на про- тяжении паузы произойдет необходимый для ус- транения экранирования лазерного излучения раз- лет паров свариваемого металла. Соотношение длительности импульса и паузы излучения вы- бирали по критерию отсутствия характерного сни- жения глубины проплавления при гибридном про- цессе. Выбранное соотношение составило 3:1, т. е. скважность импульса Qимп = 3 при частоте сле- дования импульсов f = 250 Гц. Такой импульсный режим излучения позволил проводить гибридную сварку в защите аргона. Возможно, выбранное со- отношение не является оптимальным, а частота следования импульсов лазерного излучения дол- жна определенным образом соответствовать час- тоте импульсов дуги плавящегося электрода. Этот момент, очевидно, требует дальнейших исследо- ваний. Пример влияния режимов сварки сплава АМг6 на форму швов приведен в табл. 3, из которой видно, что в диапазоне скоростей сварки vсв = = 30…45 м/ч и подачи электродной проволоки Рис. 2. Макрошлиф соединения сплава АМг6, полученного гибридным процессом сварки в среде гелия: vсв = 60 м/ч; P = = 3 кВт; Iсв ≈ 74 А; Uд = 17 В Рис. 3. Макрошлифы стыковых соединений сплава Д16, по- лученных гибридной сваркой с импульсным лазерным излу- чением в среде аргона проволокой СвАМг6 (Рср = 3 кВт, Pпик = 4 кВт, Qимп = 3, f = 250 Гц, vсв = 60 м/ч): а — Iсв ≈ ≈ 185 А, Uд ≈ 21,5 В, vпр = 11,6 м/мин; б — Iсв ≈ 200 А, Uд ≈ ≈ 21,5 В, vпр = 12,4 м/мин; в — Iсв ≈ 210 А, Uд ≈ 21,5 В, vпр = = 13,0 м/мин 12/2009 31 vпр = 7,5…9,3 м/мин ИДПЭ не удается полностью проплавить образец из сплава АМг6, в отличие от ИДПЭ+ЛС. Оптимальные режимы гибридного процесса ИДПЭ+ЛС в защите аргона наблюда- Т а б л и ц а 3. Форма швов в зависимости от скорости сварки и скорости подачи электродной проволоки СвАМг6 при сварке ИДПЭ и гибридной ИДПЭ+ЛС сплава АМг6 Режим сварки ИДПЭ* ИДПЭ+ЛС* (P = 4 кВт) vсв, м/ч vпр, м/мин 30 7,5 8,3 45 8,3 9,3 60 10,9 12,2 * Номера шлифов соответствуют номерам образцов из табл. 2. 32 12/2009 ются при vсв = 30 м/ч, P = 4 кВт, Iсв ≈ 120 А и при vсв = 45 м/ч, P = 4 кВт, Iсв ≈ 140 А. При использовании гелия появляется возможность по- вышения скорости сварки до 60 м/ч при однов- ременном снижении мощности излучения и тока ИДПЭ (рис. 2). Результаты гибридной сварки сплава Д16 в защите аргона с использованием импульсного лазерного излучения с пиковой мощ- ностью Pпик = 4 кВт и средней мощностью Pср = = 3 кВт показаны на рис. 3. Наилучший режим такого вида сварки имеет место при Iсв = 200 А, Uд = 21,5 В, vпр = 12,4 м/мин. Использование им- пульсного излучения привело к необходимости повышения мощности ИДПЭ, однако при этом форма провара, размер ЗТВ и величина зерна ос- тались на уровне, характерном для гибридной сварки непрерывным излучением (см. табл. 3). При одной и той же скорости подачи проволоки (vсв = 30 м/ч) гибридный процесс ИДПЭ+ЛС по сравнению с ИДПЭ позволяет повысить в 1,6…1,9 раза ширину швов и снизить в 1,1…1,6 раза вы- соту их выпуклости H. Такие зависимости наб- людаются и при больших скоростях сварки, но при меньших абсолютных значениях геометри- ческих параметров швов. Характерным недостат- ком гибридной сварки является порообразование в швах. При сварке рассмотренных сплавов это явление наиболее четко проявляется на сплаве 1420 (рис. 4). По всей вероятности это связано с интенсивным испарением лития и магния из основного металла под действием лазерного из- лучения. Установлено, что независимо от скорости по- дачи проволоки (от 7,5 до 13,2 м/мин) лазерное излучение мощностью 4 кВт повышает на 1…2 В напряжение на дуге (наблюдаемую длину дуги) и уменьшает на 10…15 А сварочный ток. С по- вышением мощности лазерного излучения от 1 до 4 кВт и неизменной подаче электродной про- волоки наблюдается обратная зависимость — уве- личивается сварочный ток и уменьшается напря- жение на дуге (табл. 2, 4). Это связано, в первую очередь, с повышением ионизации дуговой об- ласти лазерным излучением и соответственно из- менением вольт-амперных характеристик дуги. Еще одним важным параметром, характери- зующим сварочный процесс, является погонная энергия, которая была определена для дуговой и гибридной сварки сплава АМг6. При этом КПД дуговой сварки в аргоне приняли за 0,72, а в гелии — за 0,88 [17]. КПД лазерной составляю- щей гибридного процесса приняли за единицу, так как сварку вели с глубоким проплавлением. Проведенные расчеты позволили построить зави- симости влияния погонной энергии на ширину швов, их общую высоту (глубину проплавления δ и высоту корня шва h), а также площадь сечения переплавленного металла (рис. 5). Установлено, что при одинаковой погонной энергии гибридная сварка по сравнению с ИДПЭ позволяет повысить глубину проплавления металла, а также снизить ширину швов и площадь их сечения. Анализ результатов механических испытаний высокопрочных алюминиевых сплавов показал (табл. 5), что соединения сплава Д16, полученные проволокой СвАК5, имеют более высокие проч- ностные характеристики, чем соединения, сварен- ные проволокой СвАМг6. Во всех случаях разрушения образцов сплава Д16 начинаются с зоны сплавления корня шва с основным металлом и переходят в шов. Соединения сплава 1420 как Т а б л и ц а 4. Режимы гибридной сварки стыковых сое- динений алюминиевых сплавов (vсв = 60 м/ч) Сплав (проволока) Iсв, А Uд, В vпр, м/мин Р, кВт Д16 (СвАМг6) 185...190 21,5...21,6 11,6 4,0 Д16 (СвАК5) 190...200 22,5...23,0 10,3 4,0 1420 (СвАМг6) 48...50 13,8 3,1 2,0 Рис. 4. Влияние параметров режима ИДПЭ (vсв = 60 м/ч) при гибридной сварке (непрерывное излучение, P = 2 кВт) в аргоне на геометрические параметры швов сплава 1420: а — Iсв = 40 А, Uд = 12,3 В, vпр = 2,3 м/мин; б — Iсв = 42 А, Uд = = 12,5 В, vпр = 2,7 м/мин; в — Iсв = 51 А, Uд = 14,3 В, vпр = = 3,1 м/мин 12/2009 33 с верхним усилением, так и без него разрушаются по центру шва. Коэффициенты прочности соеди- нений сплавов Д16 и 1420, полученные гибридной лазерно-дуговой сваркой плавящимся электродом, составляют σв с.с ⁄ σв о.м = 0,63…0,69, а коэффициенты текучести соединений — σ0,2 с.с ⁄ σ0,2 о.м = 0,65…0,77. Удаление усилений верхней части и корня шва приводит к некоторому снижению прочностных характеристик соединений. Выводы 1. При гибридной лазерно-дуговой сварке плавя- щимся электродом (ИДПЭ+ЛС) алюминиевых сплавов интенсивность испарения отдельных эле- ментов из основного металла и электродной про- волоки, а также состав защитной газовой среды существенно влияют на прохождение лазерного излучения к свариваемому металлу. Использова- ние аргона и высоких сварочных токов приводит к экранированию излучения и, как следствие, к значительному уменьшению глубины проплавле- ния. Для устранения этого эффекта целесообразно применять для защиты сварочной ванны смеси аргона с гелием или чистый гелий, а также ис- пользовать импульсную модуляцию лазерного из- лучения. 2. В диапазоне скоростей 30…60 м/ч гибридная сварка по сравнению с ИДПЭ позволяет повысить в 1,8…2,6 раза скорость сварки металла толщиной 6 мм, снизить в 1,3…1,6 раза тепловложение в сва- риваемый металл и значительно уменьшить дефор- мации соединений толщиной 4 мм. Исследование характера формирования сварных швов позволяет заключить, что при гибридной сварке металла тол- щиной 6 мм и более с использованием лазерного излучения мощностью 1…4 кВт ведущую роль иг- рает способ ИДПЭ. Т а б л и ц а 5. Механические свойства соединений алюминиевых сплавов, полученных гибридной сваркой Сплав (проволока) σв, МПа σ0,2, МПа σ0,01, МПа σв с.с ⁄ σв о.м σ0,2 с.с ⁄ σ0,2 о.м Д16* (СвАМг6) 290...324 304 229...238 234 101...161 139 0,66 0,71 Д16** (СвАМг6) 291...300 294 211...218 216 96...122 111 0,64 0,65 Д16* (СвАК5) 311...326 319 236...245 240 126...155 139 0,69 0,77 Д16** (СвАК5) 286...306 293 200...228 217 93...134 117 0,64 0,66 1420* (СвАМг6) 293...318 302 179...184 181 86...96 92 0,64 0,74 1420** (СвАМг6) 275...308 294 167...180 173 91...120 106 0,63 0,71 * В образцах удалено усиление корня шва. ** В образцах удалены верхнее усиление и усиление корня шва. Рис. 5. Влияние погонной энергии q процессов ИДПЭ (1) и ИДПЭ+ЛС (2) сплава АМг6 при использовании непрерывно- го излучения мощностью P = 4 кВт на ширину швов В (а), глубину проплавления δо.м + h (б), площадь сечения швов ΣS (в) 34 12/2009 3. Устранить такие характерные дефекты при гибридной сварке алюминиевых сплавов систем легирования Al–Mg–Mn, Al–Cu–Mg и Al–Mg–Li, как пористость и свищи, можно путем улучшения защиты сварочной ванны, а также тщательного подбора и оптимизации режимов сварки. 4. Такие механические характеристики сварных соединений, как прочность и текучесть, для гиб- ридного лазерно-дугового процесса несколько пре- вышают уровень аналогичных значений, получае- мых при использовании ИДПЭ. С учетом повыше- ния производительности это свидетельствует о це- лесообразности замены процесса ИДПЭ процес- сом ИДПЭ+ЛС. 1. Рабкин Д. М. Металлургия сварки плавлением алюминия и его сплавов. — Киев: Наук. думка, 1986. — 256 с. 2. Шахов С. В. Технологические и металлургические осо- бенности лазерной сварки современных авиационных алюминиевых сплавов: Дис. … канд. техн. наук. — М., 2007. — 223 с. 3. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / Под ред. Б. Е. Патона. — М.: Машиностро- ение, 1974. — 768 с. 4. Irving B. Automotive engineers plunge into tomorrow’s joining problems // Welding J. — 1994. — 73, № 11. — P. 47–50. 5. Diebold T. P., Albright С. Е. «Laser-GTA» welding of alu- minum alloy 5052 // Ibid. — 1984. — 63, № 6. — P. 18–24. 6. Wendelstorf J., Decker I., Wohlfahrt H. Laser-enhanced gas tungsten arc welding (laser-TIG) // Welding in the World. — 1994. — 34. — P. 395–396. 7. Moeniralam Z., Luijendijk T. Wisselwerking tussen laserlas- sen en booglassen // Lastechniek. — 1996. — 62, № 7–8. — P. 3–6. 8. Walduck R. P., Biffin J. Plasma arc augmented laser welding // Welding and Metal Fabric. — 1994. — 62, № 4. — P. 172–176. 9. Blundell N. J. Arc takes laser welding into new territory // Materials World. — 1998. — № 9. — P. 537–538. 10. Dilthey U., Wieschemann A. Prospects by combining and co- upling laser beam and arc welding processes // Rivista Italia- na della Saldatura. — 2000. — 52, № 6. — P. 749–759. 11. Катаяма С. Развитие гибридной лазерно-дуговой свар- ки // Welding Technology (яп.). — 2008. — 56, № 2. — P. 51–58. 12. Гибридная сварка излучением CO2-лазера и дугой плавя- щегося электрода в углекислом газе / В. Д. Шелягин, В. Ю. Хаскин, В. П. Гаращук и др. // Автомат. сварка. — 2002. — № 10. — С. 38–41. 13. Гибридная лазерно-дуговая сварка углеродистых сталей и алюминиевых сплавов / В. Д. Шелягин, В. Ю. Хаскин, Т. Н. Набока и др. // Доп. НАН України. — 2005. — № 7. — С. 97–102. 14. Левченко О. Г., Машин В. С. Санитарно-гигиенические характеристики процесса сварки плавящимся электро- дом в инертных газах алюминиевого сплава АМг6 // Ав- томат. сварка. — 2003. — № 1. — С. 48–50. 15. Средняя температура металла электродных капель при сварке алюминиевых сплавов в инертных газах / А. Я. Ищенко, В. С. Машин, И. В. Довбищенко и др. // Там же. — 1994. — № 1 . — С. 48–49. 16. Сухоруков С. Б., Кривцун И. В., Сидорец В. Н. Математи- ческое моделирование газодинамики, тепло- и массооб- мена в потоке металлического пара при лазерной сварке с глубоким проплавлением // Четвертая международ. конф. «Математическое моделирование и информацион- ные технологии в сварке и родственных процессах», 27– 30 мая 2008 г. — Кацивели, Крым. — Киев: ИЭС им. Е. О. Патона, 2009. — С. 155–164. 17. Ищенко А. Я., Машин В. С., Будник В. П. О пористости швов при сварке алюминиевых сплавов плавящимся электродом в инертных газах // Автомат. сварка. — 1995. — № 1. — С. 16–18, 22. The paper deals with the influence of the intensity of evaporation of base metal and electrode wire elements, as well as shielding gas atmosphere composition on laser radiation propagation to the metal being welded in hybrid welding of aluminium alloys. Technological features of hybrid consumable electrode laser-arc welding were studied, modes were selected and the obtained results were compared with consumable electrode pulsed arc welding. Поступила в редакцию 07.04.2009 ВЫШЕЛ ИЗ ПЕЧАТИ И РАССЫЛАЕТСЯ СПЕЦИАЛИСТАМ Українсько-російський, російсько-український словник із зварювання (CD-ROM). — К.: Довіра, 2008. В рамках проекта «Словники України» Институтом электросварки им. Е.О. Патона совместно с Украинским языково-информационным фондом НАН Украины к 90-летию Национальной академии наук Украины издан «Українсько-російський, російсько-український словник із зварювання» в элект- ронном формате (CD-ROM). Словарь, имея нормативный характер, содержит более 6,5 тыс. терминов и терминосоче- таний, которые отражают основную терминологию по сварочным и родственным технологиям, актуализированную с действующими международными и национальными стандартами по сварке. Словарь предназначен для инженерно-технических работников, студентов и переводчиков технической литературы. Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины вышлет БЕСПЛАТНО «Словарь...» при условии направления заявки с точным указанием Ваших почтовых реквизитов на адрес: Киев-150, ул. Боженко, 1, ИЭС им. Е.О. Патона, отдел № 41 тел.: 287-62-68, факс: 287-74-57 E-mail: bernadsky@paton.kiev.ua 12/2009 35

Особенности лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом высокопрочных алюминиевых сплавов

Institution

Ähnliche Einträge