Современное состояние гибридной лазерно-плазменной сварки (Обзор)

В работе описана краткая ретроспектива развития и современное состояние гибридной лазерно-плазменной сварки. Показано, что к основным задачам гибридной лазерно-плазменной сварки относится не только плазменно-дуговой подогрев металла изделия для повышения его поглощающей способности, но и модификация...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2015
1. Verfasser:	Бушма, А.И.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2015
Schriftenreihe:	Автоматическая сварка
Schlagworte:	Научно-технический раздел
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/113165
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:	Современное состояние гибридной лазерно-плазменной сварки (Обзор) / А.И. Бушма // Автоматическая сварка. — 2015. — № 8 (744). — С. 20-27. — Бібліогр.: 50 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-113165
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1131652017-02-05T03:02:36Z Современное состояние гибридной лазерно-плазменной сварки (Обзор) Бушма, А.И. Научно-технический раздел В работе описана краткая ретроспектива развития и современное состояние гибридной лазерно-плазменной сварки. Показано, что к основным задачам гибридной лазерно-плазменной сварки относится не только плазменно-дуговой подогрев металла изделия для повышения его поглощающей способности, но и модификация сварочного термического цикла для снижения скорости охлаждения после сварки. Это позволяет снизить содержание хрупких структур, склонных к разрушению при эксплуатации. Также, наличие плазменно-дуговой составляющей процесса позволяет снизить требования к качеству сборки свариваемых стыков, по сравнению с лазерной сваркой. Перспективы промышленного внедрения гибридной лазерно-плазменной сварки связаны с ее экономическими и технологическими преимуществами. Экономические преимущества заключаются в частичной (до 50 %) замене достаточно дорогой лазерной мощности значительно более дешевой дуговой, а также в снижении энергозатрат процесса за счет возможности замены присадочной проволоки соответствующим порошком или полного отказа от присадочного материала. Технологические преимущества заключаются в уменьшении остаточных термических деформаций, снижении требований к подготовке свариваемых кромок (включая возможность сварки кромок с зазором переменной ширины), получении возможности катодной очистки алюминиевых сплавов непосредственно в процессе сварки, увеличении глубины проплавления и повышении производительности процесса (в несколько раз по сравнению с плазменной сваркой и примерно на 40 % по сравнению с лазерной). Внедрение лазерно-плазменной сварки способно изменить существующие взгляды технологов на сварочный процесс и конструкторов на проектирование сварных конструкций. Промышленное применение лазерно-плазменной сварки, в первую очередь, связано с решением задач соединения титановых и алюминиевых сплавов, а также нержавеющих сталей, в диапазоне толщин 0,3…15,0 мм. The paper presents brief retrospective of progress and state-of-the-art of hybrid laser-plasma welding. It is shown that the main objectives of HLPW include not only plasma-arc heating of item metal to increase its absorptivity, but also modification of welding thermal cycle to lower the rate of cooling after welding. This allows lowering the content of brittle structures prone to fracture in service. Moreover, presence of plasma-arc component of the process allows lowering the requirements to quality of fit-up of the butts to be welded, compared to laser welding. Prospects for introduction of HLPW into industry are related to its cost and technological advantages. Cost advantages consist in partial (up to 50 %) replacement of quite expensive laser power by much less expensive arc power, as well as reduction of process power input due to the possibility of filler wire replacement by the respective powder or complete elimination of filler material. Technological advantages consist in reduction of residual thermal deformations, lowering of requirements to preparation of edges to be welded (including the possibility of welding edges with a variable gap), obtaining the ability of cathode cleaning of aluminium alloys directly during welding, increase of penetration depth and process efficiency (several times compared to plasma welding and by approximately 40 % compared to laser welding). Introduction of laser-plasma welding can change the current ideas of technologists about the welding process and those of designers about welded structure design. Industrial application of laser-plasma technology is, primarily, associated with solving the problems of joining titanium and aluminium alloys, as well as stainless steels in the range of thicknesses of 0.3-15 mm. 2015 Article Современное состояние гибридной лазерно-плазменной сварки (Обзор) / А.И. Бушма // Автоматическая сварка. — 2015. — № 8 (744). — С. 20-27. — Бібліогр.: 50 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/113165 621.791.725:621.791.755.5 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	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Бушма, А.И. Современное состояние гибридной лазерно-плазменной сварки (Обзор) Автоматическая сварка
description	В работе описана краткая ретроспектива развития и современное состояние гибридной лазерно-плазменной сварки. Показано, что к основным задачам гибридной лазерно-плазменной сварки относится не только плазменно-дуговой подогрев металла изделия для повышения его поглощающей способности, но и модификация сварочного термического цикла для снижения скорости охлаждения после сварки. Это позволяет снизить содержание хрупких структур, склонных к разрушению при эксплуатации. Также, наличие плазменно-дуговой составляющей процесса позволяет снизить требования к качеству сборки свариваемых стыков, по сравнению с лазерной сваркой. Перспективы промышленного внедрения гибридной лазерно-плазменной сварки связаны с ее экономическими и технологическими преимуществами. Экономические преимущества заключаются в частичной (до 50 %) замене достаточно дорогой лазерной мощности значительно более дешевой дуговой, а также в снижении энергозатрат процесса за счет возможности замены присадочной проволоки соответствующим порошком или полного отказа от присадочного материала. Технологические преимущества заключаются в уменьшении остаточных термических деформаций, снижении требований к подготовке свариваемых кромок (включая возможность сварки кромок с зазором переменной ширины), получении возможности катодной очистки алюминиевых сплавов непосредственно в процессе сварки, увеличении глубины проплавления и повышении производительности процесса (в несколько раз по сравнению с плазменной сваркой и примерно на 40 % по сравнению с лазерной). Внедрение лазерно-плазменной сварки способно изменить существующие взгляды технологов на сварочный процесс и конструкторов на проектирование сварных конструкций. Промышленное применение лазерно-плазменной сварки, в первую очередь, связано с решением задач соединения титановых и алюминиевых сплавов, а также нержавеющих сталей, в диапазоне толщин 0,3…15,0 мм.
format	Article
author	Бушма, А.И.
author_facet	Бушма, А.И.
author_sort	Бушма, А.И.
title	Современное состояние гибридной лазерно-плазменной сварки (Обзор)
title_short	Современное состояние гибридной лазерно-плазменной сварки (Обзор)
title_full	Современное состояние гибридной лазерно-плазменной сварки (Обзор)
title_fullStr	Современное состояние гибридной лазерно-плазменной сварки (Обзор)
title_full_unstemmed	Современное состояние гибридной лазерно-плазменной сварки (Обзор)
title_sort	современное состояние гибридной лазерно-плазменной сварки (обзор)
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/113165
citation_txt	Современное состояние гибридной лазерно-плазменной сварки (Обзор) / А.И. Бушма // Автоматическая сварка. — 2015. — № 8 (744). — С. 20-27. — Бібліогр.: 50 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT bušmaai sovremennoesostoâniegibridnojlazernoplazmennojsvarkiobzor
first_indexed	2025-07-08T05:18:10Z
last_indexed	2025-07-08T05:18:10Z
_version_	1837054714635616256
fulltext	20 8/2015 УДК 621.791.725:621.791.755.5 совреМенное состояние ГиБриДной лазерно-ПлазМенной сварКи (оБзор) А.И. БУШМА иЭс им. е.о. Патона нанУ. 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua в работе описана краткая ретроспектива развития и современное состояние гибридной лазерно-плазменной сварки. Показано, что к основным задачам гибридной лазерно-плазменной сварки относится не только плазменно-дуговой подогрев металла изделия для повышения его поглощающей способности, но и модификация сварочного термического цикла для снижения скорости охлаждения после сварки. Это позволяет снизить содержание хрупких структур, склон- ных к разрушению при эксплуатации. также, наличие плазменно-дуговой составляющей процесса позволяет снизить требования к качеству сборки свариваемых стыков, по сравнению с лазерной сваркой. Перспективы промышленного внедрения гибридной лазерно-плазменной сварки связаны с ее экономическими и технологическими преимуществами. Экономические преимущества заключаются в частичной (до 50 %) замене достаточно дорогой лазерной мощности значительно более дешевой дуговой, а также в снижении энергозатрат процесса за счет возможности замены при- садочной проволоки соответствующим порошком или полного отказа от присадочного материала. технологические преимущества заключаются в уменьшении остаточных термических деформаций, снижении требований к подготовке свариваемых кромок (включая возможность сварки кромок с зазором переменной ширины), получении возможности катодной очистки алюминиевых сплавов непосредственно в процессе сварки, увеличении глубины проплавления и повышении производительности процесса (в несколько раз по сравнению с плазменной сваркой и примерно на 40 % по сравнению с лазерной). внедрение лазерно-плазменной сварки способно изменить существующие взгляды технологов на сварочный процесс и конструкторов на проектирование сварных конструкций. Промышленное применение лазер- но-плазменной сварки, в первую очередь, связано с решением задач соединения титановых и алюминиевых сплавов, а также нержавеющих сталей, в диапазоне толщин 0,3…15,0 мм. Библиогр. 50, рис. 12. К л ю ч е в ы е с л о в а : гибридные технологии, синергетический эффект, лазерно-плазменная сварка, схема процесса, лазерное излучение, длина волны, плазма, катодная очистка, параметры режима, перспективы применения Гибридная сварка это процесс, в котором исполь- зуются два тепловых источника, одновременно действующих на свариваемое изделие (в пределах общей зоны нагрева). основной особенностью та- кого вида сварки является взаимное дополнение и усиление воздействия каждого из применяемых источников. в случае гибридной лазерно-плаз- менной сварки максимальный эффект достигается при возникновении так называемого синергетиче- ского эффекта [1]. Этот эффект заключается в не- аддитивности результатов воздействия каждого из тепловых источников по сравнению с результатом их совместного воздействия. в частности объем металла, расплавленного при гибридной сварке, как правило, превосходит сумму объемов метал- лов, расплавленных отдельно каждым из состав- ляющих гибридного процесса источников энер- гии. в противном случае сварку принято считать не гибридной, а комбинированной. одной из первых работ по гибридной свар- ке принято считать вышедшую в 1979 г. статью о совмещении сварки дугой с неплавящимся элект- родом (TIG) с лазерной сваркой [2]. вскоре после нее, в 1980 г., вышла более подробная работа про- фессора в.М. стина (великобритания) [3]. ему же принадлежит ряд патентов в этой области (напри- мер, [4]). После публикаций в.М. стина гибрид- ные лазерные процессы стали изучать в большин- стве промышленно развитых стран мира. Первыми в гибридных сварочных процес- сах стали применять со2-лазеры с длиной вол- ны 10,6 мкм, поскольку они обладали большей мощностью и простотой обслуживания. Этот тип лазеров применяется до сих пор [5, 6]. затем все более широкое применение начали получать Nd:YAG-лазеры [7]. одним из основных преиму- ществ этого типа лазеров является более короткая длина волны (1,06 мкм), на которой наблюдается повышение поглощающей способности метал- лов, а, следовательно, и эффективного КПД про- цесса сварки. на сегодняшний день в процессах гибридной сварки активно используют недавно появившиеся в серийном производстве диско- вые и волоконные лазеры [8, 9]. Эффективность их использования связана с более высоким КПД (25…35 %) этих устройств, что также способству- ет повышения эффективного КПД сварки [8, 9]. Как правило, при гибридной лазерно-плазмен- ной сварке сфокусированный лазерный пучок направлен по нормали к поверхности сваривае- мого изделия (рис. 1) [10, 11], либо под неболь- шим (до 10º) углом (рис. 2) [12]. Конструктивно лазерно-плазменная сварочная головка может со-© а.и. Бушма, 2015 218/2015 стоять из отдельных элементов — лазерной фо- кусирующей системы и плазмотрона, либо быть интегрированной в общем корпусе (рис. 3) [13]. Плазменная горелка наклонена под определен- ным (минимально возможным) углом к оси сфо- кусированного лазерного пучка (рис. 4) [14]. При- садочная проволока может подаваться соосно с плазменной дугой, навстречу ей, либо вообще не подаваться. лазерный пучок с высокой плотно- стью мощности и дуговая плазма с высоким энер- гетическим КПД взаимодействуют одновременно в области сварочной ванны. Для усиления эффек- та от такого взаимодействия они могут подво- диться к свариваемым деталям через общее сопло (рис. 5) [15]. При этом во всех случаях лазерный пучок относительно плазмы может располагаться сзади или спереди по ходу сварки. рассмотрим подробнее достоинства и недо- статки схем процесса лазерно-плазменной сварки изображенных на рис. 1–5. согласно способу, предложенному в работе [16], обработку материала проводят при помощи действия двух источников тепла, одним из кото- рых является лазерное излучение. Другим источ- ником может быть электрическая дуга или плаз- ма. При этом воздействие каждого из источников тепла на обрабатываемый материал имеет импуль- сный характер, а воздействие этих импульсов син- хронизируется между собой. ряд технологических операций (в том числе сварку, пайку, резку, грави- рование, легирование, закалку и др.) можно про- водить таким способом. недостатком этого способа является необ- ходимость наличия генераторов импульсов и устройства их синхронизации, в то время как использование непрерывного воздействия обо- их источников тепла на обрабатываемый матери- ал не требует столь сложного дополнительного оборудования. Для устранения указанного недостатка в патен- те [10] предложена горелка, одновременно сочета- ющая в себе конструкционные элементы горелок для лазерной и для плазменной сварки. лазерное излучение направляется на линзу объектива та- ким образом, что его ось совпадает с осью плаз- менно-дуговой горелки. лазерный пучок проходит сквозь плоский (в виде шайбы) или конический электрод (катод) через сделанное в нем продоль- ное коаксиальное отверстие, имеющее диаметр несколько больший диаметра сфокусированного лазерного пучка (рис. 1, а). Формирующее плазму сопло располагают под катодом так, чтобы лазер- рис. 1. Конструкции плазмотронов, позволяющих подавать лазерное излучение перпендикулярно поверхности сваривае- мого изделия: а — с полым катодом [10]; б — с симметрично расположенными относительно оси лазерного пучка наклон- ными катодами [11] рис. 2. внешний вид (а) и схема (б) интегрированного плазмотрона для гибридной лазерно-плазменной сварки [12]: 1 — ось катода; 2 — ось сфокусированного лазерного пучка 22 8/2015 ный пучок проходил через его ось. Как и в стан- дартной плазменно-дуговой горелке, газ пропу- скают через камеру с катодом и соплом в нижней части. лазерный пучок, проходя через такой ка- тод, подогревает его для облегчения эмиссии элек- тронов, действует на свариваемое изделие (анод), а также взаимодействует с дуговой плазмой, тем самым повышая плотность энергии на изделии. небольшим конструктивным недостатком предложенной в работе [10] горелки для лазер- но-плазменной сварки является наличие трубча- того катода, выводное отверстие которого должно быть таким, чтобы через него выходило сфоку- сированное лазерное излучение. Это увеличива- ет поперечный размер плазменной дуги, снижает стойкость самого катода из-за его эрозии, проис- ходящей в процессе эксплуатации. Усложняется его периодическая заточка. в лазерно-плазменной горелке более удачной конструкции сфокусированное лазерное излуче- ние проходит мимо группы электродов, располо- женных вокруг его оси под острым углом к цен- тральной оси горелки (рис. 1, б) [11]. согласно данному способу гибридной сварки ось сфокуси- рованного лазерного излучения совпадает с осью горелки и является нормальной к плоскости сва- риваемых деталей. оси электродов находятся на образующей конуса, вершина которого лежит на центральной оси горелки возле среза сопла, фор- мирующего плазму, а сам конус обратный к вы- ходной части горелки. лазерно-плазменная свар- ка происходит при формировании электрической дуги между электродом (по меньшей мере, одним) и обрабатываемой деталью. такой разряд при по- мощи продувки газа через выходное сопло обра- зует плазму. Плазма, выходя через сопло, создает совместно с лазерным излучением гибридный ла- зерно-дуговой разряд. недостатком описанной конструкции являет- ся возможность попадания в оптический тракт, по которому подается лазерный пучок, отраженного от сварочной ванны излучения. При этом суще- рис. 3. Конструкции гибридных лазерно-плазменных сварочных головок, в которых лазерная фокусирующая система и плаз- менная горелка используются раздельно (а) либо интегрируются в общем корпусе (б) [13] рис. 4. Процесс гибридной лазерно-плазменной сварки с наклонным расположением плазменной горелки, позволяющей изме- нять расстояние между плазмой и лазерным пучком [14]: а — внешний вид гибридной лазерно-плазменной сварочной голов- ки; б — технологическая схема процесса 238/2015 ствует большая вероятность разрушения оптиче- ских элементов тракта. особенно опасным в этом плане является случай сварки алюминиевых спла- вов из-за больших значений их коэффициентов от- ражения лазерного излучения. на рис. 3, а и 4 приведены схемы конструкций гибридных лазерно-плазменных сварочных голо- вок, в которых фокусирующая излучение систе- ма и плазменная горелка (плазмотрон) использу- ются раздельно. основным преимуществом таких конструкций является возможность реализации гибридной сварки с использованием существу- ющего сварочного оборудования, т.е. без необхо- димости создания специализированного интегри- рованного гибридного плазмотрона (например, приведенного на рис. 2 и 3, б). К недостатку кон- струкций с раздельными составляющими гибрид- ного процесса относятся достаточно большие углы наклона оси электрода плазмотрона, что сни- жает эффективность его использования. Поэтому актуальной является задача исполь- зования такого способа лазерно-плазменной свар- ки, при котором электрическая дуга, формируемая между электродом (как минимум одним) и обраба- тываемой деталью, при помощи продувки газа че- рез выходное сопло создает плазму, а выводимое через это же сопло лазерное излучение способ- ствует созданию лазерно-дугового разряда. При этом угол наклона оси сфокусированного лазер- ного излучения должен выбираться таким, чтобы устранить опасность попадания отраженного из- лучения на оптические поверхности, а угол меж- ду осями электрода и сфокусированного излуче- ния — минимально возможным. Предварительно подытоживая вышесказанное можно сказать, что наилучшими схемами лазерно-плазменной сварки являются схемы, показанные на рис. 5. еще одной сравнительно недавней техноло- гической разработкой является гибридный ла- зерно-плазменный процесс с порошковым при- садочным материалом [17]. схема реализации такого процесса приведена на рис. 6. основными его преимуществами являются устранение энер- гетических потерь, связанных с теплоотводом в присадочную (или электродную) проволоку, и улучшение условий плавления порошковых при- садок из-за их низкой теплопроводности. Эти пре- имущества дают возможность повысить скорость сварки без повышения погонной энергии. одной из важнейших особенностей лазер- но-плазменной сварки является возможность уда- ления окисной пленки Al2O3 при сварке алюми- ниевых сплавов за счет так называемой катодной очистки. Процесс катодной очистки заключается в разрушении тугоплавкой окисной пленки в преде- рис. 6. схема гибридной лазерно-плазменной сварки с плаз- менной дугой прямого действия и порошковой присадкой [17]: 1 — лазерное излучение; 2 — плазмообразующий газ; 3 — порошок с транспортирующим газом; 4 — защитный газ; 5 — трубка, через которую подается излучение; 6 — на- правление сварки рис. 5. схемы процесса гибридной лазерно-плазменной сварки с расположением плазменной горелки перед (а) и за (б) лазер- ным пучком [15]: 1 — сфокусированное лазерное излучение; 2 — неплавящийся электрод; 3 — плазмообразующее сопло; 4 — защитный газ; 5 — плазменный разряд; 6 — сварочная ванна; 7 — металл шва; 8 — основной металл 24 8/2015 лах зоны катодного пятна, хаотически движуще- гося по поверхности алюминиевого сплава, кото- рое может происходить даже без оплавления этой поверхности. согласно работе [18], механизм та- кой очистки заключается в следующем. При ион- ной бомбардировке молекулам окисной пленки сообщается кинетическая энергия, которая пре- образуется в механическую энергию колебаний. если эта энергия превышает энергию диссоци- ации молекулы Al2O3, последняя распадается на атомы, которые покидают поверхность. на практике использование описанного эффек- та получило широкое распространение при свар- ке алюминиевых сплавов. так, с использованием катодной очистки при плазменно-дуговой сварке разнополярными импульсами проводилась свар- ка внешних топливных баков космического кора- бля Shuttle, различных балочных конструкций и др. [19]. При сварке сплавов на основе алюминия лазерным излучением также делались попытки устранения окисной пленки [20, 21]. особенно ак- туальна эта задача при лазерной сварке корпусов автомобилей из алюминиевых сплавов [22]. од- нако наибольшую эффективность при сварке этих сплавов с одновременной очисткой соединяемых кромок, по мнению авторов работ [12, 23], имеет гибридная лазерно-плазменная сварка. она позво- ляет достигать качественной очистки даже на до- статочно высоких (до 300 м/ч) скоростях сварки. стоит отметить ряд работ, посвященных срав- нению особенностей лазерной, дуговой (плазмен- ной) и гибридной сварки. так, в работе [24] иссле- дуются перспективы применения плазмы, дуги с плавящимся и неплавящимся электродом в инерт- ном газе для гибридной лазерной сварки. в работе [25] анализируются отличия гибридных лазер-TIG процессов сварки при использовании в них излу- чений со2- и Yb:YAG-лазеров, т.е. излучений с длиной волны 10,6 и 1,03 мкм соответственно. Показано, что с уменьшением длины волны по- глощение и преломление лазерного излучения в дуговой плазме снижается. в работе [26] сравни- ваются результаты лазерной (излучением со2-ла- зера) и гибридной (со2-лазер+TIG) сварки т-об- разных соединений при изготовлении несущих каркасов из нержавеющей стали. При этом пока- зана перспективность гибридного процесса. а вот при сварке оцинкованных стальных листов для из- готовления корпусов автомобилей отдают предпо- чтение излучению Nd:YAG-лазера [27]. Достаточно большое внимание во многих ра- ботах уделялось металлографическим особенно- стям и прочностным характеристикам сварных со- единений, получаемых лазерным, гибридным или другим способом (например, [28–30]). изучались остаточные напряжения в металле шва, что осо- бенно актуально при сварке титановых сплавов для задач авиационной промышленности [31]. ис- следовались новые механизмы гибридных процес- сов [32] и их технологические особенности. сре- ди последних следует отметить изучение: влияния давления защитного газа на лазер-MIG сварку [33]; результатов лазерно-дуговой сварки титано- вых сплавов [34]; гибридной сварки излучением Nd:YAG-лазера и MIG/MAG-процесса [35]; ла- зерно-микроплазменной сварки металлических фильтров с использованием нержавеющей при- садочной проволоки [36]. разрабатывались новые технологические приемы. так, в работе [37] была предложена гибридная лазер-TIG сварка нержа- веющей стали 304 с применением вращающегося двойного фокуса лазерного пучка. в работе [38] изучалось влияние относительного положения фокуса лазерного излучения и дуги с плавящимся электродом на формирование шва при гибридной сварке. особый интерес представляют различные тех- нологические и конструктивные рекомендации, приводимые в работах по гибридной сварке. так, например, для повышения глубины проплавления рекомендуется использовать короткофокусную оптику, позволяющую уменьшать размер фокаль- ного пятна (рис. 7) [39]. При использовании воло- конных лазеров для гибридной сварки увеличе- ние мощности излучения и уменьшение размера пятна фокусирования повышают эффективность процесса, как и при использовании других типов лазеров. в этом случае увеличение мощности из- лучения снижает сварочный ток, но не влияет на напряжение на дуге [40]. К некоторому увеличе- нию глубины проплавления и уменьшению шири- ны шва может приводить расположение первой по ходу сварки электрической дуги в гибридном про- цессе (рис. 8). также было установлено влияние на глубину проплавления расстояния между сфо- рис. 7. влияние размера пятна фокусирования лазерного из- лучения на глубину проплавления пластины стали SUS304 (δ = 5 мм) [39]. Мощность 2 квт, защитный газ — аргон. 258/2015 кусированным излучением и дугой [41]. Показано, что, если это расстояние превышает 5…7 мм, то гибридный эффект пропадает (рис. 9) [42]. важным аспектом гибридной сварки является учет давления жидкого металла и давления дуги на сварочную ванну (рис. 10). Баланс сил этих давлений и сил поверхностного натяжения пре- дотвращает вытекание жидкого металла ванны и позволяет вести гибридную сварку «на весу», т.е. без применения технологических подкладок, ус- ложняющих процессы сварки и последующей об- работки. отметим, что обычно объем переплав- ленного металла при гибридной сварке больше, чем при лазерной (рис. 11). Это обстоятельство может способствовать увеличению глубины про- плавления при сварке стыковых соеди- нений с некоторым зазором (см. рис. 12) между свариваемыми кромками за счет заполнения жидким металлом этого зазо- ра [43]. При гибридной лазерно-плазменной сварке лазерный пучок и плазменную дугу стараются расположить как можно ближе к обрабатываемому изделию. од- ним из вариантов достижения этого ус- ловия является использование трубча- того катода, через который пропускают сфокусированное лазерное излучение (рис. 1, а) [1, 44]. Другим вариантом яв- ляется использование катода, наклонен- ного под определенным углом (рис. 4). обычно этот угол является довольно значительным (например, около 45º [44, 45]), что ослабляет эффект действия плазмы. в работах [46–48] показана ак- туальность уменьшения угла наклона ка- тода к поверхности изделия и угла между катодом и осью лазерного пучка. К основным задачам гибридной ла- зерно-плазменной сварки относится не рис. 8. влияние на глубину проплавления и ширину шва вза- имного расположения пучка CO2-лазера или дуги GMA при гибридной сварке стали HSLA-590 [41] рис. 9. влияние расстояния между пучком Nd:YAG-лазера и дугой с неплавящимся электродом, а также их взаимного расположения, на глубину проплавления нержавеющей ста- ли 304 [42] рис. 10. Баланс давлений в корневой части сварочной ванны [6] рис. 11. сравнение проваров в аустенитной нержавеющей стали AISI304 (δ = 5 мм), выполненных Nd:YAG-лазером (Р = 1,7 квт) и гибридным спо- собом в сочетании этого лазера с дугой неплавящегося электрода со ско- ростью 10 мм/с на различных сварочных токах [42] 26 8/2015 только дуговой подогрев металла изделия для по- вышения поглощающей способности, но и моди- фикация сварочного термического цикла для сни- жения скорости охлаждения после сварки [45]. Это позволяет снизить содержание хрупких струк- тур, склонных к разрушению при эксплуатации. также, наличие плазменной составляющей позво- ляет снизить требования к качеству сборки свари- ваемых стыков по сравнению с лазерной сваркой. однако эти требования являются более высокими по сравнению с лазер-TIG сваркой [49]. в работе [47] описаны эксперименты по лазер- но-плазменной сварке таких материалов, как низ- коуглеродистая и нержавеющая сталь, титановые и алюминиевые сплавы толщиной 0,6…2,0 мм. Для этого использовали излучение со2-лазера мощно- стью до 400 вт и сварочный ток до 50 а. Установле- но, что лазерно-плазменный процесс может предот- вратить образование «горок» при высокоскоростной сварке тонких листов. Допуски по зазору между кромками стыка составляют от 0,15 до 0,50 мм при скорости сварки 2 м/мин (~ 33 мм/с). согласно прогнозам, сделанным в работе [50], гибридная сварка позволит увеличивать произ- водительность на 300…500 % при снижении се- бестоимости на 55 %. При этом затраты на рас- ходные материалы снизятся примерно вдвое, что позволит снизить себестоимость процесса сварки примерно на четверть. еще одним важным аспек- том является уменьшение ширины швов, полу- ченных гибридным способом, по сравнению со швами, сваренными дуговыми способами, что снижает металлоемкость сварной конструкции. Выводы таким образом, можно заключить, что пер- спективы промышленного внедрения гибридной лазерно-плазменной сварки связаны с ее эконо- мическими и технологическими преимущества- ми. Экономические заключаются в частичной (до 50 %) замене достаточно дорогой лазерной мощ- ности значительно более дешевой плазменной, а также в снижении энергозатрат процесса за счет возможности замены присадочной проволоки со- ответствующим порошком или полного отказа от присадочного материала. технологические пре- имущества заключаются в уменьшении остаточ- ных термических деформаций, снижении требо- ваний к подготовке свариваемых кромок (включая возможность сварки кромок с зазором перемен- ной ширины), получению возможности катодной очистки алюминиевых сплавов непосредственно при их сварке, увеличении глубины проплавления и повышению производительности процесса в не- сколько раз по сравнению с плазменной сваркой и примерно на 40 % по сравнению с лазерной [45]. внедрение лазерно-плазменной сварки способно изменить существующие взгляды технологов на сварочный процесс и конструкторов на проекти- рование сварных конструкций. Промышленное применение лазерно-плазменной сварки, в первую очередь, связано с решением задач соединения ти- тановых и алюминиевых сплавов, а также нержа- веющих сталей в диапазоне толщин 0,3…15,0 мм. 1. Кривцун И.В. Комбинированные лазерно-дуговые про- цессы обработки материалов и устройства для их реали- зации. автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.09.10 – елек- тротермические процессы и установки. – Киев: ин-т электросварки им. е.о. Патона нанУ, 2002. – 393 с. 2. Steen W.M., Eboo M. Arc augmented laser welding // Metal Construction. – 1979. – 11, № 7. – P. 332–335. 3. Steen W.M. Arc augmented laser processing of materials // J. of Applied Physics. – 1980. – 51, № 11. – P. 5636–5641. 4. Патент 1547172 великобритания, МКи в 23 К 26/00, 9/00. Methods and apparatus for cutting, welding, drilling and surface treating / W.M. Steen. – опубл. 06.06.79. 5. Bagger C, Olsen F.O. Review of Laser Hybrid Welding // J. of Laser Applications. – 2005. – 17, № 1. – P. 2–14. 6. Progress in Laser-MAG hybrid welding of high strength steels up to 30 mm thickness / D. Petring, C. Fuhrmann, N. Wolf, R. Poprawe // Proc. of Intern. Congress of Applica- tions of Laser and Electro-Optics, ICALEO, 2007, Orlando, Florida (USA) – Orlando: LIA, 2007.– P. 300–307. 7. Shibata K., Sakamoto H., Iwasa T. Laser-MIG hybrid weld- ing of aluminium alloys // Welding in the World. – 2006. – 50, № 1/2. – P. 27–34. 8. Лазерная техника фирмы Trumpf // Электронный ресурс. режим доступа: http://www.trumpf-laser.com 9. Продукция ооо нто «ирЭ-Полюс» // Электронный ре- сурс. режим доступа: http://www.ntoire-polus.ru 10. Пат. 5700989 США, МКИ B23K 26/00, 10/00. Combined laser and plasma arc welding torch / I.S. Dykhno, I.V. Krivt- sun, G.N. Ignatchenko. – опубл. 23.12.97.Пат.US6388227 B1 США. Combined laser and plasma-arc processing torch and method. / I. Dykhno, G. Ignatchenko, е. Bogachenkov. – опубл. 14.05.2002. 11. Пат. US6388227 B1 США. Combined laser and plasma-arc processing torch and method / I. Dykhno, G. Ignatchenko, E. Bogachenkov. – опубл. 14.05.2002. 12. Гибридная лазерно-плазменная сварка алюминиевых сплавов / и.в. Кривцун, в.Д. Шелягин, в.ю. хаскин и др. // автомат. сварка. – 2007. – № 5. – с. 49–53. рис. 12. зависимость максимальной ширины зазора между кромками свариваемых пластин от их толщины и простран- ственного положения (1 — сварка в нижнем положении; 2 — сварка горизонтальным швом) [43] 278/2015 13. Пат. 5866870 США, МКИ B23K 10/00, 26/00. Enhanced laser beam welding / R.P. Walduck. – опубл. 02.02.99. 14. Kim C.H., Ahn Y.H., Kim J.H. CO2 Laser-micro plasma arc hybrid welding for galvanized steel sheets // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2011. – V.21, Supple- ment 1. – P. 47–53. 15. Кривцун И.В., Бушма А.И., Хаскин В.Ю. Гибридная ла- зерно-плазменная сварка нержавеющих сталей // авто- мат. сварка. – 2013. – № 3. – с. 48–52. 16. Пат. WO2003089185 A1 США. Laser material machining using hybrid processes. / D. Petring. – опубл. 30.10.2003. 17. Qualification of Nd:YAG and CO2 laser plasma hybrid weld- ing with filler material powder / K. Stelling, M. Lammers, H. Schobbert et al. // Welding and Cutting. – 2006. – 5, № 6. – P. 330–334. 18. Микроплазменная сварка / Б.е. Патон, в.с. Гвоздецкий, Д.а. Дудко и др. – Киев: наук. думка, 1979. – 248 с. 19. Kexuan Ch., Heqi L., Chunxu L. Cathodic cleaning in vari- able polarity plasma arc welding of aluminum alloys // China Welding. – 2003. – № 2. – P. 168–170. 20. Bingkun Z. Study of processing parameters of CO2-laser welding on aluminum alloys / Z. Bingkun // Chinese Journal of Lasers. – 2000. – № 2. – P. 183–186. 21. Joint Performance of CO2 Laser beam welding 5083-h321 aluminum alloy / Q. Junfeng, Z. Dongyun, X. Rongshi et al. // China Welding. – 2007. – № 2. – P. 40–45. 22. CO2-Laser welding of 5a06 aluminum alloy plates with sifferent thicknesses / Y. Shu-rong, F. Ding, X. Jin-hui, C. Ji- an-hong // Transactions of Nonferrous Metals Society of Chi- na. – 2006. – № 3. – P. 1407–1410. 23. Хаскин В.Ю. развитие лазерной сварки алюминие- вых сплавов в иЭс им. е.о. Патона (обзор) // автомат. сварка. –2013. – № 5. – с. 52–57. 24. Bagger C., Olsen F.O. Comparison of plasma, metal inac- tive gas (MIG) tungsten inactive gas (TIG) processes for la- ser hybrid welding // 22nd Intern. Congress on Applications of Laser and Electro-Optics, 13–16 Oct. 2003, Jacksonville, Florida, USA. –Jacksonville: LIA, 2003. – P. 11–20. 25. Characteristics comparison of laser-TIG arc interaction using high power CO2 and Yb:YAG Laser / W. Shikai, X. Rongshi, Y. Wuxiong, C. Kai // Chinese Journal of Lasers. – 2010. – № 10. – P. 2667–2671. 26. Shikai W., Rongshi X., Kai C. CO2-laser welding and co2 laser-tig hybrid welding of thin walled stainless steel butt joint from the base plate side // Electromachining & Mould. – 2009. – № 6. – P. 29-33. 27. Monitoring and phenomena observation during YAG la- ser lap welding of Zn-coated steel sheets / S. Katayama, M. Mizutani, T. Tarui, K. Mori // J. of Lanzhou University оf Technology. – 2004. – № 4. – P. 31–36. 28. Microstructure and mechanical properties of wrought magne- sium alloy AZ31B Welded by Laser-TIG Hybrid / L. Liming, S. Gang, W. Jifeng, L. Guoli // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2004. – 14, № 3. – P. 550–555. 29. Microstructures and toughness of weld metal of ultrafine grained ferritic steel by laser welding / X. Zhang, W. Chen, C. Wang et al. // J. of Materials Science & Technology. – 2004. – № 6. – P.755–759. 30. Wenquan W., Daqian S., Chungyun K. Macrostructural and microstructural features of 1000 MPa Grade TRIP Steel Joint by CO2-Laser Welding // China Welding. – 2008. – № 2. – P. 1–7. 31. Test of residual stress in laser beam welding and TIG weld- ing joints of aeronautical titanium alloy plate / H. Xiaodong, Z. Jianxun, P. Zuo, G. Shuili // Welding & Joining. – 2003. – № 10. – P. 26–29. 32. New development of mechanisms of laser-TIG arc hybrid welding / X. Yuan, S. Yonglun, H. Kunping, Y. Xiaohong // Welding & Joining. – 2008. – № 12. – P. 21. 33. Influence of shielding gas pressure on welding characteristics in CO2 laser-mig hybrid welding process / Y. Chen, Z. Lei, L. Li, L. Wu // Chinese Optics of Letters. – 2006. – № 1. – P. 33–35. 34. Laser-Arc hybrid welding of titanium alloy / C. Li, L. Xiaoy- an, H. Dingyong, G. Changshi // Welding & Joining. – 2009. – № 7. – P. 60–64. 35. Zhen L., Guoliang Q., Shangyang L. Development of YAG laser-MIG/MAG arc hybrid welding technology // Welding & Joining. – 2005. – № 9. – P. 9–12. 36. Fuzuo W., Jianping H., Feng X. Study on stainless steel wire screen mesh welding using micro-plasma arc welding // Hot Working Technology. – 2010. – № 1. – P. 128–130, 133. 37. Xiaohui L., Su W., Caiyun X. 304 stainless steel rota- ry-twin-focus laser-TIG hybrid welding // J. of Beijing Uni- versity of Aeronautics and Astronautics. – 2008. – № 4. – P. 431–434. 38. Gao Zh., Huang J., Li Y. Effect of relative position of la- ser beam and arc on formation of weld in laser-MIG hybrid welding // Transactions of the China Welding Institution. – 2008. – № 12. – P. 69–73. 39. Ishide T., Tsubota S., Watanabe M. Latest MIG, TIG arc-yag laser hybrid welding systems for various welding products // 1st. International Symposium High-Power Laser Macro. – Osaka: SPIE, 2002. – P. 347–352. 40. Process monitoring and macrostructure examination of low laser power hybrid gas metal arc welding on A36 steel / C. Roepke, S. Liu, S. Kelly, R. Martukanitz // IIW Doc. IV- 1030-10, 2010. 41. Liu Z., Kutsuna M. Metallurgical study on laser-MAG hy- brid welding of HSLA-590 Steel // Proc. of laser materials processing conference ICALEO, 2005, Miami, Florida, USA. – Miami: LIA, 2005. – P. 127–133. 42. Naito Y., Mizutani M., Katayama S. Observation of keyhole behavior and melt flows during laser-arc hybrid welding // Proc. of intern. congress of applications of laser and electro- optics, ICALEO, 2003, Jacksonville (USA). – Jacksonville: LIA, 2003. –Section A. – P. 159–167. 43. Optimization research on laser-MIG composite welding for rear axle steel plate / Y. Yuan, M. Wouters, J. Powell et al. // Automobile Technology. – 2008. – № 1. – P. 54–57. 44. Кривцун И.В., Чиженко М.И. основы расчета лазер- но-дуговых плазмотронов // автомат. сварка. – 1997. – № 1. – с. 16–23. 45. Ках П., Салминен А., Мартикаинен Дж. особенности применения гибридной лазерно-дуговой сварки (обзор) // автомат. сварка. – 2010. – № 6. – с. 38–47. 46. Кривцун И.В., Бушма А.И., Хаскин В.Ю. лазерно-плаз- менная сварка нержавеющих сталей и алюминиевых сплавов // Доп. нан України. – 2013. – № 3. – с. 76–82. 47. Сидорец В.Н., Бушма А.И., Хаскин В.Ю. Перспективы применения гибридной лазерно-плазменной сварки не- ржавеющих сталей в машиностроении // вісник Дон- бас. держ. машинобудівної академії. – 2012. – № 3(28). – с. 244–246. 48. Технологические особенности лазерной, микроплазмен- ной и гибридной лазерно-микроплазменной сварки алю- миниевых сплавов / в.Д. Шелягин, а.М. оришич, в.ю. хаскин и др. // автомат. сварка. – 2014. – № 5. – с. 35–41. 49. Walduck R.P., Biffin J. Plasma arc augmented laser welding // Welding and Metal Fabrication. – 1994. – № 4. – P. 172–176. 50. Пауль К., Ридель Ф. Гибридная лазерная сварка – объе- диняя усилия // Фотоника. – 2009. – № 1. – с. 2–5. Поступила в редакцию 23.03.2015

Современное состояние гибридной лазерно-плазменной сварки (Обзор)

Institution

Ähnliche Einträge