CC BY
83
УДК 621.791.72
ГИБРИДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ. ОСОБЕННОСТИ И ПРИМЕНЯЕМОСТЬ
К. П. Марусенко*, И. С. Морозов Научный руководитель - Н. В. Успенский
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Рассматривается новый вид сварочных технологий - гибридная сварка, основанная на использовании «синергетического эффекта». Определены особенности и преимущества гибридной сварки по сравнению с традиционными видами сварки.
Ключевые слова: синергетический эффект, гибридная лазерно-дуговая сварка. HYBRID WELDING TECHNOLOGIES. FEATURES AND APPLICABILITY
K. P. Marusenko*, I. S. Morozov Scientific Supervisor - N. V. Uspensky
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
The article considers a new type of welding technology - hybrid welding, based on the use of "synergetic effect". The features and advantages of hybrid welding are compared with traditional types of welding.
Keywords: synergistic effect, hybrid laser-arc welding.
Гибридными технологиями в общем случае называются технологии одновременного воздействия различных методов на материал. Это может быть обработка давлением совместно с каким-нибудь тепловыми источниками: обработка резанием с индукционным, импульсным воздействием. Данные технологии объединяют в себе два тепловых источника, одним из которых является лазерный.
Основные преимущества лазерных гибридных технологий заключаются в том, что при объединении двух источников в один источник нагрева, нам удается нивелировать недостатки каждого из этих методов и в то же время добиваться принципиально нового эффекта по технологическим возможностям этого метода. Применительно к сварке использование гибридных лазерных технологий, например, позволяет снизить себестоимость сварки погонного метра шва, повысить качество сварки различных материалов или увеличить производительность традиционных методов сварки.
Гибридная лазерно-дуговая сварка - это совмещение в одном источнике лазерного излучения и дуги. В зависимости от технологических потребностей при изготовлении изделий процесс может осуществляться как с расположением лазера и дуги с одной стороны, так и с противоположных сторон. К настоящему времени дуговой процесс является самым распространенным и самым дешевым сварочным процессом. Однако в своем дальнейшем развитии он наталкивается на ряд трудностей, связанных с недостаточной плотностью энергии этого источника и трудностью осуществления процесса на больших скоростях, когда происходит срыв дуги и получается некачественное проплавление. В то же время и лазерный процесс имеет свои недостатки, которые за счет применения дуги могут быть устранены. Идея совмещения лазерного источника с дуговым была реализована еще в 1978 г. Преимущества гибридных технологий надо рассмат-
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1
ривать применительно как к одному источнику, так и к другому. При включении лазера на дугу у нас повышается ток, снижается напряжение и повышается стабильность горения дуги. Также может быть значительно увеличена скорость сварки за счет привязки лазерного факела, который сам по себе образуется за счет испарения материала и плазменных процессов, именно лазерных, к плазме дуги и вот эта привязка дает возможность увеличить скорость сварки, не давать возможности срыва дуги. Для лазерной сварки дуга также оказывает существенную помощь. Во-первых, лазером меньшей мощности можно осуществлять сварку больших толщин за счет проявления так называемого «синергетического эффекта» и повышения КПД проплавле-ния при воздействии двух источников вместе. Также снижается отражательная способность материала за счет предварительного его подогрева и соответственно происходит снижение коэффициента отражения дугой перед лазером. Важным фактором является снижение требований по сборке конструкций, которые при лазерной сварке очень высоки, а применение дуги помогает их снизить.
Таким образом, сохраняя глубину проплавления и форму проплавления близкую к лазерной, можно увеличить ширину шва и тем самым увеличить величину зазора перед сваркой. Это довольно важный показатель для расширения применения лазерной сварки. Дуговая сварка может использоваться как без присадки, так и с присадочной проволокой. Для этой цели зарубежными фирмами, в частности германскими, разработаны специальные головки для осуществления этого процесса. Гибридная лазерно-дуговая сварка находит применение в автомобильной промышленности, в судостроительной промышленности и при сварке трубопроводов. Лазерно-дуговая гибридная технология распространена в основном за рубежом. Это Германия, США, Япония. У нас этими проблемами занимаются в Санкт-Петербургском политехническом университете, в МГТУ имени Н. Э. Баумана и некоторых других организациях.
Лазерно-плазменная технология - это сочетание лазерного луча с плазменным разрядом. Преимущественно на сегодняшний день рассматриваются так называемые интегрированные плазматроны, у которых лазерный луч проходит через плазменную струю. Существует два вида применяемых плазматронов. Это интегрированные плазматроны прямого действия и косвенного. У прямого анодом является изделие, у косвенного анодом является корпус самого плазматрона. Первым видом можно осуществлять процессы сварки, резки, наплавки. Второй вид может осуществлять процессы обработки диэлектрических материалов, применяется для закалки, нанесения покрытий и т. д. Основные преимущества этого метода основаны на том, что лазерный луч, проходя через плазменную струю, значительно увеличивает температуру плазменного факела, тем самым увеличивается электропроводность и соответственно увеличивается концентрация электрической энергии в плазме и дуга становится более концентрированной. Эти возможности большей концентрации плазменной дуги при прохождении лазерного луча тоже создают так называемый «синергетический эффект», повышение эффективности проплавления этого источника, т. е. два источника, которые в отдельности не могут, например, проварить толщину в 2 мм, при соединении имеют возможность проварить толщину до 3 мм за счет взаимного воздействия и увеличения плотности каждого источника. Также имеется возможность с помощью лазерно-плазменных технологий осуществлять процессы нанесения покрытий, при соответствующей конструкции плазматрона. Лазерно-плазменные процессы в нашей стране развиты меньше, чем в некоторых зарубежных странах. В частности, в Институте имени Е. О. Патона очень серьезно занимаются этим вопросом и там разработаны специальные плазматроны и ведутся соответствующие работы [1].
Была разработана технология скоростной лазерно-микроплазменной сварки тонколистовых алюминиевых сплавов, основанная на совместном использовании лазерного пучка малой мощности и микроплазменной дуги обратной полярности [2]. Предложенный способ позволяет производить очистку 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. Эксперименты по комбинированной сварке алюминиевого сплава АМг-2 толщиной 0,35 мм показали, что при токе дуги 22 А и мощности 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. Следует отметить,
что использование только лазерной или только микроплазменной сварки не позволяет производить сварку данного металла даже на скорости 3 м/мин [3].
Установлено, что использование внешнего ионизатора - плазменной струи, при лазерной сварке без образования 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 лазерно-плазменной сварки по сравнению с лазерной.
Основные преимущества лазерно-плазменной сварки проявляются в следующем:
- значительно повышается скорость сварки, она становится выше, чем простое арифметическое сложение скоростей лазерной и плазменной сварки;
- процесс практически не зависит от оптических свойств поверхности;
- при сварке алюминиевых сплавов происходит очистка поверхности от окисной пленки АЪОз;
- снижается температура поверхности ванны расплава, что обеспечивает переход от теплопроводного режима к режиму глубокого проплавления.
Библиографические ссылки
1. Забелин А. М., Оришич А. М., Чирков А. М. Лазерные технологии машиностроения. Новосибирск : Изд-во Новосиб. гос. ун-та. 2004.
2. Кривцун В. А. Комбинированные лазерно-дуговые процессы обработки материалов и устройства для их реализации : автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Киев : ИЭС, 2002.
3. Сом А. И., Кривцун И. В. Лазер + плазма: поиск новых возможностей в наплавке // Автоматическая сварка. 2000. № 12. С. 36-41.
© Марусенко К. П., Морозов И. С., 2017
