Разработка технологии лазерной сварки судовых микропанелей

Применение лазерной технологии для изготовления полотнищ, применяемых в судостроении, могло бы в полной мере использовать преимущества лазерной сварки.

При однолучевой лазерной сварке сталей выявлены ряд недостатков:

• высокая твёрдость сварного шва;
• высокие требования к сборке кромок;
• при сварке больших толщин требуется высокая мощность лазерного излучения, соответственно, возникает большая вероятность появления экранирующей плазмы;
• высокая стоимость оборудования.

Указанные недостатки несколько ограничивают применение лазерной технологии для сварки в судостроении, но вместе с тем определяют направление дальнейших исследований.

На сегодняшний день появились новые технологии комбинированной сварки, таких как лазерная+дуговая [4], лазерная+плазменная [5,6], лазерная+плазменная+дуговая[7], имеются ряд зарубежных работ по двухлучевой лазерной сварке [8,9], которые могут быть альтернативным решением указанных недостатков.

 

3.2.2 Комбинированные и гибридные технологии лазерной сварки

Лазерная сварка получила значительное развитие за сравнительно короткий срок своего использования для сварки, резки, наплавки и термообработки поверхности. Благодаря высокой концентрации энергии в лазерном пучке и возможности локального воздействия на изделие лазер обеспечивает высокую производительность и прецизионность обработки. Кроме того, лазерные технологии, в отличие, например, от электронно-лучевых, обладают такими достоинствами, как возможность проводить процесс при атмосферном давлении, а также передавать энергию лазерного излучения на достаточно большие расстояния, в т. ч. с использованием гибких световодов.

Однако, несмотря на эти важные преимущества, возможности лазера как источника тепла в значительной степени ограничены. Это, в первую очередь, связано с низкой эффективностью нагрева металлов лазерным излучением, обусловленной их высокой отражательной способностью на частотах излучения, характерных для большинства технологических лазеров[11].

Другим фактором, снижающим эффективность использования мощных лазеров, является индуцируемая лазерным излучением приповерхностная плазма, которая существенно уменьшает долю энергии, вкладываемую лазерным пучком в обрабатываемое изделие. В результате чего лазер остается недостаточно эффективным и весьма дорогостоящим инструментом для реализации большинства технологий обработки материалов.

Новым шагом в решении упомянутых выше проблем может стать использование как гибридных лазерно-дуговых и лазерно-плазменных, так и комбинированных двухлучевых лазерных процессов [12, 13].

Суть первых заключается в совместном воздействии на обрабатываемое изделие лазерного излучения и электрической (в т. ч. плазменной) дуги. При практической реализации гибридных процессов оба источника тепла воздействуют на металл в пределах общей зоны нагрева, причем дуга может гореть как с той стороны изделия, на которую направлен лазерный пучок, так и с противоположной. Происходящий в обоих случаях нагрев металла электрической дугой приводит к росту его температуры и, как следствие, к увеличению коэффициента поглощения лазерного излучения. В итоге применение дополнительного дугового нагрева способствует повышению эффективности соответствующего лазерного процесса, что особенно важно при использовании лазеров небольшой мощности.

Рис. 2. Схемы реализации лазерно-дуговых процессов сварки с расположением лазерного пучка и дуги с неплавящимся электродом с одной стороны изделия (а) и с разных сторон (б)[14]

Рис. 3. Схема реализации лазерно-плазмовых процессов[15]

В том случае, когда дуговой разряд и лазерный пучок воздействуют на изделие с одной стороны, основанием дуги на его поверхности, как правило, становится генерируемая лазерным излучением приповерхностная плазма. Это приводит к улучшению пространственной стабилизации активного пятна дуги на поверхности металла и повышению устойчивости ее горения при малых токах и больших скоростях перемещения относительно изделия. В результате использование электрической дуги в сочетании с лазерным пучком способствует значительному росту производительности дуговых и плазменных способов сварки и обработки металлов.

В работе [16] был проведен сравнительный анализ зависимости глубины проплавления от скорости сварки при однолучевой и различных значениях мощности лазерного излучения при гибридной сварке. Результаты сравнения представлены на графике (рис. 4).

Рис. 4. Зависимости глубины проплавления от скорости при однолучевой сварке лазером мощностью 5 кВт и лазерно–дуговой сварке при токе дуги 300 А и различных значениях мощности лазерного излучения[16]

Из графика видно, что глубина проплавления при одинаковых значениях мощности излучения и скорости у гибридной сварки выше, чем у однолучевой. Это еще раз доказывает целесообразность применения данной технологии, как альтернативы однолучевым методам.

Количество оригинальных публикаций, посвященных комбинированным процессам обработки материалов, непрерывно растет [16–20].

Суть других, комбинированных процессов заключается в подаче двух излучений в один парогазовый канал, где происходит суммирования этих излучений. Это так называемая двухлучевая лазерная сварка.

Двухлучевые лазерные технологии лазерной сварки можно разделить на три группы, в которых преследуются различные цели применения двух лучей. Первая группа, это использование двух лазерных излучений с различной длиной волны от различных лазерных источников [21], например для сварки алюминия, где первый луч с короткой длиной волны нужен для удаления окисной плёнки.  Вторая группа, это применение специальной «split» системы зеркал, которые исскуственно расщепляют один лазерный луч. Это позволяет влиять на стабильность процесса сварки [8, 9, 22, 23] и влиять на форму сварного шва. И третья группа, это использование двух лазерных источников с одной длиной волны, с целью увеличения производительности и качества сварного соединения[24]. Эта самая третья группа и будет рассматриваться в данном дипломном проекте.

В работе [25] использовались два твёрдотельных лазера мощностью 2 и 3кВт излучение которых суммировалось в одном парогазовом канале, что позволило увеличить глубину проплавления до 4 мм, со скоростью 2м/мин. Для подачи излучений использовалось оптоволокно.

Были отработаны технологии двухлучевой лазерной сварки с различными схемами подачи излучений: линейная и поперечная Рис. 5.

а)	б)

Рис. 5. Схемы подачи излучений: а – линейная, б – поперечная.

В работе было доказано, что расстояние между фокусными пятнами в значительной степени влияет на стабильность процесса сварки. На Рис. 6. видно как влияет расстояние между фокусами на формирование сварного шва.

При расстоянии между фокусными пятнами 0,36 мм процесс сварки был нестабильным и это отразилось на формировании сварного шва. Однако при увеличении данного расстояния до 0,6 мм формирование сварного шва становится стабильным как при линейной, так и при поперечной подаче излучений.

Из Рис. 6. также видно, что линейная подача двух излучений вдоль сварного шва позволяет получить шов более кинжальной формы. Как показали исследования, глубина проплавления при линейной подаче излучений больше, чем при поперечной, поэтому в дальнейшем мы отказались от рассмотрения поперечной подачи, исследуя только линейную.

 

Рис. 6. Макрошлифы сварных швов, выполненных двухлучевой лазерной сваркой твёрдотельными лазерами мощностью 2 и 3 кВт.

 

На рисунке 7 представлена схема двухлучевой лазерной сварки при линейной подаче излучения, использованная в работе [1].

Рис. 7. Схема двухлучевой лазерной сварки.

В этой схеме (Рис. 7) одно излучение подаётся классическим способом, а второе подаётся углом «вперёд». Такая схема позволяет избежать попадания одного излучения на приповерхностную плазму второго. КПД процесса остаётся при такой схеме на очень высоком уровне.

В работе [1] были выполнены расчеты распределения температуры в пластине из низколегированной трубной стали при воздействии двумя лазерными источниками 5 и 3 кВт (CO2 лазер) с учетом поглощения в приповерхностной плазме. Переменной величиной являлось расстояние между фокусными пятнами на поверхности стальной пластины. На Рис. 8 приведена зависимость глубины проплавления от скорости луча для различных расстояний между центрами фокусных пятен.

Рис. 8. Зависимость глубины проплавления от скорости луча для различных расстояний между центрами фокусных пятен (расчеты проведены с учетом поглощения приповерхностной плазмой в среде аргона).

 

Согласно расчетам Рис. 8, схема сварки двумя лучами 5+3кВт в среде аргона более эффективна в сравнении с однолучевой лазерной сваркой мощностью 8кВт (пунктирная линия), т.к. в первом случае в приповерхностной плазме теряется меньше лазерной мощности и, соответственно, до свариваемого изделия доходит большее количество энергии. Теоретически, самым эффективным энергетическим вложением, является схема подачи двух излучений в одну точку. Однако при этом происходит значительное повышение температуры жидкой ванны расплава Рис. 9 а, сварочная ванна начинает кипеть, и как показали эксперименты, это значительно снижает качество сварного соединения (поры, подрезы).

 

 

 

а

 

 

б

 

 

 

 

 

 

в

 

г

Рис. 9. Распределение температуры в стальной пластине, толщиной 8мм при двухлучевой лазерной сварке двумя лазерами, мощностью 5 и 3кВт, расстояние между фокусными равно: а) 0; б) 1,5; в) 2; г) 3.

 

Согласно экспериментам, процесс ДЛС становится стабильным, когда расстояние между фокусными пятнами находится в диапазоне 1-1,5 мм рис. 9 б, в.   Дальнейшее увеличения расстояния между фокусными пятнами приводит к появления двойной сварочной ванны рис. 9 г, при этом значительно уменьшается глубина проплавления и появляется «двойное проплавление» рис. 10.

Отличительной характеристикой ДЛС от ЛС является термический цикл нагрева и охлаждения металла. При ДЛС нагрев пластины осуществляется в два этапа: сначала первым источником, затем вторым. Согласно расчетам, на скорости сварки 1м/мин при расстоянии между фокусными пятнами в 3мм, перед тем как начинает воздействовать второй источник, расплав металла успевает остыть на ~600оС и пройти стадию кристаллизации (двойное проплавление) Рис. 10. При уменьшении расстояния между фокусными пятнами до 2 мм, расплав металла успевает остыть только на ~300оС. Как показывают расчеты, с точки зрения термического цикла нагрева охлаждения, оптимальным расстоянием между фокусными пятнами для скоростей сварки 0,8–1,5м/мин является расстояние 1,3÷1,6мм, остывания металла для этих параметров не происходит.

Рис. 10. Двухлучевая лазерная сварка трубной стали 08ГФБАА,толщиной 8 мм с расстоянием между фокусными пятнами 3 мм

 

ДЛС в сравнении с ЛС имеет более мягкий режим нагрева и охлаждения металла. Скорость охлаждения металла при ДЛС в 1,5 раза ниже, чем при ЛС, Рис. 11. Эксперименты показали, что закалочные структуры, такие как мартенсит или тростит в сварных швах, выполненных ДЛС, не образуются. Твердость сварного шва не превышает 260HV, что делает технологию привлекательной для применения её в судостроении.

 

 

Рис. 11. Термические циклы нагрева и охлаждения металла при однолучевой ЛС (Р=8кВт) и двухлучевой ЛС (Р=5+3кВт), Vсв=1м/мин: 
– – – - двухлучевая ЛС, расстояние между фокусными пятнами 3мм; 
– двухлучевая ЛС, расстояние между фокусными пятнами 2мм; 
____ - двухлучевая ЛС, расстояние между фокусными пятнами 1,5мм; 
о-о –  двухлучевая ЛС, расстояние между фокусными пятнами 0мм; 
– – однолучевая ЛС, мощность 8кВт.

 

Кроме того, было установлено, что оптимальный угол наклона при расстоянии между фокусными пятнами 1,5 мм составляет 13°. Такой угол обеспечивает подход лазерного излучения частично минуя парогазовый факел, возникающий над поверхностью образца. Эта схема сварки делает возможным использование таких защитных газов как Не, Ar.

Также эксперименты в работе [1] позволили установить, что двухлучевая лазерная сварка с присадочной проволокой, позволяет снизить требования к зазору Рис. 12. Однако при сварке с присадкой глубина проплавления уменьшается, поэтому необходимо снижать скорость сварки. Это связано с тем, что часть энергии идёт на расплав присадочной проволоки.

Рис. 12. Максимальные допустимые зазоры при двухлучевой лазерной сварке, общей мощностью 8кВт.

Присадочная проволока должна подаваться в переднюю часть сварочной ванны, как и при однолучевой лазерной сварке. Если присадочная проволока подаётся непосредственно в парогазовый канал, то сварочный процесс становится менее стабильным. Возникает разбрызгивание жидкой фазы, процесс становится прерывистым, а сварной шов имеет разную глубину проплавления. Для избегания этого дефекта присадочная проволока должна точно подаваться в назначенную зону, вылет проволоки не должен быть больше 1,5–2 см.

 

3.2.3 Оценка способов лазерной сварки.

Лазерная сварка обеспечивает высокую скорость сварки, при этом зона термического влияния и остаточные напряжения остаются на малом уровне.

Наряду с преимуществами лазерная сварка имеет ряд недостатков: высокая твёрдость сварного шва, высокие требования к сборке свариваемых кромок, а также высокая стоимость лазерного оборудования.