Главная страница
Финансы
Экономика
Математика
Начальные классы
Биология
Информатика
Дошкольное образование
Медицина
Сельское хозяйство
Ветеринария
Воспитательная работа
История
Вычислительная техника
Логика
Этика
Философия
Религия
Физика
Русский язык и литература
Социология
Политология
Языкознание
Языки
Юриспруденция
Право
Другое
Иностранные языки
образование
Доп
Технология
Строительство
Физкультура
Энергетика
Промышленность
Автоматика
Электротехника
Классному руководителю
Связь
Химия
География
Логопедия
Геология
Искусство
Культура
ИЗО, МХК
Экология
Школьному психологу
Обществознание
Директору, завучу
Казахский язык и лит
ОБЖ
Социальному педагогу
Языки народов РФ
Музыка
Механика
Украинский язык
Астрономия
Психология

Лазер непрерывного действия мощностью 2 кВт. С помощью поликристаллической kcl линзы с фокусным расстоянием 75 мм лазерный пучок диаметром 1 см фокусировался на поверхность образца в пятно размером 250350 мкм


НазваниеЛазер непрерывного действия мощностью 2 кВт. С помощью поликристаллической kcl линзы с фокусным расстоянием 75 мм лазерный пучок диаметром 1 см фокусировался на поверхность образца в пятно размером 250350 мкм
Анкор388-Krivcun I.V. Gibridnye lazerno-dugovye processy svarki.pdf
Дата02.05.2017
Размер1.8 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файла388-Krivcun I.V. Gibridnye lazerno-dugovye processy svarki.pdf
ТипДокументы
#1328
КатегорияПромышленность. Энергетика
страница1 из 6
  1   2   3   4   5   6

© ИВ. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua
, http://www.plasma.kiev.ua/people/krivtsun.html ГИБРИДНЫЕ ЛАЗЕРНО-ДУГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ СВАРКИ И ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ (ОБЗОР) Эффекты совместного воздействия лазерного пучка и электрической дуги на обрабатываемое изделие Развитие лазерно-дуговых процессов началось в конце х годов. Идея совместно использовать лазерный пучок и электрическую дугу для сварки и других видов обработки металлов таким образом, чтобы оба источника тепла воздействовали на изделие в пределах одной зоны нагрева, принадлежит английскому ученому Стину (W. M. Steen), который защитил свое изобретение рядом патентов [5-8]. Он предложил способы сварки, резки, сверления и обработки поверхности, при которых на обрабатываемое изделие направляют лазерный пучок и одновременно в зоне теплового воздействия лазерного излучения возбуждают дугу между электродом и изделием. Совместно с другими учеными он также выполнил первые экспериментальные исследования эффектов лазерно-дугового воздействия на обрабатываемый металл [9-14] и применил комбинированный способ сварки в конкретном производстве [15]. Практически все отличительные особенности новых лазерно-дуговых процессов по сравнению с дуговыми и лазерными способами металлообработки освещены в работах [9, 10, 12], поэтому остановимся на них более подробно. Схема экспериментальной установки для реализации комбинированных процессов сварки и резки металлов приведена на рис. 1.1. В экспериментах использовался СO
2
-лазер непрерывного действия мощностью 2 кВт. С помощью поликристаллической KCl линзы с фокусным расстоянием 75 мм лазерный пучок диаметром 1 см фокусировался на поверхность образца в пятно размером 250…350 мкм. При этом он проходил через отверстие в медном сопле диаметром 3 мм в экспериментах по сварке или 1 мм в экспериментах по резке. Через сопло лазерной головки в зону обработки подавался гелий или кислород соответственно для сварки или резки. В качестве источника питания дуги
3

© ИВ. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua
, http://www.plasma.kiev.ua/people/krivtsun.html использовался аппарат для сварки неплавящимся электродом в инертном газе притоках до 250 А (либо сварочный генератор на ток до 400 А в комплекте с осциллятором. Дуговая горелка могла быть установлена как стой же стороны образца, на которую направлялся лазерный пучок, таки с противоположной см. рис. 1.1). Вольфрамовый электрод горелки, защищаемый потоком аргона, во всех экспериментах был катодом, а изделие - анодом. При осуществлении лазерно-дуговых процессов сварки и резки были отмечены следующие эффекты. Если оба источника тепла располагались с одной и той же стороны изделия, электрическое сопротивление дуги в режиме устойчивого горения (ток 100 А) под воздействием лазерного излучения уменьшалось, о чем свидетельствовало снижение напряжения на дуговом промежутке при одновременном росте тока (риса. Кроме того, анодная область дуги привязывалась к плазменному факелу, создаваемому над поверхностью металла лазерным пучком. При меньших токах (70 А) неустойчивое горение дуги, связанное с блужданием анодного пятна, сменялось устойчивым (рис. 1.2, б) вследствие стабилизации ее анодной области в зоне воздействия на образец лазерного излучения. Последний эффект наблюдался ив том случае, когда источники тепла располагались по разные стороны изделия, при условии, что температура металла под пятном лазерного нагрева не менее чем на 400 К превышала температуру окружающей поверхности.
4

© ИВ. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua
, http://www.plasma.kiev.ua/people/krivtsun.html Рис. 1.1. Схемы реализации лазерно-дуговых процессов сварки и резки с расположением лазерного пучка и дуги с неплавящимся электродом с одной стороны изделия (аи с разных сторон (баб Рис. 1.2. Осциллограммы тока и напряжения на дуге (а) - снижение электрического сопротивления дуги при лазерно-дуговой сварке малоуглеродистой стали толщиной 3 мм на скорости 22,5 мм/с; (б) - стабилизация неустойчивого горения дуги под воздействием лазерного пучка при сварке той же стали толщиной 2 мм на скорости 45,0 мм/с [10]
5

© ИВ. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua
, http://www.plasma.kiev.ua/people/krivtsun.html Эффекты привязки анодного пятна дуги и стабилизации ее горения в комбинированном процессе даже при малых токах позволили значительно увеличить скорость сварки по сравнению не только с дуговой, но и с лазерной. На рис. 1.3 приведены зависимости скорости сварки оттока дуги при полном проплавлении образцов из различных металлов (значения мощности лазерного излучения указаны на рисунке. Наибольшее увеличение скорости (в 4 раза) наблюдалось при сварке малоуглеродистой стали толщиной 0,2 мм (кривая б) по схеме с расположением дуги и лазерного пучка с разных сторон изделия. Более скромные результаты (примерно двукратное увеличение скорости) получены для титана толщиной 0,8 мм (кривые аи малоуглеродистой стали толщиной 2 мм при расположении дуги и лазерного пучка по одну сторону изделия. В последнем случае наблюдался еще один важный эффекта именно отсутствие подрезов, характерных для высокоскоростной дуговой сварки. Существенное увеличение скорости обработки по сравнению с лазерной было достигнуто ив опытах по лазерно-дуговой резке малоуглеродистой стали толщиной 3 мм с расположением лазерного пучка и дуги по разные стороны изделия. На рис. 1.4 представлены зависимости скорости резки от величины вводимой в металл тепловой энергии. До тех пор, пока прирост тепловложения в изделие за счет дуги не достигал величины, приблизительно равной тепловому вкладу от лазерного излучения (1870 Вт, наклон экспериментальной кривой не изменялся, а резка происходила так, как если бы просто увеличивалась мощность лазерного излучения. При этом качество реза сохранялось и оставалось сравнимым с качеством реза при лазерной обработке. Вышеуказанного предела вводимой мощности (≈ 3800 Вт) рост скорости резки замедлялся, а качество реза заметно ухудшалось - рез переставал быть параллельными расширялся со стороны дуги из-за оплавления дугой его боковых сторон. При воздействии обоих источников тепла с одной стороны изделия также не удалось добиться качественной резки вследствие блуждания дуги по кромкам реза.
6

© ИВ. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua
, http://www.plasma.kiev.ua/people/krivtsun.html Рис. 1.3. Зависимость скорости лазерно-дуговой сварки оттока дуги (а) - титан толщиной 0,8 мм при расположении лазерного пучка и дуги с одной стороны образца (б) - малоуглеродистая сталь толщиной 0,2 мм при расположении источников тепла с разных сторон [10] Рис. 1.4. Зависимость скорости резки малоуглеродистой стали толщиной 3 мм от мощности, вводимой в изделие (вводимая мощность до 1870 Вт обеспечивается только лазерным пучком, а вышеуказанной величины – лазерным пучком и электрической дугой) [12]
7

© ИВ. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua
, http://www.plasma.kiev.ua/people/krivtsun.html Авторы работ [9, 10, 12] пытаются дать трактовку описанных эффектов комбинированного воздействия на металлы при лазерно-дуговой сварке и резке на основе физических представлений. В работе [9] они, в частности, высказывают мнение, что причиной снижения напряжения на дуге под действием лазерного излучения (см. риса) является уменьшение работы выхода анода в области пятна нагрева, создаваемого лазерным пучком, а, значит, и анодного падения потенциала, и связывают с этим эффект привязки анодной области дуги к зоне лазерного нагрева. С подобным мнением трудно согласиться, поскольку работа выхода анода, определяемая энергией Ферми (E.
Fermi) электронов металла, с одной стороны, слабо зависит от его температуры, ас другой, практически не влияет на анодное падение потенциала в электрической дуге. В работах [10, 12] авторы больше не возвращаются к вышеуказанному предположению и объясняют явление привязки тем, что при одностороннем расположении источников тепла дуга ведет себя в соответствии с принципом минимума Штеенбека (M. Steenbeck), а именно поскольку электропроводность лазерной плазмы, температура которой может достигать 20000 К, намного превышает электропроводность окружающего холодного газа, факел лазерной плазмы является предпочтительной, энергетически выгодной областью горения дуги. Соглашаясь с таким объяснением эффекта привязки анодной области дуги, следует отметить, что происходящее при этом взаимодействие излучения СO
2
-лазера с прианодной дуговой плазмой, приводит к повышению ее температуры, а, следовательно, и электропроводности. Именно это обстоятельство является причиной отмеченного в работах [10, 12] снижения напряжения на дуговом промежутке. Можно также предположить, что при расположении дуги и лазерного пучка с разных сторон изделия, стабилизация анодного пятна в зоне лазерного нагрева металла не приведет к снижению напряжения на дуге (см. рис. 1.2, б) из-за отсутствия непосредственного взаимодействия лазерного пучка с дуговой плазмой.
8

© ИВ. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua
, http://www.plasma.kiev.ua/people/krivtsun.html В работах [10, 12] констатируется, что эффект привязки анодной области дугового разряда к пятну лазерного нагрева проявляется при малых и средних токах дуги (менее 300 А. При больших токах может наблюдаться исчезновение указанного эффекта, что связано, по мнению авторов, с самостабилизацией дуги за счет мощной катодной струи, при наличии которой анодное пятно может перемещаться независимо от зоны нагрева, создаваемой лазерным пучком. Это рассматривается как одна из причин ухудшения качества комбинированной резки при увеличении тока дуги [12]. Высказывается также предположение, что увеличение тока дуги может привести к появлению нежелательного эффекта ив том случае, когда привязка анодной области дуги к факелу лазерной плазмы не исчезает (источники тепла расположены с одной стороны изделия. Это эффект отражения лазерного пучка плотной плазмой, который наблюдается при повышении плотности электронов в приповерхностной плазме выше критического значения (n
e
≈ 10 19
см для полного отражения плазмой излучения СO
2
-лазера) и приводит к ограничению тепловложения в обрабатываемый металл. Авторы указанных работ считают этот эффект несущественным притоках дуги менее 300 А. Явление привязки анодной области дуги к факелу лазерной плазмы не только обеспечивает улучшение стабильности горения дугового разряда в комбинированном процессе, но и приводит к такому важному эффекту, как контрагирование анодной области дуги. К этому заключению авторы работ [10,
12] приходят в результате сравнительного анализа профилей поперечных сечений сварных швов (рис. 1.5, 1.6), полученных в экспериментах по лазерно- дуговой сварке (заштрихованные кривые) и вычисленных на основе математической модели проплавления металла (незаштрихованные кривые. Локальный (в пределах общей зоны нагрева) вклад энергии лазерного и дугового источников тепла в изделие, наблюдающийся в условиях привязки анодного пятна дуги, дал основание авторам при построении математической модели рассматривать их как два коаксиально действующих цилиндрических
9

© ИВ. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua
, http://www.plasma.kiev.ua/people/krivtsun.html Рис. 1.5. Изменение расчетной формы проплавления металла при лазерно-дуго- вой сварке в зависимости от радиуса дугового источника тепла [10] Рис. 1.6. Сравнение экспериментальных и расчетных профилей проплавления металла при комбинированной сварке с использованием лазерного пучка мощностью 1,57 кВт и дуги мощностью 1,0 и 1,6 кВт при коэффициенте использования мощности дуги 75 %, скорости сварки 33,5 мм и коэффициенте поглощения лазерного излучения плазмой 800 м
10

© ИВ. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua
, http://www.plasma.kiev.ua/people/krivtsun.html источника тепла, движущихся относительно образца. В модели предполагалось, что тепловая мощность, вводимая в изделие лазерным пучком, имеет гауссовское распределение по радиусу, а вводимая дугой - параболическое, и учитывались потери тепла поверхностью обрабатываемого металла за счет конвекции и излучения. Допускалось также, что в комбинированном процессе, как и при лазерной сварке, имеет место эффект проплавления в форме замочной скважины. Чтобы учесть этот эффект в используемой математической модели проплавления образца часть расчетной области, лежащая выше изотермы кипения металла, считалась частично прозрачной для лазерного излучения. При этом предполагалось, что мощность лазерного пучка в полости замочной скважины уменьшается по мере удаления от поверхности изделия по экспоненциальному закону [12]. Сравнивая экспериментальный и расчетные профили расплава на рис. 1.5 значения параметров указаны на рис. 1.5, 1.6 ив подписях к ним, можно убедиться, что расчет формы проплавления металла при радиусе дугового источника тепла 0,5 мм и мощности, вкладываемой им в изделие, 750 Вт, дает профиль шва, максимально близкий к наблюдаемому в экспериментах по лазерно-дуговой сварке с использованием дуги полной мощностью 1000 Вт. В тоже время, ссылаясь на литературные данные, авторы работ [10, 12] отмечают, что свободногорящая дуга такой мощности имеет радиус теплового воздействия 1,5 мм. Аналогично дуга мощностью 1600 Вт (радиус теплового воздействия в отсутствие лазерного излучения 2,0 мм) в комбинированном процессе создает профиль расплава, соответствующий расчетному при радиусе источника тепла 1,0 мм и эффективной мощности 1200 Вт (см. рис. 1.6). Сопоставление этих данных позволило авторам сделать вывод о том, что анодная область дуги под влиянием лазерного излучения контрагирует, причем степень контрагирования уменьшается с ростом тока. Предложенное в работе [12] объяснение указанного эффекта основывается на том, что контрагирование анодной области дуги может быть результатом
11

© ИВ. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua
, http://www.plasma.kiev.ua/people/krivtsun.html действия двух факторов. С одной стороны, это возникновение вблизи оси дуги под влиянием сфокусированного лазерного излучения высокотемпературной области плазмы с повышенной концентрацией заряженных частица с другой стороны - появление истекающей из пятна лазерного нагрева струи паров металла, имеющих более низкий потенциал ионизации, чем окружающий газ. Локальное увеличение электропроводности плазмы под действием обоих факторов приводит к сосредоточению тока в приосевой зоне анодной области дуги, тек ее контрагированию. Оба рассмотренных механизма могут вносить соизмеримый вклад в результирующий эффект контрагирования, если в комбинированных процессах используется излучение СO
2
-лазера, как, например, в работах [9, 10, 12]. Относительная значимость этих механизмов может однако измениться при изменении длины волны лазерного излучения. Такой вывод позволяют сделать результаты аналогичных исследований, выполненных автором данного обзора, по лазерно-дуговой сварке нержавеющей стали с использованием твердотельного ИАГ-лазера (мощность до 400 Вт) и аргоновой дуги с неплавящимся электродом (ток до 100 А) [16]. Основной причиной эффекта контрагирования анодной области дуги, наблюдающегося ив этом случае, можно считать только интенсивное испарение металла из зоны лазерного воздействия, т.к. образование вблизи оси дуги высокотемпературной области плазмы, поддерживаемой лазерным пучком, маловероятно из-за низкого коэффициента поглощения плазмой лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм (примерно на два порядка ниже, чем излучения СO
2
-лазера). В работах [10, 12] показано, что профили швов при комбинированной сварке близки к расчетным профилям проплавления, если коэффициент использования энергии дуги выбирается равным 0,75 (см. рис. 1.5, 1.6), в то время как для обычного дугового источника тепла он составляет лишь 0,5. Это свидетельствует о более эффективной передаче энергии электрической дуги металлу под действием лазерного излучения, в результате чего тепловой
12

© ИВ. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua
, http://www.plasma.kiev.ua/people/krivtsun.html эффект комбинированного воздействия превосходит простую сумму тепловых эффектов лазерного и дугового источников тепла, взятых по отдельности. Кроме того, совпадение экспериментального профиля шва с расчетным (см. рис. 1.6) для случая, когда единственным источником тепла является лазерный пучок мощностью 2320 Вт, равной сумме мощностей лазерного источника
(1570 Вт) и дугового при коэффициенте использования энергии дуги 0,75
(0,75×1000 Вт, дает основание утверждать, что дуга, контрагируя, действует в комбинированном процессе подобно сфокусированному лазерному пучку. Упомянутые эффекты связываются в работе [12] с проникновением анодной области дуги в полость замочной скважины, создаваемой лазерным пучком. Не отрицая важной роли явления проникновения прианодной плазмы в замочную скважину при лазерно-дуговой сварке и резке, следует отметить, что повышение эффективности теплового воздействия дуги на изделие будет наблюдаться в комбинированных процессах и при отсутствии глубокого проплавления. Главной причиной повышения эффективности дугового нагрева является изменение под влиянием лазерного излучения характера протекания анодных процессов и, как следствие, увеличение энергии, вкладываемой дугой в анод. Именно поэтому этот эффект будет присутствовать не только при лазерно-дуговой сварке или резке, но и при термической обработке поверхности. Завершая обзор работ [9, 10, 12], следует обратить внимание на важный вывод, к которому приходят авторы на основе анализа особенностей комбинированного воздействия на металлы при лазерно-дуговой сварке и резке. Это вывод о существовании взаимосвязи лазерного и дугового источников тепла, приводящей к нарушению аддитивности теплового воздействия лазерного пучка и электрической дуги на изделие. Последнее означает, что комбинированный лазерно-дуговой источник тепла может обеспечить более высокую скорость металлообработки, чем дуговой или лазерный источники в отдельности при эффективной мощности каждого из
13

© ИВ. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua
, http://www.plasma.kiev.ua/people/krivtsun.html них, эквивалентной суммарной мощности источников в условиях отсутствия взаимодействия между ними. Иными словами, совместное использование лазерного пучка и электрической дуги дает возможность при значительно меньшей мощности лазерного излучения достичь такой же производительности процесса, как ив случае обычной лазерной сварки или резки (мощность лазерного излучения, естественно, должна быть достаточна для обеспечения стабилизации анодной области дуги в пятне лазерного нагрева и ее контрагирования). Необходимо отметить и то немаловажное обстоятельство, что комбинированное использование лазерного пучка и дугового разряда позволяет повышать производительность процессов металлообработки не за счет дорогостоящей энергии лазерного излучения, аза счет гораздо более дешевой энергии электрической дуги. В этом состоит одно из основных преимуществ лазерно-дуговых способов соединения и обработки металлов. Схемы практической реализации лазерно-дуговых и лазерно-

  1   2   3   4   5   6
написать администратору сайта