Главная страница
Навигация по странице:

  • А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, А.М. Чирков ГИБРИДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ

  • Москва Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана 2004

  • Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Чирков А.М.

  • ББК 34.441 ISBN 5-7038-2614-4 © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004 4ВВЕДЕНИЕ

  • ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ

  • Учебное пособие А. Г. Григорьянц, И. Н. Шиганов, А. М. Чирков гибридные технологии лазерной сварки


    НазваниеУчебное пособие А. Г. Григорьянц, И. Н. Шиганов, А. М. Чирков гибридные технологии лазерной сварки
    Анкор386-Grigoryanc A.G. Gibridnye tehnologii lazernoi svarki.pdf
    Дата02.05.2017
    Размер2 Mb.
    Формат файлаpdf
    Имя файла386-Grigoryanc A.G. Gibridnye tehnologii lazernoi svarki.pdf
    ТипУчебное пособие
    #1327
    КатегорияПромышленность. Энергетика
    страница1 из 4
      1   2   3   4

    МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н.Э. БАУМАНА
    Учебное пособие
    А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, А.М. Чирков
    ГИБРИДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
    ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
    И з д а т е л ь с т в о М Г Т У и м е н и Н . Э . Б а у м а н а

    2
    МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н.Э. БАУМАНА
    А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, А.М. Чирков
    ГИБРИДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
    ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
    Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов
    по образованию в области машиностроения и приборостроения
    в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
    обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов
    6514 «Машиностроительные технологии и оборудование»,
    специальность 1207 «Машины и технология высокоэффективных
    процессов обработки материалов»
    Москва
    Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана
    2004

    3
    УДК 621.791.7(075.8)
    ББК 34.441
    Г83
    Рецензенты: д-р техн. наук, проф. В.А. Фролов,
    д-р техн. наук, проф. В.М. Неровный
    Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Чирков А.М.
    Г83 Гибридные технологии лазерной сварки: Учебное пособие. –
    М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 52 с.: ил.
    ISBN 5-7038-2614-4
    В учебном пособии рассмотрены основы современных технологий гибридных методов лазерной сварки, а также основные технологические недостатки лазерной сварки. Представлены примеры практического применения технологии гибридных методов лазерной сварки.
    Для студентов старших курсов, обучающихся по специальности «Машины и технология высоко- эффективных процессов обработки материалов», и инженеров-технологов машиностроительных предприятий.
    Ил. 39. Табл. 5. Библиогр. 7 назв.
    УДК 621.791.7(075.8)
    ББК 34.441
    ISBN 5-7038-2614-4
    © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004

    4
    ВВЕДЕНИЕ
    Уникальные свойства лазерного излучения – высокая монохроматичность и когерент- ность, низкая расходимость позволили создать перспективный вид высококонцентрированного теплового источника энергии. Луч лазера, как сварочный источник энергии, открыл новые техно- логические возможности в теории и практике сварочных процессов. Лазер, в настоящее время, является единственным доступным сварочным источником энергии, который при атмосферных условиях позволяет получить плотности мощности более 10 6
    Вт/см
    2
    , реализующие режим глубо- кого проплавления.
    Любое сравнение лазерной сварки с другими методами является достаточно условным, поскольку каждый метод сварки, имеет свои определенные преимущества и недостатки, которые определяют области оптимального технико-экономического применения.
    Лазерная сварка в процессе своего научно-технического развития получила свое даль- нейшее развитие в виде создания гибридных методов сварки – двухлучевой лазерной, лазерно- дуговой, лазерно-индукционной, лазерно-плазменной, лазерно-светолучевой, которые находят все большее применение в промышленности вследствие своей высокой технико-экономической эффективности.
    Соединение различных методов сварки с лазерной, в единый технологический свароч- ный процесс, позволяет нивелировать недостатки каждого метода сварки и получить новое каче- ство в виде функции расширения технологических возможностей.
    В настоящее время лазеры являются стандартным технологическим оборудованием мно- гих промышленных предприятий, поэтому знание основных технологических возможностей, экономической эффективности, областей практического применения лазерной и гибридных ла- зерных методов сварки является непременным условием образовательного уровня современного инженера-технолога по сварочным технологиям.
    В данном учебном пособии обобщен теоретический и практический опыт гибридных способов лазерной сварки конструкционных материалов, произведен сравнительный количест- венный и качественный технико-экономический анализ гибридных способов лазерной сварки.

    ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
    ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
    Лазерная сварка, обладая определенными преимуществами перед известными классиче- скими методами сварки, в то же время, как и любой другой метод сварки, имеет недостатки, ко- торые, в большинстве своем, обусловлены физикой взаимодействия лазерного излучения с веще- ством или являются логическим следствием ее преимуществ.
    1.1.
    Поглощение лазерного излучения обрабатываемой поверхностью
    Поглощательная способность – А обрабатываемой лазерным излучением поверхности за- висит от длины волны лазерного излучения, температуры и оптических свойств поверхности вполне определенными для каждого металла. На рис. 1 показана зависимость поглощательной способности стали и алюминия, как функция длины волны лазерного излучения, при комнатной температуре. Поглощательная способность алюминия составляет около 2%, при применении СО
    2
    - лазера с длиной волны 10,6 мкм, и 5%-10% при применении твердотельного лазера
    λ = 1,06 мкм. Что касается металлических материалов, то лазерное излучение поглощается в скин-слое и через электроны, в области проводимости, энергия передается в глубь металла, то есть передача тепла металлу происходит за счет столкновений электронов, поглотивших лазерное излучение, с кристаллической решеткой и другими электронами. Этот процесс развивается на глубине 0,1 ÷ 1 мкм, за промежуток времени примерно равный 10
    -11
    сек. Постепенно температура электронного газа и кристаллической решетки выравниваются и примерно через 10
    -9
    ÷ 10
    -8
    сек можно говорить об общей температуре металла в зоне обработки.
    5
    Рис. 1. Зависимость поглощательной способности от длины волны лазерного излучения
    Для алюминия это означает, что при применении твердотельного лазера поглощательная спо- собность выше, чем для стали.
    1,06
    λ,
    Сталь
    Al
    А,
    10,6
    Низкий уровень поглощательной способности обрабатываемой поверхности и ее зависи- мость от длины волны лазерного излучения является существенным недостатком технологии ла- зерной обработки, так как приводят к значительному повышению порогового значения уровня плотности мощности, необходимой для обработки материала.

    Низкие значения поглощательной способности металлов делают, на первый взгляд, мало- эффективным использование мощных лазеров в металлообработке. Однако поглощательная спо- собность металла может быть существенно повышена специальной обработкой поверхности – увеличением исходной шероховатости, нанесением специальных покрытий, созданием окисной пленки, а также с использованием физических методов.
    Технологические операции изменения шероховатости поверхности, нанесения специаль- ных покрытий увеличивают длительность технологических циклов и трудоемки, поэтому жела- тельна замена или исключение из технологического цикла изготовления детали данных техпро- цессов.
    Более целесообразным является воздействие на обрабатываемую поверхность дополни- тельными источниками нагрева, которые производятся одновременно (параллельно) с лазерной сваркой и, изменяя физико-оптические свойства поверхности, значительно увеличивают погло- щательную способность обрабатываемой поверхности.
    Поглощательная способность неокисленной металлической поверхности лазерного излу- чения с длиной волны λ = 10,6 мкм описывается уравнением Хагена-Рубенса.
    А = 112,2 (σ
    -1
    )
    1/2
    (1) где, σ – удельная электропроводность металла, (Ом·м)
    -1
    ;
    А – поглощательная способность (коэффициент поглощения) металла.
    Поскольку электропроводность металлов уменьшается при увеличении температуры, то, соответственно, возрастает и коэффициент поглощения. При переходе металла из твердого со- стояния в жидкое, число электронов проводимости на один атом металла, плотность металла, удельное сопротивление металла по постоянному току изменяются (рис. 2).
    Рис. 2. Температурная зависимость удельного сопротивления для железа и сталей
    6

    Изменение данных физических величин приводит, в соответствии с законом Хагена-
    Рубенса, к повышению коэффициента поглощения в точке плавления металла (рис. 3).
    Ag
    Al
    Au
    Cu
    Pb
    W
    T, K
    2000 1000 0,05 0,10 0
    0
    A
    Рис. 3. Расчетная зависимость коэффициента поглощения чистых металлов от температуры
    В качестве дополнительных источников воздействия, для изменения оптических свойств поверхности, может выступать электрическая дуга, струя плазмы, светолучевая обработка, кото- рые, действуя одновременно (параллельно) с лазерным излучением, изменяют коэффициент по- глощения обрабатываемой поверхности и одновременно участвуют в образовании и формирова- нии сварного шва.
    1.2.
    Термические циклы лазерной сварки
    Существенное значение на свариваемость металлов оказывают термические сварочные циклы. Лазерная сварка обладает жестким термическим циклом. Скорость нагрева в сварном шве характеризуется значением 1,4
    ⋅ 10 4
    град/с. Скорость нагрева в зоне термического влияния в ин- тервале полиморфного превращения сталей составляет 5
    ⋅ 10 3
    град/с., а скорость охлаждения 5

    10 2
    град/с. Уменьшение жесткости термического цикла, в определенных случаях, может благо- приятно сказываться на свариваемость.
    Уменьшение жесткости сварочного термического цикла может быть реализовано одно- временным наложением термического цикла лазерной сварки и менее жестких термических цик- лов других методов сварки, например, индукционной, плазменной, светолучевой, используя их в режиме предварительного или сопутствующего подогрева (рис. 4).
    7

    а)
    б)
    в)
    Т,
    Е
    К
    t,c
    Т,
    Е
    К
    t,c
    Т,
    Е
    К
    t,c
    Рис. 4. Термические циклы различных методов сварки а) термический цикл лазерной сварки б) термический цикл индукционного подогрева в) термический цикл гибридной лазерно-индукционной сварки
    Как видно (рис. 4в) жесткость термического цикла снижается при гибридной лазерно- индукционной сварке, что благоприятно сказывается, в отдельных случаях, на технологической прочности сварного соединения.
    8
    1.3.
    Процессы порообразования при лазерной сварке
    Процесс порообразования относится к сложным физико-химическим явлениям и его раз- витие обусловлено не только свойствами исходного металла, но и параметрами сварки. Рассмот- рим порообразование применительно к лазерной сварке алюминиевых сплавов. Одной из основ- ных причин порообразования при сварке алюминия и его сплавов является водород, попадающий в металл сварочной ванны из основного и присадочного металла. Из-за высокого сродства рас- плавленного металла к водороду и "падения растворимости", которое имеет место во время кри- сталлизации алюминия, необходимо принять меры по предотвращению любого притока водорода в зону шва (рис. 5). Расплавленный алюминиевый сплав при температуре 660°С может раство- рить около 0,7см
    3
    /100 г водорода - то при температуре 658°С, как только он кристаллизовался,
    только 0,036 см
    3
    /100 г. Одной из отличительных черт лазерной сварки является низкая погонная энергия, что означает, что для обратной диффузии водорода остается очень мало времени - си- туация, которая, в конечном счете, приводит к образованию водородных пор. С другой стороны, используя методы сварки в которых погонная энергия выше, сварочная ванна больше, больше время кристаллизации - что благоприятно сказывается на эвакуацию большего количества водо- рода и, соответственно уменьшение пористости.
    г
    см
    G
    100
    ,
    3
    Т, о
    С
    Рис. 5. Растворимость водорода в алюминии в зависимости от температуры где, G – растворимость водорода, см
    3
    /100 г.
    Таким образом, уменьшение длительности существования жидкой фазы расплава свароч- ной ванны должно подавлять развитие зародышей пузырьков, а увеличение – способствовать их росту и, следовательно, эвакуации пузырьков из жидкой фазы сварочной ванны. Увеличение дли- тельности существования сварочной ванны возможно за счет увеличения погонной энергии.
    Снижением погонной энергии (ужесточением термического цикла сварки) можно умень- шить размер пор (суммарный объем несплошностей) за счет сокращения времени развития газо- вых пузырьков. Однако при этом давление водорода в порах будет повышенным из-за того, что большая часть влаги будет реагировать с уже закристаллизовавшимся металлом с выделением водорода в объем несплошностей.
    Исследование лазерной сварки сплавов алюминия показало, что гибридная двухлучевая лазерная сварка позволяет уменьшить порообразование, за счёт снизижения жесткости термиче- ского цикла.
    1.4.
    Гидродинамическая неустойчивость ванны расплава при высоких
    скоростях лазерной сварки
    При определенных, высоких, скоростях лазерной сварки (V
    св
    > 200 мм/с) качественное формирование швов нарушается в результате образования так называемых “горбов”, (“вспле- сков”).
    9

    Причины образования горбов следующие. При сварке со сквозным проплавлением суще- ствует множество факторов (возмущений), вызывающих нарушение качественного формирова- ния шва. К ним относятся возмущения, обусловленные технологической наследственностью, оп- ределяемые химической и структурной неоднородностью металла, а также системными ошибка- ми технологической подготовки производства (колебаниями толщины зазора, угла скоса кромок свариваемых деталей и др.). Технологические возмущения приводят к случайным изменениям кривизны жидкой фазы расплава металла шва и соответственно к изменению сил поверхностного натяжения, что вызывает перепад давлений в жидкой фазе поперечного сечения сварочной ван- ны, который приводит к торможению жидкой фазы металла части ванны шва. В месте торможе- ния жидкой фазы увеличивается объем жидкого металла и при кристаллизации образуется
    “горб”.
    Таким образом, жидкая фаза ванны расплава шва испытывает гидродинамическую неус- тойчивость, ведущую, на больших скоростях сварки, к образованию “горба”.
    Использование дополнительных источников нагрева в виде второго, менее мощного луча, дуги или плазмы позволяет сглаживать образующиеся “горбы”.
    1.5
    Требования к геометрии сборки свариваемых деталей
    Высокие значения коэффициента сосредоточенности лазерного сварочного источника энергии определяют минимальные объемы расплава сварочной ванны, а режим глубокого про- плавления – высокое значение коэффициента формы шва. Вышеуказанные факторы предъявляют более высокие требования к точности геометрии сборки свариваемых деталей под сварку, по сравнению с аргоно-дуговой сваркой (АРДС).
    Например, при сварке в стык, без присадки (рис. 6), конструкционных сталей толщиной Н, требования предъявляемые к зазору в стыке – b и смещение кромок – ΔH при лазерной сварке –
    ЛС являются более жесткими по сравнению с АРДС (таблица №1).
    10
    b
    H
    Δ
    Н
    Рис. 6. Геометрия зазора и смещения свариваемых кромок при сварке встык

    11
    Таблица 1
    Толщина ме- талла, мм
    Скорость сварки, мм/сек
    Максимально допустимая величина зазора (b), мм
    Максимально допустимое смещение кромок (ΔН), мм
    0,8 – 1,5 5,5-22,2 22,2-33,3 0,12 0,10 0,1 1,5 – 3,0 5,5-22,2 22,2-33,3 0,15 0,12 0,15
    Невыполнение требований по геометрии сборки свариваемых деталей при лазерной сварке может привести к утонению (ослаблению) шва, потере конструкционной прочности сварного со- единения или к непровару корня шва.
    Требования к точности геометрии сборки можно значительно снизить, если увеличить объем сварочной ванны и уменьшить значение коэффициента формы шва. Этого можно достичь, например, используя параллельно с лучом лазера электрическую дугу, которая, формируя сва- рочную ванну в режиме теплопроводности, значительно уменьшает коэффициент формы шва, то есть использовать гибридную технологию лазерно-дуговой сварки.
    1.6
    Требования к стабильности диаграммы направленности лазерного
    Излучения
    Стабильность диаграммы направленности лазерного излучения имеет исключительно важную роль в технологической воспроизводимости процесса лазерной сварки. Высокое значе- ние коэффициента формы шва и минимизация диаметра пятна, предъявляют жесткие требования к стабильности диаграммы направленности лазерного излучения, то есть к смещению оптической оси лазерного излучения. Особенно значительно данный эффект может сказываться если свароч- ный пост находится на расстоянии нескольких десятков метров от излучателя лазера.
    Изменение положения центра диаграммы направленности в пространстве приводит к смещению энергетического центра сварочного источника тепла, и, как следствие, к смещению геометрии формирования шва и особенно корня шва (рис. 7), что может привести к непровару корня шва.

    2 1
    Рис. 7. Изменение геометрии формирования шва в результате нестабильности диаграммы на- правленности лазерного излучения
    1 – исходное положение диаграммы направленности
    2 – смещенное положение диаграммы направленности
    Стабильность диаграммы направленности определяется не только лазером, но и системой транспортировки и фокусировки лазерного излучения.
    1.7
    Технико-экономическая эффективность лазерной сварки
    При выборе вида сварочного источника энергии, для сварки конкретных изделий, необходимо учитывать, энергетическую и экономическую эффективность сварочного источника, а также качество и надежность полученных сварных соединений.
    Оценку технико-экономической эффективности различных методов сварки производят по многим параметрам, в том числе по значению удельной плотности энергии – W
    E
    , необходимой для формирования шва (рис. 8).
    W
    Е
    , Дж/см
    2
    lg W
    Е
    W
    0
    Е
    = W
    св
    Е
    + W
    всп
    Е
    W
    ш
    Е
    2 3
    4 5
    6 10 2
    10 3
    10 4
    10 5
    10 6
    Рис. 8. Энергетическая эффективность сварочных источников энергии
    Где,
    12

    ш
    E
    W – плотность энергии, необходимая для образования шва;
    св
    E
    W – плотность энергии сварочного источника;
    всп
    E
    W
    –плотность энергии вспомогательных систем;
    0
    E
    W
    – суммарная плотность энергии при сварке
    Сравнение критериев
    , для шва при однопроходной сварке конструкционной стали, показывает, что переход от сварки концентрированным источником энергии (например, газовым пламенем
    ≈ 200÷400 Дж/мм
    ш
    E
    W
    ш
    E
    W
    2
    ) к высококонцентрированным в значительной мере снижает значение
    ш
    E
    W
    В то же время общие затраты удельной энергии
    , в которых учитывается полное КПД источника энергии, сервисное энергообеспечение (например, вакуумирование для электронно- лучевой сварки) для высококонцентрированных источников энергии выше по сравнению с концентрированными источниками энергии.
    O
    E
    W
    Стоимость одного ватта энергии концентрированного источника энергии, например свето- лучевой сварки, составляет примерно на парядок ниже стоимости одного ватта высококонцен- трированного сварочного источника энергии. Поэтому объединение различных видов сварки в единый технологический процесс позволяет снизить стоимость одного Вт энергии сварочного источника энергии.
    Таким образом, соединение лазерной сварки с другими источниками нагрева, в единый технологический процесс, позволяет в значительной мере нивелировать присущие каждому из методов сварки недостатки и, одновременно, получить новое качество, в виде расширения техно- логических возможностей. В частности, повысить качество сварных соединений и значение верхнего предела скорости сварки, а так же снизить дефектообразование при сварке и себестои- мость сварки одного погонного метра шва,.
    Наиболее разработанными являются процессы гибридных технологий двухлучевой лазер- ной сварки, лазерно-дуговой, лазерно-индукционной, лазерно-плазменной и лазерно- светолучевой.
    13

      1   2   3   4
    написать администратору сайта