Хаскин Владислав Юрьевич, Коржик Владимир Николаевич, Жерносеков АнатолийМаксимович, Пелешенко Святослав Игоревич, Ву Бой // Журнал: Перший незалежний науковий вісник, 5/2015, с: 54-59
В работе показано, что при лазерно-дуговой сварке углеродистых и нержавеющих сталей для улучшения формирования верхнего валика усиления шва, минимизации коэффициента формы шва и повышения глубины проплавления целесообразно использовать одновременную импульсную модуляцию сварочной дуги и лазерного излучения с частотой, близкой к частоте собственных колебаний сварочной ванны при лазерной сварке. При этом частоты модуляции могут быть равными, либо кратными друг другу с превышением значений частоты подачи дуговых импульсов.
HYBRID LASER-ARC WELDING OF STEELS WITH A PULSE WIDTH MODULATED ARC CONSUMABLE ELECTRODE
It is shown that the laser-arc welding of carbon and stainless steels to improve the formation of the upper roller weld reinforcement, minimizing the shape factor of the seam and increasing the depth of penetration should be used for simultaneous pulse modulation of a welding arc and laser radiation with a frequency close to the natural frequency of the weld pool laser welding. This modulation frequency may be equal to or multiples of each other with the excess supply frequency values arc pulses.
Постановка проблемы. Одним из наиболее многих сварных конструкциях, являются распространенных видов сталей, применяемых во углеродистые. Например, корпуса судового
транспорта различных типов (например, сухогрузов) и грузовые железнодорожные вагоны изготавливаются из сталей типа 09Г2С (ГОСТ 19281-89). В кораблестроении, согласно правилам классификации и постройки морских судов, для изготовления ответственных конструкций применяют
высокопрочные стали типа АН36, БИ36 [1,2]. Для уменьшения объемов, либо полного устранения операции финишной рихтовки этих конструкций, необходимо минимизировать термические деформации, возникающие после сварки.
Анализ последних исследований и публикаций. Одной из сварочных технологий, снижающих величину остаточных деформаций по сравнению с применяющейся на данный момент дуговой сваркой, является лазерная сварка. Однако, ее широкое внедрение сдерживается высокими требованиями к подготовке свариваемых кромок. Для снижения этих требований целесообразно использовать гибридную лазерно-дуговую сварку с использованием дуги плавящегося электрода [1-3].
К недостаткам лазерно-дуговой сварки (по сравнению с лазерной) можно отнести давление дуги на сварочную ванну, а также увеличение перегрева основного металла за счет возрастания поперечных размеров сварного шва [4]. Последний недостаток также может быть вызван некоторым повышением погонной энергии гибридной сварки по сравнению с лазерной [5]. Такое повышение обусловливается необходимостью достижения определенной проплавляющей способности гибридного теплового источника.
Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы. Одним из путей устранения указанных недостатков является применение импульсной дуги плавящегося электрода. Таким путем шли авторы работ [6,7], предложившие стабилизировать импульсную дугу непрерывным лазерным излучением. По мнению авторов данных работ, дальнейшее снижение погонной энергии гибридной сварки с одновременным сохранением проплавляющей способности может быть достигнуто за счет применения импульсной модуляции как дуги, так и лазерного излучения.
Цель статьи. Целью настоящей работы явилось изучение влияния импульсного лазерного излучения и импульсной дуги плавящегося электрода на проплавляющую способность гибридной лазерно -дуговой сварки углеродистых сталей.
Изложение основного материала. Для достижения поставленной цели лазерное излучение и сварочный ток дуги плавящегося электрода модулировали в диапазоне частот до 200 Гц с шагом 50 Гц. С различными сочетаниями этих частот выполняли наплавки на пластины из сталей 09Г2С (5=5 мм) и 08Х18Н10Т (5=6 мм). Затем делали поперечные сечения наплавленных валиков, шлифовали их и протравливали (образцы из углеродистой стали — при помощи хлорного железа, образцы из нержавеющей -смесью кислот 1ИС1+2ИМОз). По полученным макроструктурам определяли глубину проплавления и коэффициент формы шва (отношение ширины шва к его глубине). Для сравнения выполняли наплавки в
непрерывном режиме для обоих составляющих, а также для лазерной (дуговая составляющая оставалась в импульсном режиме). При этом погонные энергии оставались примерно одинаковыми за счет равенства средних мощностей импульсного и непрерывного режимов сварки.
При сварке стали 09Г2С электродную проволоку марки Св-08Г2С (01,2 мм) подавали спереди относительно перемещения головки. При сварке стали 08Х18Н10Т аналогичным способом подавали проволоку Св-Х18Н10Т (01,0 мм). В ходе экспериментов выполнялись наплавки на пластины размером 300*100*5 мм из стали 09Г2С в защите газовой смеси 82%Аг+18%СО2, подаваемой с расходом 20 л/мин (333 см3/мин). Сварка аналогичных пластин из стали 08Х18Н10Т выполнялась а чистом аргоне с тем же расходом. Форма сварочного тока была ступенчатой, как показано на рис.1, а лазерное излучение подавали прямоугольными импульсами с соотношением импульс-пауза 66%:34% (скважность 1,5). Для сравнения выполняли провары в непрерывном режиме горения дуги постоянного тока и генерации излучения при близкой погонной энергии. Скорость сварки стали 09Г2С во всех случаях была выбрана 90 м/ч (25 мм/с), а погонная энергия лежала в пределах 250…300 Дж/мм. Скорость сварки стали 08Х18Н10Т составляла 75 м/ч (20,83 мм/с), а погонная энергия — 310 и 370 Дж/мм (импульсный и непрерывный режимы сварки, соответсвенно). Соотношение мощностей дугового и лазерного источников энергии было близким к 1:1 (примерно по 3 кВт каждый). Основными критериями оценки получаемых результатов служили качество формирования валиков, коэффициент формы шва, а также глубина провара.
Полное содержание статьи: https://cyberleninka.ru/article/n/gibridnaya-lazerno-dugovaya-svarka-staley-s-impulsnoy-modulyatsiey-dugi-plavyaschegosya-elektroda
Поделиться ссылкой:
- Нажмите, чтобы поделиться на Twitter (Открывается в новом окне)
- Нажмите здесь, чтобы поделиться контентом на Facebook. (Открывается в новом окне)
- Нажмите, чтобы поделиться в Google+ (Открывается в новом окне)
- Нажмите, чтобы поделиться на LinkedIn (Открывается в новом окне)
- Нажмите, чтобы поделиться в Telegram (Открывается в новом окне)
- Нажмите, чтобы поделиться записями на Pocket (Открывается в новом окне)
- Нажмите, чтобы поделиться в Skype (Открывается в новом окне)
- Нажмите, чтобы поделиться записями на Tumblr (Открывается в новом окне)
- Нажмите, чтобы поделиться в WhatsApp (Открывается в новом окне)
- Нажмите, чтобы поделиться записями на Pinterest (Открывается в новом окне)
Похожие записи
Лазерно-гибридная сварка
Лазерно-гибридная сварка предлагает производителям возможность достижения производительности и качества на порядок выше традиционных сварочных процессов. С помощью HLAW процесса можно достичь скорости сварки тонких материалов в 3-5 раз выше GMAW процесса и до 10 раз выше GTAW процесса со снижением тепловложения до 80-90%. Это обеспечит не только быстрое производство пластин и листов, но и значительное снижение деформаций, что в свою очередь снизит или устранит затраты из-за простоя производства.
Hybrio™- адаптивная система управления
Запатентованная ESAB адаптивная замкнутая система управления следит за сварным швом в режиме реального времени, регулируя процесс для размещения стыковых зазоров и нестыковок. Также она способна определять глубину проникновения лазера и активно контролировать этот процесс в рамках заданного допуска. Эта продвинутая интеллектуальная система управления следующего поколения расширяет показатели сварки в пять раз по сравнению с традиционными системами управления. Определяя свое окружение, положение шва и установку, она может адаптироваться в режиме реального времени для поддержания высокого качества сварки в пределах множества вариантов установки. Этот прорыв в сварочном контроле позволяет применять гибридную сварку на больших и сложных конструкциях без чрезмерно дорогих программ для предварительной обработки и фиксации.
Лазер на твердотельных элементах
ESAB применяет современные резонаторы твердотельного лазера исключительно в гибридной сварке. Эти новые лазеры обладают высокой энергоэффективностью, не потребляют газы и обеспечивают длительный срок службы. Длина волны света, генерируемая этими лазерами, в отличие от старых CO2 лазеров, не требует зеркал, телескопов и другой оптики для направления луча на рабочую головку. В них применяются гибкие оптоволоконные кабели, способные переносить высокоэнергетический луч на расстояние до 200 метров без какой-либо значительной потери энергии или качества луча.
Это позволяет ESAB разрабатывать целый ряд гибкого оборудования, которое отлично впишется в традиционную производственную среду, без необходимости обращения с чувствительной оптикой, с сопутствующей ей механизацией и затратами на технический уход. Также, эти лазеры могут направлять энергию по шести отдельным оптоволоконным кабелям, что позволяет одному лазеру работать на нескольких независимых рабочих участках.
Сенсорный экран Hybrio™
Все системы гибридной сварки ESAB оснащены самым современным HMI интерфейсом на базе ПК – «Интерфейс человек – машина». Эта система управления на базе ПК очень проста в управлении, а также упрощает процессы разработки и управления гибридной лазерной сваркой в производственной среде. Система работает в трех режимах: Оператор, Инженер и Разработчик, в зависимости от типа пользователя, который вошел в систему. Каждому доступна разного уровня информация и доступ к управлению процесса.
HMI представляет собой всем известный Windows-интерфейс для доступа и настройки адаптивной системы управления в режиме реального времени. Также имеется мастер настройки «Экспертный режим», который поможет инженерам в разработке новых сварочных приложений для гибридной сварки. И, наконец, HMI включает в себя модуль Контроля качества, который собирает и объединяет в отчет актуальные данные о параметрах, основные переменные, результаты проверки качества сварки для анализа и отчета статистических данных нашими пользователями. Данный модуль может автоматически создавать отчеты о сварке и создавать записи по стандарту AWS, ISO или согласно собственным стандартам заказчика.
Широкий выбор стандартных систем
ESAB предлагает целый ряд стандартных и модульных производственных систем, включающих в себя процессы гибридной сварки Hybrio™ от лазерной до шовной сварки, трубосварочные станы. Эти системы «под ключ» настроены таким образом, чтобы предоставить заказчикам готовое решение для внедрения в существующее производство. ESAB также предоставляет комплект процессов Hybrio™ для компаний-интеграторов. Это обеспечит интеграторов и производителей оборудования комплексным операционным решением по гибридной сварке для внедрения в свою собственную продукцию. В дополнение ESAB предлагает полный комплект процессов гибридной лазерной сварки Hybrio™ нашим системным интеграторам роботизации самого высокого уровня для использования в гибких системах автоматизации там, где наши заказчики ожидают сверхвысокую производительность и качество от сварочных решений.
Финские специалисты опубликовали Обзор особенностей гибридной лазерно-дуговой сварки.
Проанализированы особенности применения различных способов гибридной сварки с учетом используемых параметров процесса, типов свариваемого металла и его толщины.
Рассмотрены экономические аспекты применения гибридной сварки, особенности контроля качества.
Исследование выполнили специалисты П. КАХ, А. САЛМИНЕН, Дж. МАРТИКАИНЕН из Лаборатории технологии сварки и обработки лазером (Технологический университет, г. Лаппеенранта, Финляндия), и Центра машиностроительных технологий («Турку Лтд.», г. Турку, Финляндия).
Изучение процесса гибридной лазерно-дуговой сварки началось в 1978 г. с выхода в свет первой статьи о сварке ТИГ в сочетании с лазерной сваркой.
Сегодня лазеры, используемые в гибридной лазерно-дуговой сварке, включают лазеры старшего поколения (СО2-лазер, Nd:YAG-лазер, диодный), а также новые типы (дисковый и волоконный).
СО2-лазер был первым и наиболее часто используемым при гибридной сварке.
Nd:YAG -лазеры успешно применяют при гибридной сварке для соединения алюминия, материалов с высокой отражательной способностью и стали, благодаря его короткой длине световой волны гарантируется больший уровень ее поглощения. Одним из преимуществ Nd:YAG-лазера является применение оптоволокна для перемещения пучка. Гибридная сварка объединяет энергию двух различных источников энергии в одной зоне проплавления.
Как правило, сфокусированный лазерный пучок направлен в зону соединения перпендикулярно поверхности пластины, а горелка наклонена под определенным утлом к точке взаимодействия лазерного пучка и материала. При этом лазерный пучок с высокой плотностью энергии и электрическая дуга с высоким энергетическим КПД взаимодействуют одновременно в одной области процесса (плазма и сварочная ванна), помогая друг другу. При гибридной сварке количество переменных параметров увеличивается вследствие объединения различных процессов, имеющих свои параметры.
Существует множество гибридных способов сварки, отличающихся лазерным источником (СО2-лазер, Nd:YAG-лазер, диодный, волоконный или дисковый) и способами дуговой сварки (МИГ/МАГ, ТИГ, плазменная сварка, тандем-сварка, дуговая сварка металлическим покрытым электродом). При этом можно также использовать специальные головки, в которых лазерный пучок окружен электрической или плазменной дугой.
В процессах гибридной сварки потенциал, как правило, определяют с помощью выбора соответствующей настройки оборудования и базовых параметров, режимов, адаптированных к требованиям материала, его структуре и условиям изготовления.
Если граничные условия процесса выбраны правильно, то гибридная сварка является стабильной, эффективной и гибкой технологией.
Исследования выявили, что при совмещении различных способов сварки достигается синергетический эффект, при этом недостатки отдельных способов сварки компенсируются. Например, типичный узкий шов лазерной сварки в некоторых случаях способствует появлению металлургических проблем и проблем при сборке, а повышенное количество подводимого тепла при дуговой сварке увеличивает деформацию изделия, что приводит к последующим затратам на повторную обработку. К преимуществам относят возможность заполнения зазора при увеличенном зазоре в стыке вследствие неточной подготовки кромок и допусков по фиксации; повышение проплавления и скорости сварки, что удерживает на минимальном уровне подводимое тепло и тепловую деформацию; повышение равномерности формирования наплавленного валика; расширение сферы применения адаптированных к требованиям материалов конструкций и условиям изготовления; снижение инвестиционных расходов в связи с экономией лазерной энергии.
Отмечено также улучшение металлургических свойств при использовании присадочного материала и уменьшение пористости благодаря ускоренному выделению газа из сварочной ванны увеличенного размера, особенно в швах с частичным проплавлением.
При гибридной сварке дуга находится в стабильном состоянии, поскольку катодное пятно дуги расположено в области теплового воздействия благодаря лазерному излучению в парогазовом канале.
Результаты, полученные с помощью высокоскоростной камеры, показали, что генерируемая лазером плазма оказывает решающее воздействие на стабильность дуги. Гибридную сварку в основном применяют в случае, если толщина пластины позволяет выполнять однопроходную сварку. При этом ограничивающим фактором является мощность лазерного излучения.
При использовании высокомощных лазеров можно сваривать пластины толщиной до 30 мм за один проход. Однако с помощью лазеров средней мощности также возможно соединение стальных листов большой толщины, при этом необходим фиксированный зазор между свариваемыми пластинами и применение многопроходной сварки.
Как и при лазерной сварке с присадочной проволокой, при гибридной сварке возможно использование лазеров средней мощности для больших сечений.
И хотя лазер не обязательно должен быть очень мощным (что означает сокращение инвестиционных расходов), возможно получение качественных соединений.
Кроме подготовки кромок без скоса при выполнении стыкового шва, можно также использовать V- и Y-образную подготовку кромок, которая часто может быть обеспечена непосредственно при вырезке заготовки без дальнейшей механической обработки. Сфера применения гибридной лазерно-дуговой сварки включает многие отрасли промышленности (например, судостроительную, автомобильную, производство контейнеров).
Благодаря значительным преимуществам гибридная сварка является достаточно надежным способом соединения различных материалов.
Расстояние между положением лазерного пучка и дугой, называемое «расстоянием процесса», является важным параметром гибридной лазерно-дуговой сварки. Если оно слишком большое, плазмы дуги и лазера находятся отдельно друг от друга, что приводит к нестабильности дуги, поскольку в этом случае плазма лазера и нагретый материал не направлены на ее генерирование и поддержку. Если же «расстояние процесса» составляет 5 мм или более, указанные процессы действуют независимо. Это зависит от скорости сварки, мощности дуги и лазера, а также используемого материала.
Гибридная лазерно-дуговая сварка под флюсом является наиболее целесообразной среди способов гибридной лазерно-дуговой сварки.
Промышленность проявляет значительный интерес к этому способу сварки, имеющему практическое применение благодаря использованию менее дорогостоящих и гибких источников лазерного излучения.
Использование в этом процессе твердотельных лазеров дает возможность для дальнейшего развития этого способа сварки и расширения области его применения. Одним из его преимуществ является уменьшение риска плазменной защиты, поскольку легче объединить более короткую длину волны твердотельного лазера в материале, подлежащем обработке.
При более короткой длине волны также может быть улучшена гибкость оборудования, поскольку можно обойтись без сложного наведения лазерного пучка через зеркальную оптику, а направлять его через оптоволокно в обрабатывающую оптическую систему.
Для достижения лучшей дегазации и получения шва с минимальным количеством пор или без них можно расширять или стабилизировать парогазовый канал. Одним из путей этого могло бы стать применение сварки и контроля с помощью адаптированной оптической колебательной системы. Введение защитного газа и/или технологического газа является еще одним параметром процесса сварки. При использовании эффективного твердотельного лазера, например волоконного, можно бы-ло бы исключить применение защитного газа, а использовать сжатую воздушную струю во избежание необходимости очистки шва, что сделает данный способ сварки более экономичным.
При процёссе гибридной лазерно-дуговой сварки под флюсом достигается лучшая дегазация за счет покрытия расплавленного металла шлаком, хорошего заполнения шва и более высоких возможностей этого способа сварки по сравнению с лазерной сваркой для соединения толстых пластин с использованием проволоки различных диаметров. Большие надежды связаны с применением комбинаций проволока + флюс и новых лазерных технологий.
Таким образом, исходя из результатов исследования различных способов гибридной лазерно-дуговой сварки, можно заключить, что указанный способ сварки находит широкое промышленное применение благодаря экономическим и техническим преимуществам технологии.
Внедрение этой передовой технологии может изменить способы сооружения конструкций, а также принятые производственные парадигмы.
Производители утверждают, что вследствие ее применения они получают большие выгоды, чем их конкуренты. Гибридная сварка требует соответствующих настройки системы и подбора основных параметров. Если эти граничные условия выбраны правильно, то эта технология оказывается стабильной, эффективной и гибкой, а если они установлены не надлежащим образом, то в швах будут образовываться дефекты. Производительность этого способа сварки можно улучшить путем увеличения скорости сварки, которая для листового материала может составлять до 40 % с традиционной лазерной сваркой.
При использовании гибридной сварки инвестиционные расходы на источник лазерного излучения значительно уменьшаются, а затраты на электроэнергию становятся намного выше. При гибридной МИГ/МАГ сварке высокопрочной конструкционной стали толщиной до 20 мм с зазором до 1 мм в нижнем положении возможно достижение проплавления по всей глубине как без разделки кромок, так и при V- и Y-образной разделке. Гибридная сварка найдет промышленное применение и для соединений большой толщины с изменяющимся зазором в кромках.
При этом желательно разработать технологические условия, позволяющие обеспечить стабильное качество швов.
Источник: «Автоматическая сварка», 2010, № 6, с.38-47 / www.nas.gov.ua/pwj
.
Гибридный лазерно-дуговой процесс, Alstom (Франция)
Пилотный проект для железнодорожного подвижного состава французской фирмы Alstom
Концерн Alstom известен в энергетической и транспортной отраслях во всем мире. Предприятие производит железнодорожный подвижной состав для местного и дальнего сообщения, а также выгоны для метро и трамваи. В рамках пилотного проекта, имеющего значение для европейского производства, фирма CLOOS оснастила существующий фрезерный портал современнейшей технологией лазерно-дуговой сварки в среде защитного газа. С его помощью крупные узлы железнодорожных вагонов должны изготавливаться быстрее и с меньшими затратами, чем прежде. После завершения стадии испытаний подлежат переоборудованию в лазерно-гибридные установки фрезерные порталы и на других заводах концерна.
Гибридный лазерно-дуговой процесс сварки в среде защитного газа.
Гибридный лазерно-дуговой процесс сварки в среде защитного газа не нов, но весьма актуален. Поскольку никогда технология не была настолько совершенной. По сравнению с известной сваркой двумя проволоками «Тандем» и процессом дуговой сварки в активном газе (MAG) достигается значительная экономия, как по времени, так и по расходу проволоки. Ведь однопроходные швы, даже при большой толщине материалов, можно сваривать без разделки кромок. Кроме того возможны высокие скорости сварки и для тонких, и для более толстых листов. Так гибридный лазерно-дуговой процесс сварки в среде защитного газа становится стандартом рентабельности, качества и гибкости.
Новаторское достижение.
Будучи специалистом во всех сварочных процессах, фирма CLOOS, Германия, усовершенствовала лазерно-дуговую сварку в среде защитного газа до коммерческой зрелости. Начиная с 2004 года, технология последовательно отрабатывалась в тесном взаимодействии с заказчиками и исследовательскими институтами. Сегодня на установках лазерно-дуговой сварки в среде защитного газа фирмы CLOOSизготавливаются узлы строительных машин, железнодорожного подвижного состава, а также комплектующие для автомобильной промышленности. Преимущества заключаются в синергетическом эффекте от комбинации двух сварочных процессов.
Лучшее от обоих сварочных процессов.
Лазерно-дуговая технология сочетает преимущества двух испытанных сварочных процессов. Лазерный луч расплавляет металл внутри небольшого пятна нагрева. Благодаря высокой плотности энергии лазерный луч глубоко проникает в материал и испаряет его. Процесс дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа, напротив, образует широкое пятно нагрева и вводит в общую сварочную ванну присадочный материал. Этот присадочный материал заполняет образованную лазерным лучом воронку и обеспечивает надежное соединение кромок. В результате получаются сварные швы с глубоким проплавлением и высокой прочностью. Кроме того можно по отдельности настраивать параметры обоих процессов. Так удается наилучшим образом подобрать форму и глубину проплавления с учетом толщины материала, чтобы достичь оптимального качества сварки.
Уникальная на рынке: седьмая ось
Разработанная фирмой CLOOS гибридная лазерная головка с седьмой осью не имеет аналогов на рынке. Благодаря свободно программируемой оси можно задавать оптимальные углы установки лазерного луча и дуговой сварочной горелки друг к другу. Исключаются ненужные движения робота, повышается глубина проплавления и достигается лучшее качество сварного шва. Решающее конкурентное преимущество для всех отраслей, где требуется высококачественные сварные швы.
Стабильный результат благодаря эффекту взаимодействия двух сварочных процессов
Гибридный лазерно-дуговой процесс сварки в среде защитных газов объединяет не только все преимущества каждого процесса по отдельности, но также извлекает из этого сочетания дополнительные эффекты взаимодействия двух сварочных процессов. Сварочная дуга заботится о хорошем перекрытии зазора при отклонениях в размерах свариваемых деталей, в то время как лазер с высокой плотностью энергии делает возможной большую глубину шва. Лазер и плазма дуги идеально дополняют друг друга, что положительно сказывается на стабильности процесса.
Сенсоры гарантируют качество.
В гибридном лазерно-дуговом процессе сварки в среде защитного газа случайности непозволительны: перед сваркой анализируются отклонения размеров и геометрия зазора. К тому же во время сварки ведётся текущий анализ всех необходимых данных и их документирование для последующего использования: температуры, состояния плазмы, отражение луча, мощности лазера, а также параметров дуговой сварки. Пользователь извлекает из этого максимальную экономичность и надежное качество.
Высокие скорости сварки, незначительное коробление изделий
В производстве рельсовых транспортных средств часто приходится изготавливать комплектующие узлы сложной конструкции из алюминия, обычной и хромоникелевой сталей. При сварке длинных швов различной формы (стыковых, угловых или внахлестку) качественные и экономические преимущества лазерно-гибридного процесса быстро проявляются: благодаря высоким скоростям сварки по сравнению с обычным дуговым процессом уменьшается внесение тепла, почти отсутствуют поводки при одновременно лучших условиях проплавления.
Технические подробности переоборудования:
- — Интеграция имеющихся приводных устройств в роботизированную установку, как свободно программируемых синхронных приводов
- — Установка лазерно-гибридной головки с ротационной 7-й осью на сварочный робот CLOOS
- — Слежение за швом с помощью лазерного сенсора CLOOS типа CST Flex S
Гибридные технологии сварки
Posted by Менеджер in Информационные материалыГибридными 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. К тематике нашей конференции ближе технологии, которые объединяют в себе два тепловых источника, причем один из источников является лазерным. Вот собственно об этом мы сегодня и поговорим. 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 году. Преимущества гибридных технологий надо рассматривать 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. Так же 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 проплавления 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 им. 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. То есть 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 им. Е.О.Патона очень серьезно занимаются этим вопросом и там разработаны специальные плазматроны и ведутся соответствующие работы.
Лазерно-гибридная сварка
Лазерно-гибридная технология (HLAW), по сравнению с традиционной, обеспечивает возможность значительно поднять качество и увеличить производительность сварочных работ. Так скорость сваривания тонких листовых деталей превышает в три-пять раз показатели метода GMAW, а процесс GTAW превосходит в десять! При этом тепловложения сокращаются до 80-90%. Таким образом, удается не только обеспечить увеличение темпов производства, но и значительно уменьшить степень деформации готовой продукции, что приводит к сокращению или полному исключению вынужденных простоев и связанных с ними затрат.
Hybrio™- адаптивная система управления
Разработанная и запатентованная компанией ESAB адаптивная система осуществляет контроль сварного шва в режиме реального времени, обеспечивая автоматическую регулировку процесса в зависимости от конфигурации стыка, величины зазоров и наличия нестыковок. Кроме того определяется глубина, на которую проникает лазер, и производится корректировка параметров в соответствии с установленными допусками. Использование передовой системы интеллектуального управления обеспечивает пятикратное улучшение характеристик сварочного процесса, по сравнению с использовавшимися ранее методами. Постоянный контроль параметров среды, конфигурации шва и положения головки обеспечивает идеальную адаптацию характеристик под установленные требования для достижения непревзойденного качества сварки. Данная технология позволяет сократить затраты при изготовлении крупных конструкций сложной формы за счет отказа от дорогостоящих программ позиционирования и предварительной подготовки деталей.
Лазер на твердотельных элементах (твердотельный лазер)
В технологическом процессе гибридной сварки ESAB сделала ставку на применение современные твердотельные лазеры, обладающие повышенной энергоэффектвиностью и продолжительным сроком эксплуатации. Кроме того, при работе данного оборудования не требуется использование газов, зеркал и иной оптики для фокусировки пучка. Перенос луча посредством оптоволокна осуществляется на расстояние до 200 м. без потери качества и мощности.
Передовой подход дал возможность ESAB разработать линейку оборудования, которое можно легко интегрировать в действующее производство, сократив затраты на плановое техническое обслуживание. Упрощается и процесс эксплуатации, поскольку отпадает необходимость обучать персонал правилам обращения с прецизионной оптикой. При помощи оптоволоконных линий энергия от одной лазерной установки может передаваться на шесть отдельных исполнительных устройств.
Сенсорный экран Hybrio™
Производимые ESAB гибридные системы комплектуются передовым интерфейсом HMI (человек — машина). Технологически решение реализовано на базе персонального компьютера, что делает его простым в освоении, а также значительно упрощает процедуру ввода параметров и контроля над работой лазерной установки в условиях реального производства. Пользователи могут работать в одном из трех имеющихся модулей: «оператор», «разработчик», «инженер». Для каждого из указанных режимов доступен свой набор функций, а также уровень доступа к информации и управлению параметрами процесса. В основе программного комплекса лежит популярный Windows-интерфейс, обеспечивающий возможность в режиме реального времени управлять любыми настройкам системы. Интегрированный мастер конфигурации «Экспертный режим» упростит инженерам процесс разработки собственных приложений для технологии гибридной сварки.
Для надежного контроля качества производимых работ в HMI имеется соответствующий модуль, непрерывно собирающий сведения об основных параметрах процесса, характеристиках полученного сварного соединения, и автоматически формирующий отчет по стандартам ISO, AWS или требованиям, установленным пользователями.
Широкий выбор стандартных систем
ESAB предлагает заказчикам большой выбор типовых систем для их быстрой интеграции в действующие производства. У компании имеются комплексные решения для трубопрокатных станов, шовной и лазерной сварки. Также данные системы могут быть предоставлены сторонним организациям в форме комплектов, полностью подготовленных к интеграции в производство. Это позволяет расширить перечень клиентов, способных в кратчайшее время воспользоваться всеми преимуществами технологии гибридной сварки при выпуске своей продукции. Для предприятий, уже внедривших у себя автоматизированные системы производства с использованием роботизированных комплексов, компания ESAB готова предложить полностью разработанную и отлаженную технологию гибридной сварки лазером для достижения максимальной эффективности оборудования и абсолютного качества готовых изделий.
Сферы применения лазерно-гибридной сварки (HLAW)
Строительство зданий и сооружений
Низкий уровень температурных деформаций деталей при высокой производительности процесса делает лазерную гибридную сварку идеальным выбором при изготовлении опорных балок, столбов, мостовых настилов, свай и стропильных систем. Некоторые клиенты компании ESAB уже пользуются всеми преимуществами данной технологии при производстве различных деталей и конструкций. Внедрение передовых решений позволило им перейти к применению инновационных материалов и сплавов, которые обеспечили выпускаемой продукции дополнительную прочность и долговечность, сократив стоимость ее эксплуатации, что предоставило предприятиям важные конкурентные преимущества на рынке.
Улучшенные компоненты
Компания ESAB уделяет пристальное внимание разработке оборудования, предназначенного для эффективной реализации инженерных решений, основанных на применении высокопрочных материалов с улучшенной структурой. Такие уникальные качества лазерной гибридной сварки, как большая глубина проплавления при малом нагреве обрабатываемых деталей, позволяют создавать слоистые, сетчатые и полые структурные элементы, которые обладают меньшей массой и толщиной, чем традиционные компоненты сложных конструкций, при этом сопоставимы, или даже превосходят их по прочности и надежности.
Энергетика
Мировая энергетическая отрасль переживает тяжелые, в технологическом плане, времена. В развитых странах необходимо соблюдать все более жесткие экологические нормы. При этом потребление энергии постоянно возрастает, что заставляет искать новые источники, которые при своей эффективности оказывали бы минимальное негативное влияние на окружающую среду. Компания ESAB занимает ведущие позиции в разработке автоматизированных систем для нужд энергетической отрасли. Также она является лидером в производстве оборудования, предназначенного для изготовления башенных опор и генераторов ветроэлектростанций. В настоящее время ESAB в сотрудничестве с предприятиями-партнерами разрабатывает комплексы лазерной гибридной сварки следующего поколения, которые помогут повысить качество и снизить себестоимость труб для нефтегазовой отрасли, цистерн, различных емкостей и других, необходимых для энергетической сферы, конструкций.
Спецтехника
Землеройная, горнодобывающая, общестроительная и сельскохозяйственная техника на гусеничном и колесном ходу должна обладать большим ресурсом и высоким соотношением предельной прочности конструкции к собственной массе. Добиться указанных характеристик позволяет использование высококачественной стали, для сварки которой ESAB предлагает широкий спектр технологических решений и расходных материалов. Одним из основных методов, обеспечивающих производителям спецтехники существенное конкурентное преимущество, является гибридная лазерная сварка.
Наземный грузовой транспорт
Важным условием снижения себестоимости коммерческих перевозок является топливная эффективность транспорта, которая напрямую зависит от собственной массы тягача и прицепа – чем они ниже, тем лучше для владельца. При этом важно обеспечить высокую прочность и точность геометрии конструкции. ESAB активно сотрудничает с компаниями-производителями грузового подвижного состава, открывая для них новые возможности, которые предоставляет лазерная гибридная сварка. Предприятиям предлагается оборудование для решения задач различного масштаба. Так большие лазерные комплексы портального типа позволяют изготовителям железнодорожной техники добиваться таких показателей качества и производительности, которые просто недостижимы при использовании других сварочных технологий.
Водный транспорт
Крупнейшие европейские верфи уже на протяжении нескольких лет используют лазерную гибридную сварку при изготовлении переборок и палуб судов различного назначения и водоизмещения. Передовая технология позволила предприятиям-партнерам за счет применения высокопрочных сплавов облегчить создаваемые конструкции, а также избежать проблем с тепловыми деформациями, которые нередко возникали при выполнении сварочных работ традиционными методами.
| Во время выставки Fabtech 2010 года Lincoln Electric и IPG Photonics объявили о стратегическом партнерстве в разработке сварочных систем HLAW. Продвижение HLAW одной из крупнейших в мире компаний по дуговой сварке предполагает позитивный сдвиг в том, как отрасли видят этот процесс. История HLAW Хотя HLAW был исследован в течение ряда лет, было много причин для его ограниченного использования. «Я чувствовал, что большим недостатком работы, которую мы выполняли, было то, что мы использовали большой неуклюжий старый лазер, который не фокусировал все это так сильно», — говорит Вивиан Мерчант (Vivian Merchant) о своих исследовательских усилиях в начале 1990-х годов в Канадских оборонных исследованиях. Учреждение. Он добавил, что их интерес к использованию HLAW состоял в том, чтобы добиться более высоких показателей производства для военных применений, таких как материал HY-80 для изготовления подводных лодок, а также для сварки высокопрочных материалов для трубопроводов повышенной проходимости.Кроме того, Вивиан говорит, что они признали, что «без лазера для сварки этой стали толщиной в один дюйм потребуется 10 проходов. С помощью лазера мы можем сузить паз и сварить его всего за два прохода! » Даже при использовании «неуклюжих» лазеров некоторые приложения переходили из лаборатории в производственный цех. Усилия в Германии с HLAW продолжали быть очень активными в 1990-х. Исследователи из Института сварки и соединения (ISF) RWTH Aachen University работали с такими компаниями, как Meyer Werft Shipbuilding из Папенбурга, Германия, для разработки и оказания помощи во внедрении технологии. Результатом стало открытие в 2000 году в Мейер-Верфте новой линии панелей для сварки панелей палуб и переборок с элементами жесткости с использованием HLAW с CO2-лазерами. Это не только представляло собой широкое признание технологии, но и требовало разработки и принятия новых спецификаций для судостроения такими организациями, как DNV и Lloyds.  Загрузить статью полностью |  |
Лазерная и гибридная лазерно-дуговая сварка
1. Введение
В современной промышленности наблюдается тенденция к снижению веса конструкции, что связано с необходимостью повышения эффективности использования топлива. Для этого применяются новые высокопрочные двухфазные и трехфазные стали, а также новые сплавы на основе алюминия и титана, свойства которых определяются параметрами ансамблей включений. Новые технологии для кузовов автомобилей используют специально изготовленные заготовки, когда сварные заготовки подвергаются штамповке.Снижение веса заготовок с такими же механическими характеристиками возможно при использовании новых высокопрочных сталей. Тем не менее существует проблема обеспечения требуемых характеристик сварных швов. Также важно минимизировать сварочные напряжения и искажения, обеспечить оценку качества и автоматизацию процесса.
Для решения этих проблем в ближайшем будущем становится необходимой интенсивная разработка и широкое промышленное внедрение лазерной и гибридной лазерно-дуговой сварки (HLAW). Обладая множеством очевидных преимуществ, лучевая сварка из-за сложности технологических процессов нуждается в успешном использовании с глубоким пониманием особенностей процесса, новых CAE-подходов к технологическому проектированию, проектированию технологического оборудования на основе волоконных лазеров высокой яркости, техническое видение и мониторинг процессов, а также создание новых классов сварочных материалов.
Совместное использование лазерного излучения и электрической дуги для сварки металлов и сплавов с тем, чтобы оба источника нагрева воздействовали на материал только в одной зоне нагрева, родились 30–35 лет назад [1]. До недавнего времени использовались лазеры CO 2 с излучением в дальнем инфракрасном диапазоне. Взаимодействие металла с лазерным излучением 10,6 и 1,06 мкм принципиально различно. Лазеры с такими длинами волн излучения имеют низкое качество и низкую точность. Только в последние годы были разработаны непрерывные оптоволоконные лазеры хорошего качества.Они обладают высоким качеством луча и высокой точностью.
Гибридная лазерно-дуговая сварка является одной из наиболее перспективных технологий для соединения толстых и тяжелых деталей для производства газовых и нефтяных труб, судостроения, строительных конструкций и мостовых секций. Основным преимуществом гибридной лазерно-дуговой сварки является возможность сварки по одной линии материалов толщиной до 20 мм и более, в том числе нового типа сталей и современных сплавов. Гибридная сварка может также обеспечить высококачественный сварной шов, свойства которого сопоставимы со свойствами лазерного сварного шва, но использование этой технологии в случае реального производства ограничено высокой сложностью процесса [2] и появлением различных дефектов, таких как как пористость, трещины, пики и утрамбовки в сварном шве.
Анализ результатов проведенных исследований процесса гибридной лазерно-дуговой сварки позволяет определить ряд проблем, в решении которых необходимо разработать надежную технологию сварки толстых металлов и сплавов. Необходимо исключить: нежелательное направление роста кристаллов; резкое увеличение ширины шва в верхней части его поперечного сечения; наличие упрочняющих структур в зоне глубокого проникновения; наличие множества газовых пор; и неадекватные значения ударной вязкости осевой зоны, особенно при отрицательных испытательных температурах.Обзор современных тенденций и проблем для решения представлен в [3]. Единственным способом разработки надежной технологии гибридной лазерно-дуговой сварки является использование компьютерного подхода для определения и оптимизации технологических параметров, а также для поиска и тестирования технологических методов.
2. Теоретические основы лазерной и гибридной сварки
Для понимания формирования и поведения сварочной ванны при гибридной лазерно-дуговой сварке удобно использовать две модели процесса: во-первых, для стационарного случая и во-вторых, для динамического поведения талая бассейн.Стационарная модель более подробно описана в [4]. Все неполные модели учитывают основные особенности взаимосвязанных физических процессов. Проблема с поглощением и отражением лазерного луча внутри замочной скважины, теплопередачей в твердом теле и задачей о потоке пара в замочной скважине решаются так же, как это было сделано в модели лазерной сварки [4]. Модели дуги и плазмы, которые используют приближение пограничного слоя для уравнений массы, импульса, тока и энергии [5], очень специфичны для лазерно-дуговой сварки.Необходимо учитывать сжимаемость среды, объемный нагрев лазерным лучом и током дуги, смешивание паров металла, защитного и дугового газа, а также влияние температуры на кинетические коэффициенты, а также влияние поверхности детали на поток дуги и защитного газа. Гибридный электрический разряд, который определяет значения скорости ионизации и пространственные распределения проводимости и температуропроводности, также очень специфичен. Физическая природа перечисленных процессов также важна для формирования бассейна расплава, поэтому необходимо рассмотреть его более глубоко.
Рисунок 1.
Радиальное распределение температуры струи на 1 см над поверхностью, сплошная линия — сжимаемый газ, пунктирная линия — на сжимаемом.
Лазерный плазменный шлейф над поверхностью заготовки влияет на процесс сварки из-за поглощения и преломления лазерного излучения [6], а также может быть использован в качестве источника информации для оперативного мониторинга и контроля процесса [7]. Как известно, структура и параметры плазменного факела сильно зависят от длины волны излучения [8], природы и скорости защитного газа [9].С точки зрения газовой динамики плазменный факел представляет собой дозвуковую погруженную струю [10] паров металлов в защитном газе с объемным нагревом за счет поглощения лазерного излучения в плазме. Численные схемы [11] или известное аналитическое решение для некомпрессионной погруженной струи [12] обычно применяются для расчета параметров пароструйной плазмы. Объемный нагрев, сильно влияющий на течение струи, зависит от коэффициента поглощения плазмы. Теоретические описания лазерно-индуцированной плазмы обычно предполагаются как термодинамическое равновесие.Температура равновесной плазмы определяется степенью ионизации и другими параметрами плазмы [13]. Однако, поскольку поглощение энергии излучения электронами плазмы и передача энергии от электронов к тяжелому компоненту требуют энергетической щели между компонентами легкой и тяжелой плазмы, предположение о термодинамическом равновесии не является правильным [14]. Поэтому описание лазерно-индуцированной плазмы, а также плазменного комбинированного лазерно-дугового разряда должно основываться на решении кинетического уравнения Райзера [15] для энергетического спектра электронов, как это было сделано для лазерно-индуцированной плазмы в замочной скважине [14]. ] с учетом химии и газовой динамики плазменного факела.
Аналитическое описание плазменного факела в смеси пароструйного защитного газа с учетом эффектов объемного нагрева, теплопроводности, диффузии, вязкости и сжимаемости для лазерной и гибридной сварки возможно получить с помощью подхода пограничного слоя для факела газовая динамика и подход физической кинетики для плазмы лазерно-дугового разряда [5].
Энтальпия парогазовой смеси в плазменном факеле согласно [5] в этом случае определяется по формуле:
h = νβ1 + Bxxχ2ν1 − χ2ν − α2PmCp2ηkx2r221 − χ2νχ2ννβ1 + Bxxχ2ν11 − 9002 и χ2νEРисунок 2.
Поле концентрации железа в струе на 1 см над поверхностью, сплошная линия — сжимаемый газ, пунктирная линия — несжимаемая.
На рисунках 1–3 показаны примеры рассчитанных распределений температуры, плотности смеси и концентрации в плазменном факеле при лазерной сварке мягкой стали с начальной температурой 3200 К, вытекающей из замочной скважины с начальной скоростью 200 м / с в атмосфера, экранирующая гелий комнатной температуры.
Рисунок 3.
Распределение плотности на выходе из замочной скважины, сплошная линия — общая плотность, пунктирная линия — плотность паров железа.
Эксперименты по интерферометрии плазменного факела (рис. 4), выполненные по схеме Майкельсона, подтверждают разработанную теорию.
Рисунок 4.
Интерферограмма плазменного факела с расчетной границей струи (красная сплошная линия) для лазерной сварки NdYAG.Объемный нагрев плазменного факела за счет поглощения лазерного луча и джоулевого нагрева электрической дуги оказывают сильное влияние на параметры плазменного факела. Расчет показывает, что объемный нагрев за счет поглощения плазмы приводит к увеличению толщины струи (рис. 5).Такое же поведение характерно для распределения скорости и концентрации (рис. 6). При расчете параметры луча, типичные для сварки с глубоким проникновением лазера CO 2 : мощность луча Вт, = 6 кВт, длина волны 10,6 мкм, фокусный радиус , RF = 0,23 мм, материал мишени = мягкая сталь, и защитный газ = он. Радиус выхода из замочной скважины (0,35 мм), начальная скорость струи (200 м / с) и температура (3200 К) были рассчитаны с помощью программного обеспечения для моделирования LaserCAD [16].
Рисунок 5.
Граница струи, сплошная линия — с поглощением плазмы, пунктирная линия — без.
Рисунок 6.
Распределение концентрации паров металлов в плазменном факеле, (а) без поглощения плазмы, (б) с учетом поглощения плазмы.
Влияние поглощения плазмы при совпадении конвекции тепла со скоростью струи и проводимости в радиальном направлении в плазменном факеле может сместить максимум температуры от поверхности заготовки даже при фокусировке поверхности (Рисунки 7 и 8).Также изменяется разность температур электронной и тяжелой компонентов плазмы, которые характеризуют неравномерность плазмы, вдоль плюма.
Рисунок 7.
Распределение температуры вдоль оси плюма, пунктирная линия — температура электронов, температура парогазовой смеси — сплошная линия — с, двойная точка — без поглощения плазмы.
Рисунок 8.
Распределение температуры в плазменном факеле.
Быстрое смешивание металлической струи с окружающим газом ограничивает образование токопроводящей сердцевины областью вблизи поверхности заготовки, как показано на рисунке 9.
Таким образом, можно отметить, что газодинамическая модель пограничного слоя с учетом кинетики разряда позволяет объяснить сжатие электрической дуги при гибридной сварке образованием проводящей сердцевины в приповерхностной области. Результаты расчета также позволили объяснить смещение максимальной температуры факела с поверхности заготовки, которое часто видно экспериментально, не по лучу фокусировки, а по совпадению нагрева с конвекцией и теплопередачей.
Рисунок 9.
Радиальное распределение плотности смеси (твердое вещество) и плотности металла (точка) на выходе из замочной скважины и на расстояниях соответственно 0,3 и 2 см.
Другой специфической проблемой для лазерной дуговой сварки в случае лазерной MAG и лазерной MIG технологии является проблема плавления присадочной проволоки. Эта проблема может быть описана на основе одномерного подхода с учетом условий Стефана на границе раздела твердое тело-жидкость и действия электрической силы на перенос капель [17].Для решения задачи течения расплава и теплообмена в ванне расплава использовалось приближение потенциального течения идеальной жидкости с вязкими пограничными слоями на фронте плавления и поверхности замочной скважины [4]. Поскольку гибридная сварка часто используется для сварки крупных и тяжелых деталей, влияние зазора между деталями становится особенно важным в этом случае.
Рис. 10.
Макросечение сварного шва с различной шириной зазора: a — 0 мм; б — 0,3 мм; с — 0,6 мм; д — 0,9 мм; е — 1,2 мм.
Для большинства задач сварки листов и труб важно влияние ширины зазора на качество сварки. В этой области был проведен большой объем исследований [18]. Авторы обнаружили снижение прочности на разрыв и разрушение образца HLAW в ЗТВ [19]. Эксперименты показывают, что наивысшая эффективность и наиболее глубокое проникновение легирующих элементов сварочной проволоки в HLAW также зависят от ширины зазора [20]. Хороший внешний вид сварного шва был создан на HLAW из низколегированной высокопрочной стали толщиной 16 мм с различной шириной зазора от 0 до 0.7 мм [21].
Эксперименты показывают, что ширина зазора влияет не только на стабильность формирования сварного шва, но и на тепловую эффективность сварочного процесса, как показано на рисунке 10.
Можно видеть, что ширина верхней части сварного шва уменьшается с увеличением ширина зазора, последующее увеличение ширины зазора не повлияло. Следующее увеличение ширины зазора не оказало сильного влияния на ширину металла шва на верхней пластине. Ширина в корне сварного шва и в середине увеличивается за счет увеличения зазора.В результате количество присадочного металла увеличивается. Влияние ширины паза на ширину сварного шва показано на рисунке 11.
Рисунок 11.
Влияние ширины зазора на геометрию металла шва.
Также видно (рис. 12), что оптимальный размер зазора составляет 1,2 мм. Можно объяснить, что с увеличением зазора ширина сварочной ванны также увеличивается, и, следовательно, объем капающей плавки металла выше. Причиной этого является гравитация.
Рисунок 12.
Влияние ширины зазора на эффективность HLAW.
Анализ влияния зазора между заготовками показал, что его оптимальный размер варьируется в диапазоне 0–0,3 мм. Если наблюдались зазоры в 0,6-0,9 мм поднутрений, также наблюдали зазор шириной 1,2 м и отсутствие наполнителя. Объем сварочной проволоки в корне и на половину глубины сварного шва увеличивался одновременно с увеличением ширины зазора. Кроме того, увеличение ширины зазора с 0 до 1,2 мм снизило эффективность HLAW с 30.От 6 до 22,7%. Результаты экспериментов, описанных выше, позволяют создать математическую модель для прогнозирования геометрии сварного соединения в ВПУ с разрывом. Интеграция модели с системой CAE, LaserCAD [22], позволяет прогнозировать геометрию сварного соединения на HLAW с различной шириной зазора.
Схематично взаимодействие различных физических процессов, которые важны для обработки HLAW, показано на рисунке 13. Различные задачи связаны через граничные условия; когда решение одной задачи определяет граничное условие для другой, как путем прямого влияния коэффициентов уравнения.
Рисунок 13.
Структура физической модели процесса ВАО.
Математическая формулировка этой физической модели была построена на основе ряда моделей стационарных процессов, таких как [23, 24] или [25], которые также позволяют моделировать форму и размер ванны расплава. как распределение температуры в сварочной ванне и ЗТВ при гибридной сварке HLAW.
Для успешного развития технологии также необходимо иметь физически адекватное описание динамического поведения ванны расплава, которое отвечает за образование таких дефектов сварки, как бороздка, пористость, всплески и подрезы.Это описание было разработано на основе динамической модели процесса лазерной сварки [26]. Модель основана на формализме механики Лагранжа, который позволяет учитывать явления — волновое движение поверхности полости, изменение формы и размеров сварочной ванны во времени и влияние движения полости в целом на колебания его глубины. и радиус.
Система уравнений Лагранжа для описания динамического поведения ванны расплава может быть представлена в виде [27]:
ddt∂L∂q.i − ∂L∂qi = Qi + RiE2, где q i предполагает H (глубина проникновения, с 0 (площадь поперечного сечения замочной скважины), с 1 ,… с n (амплитуды волн различной длины), последовательно, Q i — обобщенные силы, а R i — диссипативная функция [27].
Математический формализм Решение этой системы позволяет проводить динамический анализ возникновения пористости и пика, как показано на рисунке 14.
Рисунок 14.
Моделирование динамики ванны расплава в HLAW, материал — мягкая сталь, мощность лазерного луча — 4,5 кВт, скорость сварки — 12 мм / с, радиус фокусировки — 0,2 мм, фокусное расстояние — 30 см, мощность дуги — 2,5 кВт.
Рисунок 15.
Моделирование появления пористости из-за разрушения полости (слева) и результатов эксперимента.
Анализ полученных результатов показывает, что плотное заполнение ограниченных областей на фазовых портретах фазовыми траекториями объясняет турбулентный характер колебаний резонатора.Это объясняет независимость результатов расчета для начальных условий. Размеры аттрактора определяются режимами сварки.
Результаты моделирования показали, что гибридная сварка разных обобщенных координат имеет разные спектры колебаний. Низкие частоты ниже 100 Гц равны радиусу полости и глубине колебаний. Увеличение глубины проникновения приводит к диапазону скорости сдвига в сторону более низких частот. Длинные ( S 1 ) и короткие ( S 2 ) волны имеют самый высокий диапазон частот до 10 кГц.Эти спектры также зависят от глубины полости. Увеличение скорости подачи также уменьшает низкочастотные колебания. Тот же подход может быть использован для анализа пористости и всплеска внешнего вида (рисунок 15).
3. Проектирование технологического оборудования для гибридных процессов
Особенности процесса HLAW приводят к определенным требованиям к технологическому оборудованию для этого процесса. Разработка технологического гибридного сварочного оборудования проще с использованием блочно-модульного подхода.Это позволяет наследовать в дизайне и функциональной совместимости, а также уменьшает время разработки. Согласно этому подходу каждая установка включает в себя источник питания лазера, источник дуги, специальный сварочный инструмент, систему управления, систему охлаждения, систему газораспределения, манипулятор сварочных деталей, систему слежения за швом и систему контроля процесса. Присоединение подсистемы обеспечивается общими интерфейсами для управления, механического соединения, газов и воды. Используя этот подход, несколько машин были разработаны для промышленности; некоторые из них описаны ниже.
Во-первых, была разработана технологическая установка, которую мы подробно опишем ниже, для гибридной лазерно-MAG-сварки нефтяных и газовых труб большого диаметра (Рисунок 16). Обеспечивает сварку трубной стали толщиной более 12 мм за один проход со скоростью до 3 м / мин. Моделирование с помощью LaserCAD позволило определить параметры установки для этой цели: мощность лазерного источника не менее 15 кВт; диаметр луча в фокусе 0,3–0,4 мм; сварочный ток не менее 250 А; а диаметр электродной проволоки находится в пределах 1-2 мм.
Рисунок 16.
Гибридное сварочное оборудование.
Этот гибридный лазерно-дуговой комплекс содержит: волоконный лазер IPG LS-15, источник питания дуги с током до 1500 А, устройство подачи присадочной проволоки с числовым программным управлением, специальные рабочие инструменты, модуль подготовки и распределения отработавших газов с ЧПУ. система контроля сварного соединения, система слежения со сканером лазерного датчика, система контроля процесса и система управления.
Этот модуль используется при комплексной сварке металлических заготовок с возможным зазором до 2 мм, перед лазером установлена горелка MAG.Этот комплекс в основном включает в себя позиции, уже упомянутые выше.
Стабилизация положения и управления гибридного модуля более подробно описана в [2]. Точность сохранения положения точки фокусировки лазерной головки относительно сварных заготовок в вертикальном направлении составляет ± 0,2 мм, а в направлении поперечного сечения — ± 0,5 мм.
Система управления гибридным лазерно-дуговым комплексом разработана как программно-аппаратный комплекс. Существующая система управляет компонентами комплекса.Система включает в себя подсистему управления формированием подсистемы контроля сварных швов и систему автоматического управления.
Обеспечивает считывание контроля геометрии заготовок профиля, отслеживание процесса сварки на скоростях до 6 м / мин, позиционирование сварочной головки, управление источником лазера, управление работой дуги и систему управления газом. Система также имеет встроенную защиту от вредных условий и оперативный контроль с помощью системы мониторинга.
Разработка систем управления и контроля процесса лазерно-дуговой сварки остается актуальной задачей.Использование таких систем необходимо для внедрения этих технологий в промышленность.
Для решения этой проблемы необходимо провести исследования динамики сварочной ванны, а также определить основные механизмы образования дефектов, предназначенные для сварки с глубоким проникновением. Для разработки этой системы были также проанализированы сигналы вторичной эмиссии, поступающие из зоны действия лазерной дуги, и были включены датчики для их регистрации.
Система мониторинга, разработанная для HLAW, основана на регистрации оптического излучения в различных спектральных диапазонах, в зависимости от диапазона [5].Датчики установлены в двух направлениях и оснащены видеокамерой. Это упрощает процесс наведения и позволяет отслеживать пространственные изменения активной зоны. Синхронная регистрация, обработка и запись сигналов осуществляются с помощью разработанного программного обеспечения.
Проведена серия экспериментов по сварке образцов образцовдля верификации системы мониторинга. Результаты испытаний подтверждают возможность мониторинга формирования сварного шва с использованием мультисенсорной системы мониторинга (рисунок 17).Представленные результаты подтверждают возможность контроля уровня пористости в сварном шве с использованием разработанной системы.
Однако для использования системы мониторинга в реальном производстве требуются дальнейшие исследования, направленные на понимание характеристик конкретного процесса [28], выявление типичных дефектов процесса и систему мониторинга адаптации для этого технологического процесса.
Рисунок 17.
Сигнальный отклик коаксиального датчика плазмы для изменения уровня пористости. Рентгеновская фотография сварного шва.Распределение площади пор вдоль сварного шва. Коаксиальный плазменный сигнал.
Для решения задач система управления состоит из нескольких подсистем: лазерное управление; управление дуговым оборудованием; управление газовым оборудованием; установка сварочной головки; определение геометрии металлического соединения; контроль параметров и защита лазерной сварочной головки; модуль центрального контроллера; и работающий компьютер. Для связи с другими модулями комплекса в компьютер вставлена карта интерфейса CAN.
Другая система HLAW [29], показанная на рис. 18, на основе ремня с мягким направлением, на котором смонтированы блок движения с гибридным модулем, отслеживание шва и подача присадочной проволоки. Другая подсистема находится в стационарном блоке. В оборудовании используется волоконный лазер мощностью 20 кВт с двумя переключателями направления. Это позволяет сваривать два стыка одновременно. Эта система использует новый источник дуги инвертора. Используемая подсистема имеет ряд конструктивных особенностей, например, датчик слежения, работающий при высокой мощности при сварке и с высокой степенью отраженного излучения.Однако они требуют специальных методов обработки принимаемых сигналов [30]. Система мониторинга для обеспечения контроля качества процесса должна фиксировать появление различных дефектов (пористость, выпуклость) [28]. Система управления этим комплексом реализована на той же базе, что и предыдущая.
Гибридная технология позволяет создавать мобильное технологическое оборудование, способное выполнять все спектры технологических преимуществ.
Управление и стабилизация положения гибридного лазерно-дугового модуля относительно стыка осуществляется системой линейных приводов, установленной на подвижной платформе.Он работает так же, как и стационарная машина.
Рисунок 18.
Мобильная гибридная орбитальная система.
Другим примером машины HLAW, основанной на том же подходе к проектированию, является установка на основе робота (рисунок 19).
Рисунок 19.
Роботизированная установка HLAW на основе волоконного лазера мощностью 25 кВт.
Роботизированная схема машины позволяет сваривать детали длиной до 4 м в разных местах.
4. Технология HLAW
Существует несколько областей применения [31], в которых использование HLAW особенно перспективно.Первый из них — производство труб большого диаметра для нефти и газа. Была разработана технология для разной толщины стенок труб, и примеры показаны на рисунке 20.
Рисунок 20.
Макросечение однопроходного сварного шва (слева), трехпроходного сварного шва (в центре — первый технологический проход), справа — технологического проход и два заполненных прохода сваркой под флюсом. Глубина 15 мм слева и 24 мм по центру и справа. Материал сталь Х80.
Оптимизация положения дуговой горелки относительно лазерного луча и оптимизация состава газовой смеси дуги в сочетании с использованием специально разработанной присадочной проволоки со сверхтонкими примесями позволяют избежать появления различных дефектов, таких как пористость, горячие трещины и выпуклость.Кроме того, он обеспечивает значение энергии удара по температуре −40 ° C в пределах 140–200 Дж для трубной стали X80. HLAW также может быть использован для сварки неразборных соединений во время строительства трубопровода. В этом случае гибридная схема позволяет повысить не только производительность процесса и качество соединения, но и устойчивость процесса. Технология обеспечивает надлежащее формирование сварного шва даже в случае вертикального смещения кромок стыка труб более 3 мм (Рисунок 21).
Рисунок 21.
Сторона корневого прохода.Гибридная сварка орбитального трубопровода с зазором 2 мм и вертикальным смещением 3 мм.
Следующей перспективной областью HLAW является судостроение [32]. Использование этой технологии позволяет резко повысить производительность создания плоских секций для корпуса корабля. Поскольку HLAW позволяет получать сварные швы с параллельным смещением стенок (Рисунок 22), можно минимизировать сварочные напряжения и искажения, как показано на рисунке 23.
Рисунок 22.
Стыковое соединение HLAWв секции судостроения (Материал — сталь PCE36 Толщиной 20 мм) — слева, угловое соединение в секции судостроения (Материал — сталь 09Г2С толщиной 15 мм) — справа.
Рисунок 23.
Сравнение секции сварного корпуса корабля MAG (слева) с корпусом HLAW (справа).
5. Особенности формирования металлоконструкций при гибридной сварке
Для уменьшения веса конструкций применяются новые высокопрочные стали. Характеристики этих сталей определяются параметрами ансамблей ультрадисперсных включений. Новые технологии для кузовов основаны на изготовленных на заказ заготовках. Снижение веса без снижения прочности достигается за счет использования высокопрочных сталей и сплавов в производственных заготовках.Однако необходимо обеспечить удовлетворительные характеристики пластического шва.
Для этого требуется использовать сварочную технику, которая обеспечивает требуемый уровень пластичности сварных швов и такое же качество, которое обеспечивает лазерный процесс сварки. Использование высокоскоростного термоциклирования является одним из наиболее перспективных методов получения хорошей микроструктуры и механических свойств [33]. Это может быть достигнуто сваркой двух источников тепла, следующих один за другим, например, тандемной лазерной сваркой [34].Однако с экономической точки зрения целесообразно использовать дешевые местные источники отопления в качестве второго источника, например, мощную лампу.
Для выбора режимов обработки, обеспечивающих необходимую микроструктуру и свойства сплава, необходимо количественно определить влияние температурного цикла на фазовые и структурные превращения в материале. Современные представления о механизмах фазовых превращений при лазерном воздействии на сплавы на основе железа [35], ставшие основой термодинамики фазовых переходов, не учитывают неравновесные характеристики процессов быстрого превращения, которые приводят к появлению неравновесных микроструктур в лазерная обработка.Термодинамические характеристики не позволяют прогнозировать мутации температуры для обоих превращений в зависимости от скорости нагрева и не дают результатов для процесса нестационарной диффузии утечки. Количественное описание структурных компонентов невозможно без этих факторов. Они могут быть сформулированы с использованием только кинетической теории фазовых превращений, которая была сделана для случая сварки сталей [36], и будет обсуждаться более подробно в примере.
Фазовые превращения в сплавах Fe при обработке пучком определяются как металлическая структура, состоящая из двух компонентов.Первый связан с распадом (или образованием) твердого раствора углерода в железе и образованием (распадом) карбида железа. Второй процесс включает превращение FCC-BCC при охлаждении после нагревания. Разработана кинетическая модель для определения параметров образования и роста карбидных включений.
Соотношение между площадью поверхности и объемом карбидных включений зависит от его формы. Для процесса роста его можно рассматривать как точечный источник. Концентрационное поле вокруг включения имеет сферическую симметрию.Включение можно рассматривать как сферу с эффективным радиусом и . Неравновесный рост карбидных включений новой фазы описывается с использованием кинетического уравнения химической реакции:
, где K 1 ( T ) и K 2 ( T ) является постоянным вперед и назад В реакциях C — концентрация углерода на поверхности включений, а T и t — местная температура и время.Константы скорости реакции задаются формулой Аррениуса:
, где U f , U с являются энергией активации прямой и обратной реакции, K 1 (0 ) , K 2 (0) являются частотными коэффициентами.
Поверхностная концентрация определяется решением уравнения диффузии:
dCdt = DΔC = D1r2∂∂rr2∂C∂rE5Граничное условие на поверхности растущего включения (при r = и ) составляет условие непрерывности потока растворенного вещества:
-D∂C∂rr = a = K1T⋅Cr = a-K2TE6Концентрация примеси вдали от растущего включения определяется ее средним значением C 0 :
Решение этой задачи было получено стандартными методами математической физики:
C = C0−1.56DπK1C0 − K2K1D − 1aE8Обратите внимание на взаимное влияние в ансамбле карбидных включений и обозначение концентрации углерода в цементите как C ‘(для Fe 3 C C’ ≅ 0,25) и плотности числа включений как n , ансамбль сферических включений может быть получен как:
. Чтобы определить значение параметра n , можно связать значение n с пределом растворимости, который можно определить из термодинамической фазовой диаграммы.Обозначив предел растворимости как C lim ( T ), можно получить из условия сохранения вещества:
n = C0-Clim29343πalim3C’E10, где и lim является предельным размером выращивания включение. Тогда уравнение для радиуса включения можно переписать в виде:
dadt = K1C0 − nC′43πa3−1.56πDK1C0 − K2K1D − 1a − K2E11Метод Эйлера используется для решения уравнений роста карбидов. Согласно результатам, и lim должны быть включены в уравнение.Предварительное значение и lim должно быть введено, что обеспечивает такое же конечное значение радиуса включения и . Значения параметров, используемые для расчета в этой статье для низкоуглеродистой стали, приведены в следующем списке: K 1 (0) = 45 м / с, K 2 (0) = 2,2 м / с, U f = 1,26⋅10–19 Дж / атом, U с = 1,60⋅10 -19 Дж / атом, D 0 = 2⋅10 -6 м 2 / с, U d = 1.38⋅10 -19 Дж / атом.
Рисунок 24.
Температурный цикл для стали 08U (сплошная линия — лазерная обработка, пунктирная линия — гибридная обработка). Задержка между пиками температуры 1 с.
Рисунок 25.
Температурные циклы для стали 08U (сплошная линия — лазерная обработка, пунктирная линия — гибридная обработка). Задержка между пиками температуры 2 с.
В конце концов, кинетическая модель для преобразования α — γ должна быть сформулирована на тех же принципах, что и модель зарождения и роста включений.Скорость перемещения межфазной границы в этом случае такова, что диффузионное число Пекле не мало, уравнение диффузии, в отличие от задачи о росте карбидов, было решено с учетом конвективного члена. С другой стороны, поскольку растущие размеры зерен значительно превышают толщину диффузионного слоя, проблема рассматривается как одномерная. Одновременное решение смежных задач о кинетике роста зерен новой фазы и диффузии углерода позволяет рассчитать количество новой фазы в любой точке цикла.В результате получается самосогласованная система уравнений, которые описывают формирование микроструктуры материала при высокоскоростном нагреве и охлаждении. Исходная структура, принятая по начальному размеру карбидных включений и начальным размерам зерен, влияет на коэффициент диффузии. Термический цикл является входным параметром, параметры которого определяются технологическим циклом. Решение позволяет рассчитать эволюцию фазового состава стали в зоне обработки.
Рисунок 26.
Результаты расчета размеров карбидных нановключений для стали 08U (сплошная линия — лазерная обработка, пунктирная линия — гибридная обработка). Задержка между пиками температуры 1 с.
Рисунок 27.
Результаты расчета размеров карбидных нановключений для стали 08U (сплошная линия — лазерная обработка, пунктирная линия — гибридная обработка). Задержка между пиками температуры 2 с.
Изменяя форму температурного цикла, который может быть реализован не только HLAW, но и другими гибридными технологиями, такими как лазерное излучение, двухлучевой и др., Можно добиться как уменьшения размера, так и увеличения. карбидные включения по сравнению с температурным циклом, характерным для лазерного воздействия без дополнительного источника тепла (рис. 24–29).
Рис. 28.
Микроструктура после гибридного воздействия, максимальная температура нагрева 1200 К, ширина поля 50 мкм. Задержка между пиками температуры 1 с.
Рисунок 29.
Микроструктура после гибридного воздействия, максимальная температура нагрева 1200 К, ширина поля 50 мкм. Задержка между пиками температуры 2 с.
Влияние параметров обработки на задержку между первым и вторым пиками цикла показано на рисунках 24–29. Как показали теоретические исследования, уменьшение временной задержки между пиками приводит к значительному уменьшению размера карбидных включений.
Анализ распределения микротвердости показал, что сварные швы, полученные гибридной сваркой, имеют значительно меньшие вариации значений микротвердости по сравнению с образцами лазерной сварки. Уменьшение мартенситной части в металле шва позволяет повысить его пластичность более чем на 40%. Таким образом, можно сделать вывод, что технология гибридной сварки предлагает дополнительную возможность управления параметрами фазовой структуры по сравнению с лазерной сваркой, как это было показано на примере гибридного лазерно-светового процесса.
Как указывалось выше, осаждение карбидов и характер тепловых циклов влияют на процесс формирования фазового состава. Для оценки фазового состава сталей обычно используются временно-температурные диаграммы распада аустенита вместе с кривыми, соответствующими тепловым циклам. Метод количественной оценки фазового состава, основанный на факторном анализе Quench, был описан в [37] и успешно апробирован на алюминиевых сплавах. Позднее факторный анализ Quench был применен для исследования возможности прогнозирования механических свойств стали при термообработке [38], но в этих работах процессы образования карбидов и их влияние на фактическое положение C-кривых распада аустенита не рассматривались.Как показано в [36], неравновесная кинетика образования зародышей новой фазы и нестационарная диффузия влияют на формирование фазового состояния в практических условиях сварки. Такая точка зрения была использована для логического расчета количества выпавшего осадка при сварке низкоуглеродистой стали и реализована в виде компьютерной программы для оценки теплового поля, которая использовалась в описанной выше модели. Расчет проводился для стали 08У, сравнение результатов и экспериментальных данных выявило их приемлемое совпадение (рисунки 30 и 31).
Рисунок 30.
Сравнение результатов расчета сочетания фаз с экспериментом, низкоуглеродистая сталь 08U — частота лазера 5 Гц, длительность импульса 7 мс, мощность излучения — 2,25 кВт, электрическая мощность лампы — 5,16 кВт, скорость сварки 2 м / s.
Рисунок 31.
Сравнение результатов расчета для комбинации фаз с экспериментом, низкоуглеродистая сталь 08U — частота лазера 10 Гц, длительность импульса 3,5 мс, мощность излучения — 4,5 кВт, электрическая мощность лампы — 5,726 кВт, скорость сварки 4 мм / s.
Наконец, можно сделать вывод, что использование гибридной сварки вместо лазерной позволяет повысить эффективность плавления и обеспечить стабильность формирования сварного шва при сварке металлов различной толщины. Кроме того, технология гибридной сварки обеспечивает дополнительную возможность контроля параметров фазовой структуры, позволяя снизить уровень сварочных напряжений и деформаций и повысить производительность сварки. Современный уровень развития технологий позволяет создавать надежное и экономичное технологическое оборудование для гибридной лазерно-дуговой сварки на основе мощных волоконных лазеров.
Гибридная лазерно-дуговая сварка — это процесс соединения, в котором одновременно комбинируются дуговая и лазерная сварка в одной сварочной ванне. Теоретически, луч от любого источника сварочного лазера (CO 2, Nd: YAG, диод, волокно Yb, диск Yb: YAG и т. Д.) Может быть объединен с любым процессом дуги (MIG / MAG, TIG, SAW, плазма). Однако, как правило, гибридные лазер-MIG / MAG и лазер-TIG являются наиболее распространенными комбинациями процессов.
Гибридный процесс имеет индивидуальные преимущества обоих процессов сварки.Могут быть сделаны гибридные сварные швы с глубоким проникновением, сравнимые с глубинами проникновения, достигаемыми лазерными сварными швами, но в то же время имеющие допуск на сборку шва и профиль сварной крышки, более сопоставимый с дуговыми сварными швами. Кроме того, могут быть использованы расходные материалы для дуговой сварки (и газовые смеси), обеспечивающие степень контроля качества и свойств сварного шва, чем это возможно при автогенной лазерной сварке.
Гибридная сварка уже используется или рассматривается в следующих отраслях:
- Автодорожный транспорт — высокая скорость сварки гибридного процесса привлекательна для сред с большим объемом производства, характерных для автомобильной промышленности, особенно с учетом большей точности сборки, чем у автогенной лазерной сварки.
- Судостроение — меньший подвод тепла и искажения, возникающие при гибридной сварке, по сравнению со сваркой MAG или SAW, снижает затраты, связанные с исправлением искажений и переделкой. Напротив, традиционные методы дуговой сварки и связанные с ними доработки, по оценкам, составляют до 20-30% от общих производственных затрат.
- Рельсовый транспорт — как и в судостроении, низкие искажения, которые могут возникнуть в результате гибридной сварки в вагонах, по сравнению с обычными процессами дуговой сварки, представляют интерес как средство снижения затрат на изготовление, а также более высокие скорости сварки, сокращающие общее время сварки.
- Нефть и газ — гибридная сварка труб была хорошо продемонстрирована, и с продолжающимся развитием лазерных источников и трубных сталей продолжает представлять интерес как будущее средство увеличения общих скоростей завершения соединения, в зависимости от используемых марок стали и условий эксплуатации. требования.
Основные преимущества гибридной лазерно-дуговой сварки можно суммировать как:
- Повышенный допуск на сборку шва: например, гибридная сварка может увеличить допуск к зазору шва не менее чем в 2-3 раза по сравнению с лазерной сваркой или более, если выполняется адаптивный контроль параметров гибридной сварки в режиме реального времени. вне.
- Улучшенное качество сварного шва: можно избежать горячего растрескивания (например, в некоторых высокопрочных алюминиевых сплавах) и снизить внутреннюю пористость по сравнению с лазерными сварными швами.
- Увеличение глубины проникновения за один проход: это в основном контролируется выбором используемых лазера и параметров сварки, но проникновение за один проход> 6-12 мм может быть достигнуто с помощью лазеров с большей мощностью (≥5 кВт).
- Увеличение скорости сварки: это также зависит от используемого лазера и свариваемых материалов, но для более тонких материалов возможна скорость> 5 м / мин.
- Увеличение глубины проплавления и / или скорости сварки по сравнению с дуговой сваркой особенно значимо: чистая подводимая теплота может быть уменьшена, что приводит к меньшему искажению, что делает гибридную сварку особенно интересной для изготовления длинных сварных швов между пластинами или между секциями, приварка навесного оборудования и т. д.
TWI имеет почти 15-летний опыт гибридных процессов лазерной дуговой сварки и их развитие. Это включает в себя комбинирование различных промышленных лазерных сварочных источников (включая CO 2, Nd: YAG и, с момента их появления в начале прошлого десятилетия, волоконных лазеров Yb) с дуговой сваркой MIG / MAG и TIG.
Кроме того, исследования и разработки TWI в этой области охватывают широкую базу инженерных сплавов, включая стали C-Mn для конструкционных и трубопроводных применений, обычные (аустенитные) и высокопрочные (дуплексные и ферритные) нержавеющие стали, а также широкий ассортимент. алюминиевых сплавов, используемых для легкой техники, дорожного транспорта и аэрокосмического применения.
За это время TWI осуществила ряд проектов по разработке и внедрению гибридной сварки, финансируемых за счет собственной Программы основных исследований (CRP), Совместных проектов, спонсируемых промышленностью / группой, и Совместных проектов, финансируемых из Европы, а также конфиденциальных оценочных проектов. или опытно-конструкторские работы для своих промышленных членов.
Примеры работ TWI по гибридной сварке включают:
- CO 2 Лазерная MAG-сварка стыковых соединений между стальными пластинами из C-Mn, включая оценку способности к перекрытию швов, свойств и свойств сварного шва для применения в судостроении.
- Роботизированная сварка Nd: YAG лазером-MAG Т-образных швов между сталями C-Mn и их результирующих свойств, также для применения в судостроении.
- Высокоскоростная гибридная сварка алюминиевых сплавов с низким уровнем искажений с использованием волокнистых лазеров Yb для железнодорожного транспорта.
- Разработка методов гибридной сварки с низкой внутренней пористостью для аэрокосмических алюминиевых сплавов.
- Разработка гибридной сварки для обычных и высокопрочных нержавеющих сталей.
- Разработка и демонстрация совместного мониторинга в реальном времени и управления процессом при гибридных сварочных стыковых соединениях в сталях, нержавеющих сталях и алюминиевых сплавах.
Если вам требуется дополнительная информация или у вас есть какие-либо вопросы по любой из этих тем, пожалуйста, напишите contactus @ twi.co.uk.
,гибридный лазерный дуговой сварочный аппарат
Гибридный лазерный дуговой сварочный аппарат
Модель: MMA120 / 158/168/160/200/250/300/320 IGBT / 400 IGBT / 500 IGBT
Мы являемся профессиональным производителем всех видов TIG MIG MMA Сварочные аппараты на протяжении многих лет. Мы находимся в провинции Гуандун Китая. Мы можем предложить вам лучшие цены и хорошее послепродажное обслуживание, когда вам нужно. Добро пожаловать на наш завод.
Особенности:
1.Безграничная регулировка, простота в эксплуатации, удобство переноски, экономичность, долговечность и надежность.
2.Стабильная электрическая дуга, легко управляемая расплавленная ванна, художественное сварное соединение, автоматическая защита от перенапряжения и перегрузки по току.
3. Непрерывная работа, стабильная работа, функция автоматической компенсации напряжения на волнистости.
4. Потеря холостого хода менее 10 Вт, экономия 50% энергии по сравнению с традиционным сварочным аппаратом.
5. Подходит для изделий из нержавеющей стали, декоративных элементов, оборудования и т. Д. Для сварки тонких пластин.
Области применения:
Сварочный аппарат MMA160 IGBT mma широко используется для сварки нержавеющей стали, оборудования, оборудования и т. Д. Для сварки тонких пластин.
Технические характеристики:
Модель | MMA-160 |
| Номинальное входное напряжение | AC220 В ± 15%, 1ph 50/60 Гц |
| Номинальная входная мощность | 6.6 кВт |
| Номинальный выходной ток | 28А |
Номинальная мощность | 26,4 В |
| Диапазон регулирования сварочного тока | 20-160А |
| Напряжение холостого хода | 40В |
Рабочий цикл | 140A @ 100%, 160A @ 60% |
| КПД | 85% |
| Коэффициент мощности | 0.93 |
Степень защиты наружного покрытия | IP21S |
Степень изоляции | F |
| Размер экрана | 270 * 130 * 195MM |
| Вес | 3.8 KG |
| Диаметр сварочного стержня | 2.0-4.0 |
Стандартная конфигурация
Держатель, зажим заземления
Опции
Держатель электрода, сварочный кабель, зажим заземления 9, защитная маска 9000 9 Наше обслуживание:
1.С гарантией 1 ГОД на сварочный аппарат igbt mma.
2. Средний срок службы нашего сварочного аппарата составляет от семи до восьми лет. Если в течение семи дней возникли проблемы с , то мы заменили новый для вас.
