Лазерно-гибридная сварка ESAB Hybrio

Технология гибридной лазерной сварки ESAB Hybrio (HLAW) объединяет в себе глубокое проплавление сварного шва и низкое тепловложение, связанное с лазерной сваркой, с отличными характеристиками сварного шва и уменьшенными объемами разделок в дуговой сварке металлическим электродом в защитном газе (GMAW). Эта принципиально новая сварочная технология производит невероятно узкие сварные швы с глубоким проплавлением на высоких скоростях сварки. За один проход процесс Hybrio может достичь таких результатов, которые достигаются многопроходной традиционной сваркой оплавлением. Подвод тепла к детали снижен, как и связанные с этим усадка и деформация, которые делают послесварочную форму непредсказуемой и дорогостоящей в ремонте.

Применяя GMAW процесс в сочетании с лазерной сваркой, процесс Hybrio™ не ограничивается рамками только лазерной сварки, учитывая возможность производить приемлемые сварные соединения с почти идеальной фиксацией деталей. Это позволяет в три раза расширить возможности по сравнению с традиционными процессами лазерной сварки. Процесс GMAW позволяет использовать присадочный металл для регулировки металлургических характеристик сварного шва и производить угловые швы, в то время как медленная скорость охлаждения снижает прочность. Эти свойства особенно полезны при стыковке высококачественной углеродистой и нержавеющей стали.

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.

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.

Характеристики сварного шва, полученного в процессе лазерно-гибридной сварки (HLAW)

Десять лет разработок и тестирования процесса гибридной лазерной сварки, проведенных ESAB и нашими партнерами, убедительно доказали, что гибридная сварка может быть как минимум столь же прочной, жесткой и пластичной, как и традиционная сварка. В некоторой мере гибридная сварка может даже превосходить традиционную. Очень мелкозернистая структура и гладкие, ровные сварные швы, получающиеся в результате низкого тепловложения, делают гибридную сварку отличным выбором для сварки высококачественных сплавов. Очень гладкие и однородные сварные швы, полученные в процессе гибридной лазерной сварки, продемонстрировали 300% увеличение предела усталости угловых соединений по сравнению с традиционными сварными соединениями аналогичного размера.

Графическое изображение отличий между профилями сварных швов при GMAW, лазерной и лазерно-гибридной сварки (HLAW)

Процесс лазерно-гибридной сварки (HLAW)

1. Новообразовавшийся сварочный шов;
2. Инертный защитный газ;
3. Направленный луч лазера;
4. GMAW горелка;
5. Сварочная проволока;
6. Электрическая дуга;
7. Сварочная ванна;
8. Скважина.

Особенности

• Гибридная сварка не для всех

  Это означает, что для полного использования всех преимуществ этого процесса, позволяющего достичь существенной производительности, качества и прибыли, могут потребоваться изменения технологических операций резки / механической обработки и последующих операций. Успешное внедрение данной технологии предполагает привлечение квалифицированного технического персонала. Также внедрение нового процесса, изменяющего правила игры, требует серьезных инвестиций не только с точки зрения использования средств, но и с точки зрения соответствующего отношения руководства компании. Для тех же, кто сумеет правильно воспользоваться преимуществами производства и профилем продукции, потенциальная выгода может быть очень высокой.

  От подвижного состава, контейнеров, судостроения и офшорной промышленности до строительства, изготовления труб и энергетического сектора, данный процесс гибридной сварки преобразит все основные показатели. Если ваш бизнес — это массовое промышленное производство изделий средних и небольших объемов, Hybrio может стать вашим решением.

• Прочнее, жестче, легче

  Низкий уровень тепловложения и более высокая скорость движения делают эту уникальную технологию сварки оплавлением особенно подходящей для соединения высококачественной углеродистой и нержавеющей стали, создавая более прочную, жесткую и легкую продукцию. Кроме того, уникальные характеристики процесса Hybrio™ урезают затраты на расходные материалы и последующую постобработку.

  Еще одно преимущество в том, что этой сложной технологией легко управлять. Этот гибкий полностью автоматизированный сварочный процесс управляется посредством интуитивно понятного ПК интерфейса, что позволяет обойтись без продвинутого курса подготовки операторов. Это в свою очередь отражается в меньших расходах на рабочую силу, повышенной надежности и увеличенной производительности. В результате вы получаете высокоэффективный процесс, высокое качество сварных соединений и высокую прибыль.

• Приготовьтесь к высоким скоростям, низким затратам и широкой клиентской базе

  Лазерно-гибридная сварка — это больше, чем производственные возможности. Это также рост вашего бизнеса и улучшение многих аспектов производства. Скорость сварки в 3-5 раз выше по сравнению с GMAW процессом и до 10 раз выше дуговой сварки под флюсом SAW со снижением уровня тепловложения до 80-90%. Операционная экономия около 50% по сравнению с GMAW процессом и еще выше по сравнению с SAW. Что еще более важно, уникальные преимущества глубокого проплавления и низкого уровня деформаций открывают целый ряд новых возможностей, основываясь на огромном потенциале новейших высококачественных сплавов и передовых легковесных конструкций.

Сферы применения

• Строительство

  Мостовые настилы, составные балки, стропила, сваи, столбы: все это примеры строительной продукции, которая может и извлекает пользу из высокой производительности и низкого уровня деформации процесса гибридной лазерной сварки. ESAB имеет ряд клиентов, которые уже СЕГОДНЯ пользуются преимуществами гибридной сварки в производстве материалов и конструкций. Эти компании часто переходят к более прочным материалам и коррозийно-стойким сплавам, в то же время достигая нового уровня прочности конструкций, долговечности и стоимости срока службы.

• Усовершенствованные структуры

  ESAB занимается разработкой производственного оборудования для эффективного производства ряда новых инженерных конструкций с применением высокопрочных материалов и усовершенствованных структур. Уникальные свойства гибридной лазерной сварки, глубина проплавления и низкий уровень тепловложения делают возможным изготовление новых слоистых, полых и сетчатых структур, которые по своим показателям такие же или даже лучше традиционных структур: вес в два раз меньше, структурная глубина в три раза меньше.

• Энергетика

  Энергетическая промышленность сейчас сталкивается с самыми сложными техническими трудностями за все время своего существования. Необходимо не только разработать новые источники энергии, способы выработки и системы распределения, но еще и сделать это с минимальным вредом для окружающей среды. ESAB на протяжении многих лет является лидером в системах автоматизации для энергетической промышленности, и также ведущим производителем оборудования для производства башен и генераторов для ветряных электростанций. В настоящее время мы работаем вместе с промышленностью над разработкой нового поколения оборудования для гибридной лазерной сварки нефтегазовых труб, башен-опор ЛЭП, цистерн, контейнеров и других важных элементов энергетической промышленности.

• Самоходное оборудование

  Самоходное оборудование охватывает широкий спектр общестроительной техники от землеройной и горной до подвижных кранов и сельскохозяйственной техники. Всю эту технику объединяет потребность в высоком отношении предела прочности к весу и предельный ресурс. ESAB обладает обширным опытом в разработке технологических процессов и проволоки для сварки стали сверхвысокого качества, которая все шире используется в данной отрасли. Оборудование для гибридной сварки ESAB отлично подходит производителям самоходного оборудования, предлагая значительное преимущество на рынке в условиях высокой конкуренции.

• Грузоперевозки

  Транспортные средства для грузоперевозок особенно чувствительны к весу. Часто любое снижение собственного веса машины может быть обращено в увеличение грузоподъемности и снижение энергетических затрат. Фокус в том, чтобы построить более легкую конструкцию без деформаций, которые часто сопровождают подобные процессы. ESAB сотрудничает с рядом ведущих транспортных компаний, чтобы помочь им найти новый подход к своей продукции, который бы использовал все уникальные возможности и преимущества гибридной лазерной сварки. На сегодняшний день наши крупные 6-осевые портальные лазерные системы помогают перестроить глобальную железнодорожную промышленность путем достижения уровней производительности и качества, невозможных при использовании традиционных сварочных процессов.

• Судостроение

  На протяжении уже нескольких лет гибридная лазерная сварка применяется в ряде передовых европейских судостроительных верфей в производстве корабельных палуб и переборок. Построенные ESAB системы в настоящий момент производят компоненты для морских судов нового поколения. Гибридная лазерная сварка позволила индустрии перейти на сверхпрочные сплавы и легковесную конструкцию без деформации, которая часто является результатом традиционной сварки усовершенствованных структур.

(PDF) Технология гибридной лазерно-дуговой сварки

 



    

     

       

  

        



      





     

  







     





    

      

    



    

       

    

  

   











        











   

  



   









        



     

       



      

     

      



Способ гибридной лазерно-дуговой сварки

Изобретение относится к области сварки, в частности к гибридной лазерно-дуговой сварке, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в частности при изготовлении труб большого диаметра.

Из уровня техники известен способ гибридно-дуговой сварки, включающий выполнение разделки с притуплением свариваемых кромок, проведение гибридной лазерно-дуговой сварки совместным действием лазерного излучения и сварочной дуги с подачей электродной проволоки, при этом предварительно определяют ширину зазора стыка, скорость подачи проволоки, которую подают под углом 60-70° к направлению сварки, в процессе сварки отслеживают ширину зазора стыка и корректируют скорость подачи проволоки (заявка №2009148799 на изобретение «Способ сварки, контроля и управления гибридным лазерно-дуговым процессом обработки материалов стыковых сварных соединений», дата подачи 28.12.2009 г., дата публикации заявки 10.07.2011 г.).

Данный способ предусматривает холодную подачу присадочной проволоки, что значительно снижает эффективность и мощность лазерного излучения и влияет на глубину проплавления шва. Осуществление процесса связано со значительными энергетическими затратами. Кроме того, необходимо строгое соблюдение режимов сварки.

Известен способ гибридной лазерно-дуговой сварки, при котором сварку деталей осуществляют при одновременном воздействии лазерного луча и дуги в одну сварочную ванну в среде инертного газа, при этом лазерный луч и дуговую горелку наклоняют в противоположные стороны относительно нормали к поверхности свариваемых деталей, лазерный луч фокусируют над поверхностью свариваемых деталей впереди точки дугового разряда на заданном расстоянии от нее с пороговой плотностью мощности, необходимой для начала процесса сварки, а по ходу движения лазерный луч наклоняют вперед на угол 8-9°, при этом дуговую горелку располагают позади лазерного луча под углом 40-50°, а расстояние между центром пятна лазерного излучения и точкой дугового разряда поддерживают равным 0,1-0,2 диаметра электрода (патент №2572671 на изобретение «Способ лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом стыковых соединений из алюминиевых сплавов», дата подачи 04.09.2014 г., опубликовано 20.01.2016 г.).

Кроме того, известен способ плазменной сварки, осуществляемый с помощью сдвоенной горелки, содержащей, по меньшей мере, два узла противоположной полярности, поддерживаемые в корпусе, причем упомянутые узлы разнесены друг от друга и каждый из них содержит первый электрод, второй электрод, который приспособлен к разнесению от первого электрода на расстояние, достаточное для достижения плазменной дуги между ними в зоне обработки, средство для введения обволакивающего газа, чтобы он окружал плазменный газ, средство для подачи загружаемого материала в зону обработки и средство для генерации плазменной дуги в зоне обработки (заявка №2002129886 на изобретение «Устройство сдвоенной плазменной горелки», дата подачи 04.04.2001 г., дата публикации заявки 10.06.2004 г.).

В данном способе при проведении процесса не применяют лазер, что сказывается не только на глубине проплавления, качестве шва и, соответственно, на его механических свойствах.

Помимо этого известен способ лазерно-гибридной сварки двух пластин, наложенных друг на друга с применением двух подающих устройств, работающих не одновременно для горелок, которые расположены около точки действия лазерного луча, при этом в процессе сварки в зону сварочной ванны на близкое расстояние к точке действия лазерного луча в холодном виде без защитной среды сварочной ванны подается присадочный материал в виде проволоки, при этом оплавление проволоки осуществляется за счет излучения лазера, заполняя сварочную ванну (патентный документ JP №2011050998 «Hybrid laser arc welding process and apparatus»).

В известном техническом решении реализуется попытка исправления недостатков, которые могут возникнуть во время сварочного процесса, а именно при возникшей неисправности в подающем проволоку устройстве, что, в свою очередь, приведет к прекращению подачи присадочного материала в зону сварки и негативно отразится на качестве формируемого сварного шва и изделия в целом. Для устранения такой ситуации устанавливают запасное подающее устройство, а возле точки лазера устанавливают дополнительный мундштук с присадочным материалом, в случае возникновения неисправности в первом подающем устройстве с помощью блока управления осуществляется переключение на работу второго запасного подающего устройства.

Недостатки известного решения состоят в том, что присадочный материал подается в холодном виде и для его расплавления требуется использование энергии лазерного излучения, что снижает мощность этого излучения и негативно влияет на изменение глубины проплавления, уменьшая ее. Кроме того, за счет использования только одной проволоки снижает производительность процесса сварки.

Наиболее близким техническим решением является способ гибридно-дуговой сварки, осуществляемый с помощью электрической дуги и лазерного луча, сочетающихся друг с другом в единой сварочной ванне, в которую расплавленный металл подается посредством плавления расходуемой проволоки, сварочную ванну получают на, по меньшей мере, одной стальной детали, процесс ведут с защитным газом, образованным, по меньшей мере, одним основным компонентом, выбранным среди аргона и гелия, и, по меньшей мере, одним дополнительным компонентом, выбранным среди азота и кислорода (патент №2590759 на изобретение «Способ гибридной лазерно-дуговой сварки алитированных стальных деталей с газом, содержащим азот и/или кислород», дата подачи 05.05.2011 г., опубликовано 10.07.2016 г., заявка РСТ FR 20011/051015 (05.05.20011)).

Недостатки известного решения связаны с низкой производительностью из-за применения только одной горелки, а также тем, что предназначен только для свариваемых стык в стык деталей, покрытых поверхностным слоем сплава алюминия/кремния, и толщиной 2,3 мм, что ограничивает область его использования.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение производительности процесса лазерно-гибридной сварки, уменьшение дефектов формируемого шва, а также повышение его механических свойств.

Указанный технический результат достигается тем, что способ гибридной лазерно-дуговой сварки, характеризующийся формированием сварочной ванны одновременно с помощью электрической дуги и лазерного луча, подачей расплавленного металла посредством плавления расходуемой проволоки в защитной среде, содержащей инертный и активный компоненты, при этом в качестве инертного компонента используют аргон, а в качестве активного компонента используют двуокись углерода. Согласно изобретению подачу расплавленного металла осуществляют путем одновременного плавления двух расходуемых не одинаковых по химическому составу проволок выбираемые в зависимости от заданных требований по механическим свойствам изделия, направляемых вместе с защитной средой из одного сопла в одну сварочную ванну вместе с лазерным лучом. Заполнение наружной X или Y образной формы разделки кромок выполняют на заданный объем разделки с формированием наружного валика сварного шва.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом.

На чертеже — схема осуществления гибридной лазерно-дуговой сварки, где

1 — лазерный луч; 2 — защитная среда; 3 — наружная разделка кромок; 4 — глубина разделки кромок; 5, 6 — наконечники для подачи расходуемой проволоки; 7 — сопло; 8, 9 — расходуемая проволока.

Осуществление способа подтверждается примером конкретного выполнения.

Предлагаемый к защите способ применяют для сварки деталей стык в стык, преимущественно труб большого диаметра с толщиной стенок до 45,0 мм.

В качестве расходной проволоки применяют проволоки диаметром до 1,6 мм.

Способ заключается в одновременном воздействии на внешнюю поверхность свариваемых деталей, например труб, лазерного луча и дуги в среде защитных газов, в качестве которых одновременно используют две расплавляемые проволоки, при этом обе проволоки и защитная среда выходят из одного сопла. Благодаря одновременному использованию двух расплавляемых проволок исключается такой вид операции, как наложение облицовочного шва с наружной стороны. При расплавлении присадочного материала, различного по химическому составу, где на каждую из проволок подаются малые токи — до 500 А, обеспечивается снижение погонной энергии и уменьшается зона термического влияния шва, что положительно влияет на механические свойства формируемого шва. Получаемая сдвоенная дуга образуется благодаря тому, что из одного сопла одновременно подаются защитная среда в виде смеси инертного и активного компонентов, например аргона и углекислого газа, и две расплавляемые проволоки, разные по своему химическому составу, где каждая из них расположена в отдельном наконечнике, служащем для подачи присадочного материала. Применение двух источников тепловой энергии в виде расплавляемых проволок одновременно с лазерным излучением позволяет значительно снизить затраты тепловой энергии, необходимые для расплавления проволок лазерным лучом, что, в свою очередь, обеспечивает увеличение глубины проплавления в случае больших толщин свариваемых деталей. Кроме того, эффект сдвоенной дуги, образующейся при одновременной подаче двух проволок из одного сопла, обеспечивает более длительное сохранение сварочной ванны в жидком состоянии, что способствует максимально полному выходу паров газа из глубины разделки и заполнению разделки кромок X и Y формы с формированием наружного валика.

При данном виде гибридной лазерно-дуговой сварки снижаются энергозатраты, снижается себестоимость продукции за счет снижения затрат на материалы, упрощается процесс изготовления и повышается скорость его проведения, а также повышаются качество и механические свойства сварного шва.

ГИБРИДНАЯ ЛАЗЕРНО-ДУГОВАЯ СВАРКА ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ КЛАССОВ ПРОЧНОСТИ API X80 И X120

ГИБРИДНАЯ ЛАЗЕРНО-ДУГОВАЯ СВАРКА ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ КЛАССОВ ПРОЧНОСТИ API X80 И X120 / ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2017 №1(22), С. 21–35 © Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2017 © 2017 С.Э. Гоок *, А.В. Гуменюк**, М. Ретмайер** * Общество Фраунгофера, ** Институт производственных систем и технологий конструирования ИПК, Берлин, Германия Федеральное ведомство по исследованию и испытаниям материалов БАМ, Берлин, Германия Целью настоящей работы являлось изучение возможностей гибридной лазерно-дуговой сварки в части выполнения продольных швов труб большого диаметра классов прочности API 5L X80 и X120. Экспериментальные исследования были сфокусированы на изучении методов повышения ударной вязкости гибридных сварных швов для условий низких температур эксплуатации трубопроводов. Улучшенные показатели ударной вязкости были достигнуты за счет применения металлопорошковых проволок, обеспечивающих формирование предпочтительной мелкозернистой микроструктуры металла шва. Современные технологии дуговой сварки, такие как сварка модифицированной импульсной струйной дугой, были использованы в составе гибридного лазерно-дугового процесса для обеспечения более глубокого проникновения присадочного материала в узкую зону проплавления гибридного лазерно-дугового шва. Форма разделки кромок с высотой притупления не более 14 мм принята в качестве оптимальной. Анализ химического состава металла шва обнаружил лишь частичное присутствие присадочного материала на глубине проплавления 14 мм. Сверх указанной глубины металлургические воздействия на металл сварного шва с помощью сварочной проволоки не могут быть гарантированы. Требуемые механико-технологические свойства изготовленных гибридных швов подтверждены результатами соответствующих испытаний. Полученные cредние значения ударной вязкости составляют величину около 150J при температуре испытаний -60°C для стали X80. Для стали X120 была достигнута cредняя величина ударной вязкости 53J при при температуре испытаний -40°C. При этом, требуемое значение ударной вязкости металла сварного шва в соответствии со стандартами API 5L и DIN EN 10208-2 составляет лишь 40J при температуре испытаний 0°C. Поступила в редакцию: 10.02.2017 Исследование выполнено в рамках проекта IGF 16415N объединения FOSTA при финансовой поддержке Федерального министерства экономики и технологий (BMWi) Германии.

Гибридная лазерная сварка — вид сварки, который совмещает принципы лазерной и дуговой сварки. Использование лазерного луча и электрической дуги в одном сварочно

                                     

1. Технология сварки

При сварке плавящимся электродом в защитном газе MSG заполнение зазоров обеспечивается расплавом металла, в шов вводится присадочный материал. При этом достигается малая глубина сварки, так как дуга действует только на поверхность металла. При большой толщине металла надо готовить швы, формируя V-образную фаску, заполнять ее слоями присадочного материала и проплавлять каждый слой. При этом в ходе сварки к заготовке подводится много тепла. При остывании швов наплавленный материал сжимается, то приводит к трещинам и остаточным напряжениям. Эта технология требует много дополнительных материалов.

При объединении лазерной сварки с электрической дугой, дуга улучшает качество заполнения шва металлом, увеличивается глубина и скорость сварки. Все это приводит к снижению подводимого тепла, становится возможным выполнить провар в один проход и при неточном позиционировании заготовок.

Для получения желаемой «глубокой сварки» лазерная сварка требует не только высокой мощности лазера, но и высокого качества луча. Луч может быть выбран или с меньшим диаметром или большим фокусным расстоянием. В настоящее время для сварки используется твердотельный лазер ND:лазер, где лазерный луч может передаваться через водоохлаждаемое стекловолокно. Луч проецируется на заготовку с помощью коллимирующей и фокусирующей оптики. Углекислый газ лазер может использоваться там, где луч может передается через линзы или зеркала.

Преимуществом твердотельного лазера заключается в том, что он слабо или вообще не ионизирует облако паров металла при сварке. Облако не поглощается плазмой дуги и не влияет на ее свойства. Влияние на плазму дуги газов от лазера было проблемой при использовании CO 2 -лазеров.

Для сварки металлических предметов необходим лазерный луч с интенсивностью более 1 МкВт/см 2. При попадании лазерного луча на поверхность материала, она нагревается до температуры испарения, а пар образует полость в металле шва из-за процесса выхода паров металла. В гибридной сварки сочетаются два процесса сварки, действующих одновременно в одной зоне.

В гибридном процессе дуга нагревает металл, помогая испарить его лазером. Для сварки также используется присадочный материал.

Гибридные технологии сварки. Особенности и применяемость Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.791.72

ГИБРИДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ. ОСОБЕННОСТИ И ПРИМЕНЯЕМОСТЬ

К. П. Марусенко*, И. С. Морозов Научный руководитель — Н. В. Успенский

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Рассматривается новый вид сварочных технологий — гибридная сварка, основанная на использовании «синергетического эффекта». Определены особенности и преимущества гибридной сварки по сравнению с традиционными видами сварки.

Ключевые слова: синергетический эффект, гибридная лазерно-дуговая сварка. HYBRID WELDING TECHNOLOGIES. FEATURES AND APPLICABILITY

K. P. Marusenko*, I. S. Morozov Scientific Supervisor — N. V. Uspensky

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

The article considers a new type of welding technology — hybrid welding, based on the use of «synergetic effect». The features and advantages of hybrid welding are compared with traditional types of welding.

Keywords: synergistic effect, hybrid laser-arc welding.

Гибридными технологиями в общем случае называются технологии одновременного воздействия различных методов на материал. Это может быть обработка давлением совместно с каким-нибудь тепловыми источниками: обработка резанием с индукционным, импульсным воздействием. Данные технологии объединяют в себе два тепловых источника, одним из которых является лазерный.

Основные преимущества лазерных гибридных технологий заключаются в том, что при объединении двух источников в один источник нагрева, нам удается нивелировать недостатки каждого из этих методов и в то же время добиваться принципиально нового эффекта по технологическим возможностям этого метода. Применительно к сварке использование гибридных лазерных технологий, например, позволяет снизить себестоимость сварки погонного метра шва, повысить качество сварки различных материалов или увеличить производительность традиционных методов сварки.

Гибридная лазерно-дуговая сварка — это совмещение в одном источнике лазерного излучения и дуги. В зависимости от технологических потребностей при изготовлении изделий процесс может осуществляться как с расположением лазера и дуги с одной стороны, так и с противоположных сторон. К настоящему времени дуговой процесс является самым распространенным и самым дешевым сварочным процессом. Однако в своем дальнейшем развитии он наталкивается на ряд трудностей, связанных с недостаточной плотностью энергии этого источника и трудностью осуществления процесса на больших скоростях, когда происходит срыв дуги и получается некачественное проплавление. В то же время и лазерный процесс имеет свои недостатки, которые за счет применения дуги могут быть устранены. Идея совмещения лазерного источника с дуговым была реализована еще в 1978 г. Преимущества гибридных технологий надо рассмат-

Актуальные проблемы авиации и космонавтики — 2017. Том 1

ривать применительно как к одному источнику, так и к другому. При включении лазера на дугу у нас повышается ток, снижается напряжение и повышается стабильность горения дуги. Также может быть значительно увеличена скорость сварки за счет привязки лазерного факела, который сам по себе образуется за счет испарения материала и плазменных процессов, именно лазерных, к плазме дуги и вот эта привязка дает возможность увеличить скорость сварки, не давать возможности срыва дуги. Для лазерной сварки дуга также оказывает существенную помощь. Во-первых, лазером меньшей мощности можно осуществлять сварку больших толщин за счет проявления так называемого «синергетического эффекта» и повышения КПД проплавле-ния при воздействии двух источников вместе. Также снижается отражательная способность материала за счет предварительного его подогрева и соответственно происходит снижение коэффициента отражения дугой перед лазером. Важным фактором является снижение требований по сборке конструкций, которые при лазерной сварке очень высоки, а применение дуги помогает их снизить.

Таким образом, сохраняя глубину проплавления и форму проплавления близкую к лазерной, можно увеличить ширину шва и тем самым увеличить величину зазора перед сваркой. Это довольно важный показатель для расширения применения лазерной сварки. Дуговая сварка может использоваться как без присадки, так и с присадочной проволокой. Для этой цели зарубежными фирмами, в частности германскими, разработаны специальные головки для осуществления этого процесса. Гибридная лазерно-дуговая сварка находит применение в автомобильной промышленности, в судостроительной промышленности и при сварке трубопроводов. Лазерно-дуговая гибридная технология распространена в основном за рубежом. Это Германия, США, Япония. У нас этими проблемами занимаются в Санкт-Петербургском политехническом университете, в МГТУ имени Н. Э. Баумана и некоторых других организациях.

Лазерно-плазменная технология — это сочетание лазерного луча с плазменным разрядом. Преимущественно на сегодняшний день рассматриваются так называемые интегрированные плазматроны, у которых лазерный луч проходит через плазменную струю. Существует два вида применяемых плазматронов. Это интегрированные плазматроны прямого действия и косвенного. У прямого анодом является изделие, у косвенного анодом является корпус самого плазматрона. Первым видом можно осуществлять процессы сварки, резки, наплавки. Второй вид может осуществлять процессы обработки диэлектрических материалов, применяется для закалки, нанесения покрытий и т. д. Основные преимущества этого метода основаны на том, что лазерный луч, проходя через плазменную струю, значительно увеличивает температуру плазменного факела, тем самым увеличивается электропроводность и соответственно увеличивается концентрация электрической энергии в плазме и дуга становится более концентрированной. Эти возможности большей концентрации плазменной дуги при прохождении лазерного луча тоже создают так называемый «синергетический эффект», повышение эффективности проплавления этого источника, т. е. два источника, которые в отдельности не могут, например, проварить толщину в 2 мм, при соединении имеют возможность проварить толщину до 3 мм за счет взаимного воздействия и увеличения плотности каждого источника. Также имеется возможность с помощью лазерно-плазменных технологий осуществлять процессы нанесения покрытий, при соответствующей конструкции плазматрона. Лазерно-плазменные процессы в нашей стране развиты меньше, чем в некоторых зарубежных странах. В частности, в Институте имени Е. О. Патона очень серьезно занимаются этим вопросом и там разработаны специальные плазматроны и ведутся соответствующие работы [1].

Была разработана технология скоростной лазерно-микроплазменной сварки тонколистовых алюминиевых сплавов, основанная на совместном использовании лазерного пучка малой мощности и микроплазменной дуги обратной полярности [2]. Предложенный способ позволяет производить очистку поверхности алюминия от окисной пленки в процессе сварки, чего нельзя достичь при лазерной сварке, стабилизировать движение дуги при больших, по сравнению с микроплазменной, скоростях сварки, а также существенно повысить эффективность использования энергии лазерного излучения и электрической дуги. Эксперименты по комбинированной сварке алюминиевого сплава АМг-2 толщиной 0,35 мм показали, что при токе дуги 22 А и мощности пучка 250 Вт удается достичь скорости сварки 9 м/мин с хорошей очисткой поверхности и полным проплавлением образца, при этом ширина швов составляет 1,0…1,2 мм. Следует отметить,

что использование только лазерной или только микроплазменной сварки не позволяет производить сварку данного металла даже на скорости 3 м/мин [3].

Установлено, что использование внешнего ионизатора — плазменной струи, при лазерной сварке без образования плазменного факела позволяет снизить температуру поверхности ванны расплава, при которой начинается переход от теплопроводностного режима проплавления к более эффективному режиму глубокого проплавления. Это является одной из основных причин более высокой эффективности лазерно-плазменной сварки по сравнению с лазерной.

Основные преимущества лазерно-плазменной сварки проявляются в следующем:

— значительно повышается скорость сварки, она становится выше, чем простое арифметическое сложение скоростей лазерной и плазменной сварки;

— процесс практически не зависит от оптических свойств поверхности;

— при сварке алюминиевых сплавов происходит очистка поверхности от окисной пленки АЪОз;

— снижается температура поверхности ванны расплава, что обеспечивает переход от теплопроводного режима к режиму глубокого проплавления.

Библиографические ссылки

1. Забелин А. М., Оришич А. М., Чирков А. М. Лазерные технологии машиностроения. Новосибирск : Изд-во Новосиб. гос. ун-та. 2004.

2. Кривцун В. А. Комбинированные лазерно-дуговые процессы обработки материалов и устройства для их реализации : автореф. дис. … д-ра техн. наук. Киев : ИЭС, 2002.

3. Сом А. И., Кривцун И. В. Лазер + плазма: поиск новых возможностей в наплавке // Автоматическая сварка. 2000. № 12. С. 36-41.

© Марусенко К. П., Морозов И. С., 2017

Совершенно новым методом сварки сейчас является так называемая гибридная лазерно-дуговая сварка. Передовые технологии постоянно обновляются, вот и сейчас есть возможность идеально использовать оба эти типа сварки, и получить более совершенный результат.

Гибридная лазерно-дуговая сварка. Совмещение действия лазерного излучения и дуги плавящегося электрода для сварки сталей и сплавов в защитной газовой среде решает задачу введения в сварочную ванну присадочного материала, благодаря чему формируется высококачественный верхний валик шва; позволяет снизить мощность лазерного излучения, частично заменив его мощностью электрической дуги; снижает твердость получаемых сварных швов и делает их более пластичными. Сфокусированное лазерное излучение стабилизирует электрическую дугу, улучшает ее вольт-амперные характеристики, привязывает столб дуги к действующему на металл сфокусированному пучку и заставляет дугу опускаться в парогазовый канал. Эффект стабилизации дуги тем выше, чем выше мощность лазерного излучения и меньше размер пятна фокусирования. Геометрия получаемых комбинированной лазерно-дуговой сваркой швов приближается к геометрии лазерных при меньшей себестоимости погонного метра по капитальным вложениям в оборудование. Например, в режиме глубокого проплавления увеличение дуговой мощности на 1…2 кВт способно оказать воздействие, эквивалентное увеличению мощности лазерного излучения на 1 кВт.

Преимущество новой технологии заключается в том, что лазерные лучи проплавляют достаточно глубоко, создавая низкие тепловые притоки, а в то же время в среде защитных газов дуговые процессы дают возможность получить отличные сварные соединения с возможностью зазоров между заготовками.

Преимущества данного вида гибридной сварки — ее высокая скорость, а также возможность получения глубоких и узких швов. Процесс лазерно-дуговой сварки характеризуется значительно более высокой стабильностью сварочной ванны и более высоким КПД по сравнению с дуговой сваркой, значительно более мягким термическим циклом и существенным снижением требований к зазорам и точности сборки по сравнению с лазерной сваркой. Чтобы добиться того результата, который вы получите с первого прохода лазерно-дуговой сваркой, при использовании обычного плавления вам придется сделать несколько проходов. Нужный эффект получается при одновременном воздействии электрических дуг и лазерных лучей.

Сваривание такого типа совсем не зависит от оптических свойств поверхности свариваемых деталей. Такой тип сварки также примечателен повышением термического и электрического КПД при уменьшении общих требований в обрабатываемой кромке. Специалистами также была отмечена высокая технологическая воспроизводимость сварочных процессов.

Лазерно-дуговая гибридная сварка — обзор

Сварка сплавов Mg включает в себя не только сварку различных сплавов Mg, но и сварку сплава Mg с другими металлами. В процессе сварки и соединения сплава Mg с другими металлами, помимо описанных ранее, могут возникнуть дополнительные проблемы, такие как холодное растрескивание, окисление, испарение и коррозия.

1

Холодное растрескивание: Холодные трещины в основном возникают после затвердевания при сварке металлов плавлением.При соединении сплава Mg с другими металлами всегда образуются твердые, хрупкие интерметаллические соединения с низким коэффициентом усадки. В результате вдоль границы расплавленного сплава Mg и интерметаллидов образуются полунепрерывные холодные трещины в дополнение к эффекту высокого коэффициента расширения сплава Mg. Поскольку интерметаллические соединения всегда образуют непрерывные пластинчатые структуры, под действием внешней силы эти холодные трещины склонны расширяться и соединяться друг с другом, вызывая в конце концов разрыв.Все эти проблемы наблюдаются при соединении сплава Mg и Al, сплава Mg и Cu, ¹⁵ , а также сплава Mg и Zn. ¹⁶ Представлены некоторые соответствующие решения, такие как снижение тепловложения, использование промежуточного слоя сплава и использование специальных методов сварки, таких как сварка трением с перемешиванием, гибридная сварка с лазерной дугой и т. Д. Однако они не совсем эффективны. Идеальные методы все еще существуют и всегда создают проблемы при исследованиях сварки сплавов Mg.

2

Окисление и испарение: При сварке сплава Mg с другими металлами окисление появляется не только в ванне расплава сплава Mg, но также вдоль границ сплава Mg и других металлов.Поскольку температуры плавления других металлов, таких как сталь и сплав Cu, аналогичны или выше температуры кипения сплава Mg, температура в ванне расплава легко достигает температуры кипения сплава Mg. Здесь атомы Mg, особенно на границах, активны, легко окисляются. Эти оксиды значительно снизят прочность сварного шва. Кроме того, нельзя полностью предотвратить окисление за счет увеличения потока газовой защиты. Таким образом, использование промежуточного слоя сплава является основным решением при сварке сплава Mg и других металлов с высокими температурами плавления.

Температура ванны расплава в процессе сварки Mg с другими металлами определенно выше, чем при сварке одного сплава Mg, и испарение сплава Mg, безусловно, более очевидно, в результате чего легче появляются поры и перегорание. . Уменьшение тепловложения может решить проблему; однако в то же время снижаются проплавление и прочность сварного шва. Поэтому для соединения сплава Mg и других металлов предлагаются специальные методы сварки.

3

Коррозия и защита: Mg-сплав имеет довольно низкий потенциал коррозии и легко подвергается коррозии на влажном воздухе. Но металлы, широко применяемые в обрабатывающей промышленности, такие как сталь и алюминиевые сплавы, гораздо более устойчивы к коррозии. В соединениях сплава Mg с другими металлами коррозия сплава Mg ускоряется не только за счет самокоррозии, но и за счет гальванической коррозии из-за большой разницы потенциалов коррозии. По мере развития коррозии легко образуются коррозионные трещины, в результате чего соединение разрушается.Очевидно, что меры защиты особенно важны и необходимы. В настоящее время методы защиты для сплава Mg в основном включают микродуговое окисление, химическую конверсионную пленку, ионное покрытие, термическое напыление и так далее. Что касается разнородных соединений, измерения защиты ограничены, поскольку два соединительных материала значительно отличаются по своим физическим и химическим свойствам. Покрытия из чистого алюминия или определенные композитные покрытия эффективны для защиты соединения сплава Mg и других металлов от коррозии.

(PDF) Гибридная лазерная дуговая сварка: современный обзор

[37] P.T. Суонсон, С.Дж. Пейдж, Э. Рид, Х.З. Ву, Плазменная лазерная сварка 6 мм стальной пластины

, Наука и технология сварки и соединения, 2007, 12 (2), 153-160.

[38] Дж. Мацуда, А. Уцуми, М. Кацумура, М., Хамасаки, С. Нагата, дуга TIG или MIG

Расширенная лазерная сварка толстого листа из мягкой стали, Соединение и материалы, 1988, 1, 31 -34.

[39] X.Гу, Х. Ли, Л. Ян, Й. Гао, Механизм связи лазера и дуги лазерно-двухдуговой гибридной сварки

и его влияние на процесс сварки, Оптика и лазерные технологии, 2013, 48, 246–

253

[40] X. Zhan, Y. Li, W. Ou, F. Yu, J. Chen, Y. Wei, Сравнение гибридной лазерной сварки MIG

и сварки MIG для сплава invar36, Оптика и лазер Технологии, 2016, 85, 75–84.

[41] С. Ян, Й. Не, З. Чжу, Х.Чен, Г. Гоу, Дж. Ю, Г. Ван, Характеристики микроструктуры

и сопротивление усталости соединений сплава Al-Mg, сваренных гибридным волоконным лазером и MIG, Applied Surface

Science, 2014, 298, 12–18

[42] С. Ян, Х. Чен, З. Чжу, Г. Гоу, Гибридная лазерная сварка в среде инертного газа соединений сплава Al – Mg – Si

: микроструктура и механические свойства, Материалы и дизайн, 2014, 61, 160–167.

[43] S.E. Нильсен, М. Андерсен, Дж. Кристенсен, Т.А. Дженсен, Гибридная сварка толстого сечения стали

C / Mn и алюминия, Международный институт сварки, 2002 г., IIW doc.XII 1731-02.

[44] В. Пекарска, М. Кубяк, Моделирование тепловых явлений в процессах дуговой гибридной сварки с одиночным лучом и лазером-

с использованием проекционного метода, Прикладное математическое моделирование, 2013,

37, 2051–2062.

[45] Я. Наито, С. Катаяма, А. Мастсунава, Поведение «замочной скважины» и поток жидкости в ванне расплава

во время гибридной лазерно-дуговой сварки, в Proc. 1-го Международного симпозиума по мощным лазерам

Макрообработка, 2002, (SPIE 2003), 4831, стр.357-362, Осака, Япония.

[46] К. Эммельманн, М. Кирхгоф, Н. Петри, Разработка процесса гибридной плазменно-лазерной сварки

, Physics Procedure, 2011, 12, 194–200.

[47] Ф. Мёллер, К. Томи, Эффекты взаимодействия между лазерным лучом и плазменной дугой при гибридной сварке алюминия

, Physics Procedure, 2013, 41, 81 — 89.

[48] C.H. Ким, Ю. Ан, Дж. Ким, Гибридная сварка микроплазменной дугой с помощью CO2-лазера для оцинкованных стальных листов

, Транзакция цветных металлов Китая, 2011, 21, s47-s53.

[49] W.V. Вайдья, К. Ангамуту, М. Кочак, Р. Грубе, Дж. Хакиус, Прочность и усталость

Сопротивление

гибридных стыковых сварных швов лазерно-MIG алюминиевого сплава планера AA6013, Сварка в мире

, 2006, 50 ( 11/12), 88-97.

[50] С. Баггер, Ф. Олсен, Сравнение процессов плазмы, газа, неактивного металла (MIG), и газа, неактивного вольфрама,

(TIG) для лазерной гибридной сварки, в Proc. конференции по лазерной обработке материалов

ICALEO 2003, 2003, стр.13-17, Джексонвилл, США.

[51] А.В. Бирдеануа, К. Чука, А. Пуйсеа, Гибридная сварка импульсным лазером и (микро) TIG: Характеристики процесса

, Journal of Materials Processing Technology, 2012, 212, 890–902.

[52] М. Гао, С. Мэй, З. Ван, X. Ли, X. Цзэн, Характеристики процесса и соединений гибридной сварки MIG

магниевого сплава AZ31 с использованием лазера, Journal of Materials Processing Technology, 2012,

212, 1338– 1346.

[ 53] PGСандерс, Дж. Кеске, К. Леонг, Г. Корнеки, Nd: YAG и CO2-лазер высокой мощности

Сварка

магнезиального материала, Journal of Laser Application, 1999, 2 (11), 96-103.

[54] K.G. Уоткинс, Лазерная сварка магниевых сплавов, Magnesuim Technology, TMS Annual

Встреча и выставка, 2003 г., стр. 153-156, Сан-Диего, США.

[55] C.M. Аллен, Г. Верхаге, П.А. Хилтон, К. Хисон, П. Прангнелл, Лазерная и гибридная

лазерная сварка MIG 6 шт.Алюминиевый аэрокосмический сплав толщиной 35 и 12,7 мм, Материаловедение

Forum, 2006, 519-521, 1139-1144.

Взгляд на лазерную гибридную сварку в автомобильной промышленности

Рисунок 1
Головка горелки, предназначенная для гибридной лазерной сварки, весит около 16,5 фунтов. (7,5 кг) и работает с мощностью лазера 4 кВт при токовой нагрузке 250 А при 100-процентном рабочем цикле.

Сегодняшние покупатели автомобилей требуют все более высокого качества продукции и улучшенных характеристик своих автомобилей.Для удовлетворения этих требований клиентов необходимы постоянные производственные инновации.

Это особенно верно в отношении сварки. Автопроизводителям нужна технология соединения, которая обеспечивает более высокие скорости сварки для увеличения продолжительности производственного цикла, сохраняя при этом качественные соединения, и достаточно гибкую, чтобы восполнить зазоры, когда дело доходит до несовместимых кромок деталей. До недавнего времени обычные процессы лазерной сварки не могли удовлетворить оба производственных требования.

Однако сегодня применяется гибридный процесс.Гибридная лазерная сварка, которую также называют лазерной пайкой, сочетает в себе лучшее от лазерной сварки и процесса газовой дуговой сварки (GMAW). Лазерное излучение образует очень узкую зону термического воздействия с большим соотношением глубины сварки и ширины шва. Он также может достигать очень высоких скоростей сварки. К сожалению, лазерный луч имеет очень маленький диаметр фокуса, и в результате он не может постоянно справляться с непостоянными зазорами. Между тем, процессы сварки GMAW и тандемной сварки имеют значительно более низкую плотность энергии, более крупное сфокусированное пятно на поверхности материала и характеризуются хорошей способностью перекрывать зазоры.

Этот гибридный процесс сварки сейчас проходит испытания на предприятиях по производству автомобилей, и результаты оказались многообещающими.

Более пристальный взгляд на гибридный процесс

Сочетание лазерного излучения и дуги в одном сварочном процессе было впервые исследовано в 1970-х годах, но с тех пор не произошло много технических достижений. ^1,2 В ходе исследований снова рассматривались возможности объединения этих двух процессов с целью объединить преимущества дуги и лазера в одном гибридном процессе сварки. ^3,4 Однажды отраслевые эксперты хотели дождаться, пока источники лазерного луча докажут свою пригодность для промышленного использования, и этот день настал. Лазеры достигли статуса традиционной технологии для некоторых приложений, используемых в автомобильной промышленности.

В гибридном процессе сварки лазерный луч и сварочная дуга одновременно воздействуют на зону сварки, и они влияют и поддерживают друг друга. В одном из прошлых примеров использования лазеров и сварки проволокой для промышленного применения производитель провел испытания лазерной сварки CO ₂ с присадочной проволокой и в сочетании с процессом GMAW. ⁵

Последние инновации, связанные с гибридной лазерной сваркой, требуют мощного лазера и высококачественного луча для достижения так называемого эффекта глубокой сварки. ⁶

Лазер CO ₂ хорошо известен на производственных предприятиях благодаря хорошему качеству луча, что делает его очень хорошим инструментом для резки металла. Однако похоже, что пластинчатый лазер и лазер с диодной накачкой будут представлять особый интерес для будущих производственных приложений, поскольку они подходят для резки и сварки алюминия из-за их хорошей фокусирующей способности, высокого качества луча и, как следствие, достижимая высокая интенсивность.Однако использование ограничено из-за малого поперечного сечения соединения — прямого следствия высокой интенсивности — особенно в случае квадратных стыковых швов на стыке внахлест.

Поскольку на рынке предлагаются твердотельные лазеры Nd: YAG с большей мощностью, чем предыдущие воплощения технологии, они используются для сварки все чаще. Поскольку твердотельный лазер работает с гибкими оптоволоконными кабелями, он значительно более выгоден по сравнению с жесткими лучевыми рычагами, используемыми для направления лазерного света CO ₂ .На примере автомобилестроения гибкое управление балкой позволяет выполнять сварочные работы внутри пассажирских салонов, багажников, дверей, открывающихся капотов и передней части кузова. ⁷ Лазер CO ₂ по-прежнему пользуется спросом, когда речь идет о 2-D и простых 3-D применениях.

Компактный высокопроизводительный диодный лазер начал завоевывать промышленный рынок. Это хороший кандидат для лазерной пайки и, вероятно, в ближайшее время будет использоваться для выполнения сварочных работ с тонкими листами.

Рисунок 2
Этот компонент оси, установленный на седане Mercedes C-класса, был сварен с помощью лазерной гибридной сварки со скоростью 177 дюймов в минуту (4,5 м / мин) со скоростью подачи проволоки 235 дюймов в минуту (6,0 м / мин). Фото любезно предоставлено Daimler.

Однако необходимы дальнейшие разработки в области увеличения мощности диодного лазера при сохранении оптимальной фокусировки лазерного луча. Эти опытно-конструкторские работы позволят использовать лазерную технологию для сварки с глубоким проплавлением.

Сегодня диодный лазер стоит столько же, сколько другие высокопроизводительные лазеры, но цена на этот тип лазера, безусловно, будет снижаться по мере снижения стоимости диодов.

Для современной сварки металлических изделий логическим выбором является лазерный луч Nd: YAG. Лазерная технология ориентирована на интенсивность излучения выше 106 Вт / см2. Как только лазерный луч падает на поверхность металла, пятно нагревается до температуры испарения металла, и вскоре в расплавленном металле образуется полость.

Сварной шов имеет большое соотношение глубины и ширины. Плотность потока энергии свободной дуги немного превышает 104 Вт / см2. Лазерный луч дополнительно к дуге нагревает металл шва в верхней области шва.

В отличие от последовательного соединения, гибридная сварка — это комбинация обоих процессов сварки в одной технологической зоне (см. , рис. 1, ). Результирующее взаимное влияние процессов может иметь различную интенсивность и характеристики в зависимости от используемой дуги и лазерного процесса, а также от применяемых параметров процесса.

По сравнению с отдельными процессами, применяемыми независимо друг от друга, глубина сварки комбинированных процессов и скорость сварки увеличиваются. Пар металла испаряется из полости и вступает в реакцию с дуговой плазмой. Поглощение излучения Nd: YAG-лазера в рабочей плазме пренебрежимо мало. В зависимости от коэффициента мощности, применяемого к процессу лазерной или сварочной дуги, гибридный лазерный процесс может обеспечивать различные уровни производительности в отношении скорости сварки и гибкости для устранения зазоров.

Температура детали является решающим фактором в поглощении лазерного излучения. Чтобы начать процесс лазерной сварки, необходимо преодолеть начальное отражение, особенно в случае алюминиевых поверхностей. После достижения температуры плавления металлической поверхности образуется полость, так что почти вся энергия излучения может поступать в заготовку. Теплопроводность заготовки также влияет на энергию, необходимую для сварочных работ.

При лазерной гибридной сварке плавится не только поверхность детали, но и присадочная проволока.В результате доступно больше расплавленного металла и облегчается ввод лазерного излучения. Это также предотвращает прерывание процесса.

По сравнению с процессом лазерной сварки гибридный лазерный процесс демонстрирует следующие преимущества: высокая способность перекрытия зазора в случае короткого промежутка, более широкий и глубокий провар, значительно более широкий спектр применения и повышенная прочность. По сравнению с GMAW этот усовершенствованный процесс соединения демонстрирует более высокие скорости сварки, более глубокое проплавление при более высоких скоростях, пониженное тепловложение, повышенную прочность и более узкий шов.

При объединении лазерного луча и дуги образуется большая ванна расплава по сравнению с традиционной лазерной сваркой. Следовательно, компоненты с большими зазорами можно сваривать с помощью гибридного лазерного процесса, чего нельзя было бы сваривать с помощью традиционной лазерной технологии.

Рисунок 3
В этом автомобильном применении гибридный лазерный процесс используется для изготовления передней боковой панели.

Применение в автомобильной промышленности

Пример гибридной лазерной технологии, применяемой в автомобильной промышленности, можно найти на заводе по производству мостов Daimler в Германии.Гибридная лазерная сварка обеспечивает высокую скорость сварки, низкое тепловложение и глубокое проплавление. Для этого промышленного применения скорость сварки была увеличена примерно на 30 процентов по сравнению с обычным процессом сварки проволокой. На рис. 2 показан компонент моста, сваренный гибридной лазерной сваркой, от Daimler.

Еще одно автомобильное применение — алюминиевая боковая панель (см. , рис. 3). Скорость сварки, достигнутая на этом 0,0625-дюймовом. часть 177 IPM (4.5 м / мин.). Наиболее важно то, что гибридный лазерный процесс демонстрирует хорошее проплавление и обеспечивает закругленную кромку вдоль сварного шва.

Причина, по которой процесс лазерной гибридной сварки позволяет создать глубокопроникающий и привлекательный сварной шов, заключается в том, что высокая плотность энергии лазерного луча и большой диаметр присадочной проволоки адекватно заполняют поперечное сечение. Поставщики автомобилей Tier используют этот процесс сварки уже несколько лет.

Что касается применения этой боковой панели, то гибридный лазерный процесс значительно улучшает аналогичный автоматизированный процесс, основанный на традиционной технологии GMAW:

• Гибридная лазерная автоматическая установка занимает половину пространства автоматической ячейки для сварки проволоки.
• Он потребляет на 80 процентов меньше провода.
• Скорость сварки увеличена на 30 процентов.
• Поскольку лазерный гибридный процесс является надежным, можно достичь 30-процентного снижения затрат на рабочую силу по сравнению с персоналом, необходимым для поддержания работы ячейки GMAW.

Гибридный процесс лазер-GMAW-тандем

При гибридной сварке лазер-GMAW-тандем (см. , рис. 4 ) лазерный луч воздействует на две сварочные дуги в одной технологической зоне. Ведущий лазер используется для сварки корня, а последующий тандемный процесс GMAW усиливает усилия по преодолению зазора и увеличению толщины горловины.

Одним из важных аспектов процесса в целом является его высокая гибкость. Например, можно установить три различных значения выходной мощности в зависимости от желаемых результатов сварки. Таким образом, оператор может выбрать подходящую выходную мощность для тандемного процесса с учетом геометрии сварного шва, желаемого усиления сварного шва и скорости сварки. Глубину корня можно регулировать в процессе подготовки фаски в зависимости от мощности лазера, диаметра фокуса и скорости сварки.Кроме того, для достижения желаемых металлургических эффектов можно использовать два разных присадочных металла.

Гибридный процесс сварки лазер-GMAW-тандем позволяет независимо контролировать мощность лазера и дуги, а также длину обеих дуг. Это приводит к контролируемому отрыву капель расплавленного металла, стабильной дуге и ограниченному разбрызгиванию. Также может быть достигнута высокая эффективность наплавки и высокая скорость сварки.

Примечания

1J. Мацуда, А. Уцуми, М. Кацумура, М.Хамасаки, С. Нагата: TIG или MIG-дуговая лазерная сварка толстого листа из низкоуглеродистой стали с усиленной дугой, Соединение и материалы , 1988.

Рисунок 4
При гибридной сварке лазер-GMAW-тандем лазерный луч устанавливается примерно под прямоугольным углом к ​​заготовке. Две дуги GMAW имеют ведущий угол наклона.

2Стин и др., Дуговая лазерная сварка. 4-й международный Конференция по достижениям в сварочных процессах, доклад №17 (1978), стр. 257-265.

3Н. Цуй. Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Schweisslichtbogen und fokussiertem Laserstrahl und der Anwendungsmöglichkeiten kombinierter Laser-Lichtbogentechnik, TU Braunschweig, Диссертация, 1991.

4C. Maier, J. Beersiek, K. Neuenhahn, Kombiniertes Lichtbogen-Laserstrahl-Schweißverfahren On-line-Prozessüberwachung, DVS 170 (1995), S.45-51.

5С. Хаберлинг. Prozesstechnische Untersuchungen des C02-Laserstrahlschweissens mit Zusatzdraht und in Kombination mit dem MIG-Schweissverfahren, Diplomarbeit,

RWTH, Lehrstuhl für Lasertechnik, 1994.

6F. Даузингер. Hohe Prozesssicherheit beim Aluminiumschweissen mit Nd: YAG-Lasern, Bleche und Profile 42 (1995), Nr. 9, S.544-547.

7H.G. Treusch, H. Junge, Laser in der Materialbearbeitung, Schweißen mit Festkörperlasern, Band 2, VDI-Verlag, 1995.

Гибридная лазерно-дуговая сварка требует перевозки тяжелых грузов

Примечание редактора. Эта статья адаптирована из презентации Эда Хансена на семинаре Advanced Laser Applications Workshop, 16–18 мая 2012 г., Ливония, Мичиган., © 2012 Ассоциация производителей и производителей Intl. (FMA), www.alawlaser.org. Изображения любезно предоставлены ESAB.

Гибридная лазерно-дуговая сварка существует уже много лет, а некоторые первые разработки появились еще в 1970-х годах. Но только недавно этот процесс начал набирать обороты. Он использует преимущества глубокого проникновения лазера и высокой скорости, в то время как дуга помогает перекрывать зазоры, медленное охлаждение сварного шва и, благодаря присадочной проволоке, корректировать металлургические характеристики.Учитывая это, можно было бы Интересно, почему гибридная лазерно-дуговая сварка (HLAW) так долго не нашла свое место в промышленности.

Но, как и любая новая производственная технология, гибридный процесс лазерно-дуговой сварки требовал нескольких элементов для широкого признания и внедрения. Во-первых, требовалась правильная производственная среда, включая допуски зазоров, обеспечиваемые точными процессами резки и гибки на начальном этапе, а также повышенная производительность на выходе. Во-вторых, отрасли необходимо было сместить акцент не только на общую стоимость производства, но также и общая стоимость жизненного цикла продукта.

Основы HLAW

В этом процессе используется комбинация лазерного излучения и традиционной электросварочной дуги, обычно от источника питания газовой дуговой сварки (GMAW) в режиме распыления (см. Рисунок 1). Небольшой размер пятна лазера создает очень высокую плотность энергии и фактически помогает стабилизировать дугу. Лазер проникает глубоко в шов, образует узкую зону термического влияния и обеспечивает высокую сварку. скорость. Все это помогает значительно снизить тепловложение.

GMAW помогает замедлить охлаждение сварного шва, уменьшая чрезмерную твердость и растрескивание.Это также расширяет поверхность зоны плавления. Присадочная проволока GMAW дает инженеру некоторый контроль в металлургии; изменение состава проволоки изменяет характеристики сварного шва. Наполнитель также позволяет удалять или разбавлять сварочные загрязнения. И это дает конструкторам некоторую гибкость при выборе геометрии сварных швов. такие как создание усиливающих бусин и галтелей.

Наиболее важно то, что HLAW работает быстро. Скорость обработки может быть от 3 до 30 раз выше, чем у обычного процесса плавления, будь то GMAW или дуговая сварка под флюсом (SAW).Эта статистика стала возможной не благодаря молниеносной сварочной головке, а потому, что HLAW может выполнить соединение за меньшее количество проходов. А поскольку это снижает тепловложение на 80-95 процентов, инженер может уменьшить сварное соединение. объем. Например, для одностороннего стыкового соединения SAW глубиной 15 мм может потребоваться скос под углом 60 градусов с фаской высотой 3 мм и открытой корневой частью шириной 2 мм. То же самое применение стыкового соединения для HLAW может потребовать закрытого корня с фаской высотой 10 мм и только фаской под углом 28 градусов. Это эффективно уменьшает объем сустава до 90 процентов (см. Рисунок 2).

Это позволяет инженерам применять новые подходы к проектированию узлов и деталей. Соединение, которое раньше сваривали в несколько проходов, теперь можно сваривать за один проход. Для особенно глубокого соединения двух толстых пластин, возможно, потребовался двойной V-образный паз, требующий двустороннего доступа; Используя HLAW, инженеры могут изменить это на соединение с полным проникновением, требующее доступа только с одной стороны.

Меньше искажений

Возникают меньшие остаточные напряжения и деформации, поскольку HLAW имеет низкое тепловложение, а также небольшую зону плавления и зону термического влияния (HAZ).Рассмотрим угловое соединение с частичным проплавлением, которое соединяет вертикальную пластину с горизонтальной, с длиной сварного участка 0,375 дюйма (см. Рисунок 3). В этой геометрии сварного шва область, известная как центр тяжести поля напряжений, находится полностью за пределами основного металла, вдали от нейтральной оси конструкции (то есть в центре вертикальная пластина). Это вызывает растяжение и деформацию сварного соединения, поэтому сварщики прилагают большие усилия, чтобы контролировать процесс охлаждения сварного шва, сводя к минимуму этот эффект.

Что, если бы можно было изменить центр поля напряжений? Это стало возможным благодаря новой геометрии соединения HLAW.Гибридный процесс позволяет заменить обычное угловое соединение с частичным проплавлением на угловое соединение с полным проплавлением с высотой сварного шва всего 0,125 дюйма. Это смещает центр тяжести поля напряжений внутрь к нейтральной оси, уменьшая продольную усадку и угловое отклонение. . В напряжение часто может быть ниже порога локального и глобального коробления, что означает, что конструкторам не нужно компенсировать напряжение где-либо еще в сборке.

Место для процесса

Со всеми этими преимуществами, почему HLAW не покорил промышленность, когда был представлен много лет назад? В 1980-х и 1990-х годах этот процесс, конечно, не был таким надежным, как сейчас.Что еще более важно, HLAW страдает теми же проблемами, что и обычная сварка лазерным лучом: в традиционных промышленных конструкциях не было элементов, которые могли бы использовать преимущества этого процесса.

Рис. 1. Гибридная лазерно-дуговая сварка (HLAW) использует процесс дуговой сварки проволокой с использованием лазерного луча. Лазер обеспечивает концентрированную энергию для высокого проплавления, в то время как дуга помогает преодолевать трудности при установке. К элементам процесса относятся: (1) вновь сформированный сварной шов; (2) инертный защитный газ; (3) сфокусированный лазерный луч; (4) пушка GMAW; (5) проволочный электрод; (6) электрическая дуга; (7) ванна расплава; и (8) замочная скважина.

Конечно, есть хорошо известные опасения по поводу стыковки. HLAW допускает более широкий допуск зазора, часто до +/- 0,5 мм при установившихся регуляторах. Это все еще узко в области дуговой сварки, но велико по сравнению с требованиями к зазорам при лазерной сварке. HLAW может обрабатывать изменения зазора до ± 2,0 мм с помощью новейших адаптивных средств управления технологическим процессом, но для этого может потребоваться замедлить, что идет вразрез с идеей использования гибридной лазерно-дуговой сварки в первую очередь.Наиболее эффективные гибридные реализации используют комбинацию улучшенной подгонки деталей, лучшего крепления и адаптивного управления для достижения как высоких скоростей обработки, так и надежных возможностей процесса (Cpk).

Более широкая перспектива показывает более серьезную причину постепенного внедрения HLAW. Какова цель изменения конструкции продукта, чтобы приспособить его к гибридному лазерно-дуговому процессу, если производительность производства не меняется? Последующие процессы соединения, сборки и отделки — не говоря уже о спросе со стороны внешних клиентов — должны быть в состоянии справиться с возросшей пропускной способностью системы HLAW.Да, HLAW действительно уменьшается затраты на сварку в отношении материалов и рабочей силы, но если больше продукции не будет отправлено за меньшее время, рентабельность производственной операции кардинально не изменится. Такое снижение затрат на сварку на самом деле не повлияет на чистую прибыль так же существенно, как увеличение общей производительности.

Конечно, многие операторы успешно адаптировали HLAW, изменив внутренние процессы. Их резкое увеличение пропускной способности позволило им снизить затраты и завоевать значительную долю рынка.Но это касается только изготовления. Сегодня бережливое мышление заставило многих задуматься не только о производственных затратах, но и о затратах, которые возникают в течение всего жизненного цикла продукта, и это где HLAW действительно подошел к пластине (так сказать).

Эффект высокопрочного материала

Бережливое мышление побудило производителей использовать высокопрочные материалы в стремлении снизить вес. Это хорошо известная попытка в автомобильной промышленности, которая охватила гибридный процесс сварки различных компонентов, от работ по монтажу кузова до систем подвески, опор двигателя и компонентов выхлопной системы.

Эмпирическое правило в автомобильной промышленности гласит, что уменьшение веса конструкции на 1 фунт дает около 1,5 фунта. общего снижения веса транспортного средства с учетом всех воздействий скатывания на размер двигателя, трансмиссию, торможение и другие элементы. Производители автомобилей обнаружили, что они могут увеличить предел текучести своих стальных деталей на 50 процентов с помощью всего лишь 10-15 процентов. увеличение стоимости материала. Это, в свою очередь, позволило снизить вес компонентов на 30–50 процентов.В результате: более легкая и прочная деталь может стоить меньше, чем более тяжелая.

Стремление к снижению веса также идет полным ходом на арене тяжелого транспортного оборудования: грузовиков, железнодорожных вагонов, горнодобывающей и строительной техники и даже авианосцев. В некоторых областях усилия по снижению веса начались намного раньше, чем в автомобилестроении. Например, судостроение было одной из первых отраслей, в которых использовались специализированные конструкции с более высокой прочностью. и более толстые материалы только там, где это необходимо для конкретного дизайна.В течение многих лет плиты, используемые для судовых палуб, выглядели даже более сложными с точки зрения различных сортов материала и толщины, чем некоторые сваренные на заказ заготовки в автомобильном секторе.

За время эксплуатации корабля небольшое снижение веса может привести к невероятной экономии топлива и других эксплуатационных расходов. Вот почему ВМС США и другие судостроители переходят с Ah46 на высокопрочные низколегированные материалы, такие как HSLA-65, -80 и -100. Некоторые судостроители теперь переходят от горячекатаных конструкционных балок из низкоуглеродистой стали к специализированным. балки из листовой стали высокой прочности.Некоторые производители используют гибридную лазерно-дуговую сварку для изготовления таких специализированных балок для судостроения.

Инженеры имеют в виду аналогичное снижение эксплуатационных расходов при выборе высокопрочных сталей для строительного оборудования. Так называемые «легкие конструкции» на тяжелых транспортных средствах, включая топливные баки, масляные резервуары, кабины и конструкции двигателя, составляют значительную часть общей массы транспортного средства, и уменьшение этой массы может привести к значительной экономии материалов и требований к мощности.Бум а оружие мобильной техники чрезвычайно чувствительно к весу. Производительность машины (то есть ее производительность при копании или погрузке-разгрузке) зависит от веса стрелы.

Для таких продуктов, как грузовые прицепы, железнодорожные вагоны и интермодальные контейнеры, полезная нагрузка играет важную роль. Представьте себе железнодорожный вагон, жизненный цикл которого может составлять десятилетия. Каждый фунт веса транспортного средства представляет собой фунт, который нельзя нести в течение всего срока службы этого транспортного средства. Однако в настоящее время на стадии проектирования находятся некоторые железнодорожные вагоны и интермодальные контейнеры, в которых используются высокопрочные стали и современные технологии лазерной сварки. конструкция позволяет снизить вес на 30–40 процентов, увеличивая грузоподъемность до 20 процентов (см. рисунок 4).

Рассмотрите последствия для интермодального транспортного контейнера. Снижение веса на 20 процентов дает дополнительную грузоподъемность в 50 000 фунтов. в год за контейнер. Это большой дополнительный доход, а у среднестатистического пользователя есть много контейнеров, каждый из которых может прослужить десятилетия. Кроме того, более легкий контейнер потребляет меньше топлива на обратном этапе поездки. Для каждого пользователя это может сэкономить миллионы за срок службы контейнеров.

Рис. 4. Вес вагона можно снизить до 40 процентов за счет использования высокопрочной стали и конструкций, сваренных лазером.Это снижение веса, в свою очередь, увеличивает грузоподъемность.

В конструкциях для кораблей и большегрузных транспортных средств теперь используется больше нержавеющей стали, особенно новые, относительно доступные высокопрочные дуплексные и тощие дуплексные нержавеющие стали. Раньше инженерам приходилось требовать увеличения толщины листов, чтобы обеспечить защиту от коррозии на протяжении всего срока службы автомобиля. Теперь, используя нержавеющие марки, дизайнерам не нужно включать такой большой буфер материала для коррозия. В результате снова получается более тонкая пластина, уменьшенный вес транспортного средства и большая грузоподъемность.Гибридный процесс лазерной дуги с его низким нагревом и высокой скоростью может помочь в переходе на эти высокопрочные и более тонкие конструкции.

Переход к бережливому производству и размышление об общей стоимости жизненного цикла смещает акцент с удельной стоимости за фунт металла на общую стоимость производства и долгосрочную поддержку. Очевидно, что высокопрочные сплавы и нержавеющая сталь дороже обычных сталей, а в этих тяжелых изделиях используется много металла. Но эта более высокая стоимость материала по-прежнему ничтожна. по сравнению с экономией и увеличением производительности в течение всего срока службы продукта.

В случае материалов с высоким пределом текучести возникают более высокие остаточные напряжения и меньшая толщина материала, что усугубляет проблемы с деформацией. Использование высокопрочных сталей сделало контроль деформации более важным, чем когда-либо. Именно здесь HLAW играет решающую роль.

Переход вверх по цепочке создания стоимости

Это часть более широкой тенденции в транспортной отрасли и, в некоторой степени, во всем обрабатывающем секторе: обратный перенос работы с добавленной стоимостью. Например, в судостроении большой объем работ после сварочных работ может выполняться только высококвалифицированными рабочими.Это связано с огромным искажением геометрии сварного шва и последующей правки. судовые конструкции. Рабочий верфи может вручную разложить и вырезать отверстие с помощью ручного плазменного резака, но было бы гораздо дешевле и точнее вырезать это отверстие на механизированном столе для плазменной резки на начальном этапе процесса. Обычная горячая сварка и правка часто препятствуют этому.

Эмпирическое правило звучит так: перенос работы, добавляющей ценность, на один шаг в производственном процессе может снизить стоимость этой работы вдвое (см. Рисунок 5).Это применимо до тех пор, пока восходящий процесс достаточно точен, чтобы обеспечить плавную последующую обработку.

Сварка не всегда соблюдала это правило для многих продуктов. Перенос неточной сварочной операции на несколько этапов выше по потоку фактически увеличил затраты из-за тепловых эффектов, таких как деформация. Искажения увеличивали вариативность на выходе, что, в свою очередь, требовало многочисленных мастеров на этапах сборки. Они проводили дни, ловко собирая неточные компоненты в функциональную весь.

В течение многих лет такие производственные процессы, как плазменная резка высокой плотности, лазерная резка, гибка и формовка, отвечали требованиям точности, поэтому эта работа стала более распространенной на ранних этапах производственно-сбытовой цепочки. Но до недавнего времени сварка создавала «тепловой барьер» на пути к этому идеалу. Искажение сварного шва добавляло вариативности, что означало, что отправка процесса вверх по потоку просто не имела смысла.

Процессы с низким тепловложением, такие как HLAW, меняют уравнение. Уменьшение теплового эффекта резко снижает деформацию, делая процесс соединения почти таким же точным, как его аналоги для резки и гибки.Это, в свою очередь, сводит к минимуму потребность в высококвалифицированной работе в конце производственной цепочки создания стоимости, где такая работа оказывается наиболее затратной. По мере того как производители начинают понимать, как использовать Поскольку преимущества гибридной лазерно-дуговой сварки для достижения общей экономии производства и повышения качества продукции, отрасль может ожидать ускорения ее внедрения.

www.esabna.com

Рис. 5. Согласно традиционному эмпирическому правилу, сдвиг работы, связанной с добавлением стоимости, на один шаг в производственном процессе снижает стоимость этой работы примерно на 50 процентов.Но из-за отклонений, вызванных деформацией, многие сварочные аппараты до недавнего времени не соблюдали это правило.

Лазерно-дуговая гибридная сварка | Scientific.Net

Гибридная сварка нержавеющих сталей или алюминиевых сплавов выполнялась с использованием нагрева. источники YAG-лазера и TIG или YAG-лазера и MIG соответственно.Эффекты сварки условия и потоки расплава в зависимости от глубины проплавления, геометрии сварного шва и образования пузырьков / пористости были исследованы с помощью метода наблюдения в реальном времени с пропусканием рентгеновских лучей. Отличный эффект таяния следовательно, были подтверждены потоки на глубину проплавления и геометрию сварного шва. Относительно пористости подавление при гибридной сварке нержавеющей стали YAG-TIG, образование пузырей не связано с нет образования пористости. С другой стороны, было обнаружено, что исчезновение пузырьков из вогнутая поверхность ванны расплава играет важную роль в отсутствии пористости в гибриде YAG-лазера-MIG сварка алюминиевых сплавов.

Информация:

На эту статью нет ссылок.

Гибридная лазерная дуговая сварка: пришло время?

Пол Денни

Препятствия остаются, но наступает «гибридный век», особенно из-за лазеров высокой яркости

Во время выставки FABTECH в 2010 году произошло два связанных события, касающихся состояния гибридной лазерной сварки.Во-первых, ESAB (www.esabna.com) добавил на свой корпоративный веб-сайт новый раздел, связанный с системами гибридной лазерной дуговой сварки (HLAW) (, рис. 1, ).

На той же неделе Lincoln Electric (www.lincolnelectric.com) объявила о стратегическом партнерстве с IPG Photonics (www.ipgphotonics.com) для разработки систем HLAW-сварки. То, что две крупнейшие в мире компании по дуговой сварке продвигают HLAW, кое-что говорит о том, как этот процесс рассматривается в отраслях.

Рисунок 1. Типовой процесс роботизированной гибридной лазерной дуговой сварки (HLAW). Предоставлено: Alabama Laser.

История HLAW

Принятие традиционных сварочных компаний лазерной технологии не произошло в одночасье. Комбинация лазера с дуговой обработкой для устранения некоторых недостатков технологии почти так же стара, как и сама лазерная обработка. Фактически, Билл Стин опубликовал статью под названием «Arc Augmented Laser Processing of Materials» в Journal of Applied Physics в 1980 году.В большинстве случаев комбинация лазера с дуговой обработкой была связана с настройкой, химическим составом или ограничением мощности лазера. И хотя большая часть гибридной обработки была сосредоточена на газовой дуговой сварке металлическим электродом (GMAW) (, рис. 2, ), были и другие исследователи, исследовавшие сочетание лазеров с газовой дуговой сваркой вольфрамовым электродом (GTAW) (Diebold and Albright, Welding Journal, 1984). и плазма (Walduck and Biffin, Welding Research Abroad, 1995).

Несмотря на то, что HLAW исследовался в течение нескольких 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 фокусировался так сильно», — говорит Вивиан Мерчант, независимый консультант, о своих исследованиях в начале 1990-х годов. в Канадском исследовательском институте обороны. Далее он сказал, что их интерес к использованию HLAW заключается в достижении более высоких темпов производства для военных приложений, таких как сварка материала HY-80 для изготовления подводных лодок, а также для сварки высокопрочных материалов для трубопроводов пересеченной местности.Вивиан продолжает, что они осознали, что «без лазера потребуется 10 проходов, чтобы сварить эту сталь толщиной в один дюйм. С помощью лазера мы можем сузить канавку и сварить эту сталь толщиной в один дюйм всего за 10 проходов. два прохода! »

Рис. 2. Два основных подхода к HLAW: а) лазерное наведение или б) дуговое наведение. Доказано, что любой подход работает с выбором в зависимости от приложения. Предоставлено: EWI.

Даже с «неуклюжими» лазерами некоторые приложения действительно переходили из лаборатории в производственный цех.В 1990-е гг. В Германии продолжались активные усилия по внедрению HLAW. Такие исследователи, как ISF — Институт сварки и соединения при RWTH Ахенского университета, работали с такими компаниями, как Meyer Werft Shipbuilding, Папенбург, Германия, над разработкой и оказанием помощи во внедрении технологии. Результатом стало открытие новой линии панелей на Meyer Werft в 2000 году для сварки палубных и переборочных панелей с ребрами жесткости с использованием HLAW с лазерами CO ₂ . Это не только означало широкое признание технологии, но и потребовало разработки и принятия новых спецификаций для судостроения такими организациями, как DNV и Lloyds.

Существенное изменение

В конце 1990-х — начале 2000-х годов произошли серьезные изменения в лазерных технологиях, которые сильно повлияли на процесс HLAW. С развитием диодной технологии большая мощность, лучшее качество луча и более низкая стоимость позволили использовать эти лазеры отдельно или в качестве источников накачки для современных лазерных систем. Вам больше не нужно было выбирать лазеры CO ₂ (с жесткой оптикой) для высокой мощности или Nd: YAG для гибкости доставки волокна (но с ограничением до 4 кВт). Диодные лазеры использовались для производства волоконных и дисковых лазеров, которые не только обеспечивали доставку волоконным светом и имели мощность равной или превышающей мощность лазеров CO ₂ , но и были более простыми в эксплуатации и обслуживании.

«Недавнее появление новых лазерных технологий высокой яркости, безусловно, имело наибольшее влияние», — сказал Брайан Виктор из EWI, Колумбус, Огайо. «Эти новые лазеры гораздо менее устрашающи для потенциальных пользователей HLAW. Они проще в эксплуатации / обслуживании, более надежны, чем предыдущие лазерные технологии, поставляются с оптоволоконным кабелем для гибкого производства, способны работать с большей мощностью, чем это было возможно с предыдущими промышленными лазерами с оптоволоконной доставкой, и все это по относительно низкой цене за кВт ».

Др.Саймон Ольшок, главный инженер ISF — Института сварки и соединения, RWTH Aachen University, заявляет, что ему известно, что гибрид используется в «… судостроении (используется), автомобилестроении (используется), производстве судов, орбитальной сварке труб до 6 мм, и сварка труб J-Lay до 15 мм ». Он заявляет, что с момента работы в Meyer Werft Shipbuilding он знает о ряде компаний, которые имеют или рассматривают возможность гибридной сварки. Эти усилия подпитываются «новыми лазерными источниками, которые позволяют использовать роботов, и тем, что в настоящее время существует множество институтов по всему миру, которые занимаются гибридной сваркой (которые могут помочь в разработке и внедрении).»

В то время как гибридная обработка осуществляется на европейских верфях с 2000 года, усилия также продолжаются в Соединенных Штатах. Компания Applied Thermal Sciences (ATS), Сэнфорд, штат Мэн, работала с ВМС США, чтобы квалифицировать сварку структурных компонентов HSLA 65 а также легкие сэндвич-панели (известные как LASCOR) из дуплексной нержавеющей стали. Панели LASCOR предназначены для применения на новом корабле DDG 1000. В соответствии с предыдущими комментариями доктора Ольшока, оригинальные усилия ATS в области гибридной сварки были связаны с использованием CO ₂ , в то время как в последнее время были предприняты усилия с использованием волоконных и дисковых лазеров большой мощности.

Гибридная сварка применяется не только на верфях. В Швеции первое промышленное применение HLAW было начато весной 2005 года на предприятии Duroc Rail AB в Лулео. Это приложение заключалось в использовании на Duroc лазера CO ₂ мощностью 20 кВт в сочетании с источником GMAW для сварки вместе больших, толстых и высокопрочных стальных листов для железнодорожных вагонов. Это приложение было разработано Скандинавской сетью гибридной сварки (NORHYB), целью которой было распространение этой технологии в отраслях промышленности Скандинавии.

Гибридные процессы «без дуги»

Хотя HLAW подразумевает «дугу», в настоящее время разрабатываются и внедряются многие другие «гибридные» процессы, сочетающие лазер с другими «электрическими» процессами. В этих других случаях лазер используется в качестве источника прецизионного нагрева и / или электрический процесс обеспечивает недорогой источник тепла для приложения.

Примером одного из этих гибридных процессов «без дуги» является гибридная лазерная пайка. В этом процессе используется резистивный нагрев между деталью и концом системы подачи проволоки для повышения температуры проволоки.Затем лазер используется для доведения припоя, обычно бронзового сплава, до температуры плавления, одновременно нагревая подложку до достаточно высокой температуры, чтобы обеспечить смачивание без флюса. Это может происходить на очень высоких скоростях (> 5 метров / мин) и приводить к качеству шва, которое можно закрасить. Ряд автомобильных компаний внедрили этот процесс, в том числе VW, Mercedes Benz и Chrysler. Примеры некоторых из применений включают крышки грузовиков и сварные швы канавы на крыше.

Еще один «пограничный» процесс HLAW — это лазерная наплавка.Это может быть выполнено подобно лазерной пайке без дуги и с использованием простого резистивного нагрева в сочетании с лазером. Или лазер можно комбинировать с процессом GMAW для нанесения расходной проволоки. Обычно эти процессы используются для ремонта изношенной или поврежденной поверхности и согласования химического состава подложки или осаждаемого материала, чтобы адаптировать поверхность детали для повышения коррозионной и / или износостойкости.

Рисунок 3. Изображение плакированного материала, наплавленного методом HLAW. Предоставлено: Alabama Laser.

Уэйн Пенн из Alabama Laser, Манфорд, Алабама, сообщил о своих усилиях по созданию «гибридного» процесса с резистивным нагревом проволоки и лазера на прошлогоднем семинаре по аддитивному производству лазеров (LAM 2010). Пример оболочки HLAW можно увидеть на Рис. 3 . Alabama Laser использует этот процесс для покрытия больших поверхностей коррозионно-износостойким материалом с меньшим разбавлением и лучшим состоянием поверхности, чем можно достичь с помощью обычных процессов GMAW.Также на LAM 2010 Джоэл Декок из Preco Inc., Сомерсет, Висконсин, (www.procoinc.com) сообщил об «истинном» гибридном процессе сварки компании для наплавки износостойких материалов с очень высокой скоростью с очень низким разбавлением.

• Для большинства «гибридных» приложений GMAW помогает лазерному процессу:
• Добавляя присадочный материал при повышенной температуре с небольшой дополнительной энергией лазера или без нее,
• Позволяя выполнять сварные швы в соединениях с большей посадкой проблемы с верхом и зазоры, которые обычно не свариваются с помощью автогенной лазерной сварки, и
• Изменение химического состава металла шва.

Однако в некоторых случаях лазер помогает процессу GMAW. Как сообщил Брэндон Шинн на FABTECH 2005 в рамках технических сессий AWS, сочетание лазера с импульсной сваркой титана GMAW привело к более высокому качеству сварного шва. Обычно сварка титана методом GMAW затруднена, поскольку катод дуги нестабилен и смещается по сварному шву. В результате получается неравномерный сварной валик и брызги. Однако Шинн обнаружил, что фокусировка всего лишь 200 Вт мощности лазера на сварочной ванне «блокирует» положение катода, что приводит к очень правильному сварному шву.Этот гибридный процесс «GMAW с помощью лазера» может обеспечить очень высокие скорости сварки и небольшие сварные швы для использования при сварке тонких титановых конструкций, например, используемых в аэрокосмической отрасли.

Это увеличение числа применений также является стимулом для изучения того, что является приемлемым гибридным сварным швом. Как указывалось ранее, DNV и Lloyds уже разработали стандарты гибридной сварки для судостроения. Но с недавней деятельностью по HLAW в других отраслях появился дополнительный интерес / потребность в разработке других стандартов / спецификаций другими организациями.Американское общество инженеров-механиков (ASME) и Американское сварочное общество (AWS), оба из которых имеют спецификации лазеров в течение многих лет, активно разрабатывают стандарты и / или рекомендуемые методы для гибридной обработки. Обе организации реагируют на запросы спецификаций от компаний, которые используют свои спецификации для разработки своих записей аттестации процедур (PQR) и своих спецификаций на процедуры сварки (WPS). Эти стандарты будут определять, какие параметры должны быть задокументированы и сколько вариаций или изменений будет разрешено до того, как процесс будет частично или полностью переквалифицирован.

Препятствия на пути к большему использованию

Несмотря на то, что внедрение гибридных процессов, кажется, растет, все еще остаются препятствия на пути к большему использованию. На вопрос, какие «препятствия» для внедрения они видят, Стэн Рим и Брайан Виктор из EWI ответили: «Основным ограничением является стоимость оборудования. Большинство ключевых рынков HLAW будет приходиться на отрасли, которые в настоящее время используют обычную дуговую сварку. Покупка лазера и связанное с этим оборудование будет значительно увеличивать стоимость.Чтобы сделать большие капитальные вложения в систему HLAW, необходимо заранее хорошо понять производительность и другие преимущества процесса HLAW ».

Хотя стоимость является фактором, другие считают, что у процесса есть физические ограничения. Д-р Ольшок сказал, что думал, что по мере увеличения толщины сварного шва будет достигнута точка, в которой будет достигнута способность производить «корневой валик свободной формы». Он сказал, что сегодня этот предел составляет от 12 мм до 15 мм, в зависимости от лазера. Физические ограничения были также озвучены представителями EWI, которые прокомментировали, что, хотя процесс HLAW допускает большие вариации подгонки, чем обычно возможно для автогенной лазерной сварки более тонких материалов, по мере увеличения толщины ограничение процесса HLAW потребует промышленности, чтобы улучшить допуски на посадку по сравнению с тем, что в настоящее время достигается для дугового процесса.Стоимость этого улучшения необходимо будет сопоставить с другими преимуществами процесса HLAW.

Дальнейшие исследования и разработки

Пока идет реализация процесса HLAW, проводятся дальнейшие исследования и разработки для других приложений. Хотя сегодня может оказаться непрактичным получение сварных швов толщиной 25 мм за один проход с помощью процесса HLAW, это возможно с помощью многопроходных сварных швов. Исследователи изучают этот подход для трубопроводов и других применений с толстым сечением, используя HLAW для корневого прохода и HLAW или обычную дуговую сварку для последующего прохода.Также ведется работа по использованию нескольких проводов для большего заполнения или облицовки, а также усилия по согласованию совместной работы лазера и источников питания GMAW для достижения еще большей производительности и контроля.

Как уже было замечено, «гибридный век», возможно, наступал медленно, но в последние несколько лет ускорился. Такое ускорение внедрения было обусловлено усовершенствованием лазеров, особенно лазеров высокой яркости. Эти новые лазеры позволили упростить интеграцию в системы и снизить стоимость владения, что повысило рентабельность процесса.Кроме того, по мере появления новых стандартов появляется вероятность того, что технология будет принята и внедрена. Дальнейшая реализация будет зависеть от дополнительных достижений в лазерах и технологиях.

Благодарности

Автор хотел бы поблагодарить Стэна Рима и Брайана Виктора из EWI, доктора Саймона Ольшока из Ахенского университета и Вивиан Мерчант за их обширные комментарии и вклад, которые сделали эту статью возможной.

Пол Денни (Paul Denney) — старший инженер по лазерным приложениям в Lincoln Electric Corp., Кливленд, Огайо, электронная почта [email protected].

Другие статьи ILS
Прошлые выпуски ILS

% PDF-1.4 % 57 0 объект > эндобдж xref 57 70 0000000016 00000 н. 0000001748 00000 н. 0000002271 00000 н. 0000002502 00000 н. 0000002670 00000 н. 0000002879 00000 п. 0000003148 00000 п. 0000003794 00000 н. 0000004162 00000 п. 0000004675 00000 н. 0000005172 00000 п. 0000005565 00000 н. 0000005923 00000 н. 0000009877 00000 н. 0000010249 00000 п. 0000010622 00000 п. 0000010896 00000 п. 0000014654 00000 п. 0000015094 00000 п. 0000020975 00000 п. 0000021418 00000 п. 0000021440 00000 п. 0000021784 00000 п. 0000022041 00000 п. 0000022377 00000 п. 0000022493 00000 п. 0000023496 00000 н. 0000024691 00000 п. 0000024713 00000 п. 0000024989 00000 п. 0000025661 00000 п. 0000025784 00000 п. 0000026108 00000 п. 0000026464 00000 н. 0000027640 00000 п. 0000027662 00000 н. 0000028820 00000 н. 0000028842 00000 п. 0000030026 00000 п. 0000030048 00000 п. 0000030134 00000 п. 0000030410 00000 п. 0000030700 00000 п. 0000031274 00000 п. 0000031527 00000 н. 0000032577 00000 п. 0000032833 00000 п. 0000032946 00000 п. 0000033232 00000 н. 0000033572 00000 п. 0000034698 00000 п. 0000034721 00000 п. 0000034965 00000 п. 0000035146 00000 п. 0000035454 00000 п. 0000035722 00000 п. 0000035988 00000 п. 0000036065 00000 п. 0000036309 00000 п. 0000036620 00000 н. 0000036911 00000 п. 0000038034 00000 п. 0000038056 00000 п. 0000039083 00000 п.