Особенности применения гибридной лазерно-дуговой сварки (Обзор)

Проанализированы особенности применения различных способов гибридной сварки с учетом используемых параметров процесса, типов свариваемого металла и его толщины. Рассмотрены экономические аспекты применения гибридной сварки, особенности контроля качества. Peculiarities of application of different hy...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Автоматическая сварка
Date:2010
Main Authors: Ках, П., Салминен, А., Мартикаинен, Дж.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2010
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101709
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Особенности применения гибридной лазерно-дуговой сварки (Обзор) / П. Ках, А. Салминен, Дж. Мартикаинен // Автоматическая сварка. — 2010. — № 6 (686). — С. 38-47. — Бібліогр.: 40 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859520391956922368
author Ках, П.
Салминен, А.
Мартикаинен, Дж.
author_facet Ках, П.
Салминен, А.
Мартикаинен, Дж.
citation_txt Особенности применения гибридной лазерно-дуговой сварки (Обзор) / П. Ках, А. Салминен, Дж. Мартикаинен // Автоматическая сварка. — 2010. — № 6 (686). — С. 38-47. — Бібліогр.: 40 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Автоматическая сварка
description Проанализированы особенности применения различных способов гибридной сварки с учетом используемых параметров процесса, типов свариваемого металла и его толщины. Рассмотрены экономические аспекты применения гибридной сварки, особенности контроля качества. Peculiarities of application of different hybrid welding methods are analysed allowing for the process parameters used, types and thecknesses of the metal welded. Economic aspects of utilisation of hybrid welding and characteristic features of quality control are considered.
first_indexed 2025-11-25T20:53:27Z
format Article
fulltext УДК 621.791.72:621.375.826 ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГИБРИДНОЙ ЛАЗЕРНО-ДУГОВОЙ СВАРКИ (Обзор) П. КАХ1, А. САЛМИНЕН1,2, Дж. МАРТИКАИНЕН1 (1 Лаб. технологии сварки и обработки лазером, Технол. ун-т, г. Лаппеенранта, Финляндия), (2 Центр маш. технологий «Турку Лтд.», г. Турку, Финляндия) Проанализированы особенности применения различных способов гибридной сварки с учетом используемых пара- метров процесса, типов свариваемого металла и его толщины. Рассмотрены экономические аспекты применения гибридной сварки, особенности контроля качества. К л ю ч е в ы е с л о в а : лазерная сварка, сварка МИГ/МАГ, гибридная сварка, лазерная сварка + сварка ТИГ, лазерная + плазменная сварка, лазерная + тандем-сварка, лазерная сварка + дуговая сварка металлическим покрытым элект- родом Изучение процесса гибридной лазерно-дуговой сварки началось в 1978 г. с выхода в свет первой статьи о сварке ТИГ в сочетании с лазерной свар- кой [1]. Сегодня лазеры, используемые в гибрид- ной лазерно-дуговой сварке, включают лазеры старшего поколения (CO2-лазер, Nd:YAG-лазер, диодный), а также новые типы (дисковый и во- локонный). CO2-лазер был первым и наиболее часто используемым при гибридной сварке [2–6]. Nd:YAG-лазеры успешно применяют при гибрид- ной сварке для соединения алюминия, материалов с высокой отражательной способностью и стали, благодаря его короткой длине световой волны га- рантируется больший уровень ее поглощения [7]. Одним из преимуществ Nd:YAG-лазера является применение оптоволокна для перемещения пучка. Гибридная сварка объединяет энергию двух различных источников энергии в одной зоне про- плавления. Как правило, сфокусированный лазер- ный пучок направлен в зону соединения перпен- дикулярно поверхности пластины, а горелка нак- лонена под определенным углом к точке взаи- модействия лазерного пучка и материала. При этом лазерный пучок с высокой плотностью энергии и электрическая дуга с высоким энерге- тическим КПД взаимодействуют одновременно в одной области процесса (плазма и сварочная ван- на), помогая друг другу (рис. 1). При гибридной сварке количество переменных параметров уве- личивается вследствие объединения различных процессов, имеющих свои параметры [5–9]. Су- ществует множество гибридных способов сварки, отличающихся лазерным источником (СО2-лазер, Nd:YAG-лазер, диодный, волоконный или диско- вый) и способами дуговой сварки (МИГ/МАГ, ТИГ, плазменная сварка, тандем-сварка, дуговая сварка металлическим покрытым электродом). При этом можно также использовать специальные головки, в которых лазерный пучок окружен элек- трической или плазменной дугой [9, 10]. В процессах гибридной сварки потенциал, как правило, определяют с помощью выбора соответ- ствующей настройки оборудования и базовых па- раметров, режимов, адаптированных к требова- ниям материала, его структуре и условиям изго- товления. Если граничные условия процесса выб- раны правильно, то гибридная сварка является стабильной, эффективной и гибкой технологией. Исследования выявили, что при совмещении различных способов сварки достигается синерге- тический эффект, при этом недостатки отдельных способов сварки компенсируются. Например, ти- пичный узкий шов лазерной сварки в некоторых случаях способствует появлению металлургичес- ких проблем и проблем при сборке, а повышенное количество подводимого тепла при дуговой свар- ке увеличивает деформацию изделия, что приво- дит к последующим затратам на повторную об- работку. К преимуществам относят возможность заполнения зазора при увеличенном зазоре в стыке вследствие неточной подготовки кромок и допусков по фиксации; повышение проплавления и скорости сварки, что удерживает на мини- мальном уровне подводимое тепло и тепловую деформацию; повышение равномерности форми- рования наплавленного валика; расширение сфе- ры применения адаптированных к требованиям материалов конструкций и условиям изготовле- ния; снижение инвестиционных расходов в связи с экономией лазерной энергии. Отмечено также улучшение металлургических свойств при ис- пользовании присадочного материала и уменьше- ние пористости благодаря ускоренному выделе- нию газа из сварочной ванны увеличенного раз- мера, особенно в швах с частичным проплавле- нием [2, 3, 10–12]. При гибридной сварке дуга находится в стабильном состоянии, поскольку ка- © П. Ках, А. Салминен, Дж. Мартикаинен, 2010 38 6/2010 тодное пятно дуги расположено в области теп- лового воздействия благодаря лазерному излуче- нию в парогазовом канале. Следовательно, резуль- таты, полученные с помощью высокоскоростной камеры, показали, что генерируемая лазером плаз- ма оказывает решающее воздействие на стабиль- ность дуги [13, 14]. Гибридную сварку в основном применяют в случае, если толщина пластины позволяет выпол- нять однопроходную сварку. При этом ограни- чивающим фактором является мощность лазер- ного излучения. При использовании высокомощ- ных лазеров можно сваривать пластины толщиной до 30 мм за один проход. Однако с помощью ла- зеров средней мощности также возможно соеди- нение стальных листов большой толщины, при этом необходим фиксированный зазор между сва- риваемыми пластинами и применение многопро- ходной сварки. Как и при лазерной сварке с при- садочной проволокой, при гибридной сварке воз- можно использование лазеров средней мощности для больших сечений. И хотя лазер не обязательно должен быть очень мощным (что означает сок- ращение инвестиционных расходов), возможно получение качественных соединений. Кроме под- готовки кромок без скоса при выполнении сты- кового шва, можно также использовать V- и Y- образную подготовку кромок, которая часто может быть обеспечена непосредственно при вы- резке заготовки без дальнейшей механической обработки. Сфера применения гибридной лазерно-дуговой сварки включает многие отрасли промышленнос- ти (например, судостроительную, автомобиль- ную, производство контейнеров) [9–11, 15, 16]. Благодаря значительным преимуществам гибрид- ная сварка является достаточно надежным спо- собом соединения различных материалов. Как показано в работе [17], расстояние между положением лазерного пучка и дугой, называемое «расстоянием процесса», является важным пара- метром гибридной лазерно-дуговой сварки. Если оно слишком большое, плазмы дуги и лазера на- ходятся отдельно друг от друга, что приводит к нестабильности дуги, поскольку в этом случае плазма лазера и нагретый материал не направлены на ее генерирование и поддержку [18]. Если же «расстояние процесса» составляет 5 мм или более, указанные процессы действуют независимо [18, 19]. Это зависит от скорости сварки, мощ- ности дуги и лазера, а также используемого ма- териала. Лазерная сварка + сварка МИГ/МАГ. Ос- новные особенности этого способа сварки (рис. 1) практически одинаковы как для CO2-лазера, так и для твердотельных лазеров. Лазерный и дуговой способы сварки имеют одну рабочую зону про- цесса и сварочную ванну. Процесс сварки можно контролировать таким образом, чтобы составля- ющая МИГ/МАГ обеспечивала соответствующее количество расплавленного присадочного матери- ала для заполнения зазора и разделки кромок, в то время как лазер будет формировать парогазо- вый канал в пределах сварочной ванны, чтобы обес- печить желаемую глубину проплавления, которая достигается благодаря высокой скорости сварки. В результате при сочетании лазерного пучка и дуги МИГ/МАГ формируется сварочная ванна большего размера, чем при лазерной сварке [10]. Структуру и механические свойства металла шва можно улучшить путем изменения его хи- мического состава в результате использования со- ответствующего присадочного материала. Хими- ческие элементы, входящие в состав проволоки, должны равномерно распределяться в металле шва для получения однородной структуры. Од- нако достичь этого в узких швах с глубоким проп- лавлением нелегко. Еще одной причиной необ- ходимости использования присадочного матери- ала является повышенная склонность к горячему растрескиванию сложных сплавов. Считается, что наиболее перспективным способом гибридной ла- зерно-дуговой сварки является тот, при котором используют дополнительные присадочные мате- риалы, т. е. сочетающий гибридную лазерную сварку и сварку МИГ/МАГ [3–10]. С помощью этого способа можно заполнить зазоры 0,6 мм (при мощности лазера 2,7 кВт [20]) и 1 мм (при мощности лазера 2,0 [18] и 5,7 кВт [15]). Как и при других способах сварки, возможности гибридной лазерной сварки + сварки МИГ/МАГ в основном определяются путем соответствующей настройки системы и выбора основных параметров процесса. В этом случае параметры процессов ла- зерной сварки и сварки МИГ/МАГ можно варь- ировать в достаточно широком диапазоне с целью получения необходимых рабочих характеристик процесса сварки, таких, как глубина сварки и за- Рис. 1. Схема процесса гибридной сварки с устройс- твами ведения лазера и дуги: 1 — дуга; 2 — присадоч- ный материал; 3 — сварочная ванна; 4 — металл шва; 5 — обрабатываемое изделие; 6 — парогазовый канал; 7 — испарение металла; 8 — газовая защита; 9 — лазерный пучок; 10 — поперечная струя 6/2010 39 полнение зазора, форма шва и металлургические свойства [5]. Сравнение уровня проплавления шва при ла- зерной сварке, сварке МИГ/МАГ и гибридной сварке (рис. 2) показывает, что лазерный шов ха- рактеризуется вогнутостью валика, тогда как шов МИГ/МАГ имеет максимальное усиление валика, а гибридный отличается предельным усилением и большой шириной при такой же глубине проп- лавления и скорости, как у лазерной сварки. Глубина проплавления в основном определя- ется мощностью лазерного пучка и его фокусиров- кой, а ширина шва — напряжением. Если воз- душный зазор отсутствует, то максимальную ско- рость сварки, позволяющую получить полное проплавление, можно достичь при гибридной сварке CO2-лазером, а при сварке МИГ/МАГ и сварке CO2-лазером она ниже. Это объясняется наличием излишнего металла на верхней части изделия, который требует проплавления, а также отклонением фокальной точки от установленного положения. Скорость сварки возрастает с увели- чением ширины воздушного зазора. Можно увеличить воздушные зазоры до максимальной ширины (до 1,5 мм), но при этом процесс сварки нестабилен и сопровождается брызгами. Швы, вы- полненные гибридной сваркой, отличаются, как правило, более низкой прочностью по сравнению со швами, выполненными лазерной сваркой [22]. По результатам эксперимента, который про- водили с целью исследования стабильности гиб- ридной сварки CO2-лазер + сварка МИГ/МАГ, путем анализа влияния некоторых параметров процесса сварки можно заключить, что оптималь- ное расстояние в гибридном процессе (расстояние между осью луча и осью плавящегося электрода) зависит от режима переноса металла при дуговой сварке в защитном газе и является очень важным фактором для стабильности и повторяемости про- цесса. Во многих работах указывается на необ- ходимость выбора параметров дуги, обеспечива- ющих импульсную/струйную дугу, а не корот- кую/капельную [10, 23]. Излучение Nd:YAG-ла- зера благодаря меньшему взаимодействию с плаз- мой дуги позволяет приблизиться к дуге больше, чем излучение CO2-лазера. Чтобы достичь мак- симального проплавления фокальная точка во многих случаях должна находиться ниже повер- хности обрабатываемого изделия [10]. При этом желательно, чтобы отклонение дуги было наимень- шим. Угол отклонения от 15 до 30° к оси лазера позволяет выполнить работу на приемлемом тех- ническом уровне. Авторы работы [24] исследовали параметры процесса гибридной лазерной сварки + сварки МАГ с использованием CO2-лазера (HSLA-590) мощностью 2,4 кВт. Они определили, что гибрид- ный наплавленный валик, формируемый под воз- действием дуги, не такой ровный, как наплавлен- ный валик, формируемый под воздействием ла- зера. Исходя из его внешнего вида можно за- ключить, что лучшее формирование валика дости- гается при лазерном процессе. Определено также, что металл шва, выполненного гибридной свар- кой, имеет более высокую вязкость, чем металл шва, выполненного лазерной сваркой даже на более высокой скорости. Была измерена твердость металла стыковых швов, выполненных гибридной лазерной свар- кой + сваркой МИГ с нулевым зазором на мак- симальной скорости. Дефекты в швах отстутство- вали. На рис. 3 видно, что максимальные значения твердости составляют HV 1 400, 258 и 268 соот- ветственно для лазерной сварки, сварки МИГ и гибридной, что в 2,50, 1,70 и 1,75 раза больше твердости основного металла. Несмотря на боль- шее значение твердости металла гибридного шва по сравнению с металлом шва МИГ, его твердость, как правило, на HV 1 20…50 ниже, чем металла шва, выполненного сваркой МИГ. Это сопровожда- ется сокращением на 40 % площади зоны термичес- кого влияния (ЗТВ) от 8,6 до 5,2 мм2. Эти данные получены путем обработки цифрового изображе- ния. В структуре металла ЗТВ при гибридной ла- зерной сварке + сварке МИГ бейнит отсутствует, но формируется игольчатый феррит, чем объяс- няется значительное уменьшение твердости [25]. Рис. 2. Макрошлифы проплавлений, выполненных лазерной сваркой (а), сваркой МАГ (б) и гибридной лазерной свар- кой + сваркой МАГ (в) [21] Рис. 3. Твердость HV 1 металла шва, выполненного на сплаве СМn250 толщиной 2,13 мм гибридной сваркой (лазерная сварка + сварка МИГ) без зазора на максимальной скорости (мощность CO2-лазера 2250 Вт; сварки МИГ — 79 кВт) [25]: 1 — скорость лазерной сварки 4,4 м/мин; 2 — сварки МИГ 2,2 м/мин; 3 — гибридной сварки 4,5 м/мин; l — расстояние от центра шва 40 6/2010 На рис. 4 показано влияние ширины зазора на максимальную скорость сты- ковой сварки. При лазерной сварке происходит уменьшение скорости сварки при ширине зазора более 0,1 мм. При сварке МИГ изменение ширины зазора на скорость сварки влияния не оказывает. При гибридной сварке с увеличением ши- рины зазора скорость сварки умень- шается незначительно. Так, при зазоре шириной 0,6 мм скорость сварки умень- шается всего на 22 % (от 4,5 до 3,5 м/мин) [25]. Приведены результаты исследова- ний соединений различных конфигура- ций и материалов разной толщины, по- лученных гибридной лазерной сваркой. На рис. 5 показаны допуски на откло- нение при гибридной лазерной сварке трубной стали толщиной 10 мм с V- образной обработкой кромки с углом 10° и притуплением кромки 1 мм (CO2- лазер мощностью 10,5 кВт, импульсная дуга МИГ, присадочная проволока (G3Si1) диаметром 1,2 мм, скорость по- дачи проволоки 5,2 м/мин, использова- лась защитная смесь газов аргон+ге- лий). Установлено, что гибридная свар- ка по сравнению с лазерной имеет дос- тоинства в части требований к сварке. При гибридной сварке также полу- чен хороший переход от усиления шва к основному металлу (рис. 6). При этом использовали Nd:YAG-лазер мощностью 3 кВт с применением оптоволокон диамет- ром 0,6 мм или CO2-лазер мощностью 6 кВт. Выполненные на очень высоких скоростях швы не имели трещин и пор и отличались достаточной прочностью. Недавно в Фраунгоферовском инс- титуте лазерных технологий [3] прове- дено исследование, направленное на расширение технического уровня гиб- ридной сварки (лазерная сварка + свар- ка МАГ) высокопрочных конструк- ционных сталей. Большая часть швов выполнена с помощью встроенного сопла для гибридной сварки, изготовленного там же. Полученные результаты пока- зали, что мощность лазерного излучения и ско- рость сварки должны быть приспособлены под толщину пластины и ширину зазора при полу- чении стыковых соединений в нижнем и боковом положениях. В том же эксперименте определено, что можно сваривать сталь толщиной 25 мм (рис. 7) без образования горячих трещин. Если они возникают, то только при наличии нескольких не- больших пор. При этом V- и Y-образная подго- товка кромок с углом 4…8°, соответствующая скорость сварки и правильно подобранное коли- чество тепла на единицу длины являются очень важными факторами. Различия между CO2-лазером и Nd:YAG-ла- зером, используемым при гибридной сварке, сос- тоят в длине волны. CO2-лазер является более эко- номичным и имеет большую скорость сварки, чем Nd:YAG-лазер с более высокой мощностью. Рис. 4. Влияние ширины h зазора на максимальную скорость vсв гибридной сварки (1) (мощность CO2-лазера 2250 Вт), лазерной сваркой (2) и сваркой МИГ (3) (мощность 9 кВт) (сплав СМn250 толщиной 2,13 мм) [25] Рис. 5. Макрошлифы соединений трубной стали Х25 толщиной 10 мм [15], выполненных гибридной сваркой со скоростью 1,0 (а) и 0,8 м/мин (б, в) Рис. 6. Макрошлифы соединений различных конфигураций крупносортной стали толщиной 6…8 мм (а–д) и тонколистовой стали толщиной 2 мм (е), выполненных гибридной сваркой [26] 6/2010 41 Однако у CO2-лазера система подачи пучка слож- нее, чем у Nd:YAG-лазера, отличающегося более короткой длиной волны и подачей пучка через оптоволокно, что обеспечивает его лучшую пог- лощаемость, особенно при сварке алюминия. Тем не менее CO2-лазер и Nd:YAG-лазер с ламповой накачкой имеют значительные недостатки, например, относительно низкий КПД штепсель- ной вилки (менее 10 %). Это означает, что сис- темы не только требуют большой энергии для работы, им также необходимо охлаждающее обо- рудование [13, 16, 17, 27]. Выбор защитного газа является важным фак- тором для гибридной сварки. Для Nd:YAG-лазера выбор технологического газа определяется тре- бованиями стабильности дуги и качеством за- щиты валика; при сварке МИГ/МАГ необходимо также учитывать отрыв капли и перенос металла без разбрызгивания. Аргон является основной сос- тавляющей используемой смеси газов. Незначи- тельное добавление кислорода способствует от- рыву капли и сокращению разбрызгивания. Смесь с гелием способствует большему напряжению ду- ги и увеличению мощности, которая приводит к увеличению ширины валика, но дестабилизирует дугу. Несмотря на это при использовании CO2- лазера часто применяется смесь с гелием для ис- ключения плазменной защиты. Присутствие ла- зерного пучка обеспечивает приемлемую стабиль- ность дуги даже при значительном содержании гелия [27]. Компании «Volkswagen» и «Audi» убедились в преимуществах использования гибридной лазер- ной сварки + сварки МИГ в автомобильной про- мышленности. В судостроении этот способ сварки постепенно начинают применять для соединения изделий с толщиной стенки 15 мм [6, 9, 15, 28]. Лазерная сварка + сварка ТИГ. При сов- местном действии дуги ТИГ и лазерного пучка устанавливается такое тепловое условие, при ко- тором улучшается абсорбция лазерной энергии: в нагретой области лучше происходит прохож- дение лазерной энергии в основной материал [5]. Такое сочетание образует вдоль прохода шва обычную перемещающуюся жидкую ванну. Ти- пичная схема гибридной лазерно-дуговой сварки представлена на рис. 8. В работе [1] представлены результаты экспе- римента с применением CO2-лазера и сварки ТИГ. Установлено, что сочетание сварки ТИГ с лазер- ной имеет существенные преимущества: основа- ние дуги остается стабильным в горячем пятне, которое генерируется лазером, в связи с чем дуга и при малом токе может быть стабильной даже при высокой скорости сварки; при комбиниро- ванном процессе основание дуги сужается, что помогает избежать образования подрезов, что, как правило, связано с высокой скоростью дуговой сварки, особенно при сварке алюминиевых спла- вов. Поглощаемость металла шва возрастает с повышением температуры при длине волны ла- зерного пучка 10600 нм [1, 15, 30]. В работе [6] сообщается, что при гибридной сварке CO2-ла- зер + сварка ТИГ очень зависят от вида защит- ного газа и используемой методики защиты. В работе [31] исследовали сварное соединение из сплава магния и стали, полученное различными споcобами сварки. Выявлено, что благодаря вы- сокой энергоемкости и быстрому механизму пе- ремешивания в сварочной ванне существует воз- Рис. 7. Макрошлифы поперечных сечений образцов оптими- зированных гибридных швов для механических и технологи- ческих испытаний [3] Рис. 8. Схема гибридной лазерно-дуговой сварки (CO2-ла- зер + сварка ТИГ) [29]: 1 — горелка ТИГ; 2 — обрабатывае- мое изделие; 3 — сварочная ванна; 4 — лазерный пучок 42 6/2010 можность соединять сплав магния и сталь с по- мощью гибридной лазерной сварки + сварки ТИГ, что практически невозможно осуществить тради- ционными способами сварки плавлением (мощ- ность лазера 400 Вт, скорость сварки 15 мм/с, ток сварки ТИГ 80 А, «расстояние процесса» 1 мм, положение фокуса лазера 1 мм, диаметр вольфра- мового электрода 3,2 мм, угол между электродом, обрабатываемым изделием и направлением свар- ки 50°, расход аргона 0,5 л/с, частота лазерного импульса 39 Гц). Одним из недостатков лазерной сварки явля- ется наличие пор, которые возникают из-за вы- сокой мощности и глубокого проплавления, осо- бенно при частичном проплавлении. Важная за- дача при сварке алюминия — исключить появ- ление пор или уменьшить их количество в металле шва. Этому препятствует пористость, которая образуется в результате испарения таких легиру- ющих элементов, как магний. При несоответству- ющих параметрах сварки также могут возникать трещины [6, 14]. Образование пор в металле шва зависит от тока при сварке ТИГ и состава за- щитного газа при гибридной лазерной сварке + + сварка ТИГ. Способ гибридной сварки лазерная сварка + сварка ТИГ оказался перспективным для полу- чения стыкового соединения сверхтонких (0,4…0,8 мм) листов аустенитной стали. Наличие сварочной ванны, генерируемой лазером, стаби- лизирует дугу ТИГ, что позволяет достичь ско- рость сварки до 15 м/мин с лазерным слежением. Сочетание лазера и дуги ТИГ способствует вы- полнению швов шириной, достаточной для ни- велирования небольших дефектов среза кромки или несовпадения между двумя соединяемыми листами. С целью исключения тепловой дефор- мации и излишнего оплавления необходимо ми- нимизировать ток сварки ТИГ и использовать до- полнительный защитный газ [32]. Ученые отмечают, что проплавление при гиб- ридной лазерной сварке зависит не от тока дуги, а от мощности лазерного излучения при гибрид- ной сварке CO2-лазер + сварка МАГ и гибридной сварке Nd:YAG лазер + сварка ТИГ [26, 33]. Как видно из рис. 9, а, во всех гибридных швах проп- лавление гибридных швов было глубже чем, у лазерных швов, если значение тока ТИГ было пос- тоянным. При различных значениях тока ТИГ и постоянной мощности лазера, проплавление ос- тается таким же, но ширина шва увеличивается с повышением мощности сварки ТИГ (рис. 9, б) [12]. Лазерно-плазменная сварка. При гибридной лазерно-плазменной сварке обрабатываемых из- делий лазерный пучок и плазменная струя сое- диняются в области, расположенной близко к об- рабатываемому изделию (рис. 10) [34]. Во время работы плазменная горелка находится под углом приблизительно 45° к лазерному пучку. Струя плазмы, вызванная свободной микроволной, ге- нерируется в высокочастотном микроволновом источнике и направляется в полый волновод. Тех- нологический газ вводится в микроволновую прозрачную трубку через впускное отверстие, а плазма генерируется путем зажигания техноло- гического газа без применения электрода [34–36]. Зажигание основной дуги происходит посредс- твом низкоамперной вспомогательной дуги, сфор- мировавшейся между концом электрода и соплом. После зажигания вспомогательная дуга выраба- тывает достаточное количество тепла для иони- зации воздушного зазора между соплом и обра- батываемым изделием. Преимуществом вольфра- мового электрода является то, что он размещен за соплом, которое обеспечивает характерное Рис. 9. Макрошлифы поперечных сечений швов, выполненных на нержавеющей стали типа 304 толщиной 5 мм сваркой Nd:YAG-лазером и гибридной сваркой лазером + сварка ТИГ при различных мощности лазера (а) и токе дуги (б) [12] 6/2010 43 струйное воздействие плазмообразующего газа. Стабильное функционирование дуги поддержива- ется без ухудшения характеристик электрода в течение достаточно продолжительного времени, поскольку конец электрода не подвергается воз- действию загрязняющих веществ [35]. При гибридной лазерно-плазменной сварке с целью повышения скорости охлаждения после сварки как инструмент термообработки вводится источник дугового нагрева. Таким образом можно уменьшить содержание хрупких микроструктур, склонных к разрушению при эксплуатации. При использовании гибридной лазерно-плазменной дуговой сварки в качестве основного процесса и термообработки можно значительно сократить время изготовления изделия [35]. Этот процесс имеет существенные преимущес- тва, если его использовать при лазерно-плазмен- ной сварке, включающей жесткую высокотемпе- ратурную колоннообразную дугу с хорошими свойствами ориентирования, которая обеспечива- ет больший допуск по сравнению с лазерной свар- кой для несоответствующих и сравнительно не- удовлетворительных условий сборки. Более того, при относительно небольшом увеличении капи- таловложений этот процесс имеет экономические преимущества и перспективу для широкого при- менения лазера в промышленности. В настоящее время существует всего несколько гибридных ла- зерно-плазменных систем, которые служат для выполнения промышленных задач, но эта ситу- ации в будущем, скорее всего, изменится благо- даря пригодности процесса для промышленного применения. Для широкого использования гиб- ридных лазерно-плазменных систем необходимо всестороннее научное понимание этого процесса и сфер его применения [34]. Предыдущие испытания плазменно-дугового способа сварки дополнены CO2-лазером мощ- ностью 400 Вт и на токе 50 А [34]. В ходе эк- сперимента протестировано большое количество различных материалов (низкоуглеродистая сталь, нержавеющая сталь, титан и алюминий) толщи- ной от 0,6 до 2 мм. Выявлено, что комбиниро- ванный процесс может предотвратить образова- ние «горок» при высокоскоростной сварке тонких листов. При плазменной лазерно-дуговой сварке имеют место более высокие допуски несоответ- ствия пучок–зазор (от 0,15 до 0,50 мм) при vсв = 2 м/мин и токе 50 А. В работе [37] сообщается, что лазерно-дуговой способ сварки со вспомогательным лазером ис- ключает горячее растрескивание в зоне сплавле- ния алюминиевых сплавов 6061 и 6111, если ис- пользовать дугу с постоянной мощностью вместо импульсной. Зоны сплавления как у нержавеющей стали, так и алюминия оказались более широкими, чем при выполнении лазерных швов. Определено, что швы, полученные лазерно-плазменной свар- кой, были не такими отполированными, как при импульсной Nd:YAG-лазерной сварке. Способ гибридной лазерно-плазменной сварки показал се- бя весьма стабильным. Этот эффект наблюдался при лазерно-дуговой сварке металлическим элек- тродом в защитном газе. Лазерная тандем-сварка + сварка МИГ. Способ сварки лазерная тандем + сварка МИГ яв- ляется сочетанием лазерного пучка и дуговых процессов только с одной зоной расплава. Схема процесса гибридной лазерной тандем сварки + + сварки МИГ представлена на рис. 11 [9]. Ла- зерный пучок, установленный под углом приб- лизительно 90° по отношению к обрабатываемому изделию, используется для заварки корня. Обе другие следящие дуги имеют смещенный угол наклона и применяются для увеличения запол- нения корня шва и его толщины. В процессе свар- ки используют три различные выходные мощнос- ти, которые можно устанавливать в зависимости от желаемого результата. Посредством соответс- твующей выходной мощности для тандем-сварки можно выбрать геометрию соединения, желаемое заполнение соединений и скорость. Путем изме- нения скорости сварки, диаметра фокальной точки и мощности лазерного излучения при подготовке скоса кромки можно также изменять глубину шва. Более того, для получения желаемых металлур- гических характеристик [10] используют два при- садочных материала с различными химическими составами. При правильном выборе параметров процесса можно целенаправленно воздействать на геомет- рию шва и структурные составляющие его ме- талла. Способы дуговой сварки увеличивают за- варку зазора путем добавления присадочного ме- талла, что также определяет ширину шва, а сле- довательно, упрощает подготовку шва. Эффектив- Рис. 10. Схема расположения системы сварка плазменной дугой, дополненной лазером: 1 — плазменная горелка; 2 — плазменная дуга; 3 — обрабатываемое изделие; 4 — парога- зовый канал; 5 — сварочная ванна; 6 — лазерный пучок 44 6/2010 ность сварки значительно увеличивается в резуль- тате взаимодействия процессов. Как определено в работах [9, 38], преимущес- твом комбинированных процессов является то, что при расплавлении присадочного металла дав- ление дуги не влияет на обрабатываемое изделие. При гибридной сварке лазерная тандем-сварка + + сварка МИГ есть возможность отдельно кон- тролировать мощность лазерного излучения дуги, а также ее длину, что, как утверждается в [10, 37], улучшает отрыв капли, увеличивает стабиль- ность дуги и способствует незначительному раз- брызгиванию. Более того, вместе с этим способом сварки можно использовать гибридную лазерную сварку МИГ/МАГ одной дугой. Процесс гибрид- ной лазерной тандем-сварки + сварки МИГ/МАГ исследован в работе [38] при соединении труб из конструкционной стали с толщиной стенки 8 мм и внутренним диаметром 500 мм, что со- ответствует стандарту EN 10149-2. Установлено, что при Y-образной подготовке кромок можно по- лучать швы с полным проплавлением. Лазерно-дуговая сварка под флюсом. При гибридной лазерной сварке + сварке МИГ/МАГ необходимо выполнять условия в отношении пре- дупреждения порообразования в корне швов, если сваривается металл толщиной более чем 12 мм. Опасность образования пор связана с недостаточ- ной способностью к дегазации металла глубоких и узких лазерных швов. Чтобы предотвратить это сварочную ванну необходимо удерживать на про- тяжении длительного времени [39]. Это послу- жило поводом для проведения экспериментов по оценке возможности удержания сварочной ванны более продолжительное время при использовании гибридной лазерной дуговой сварки под флюсом и созданию более благоприятных условий для де- газации. Здесь оба процесса сварки действуют вместе в одной рабочей зоне [28] на близком рас- стоянии (13…15 мм). Объединение двух сварочных процессов — сварки лазерным пучком и дуговой сварки под флюсом в одной рабочей зоне оказалось проб- лемой, поскольку флюс попадал в парогазовый канал лазерного пучка, а лазерное излучение пог- лощалось флюсом, а не металлом. Было создано устройство, которое препятствует такому «выпа- дению» флюса. Ключевым звеном в нем является разделительная пластина (разработана RWTH, Аахенский университет), которая устанавливается между лазерным пучком и устройством подачи флюса (рис. 12). При проведении исследований замечено нали- чие пространственного расстояния между двумя процессами и разделение шва на две области — сваренную лазером и дуговой сваркой под флю- сом. Расстояние должно быть выбрано достаточно коротким для обеспечения выпадение минималь- ного количества флюса и настолько большим, что- бы шлак в начале процесса не зажимал сварива- емый лист. При этом очень важен угол наклона разделительной пластины. Если он слишком боль- шой, то разделительная пластина может быть зах- вачена лазерным пучком, а если слишком мал, то дуга может гореть между разделительной плас- тиной и присадочной проволокой. В этих областях отсутствует перемешивание металла шва. Именно предварительный нагрев за счет лазерного пучка, приводит к синергетическому эффекту, который увеличивает скорость процесса дуговой сварки под флюсом [21, 40]. Таким образом, гибридная лазерно-дуговая сварка под флюсом является наиболее целесооб- разной среди способов гибридной лазерно-дуго- вой сварки. Промышленность проявляет значи- тельный интерес к этому способу сварки, имею- щему практическое применение благодаря ис- пользованию менее дорогостоящих и гибких ис- точников лазерного излучения. Использование в этом процессе твердотельных лазеров дает воз- можность для дальнейшего развития этого спо- соба сварки и расширения области его примене- ния. Одним из его преимуществ является умень- шение риска плазменной защиты, поскольку легче объединить более короткую длину волны твер- дотельного лазера в материале, подлежащем об- работке. При более короткой длине волны также может быть улучшена гибкость оборудования, поскольку можно обойтись без сложного наве- дения лазерного пучка через зеркальную оптику, а направлять его через оптоволокно в обрабаты- вающую оптическую систему [28]. Для достижения лучшей дегазации и получе- ния шва с минимальным количеством пор или без них можно расширять или стабилизировать Рис. 11. Схема лазерной тандем-сварки [9]: 1 — обрабатыва- емое изделие; 2 — парогазовый канал; 3 — облако защитного газа; 4 — индуцированная лазером плазма; 5 — лазерный пучок; 6 — электрод; 7 — дуга; 8 — наплавленный валик; 9 — сварочная ванна 6/2010 45 парогазовый канал. Одним из путей этого могло бы стать применение сварки и контроля с по- мощью адаптированной оптической колебатель- ной системы. Введение защитного газа и/или технологичес- кого газа является еще одним параметром процесса сварки. При использовании эффективного твердо- тельного лазера, например волоконного, можно бы- ло бы исключить применение защитного газа, а ис- пользовать сжатую воздушную струю во избежание необходимости очистки шва, что сделает данный способ сварки более экономичным [28]. При процессе гибридной лазерно-дуговой сварки под флюсом достигается лучшая дегазация за счет покрытия расплавленного металла шла- ком, хорошего заполнения шва и более высоких возможностей этого способа сварки по сравнению с лазерной сваркой для соединения толстых плас- тин с использованием проволоки различных ди- аметров. Большие надежды связаны с примене- нием комбинаций проволока + флюс и новых ла- зерных технологий [28]. Таким образом, исходя из результатов иссле- дования различных способов гибридной лазерно- дуговой сварки можно заключить, что указанный способ сварки находит широкое промышленное применение благодаря экономическим и техни- ческим преимуществам технологии. Внедрение этой передовой технологии может изменить способы сооружения конструкций, а также принятые производственные парадигмы. Производители утверждают, что вследствие ее применения они получают большие выгоды, чем их конкуренты. Гибридная сварка требует соответствующих настройки системы и подбора основных парамет- ров. Если эти граничные условия выбраны пра- вильно, то эта технология оказывается стабиль- ной, эффективной и гибкой, а если они установ- лены не надлежащим образом, то в швах будут образовываться дефекты. Производительность этого способа сварки мож- но улучшить путем увеличения скорости сварки, которая для листового материала может составлять до 40 % с традиционной лазерной сваркой. При использовании гибридной сварки инвес- тиционные расходы на источник лазерного излу- чения значительно уменьшаются, а затраты на электроэнергию становятся намного выше. При гибридной МИГ/МАГ сварке высокопроч- ной конструкционной стали толщиной до 20 мм с зазором до 1 мм в нижнем положении возможно достижение проплавления по всей глубине как без разделки кромок, так и при V- и Y-образной разделке. Гибридная сварка найдет промышленное при- менение и для соединений большой толщины с изменяющимся зазором в кромках. При этом же- лательно разработать технологические условия, позволяющие обеспечить стабильное качество швов. 1. Steen W. M., Eboo M. Arc augmented laser welding // Metal Construction. — 1978. — 21(7). — P. 332–335. 2. Bagger C., Olsen F. O. Review of laser hybrid welding // J. Laser Appliсations. — 2005. — 17(1). — P. 2–14. 3. Progress in laser-MAG hybrid welding of high strength ste- els up to 30 mm thickness / D. Petring, C. Fuhrmann, N. Wolf, R. Poprawe // Proc. on Intern. conf. on laser and electro-оptics, ICALEO, LIA, Orlando, Florida, USA, 2007. — P. 300–307. 4. Fellman A., Jernstrom P., Kujanpaa V. CO2-GMA hybrid welding of carbon steel — the effect of shielding gas compo- sition // Proc. of Intern. conf. on laser and electro-optics, ICALEO, LIA, Jacksonville, Oct. 13–16, 2003. — P. 56–65. 5. Dilthey U., Wiesschemann U. Prospectives offered by com- bining and coupling laser beam and arc welding // Welding Intern. — 2002. — 16(9). — P. 711–719. 6. Graf T., Staufer H. Laser-hybrid welding drivers VW impro- vements // Welding J. — 2003. — № 17. — P. 42–48. 7. Shibata K., Sakamoto H., Iwasa T. Laser-MIG hybrid wel- ding of aluminium alloys // Welding in the World. — 2006. — 50(1/2). — P. 27–34. 8. Jokinen T., Karhu M., Kujanpaa V. Welding of thick auste- nitic stainless steel using Nd:YAG-Laser with filler wire and hybrid process // J. Laser Applications. — 2003. — № 15. — P. 220–224. 9. Staufer H. Laser hybrid welding in the automotive industry // Welding J. — 2007. — Oct., 86(10). — P. 36–40. 10. Innovative hybrid welding process in an industrial applicati- on / S. Kaierle, K. Bongard, M. Dahmen, R. Poprawe // Proc. of Intern. conf. of applications of lasers and electro-op- tics, ICALEO, LIA, Dearborn, USA, 2000. — 89. — C. 91– 98. 11. Defalco J. Practical applications for hybrid laser welding // Welding J. — 2007. — Oct., 86(10). — P. 47–51. 12. Naito Y., Mizutani M., Katayama S. Observation of keyhole behavior and melt flows during laser-arc hybrid welding // Proc. of Intern. conf. of applications of lasers and electro-op- tics, ICALEO, LIA, Jacksonville, Florida, USA, LMP Secti- on A, 2003. — P. 159–167. 13. Effects of interaction between the arc and laser plume on metal transfer in Pulsed GMA/CO2 laser hybrid welding / T. Sugino, S. Tsukamoto, G. Arakane, T. Nakamura. — S.l., [2006]. — (Intern. Inst. of Welding; Doc. IV-903–2006). Рис. 12. Схема гибридной лазерно-дуговой сварки под флю- сом [28]: 1 — лазерный пучок; 2 — разделительная пластина; 3 — плазмоиспарение металла; 4 — жидкий шлак; 5 — паро- газовый канал; 6 — основной металл; 7 — раковина в дуговом шве; 8 — электродная проволока для дуговой сварки под флюсом; 9 — расплавленная ванна; 10 — металл шва; 11 — твердый шлак; 12 — флюс; 13 — мундштук; 14 — бункер для флюса 46 6/2010 14. Hu B., Den Ouden G. Laser induced stabilisation of the wel- ding arc // Sci. and Techn. of Welding and Joining. — 2005. — 10(1). — P. 76–81. 15. Investigations and applications of laser-arc hybrid welding from thin sheets up to heavy section components / D. Petring, C. Fuh- rmann, N. Wolf, R. Poprawe // Proc. of Intern. conf. of applica- tions of lasers and electro-optics, ICALEO, LIA, Jacksonville, Florida, USA, Section A, 2003. — P. 1–10. 16. Mahrle A., Beyer E. Hybrid laser beam welding-classificati- on, characteristics and applications // J. Laser Application. — 2006. — № 18. — P. 169–180. 17. Kah P., Salminen A., Martikainen J. The effect of the relati- ve location of laser beam and arc in different hybrid welding processes // Proc. of Intern. confern. of applications of lasers and electro-optics, ICALEO, LIA, Orlando, Florida, USA, 2009. 18. Kutsuna M., Chen L. Interaction of both plasma in CO2 laser-MAG hybrid welding of carbon steel. — S. l., [2002]. — 10 p. — ( Intern. Inst. of Welding; Doc. XII-1708–2002). 19. Abe N., Hayashi M. Trends in laser arc combination welding methods // Welding Intern. — 2002. — 16(2). — P. 94–98. 20. Closing the weld gap with laser/MIG hybrid welding process / C. Bagger, B. D. Wiwe, N. A. Paulin, F. O. Olsen // Conf. on laser materials proc. in the nordic countries, 9th NO- LAMP Trondheim, Norway, 2003. — P. 113–124. 21. Olschok S., Reisgen U., Dilthey U. Robot application for laser-GMA hybrid welding in shipbuilding // Proc. 26th In- tern. conf. on laser and electro-optics, ICALEO, LIA, Orlan- do, Florida, USA, 2007. — P. 308–315. 22. Shinn B. W., Farson D. F., Denney P. E. Laser stabilization of arc cathode spots in titanium welding // Sci. Techn. Weld. Joining. — 2005. — № 10. — P. 475–481. 23. Schubert E., Wedel B., Kohler G. Influence of the parameters on the welding results of laser-GMA welding // Proc. of In- tern. conf. of applications of Lasers and electro-optics, ICA- LEO, LIA, Phoenix, Section A, 2002. 24. Lui Z., Kutsuna M., Xu G. Properties of CO2 laser-GMA hybrid welded high strength steel joints. — S. l., [2006]. — (Intern. Inst. of Welding; Doc. IV-907–2006). 25. Bagger C., Olsen F. Comparison of plasma, metal inactive gas (MIG) tungsten inactive gas (TIG) processes for laser hybrid welding // Intern. conf. on laser and electro-optics, ICALEO, LMP, Jacksonville, Florida, USA, Section A, 2003. — P. 11–20. 26. Nilsson H., Kaplan A. Influence of butt- and T-joint prepara- tion in laser arc hybrid welding. — S.l., [2002]. — (Intern. Inst. of Welding; Doc. XII-1732–2002). 27. Fellman A., Salminen A. A study of phenomenon of CO2- laser welding with filler wire and MAG hybrid welding // Proc. of the 24th Intern. conf. on applications of lasers and electro-optics, ICALEO, Miami, USA, 2005. — P. 117–126. 28. Reisgen U., Olschok S. Laser-submerged arc hybrid welding // The Paton Welding J. — 2009. — № 4. — P. 38–42. 29. Laser-TIG hybrid welding of ultra-fine grained steel / M. Gao, X. Zeng, Q. Hu, J. Yan // J. of Materials Proc. Techn. — 2009. — № 209. — P. 785–791. 30. Pore formation during hybrid laser-tungsten inert gas arc welding of magnesium alloy AZ31B-mechanism and reme- dy materials / L. Liming, S. Gang, G. Liang, W. Jifeng // Sci. and Eng. A. — 2005. — № 390. — P. 76–80. 31. Liu L. M., Zhao X. Study on the weld joint of Mg alloy and steel by laser GTA hybrid welding // Materials Charac- terization. — 2008. — № 59. — P. 1279–1284. 32. Laser-TIG hybrid welding of very thin austenitic stainless steel sheets / J. L. Arias, P. Romero, A. Vandewynckele, J. Vazquez // Proc. of the 24th Intern. conf. on applications of lasers and electro-optics, ICALEO, Miami, USA, 2005. — P. 104–107. 33. Hybrid welding of thick section C/Mn steel and aluminum / S. E. Nielsen, M. M. Andersen, J. K. Kristensen, T. A. Jen- sen. — S. l., [2002]. — (Intern. Isnt. of Welding; Doc. XII- 1731). 34. Walduck R. P., Biffin J. Plasma arc augmented laser welding // Welding and Metal Fabrication. — 1994. — № 4. — P. 172–176. 35. Wibowo M. K. A study of hybrid laser-plasma arc welding // NIMR cluster 8 rep. (Joining technologies). 36. Devermann T., Biffin J., Blundell N. Plasma augmented laser welding and its applications // Sci. and Tech. of Welding and Joining. — 2002. — 7(1). — P. 1–10. 37. Fuerschbach W. P. Laser assisted plasma arc welding // Proc. of Intern. conf. application of laser and electro-optics, ICALEO, section D, 1999. — P. 102–108. 38. Staufer H. High productivity by using laser-GMAW and laser tandem-hybrid processes for thick plates // Proc. of the IIW In- tern. conf., Praque, Czech Republic, 2005. — P. 66–68. 39. Dilthey U., Olschok S. Untersuchungen zur nutzung der sy- nergieeffekte bein Hochleistungs-laser hybridschweissen von dickwandigen Rohrkorpern aus C–Mn Stahlen // Absch- lusssβericht des AiF-Forschungsvorhabens 13.407N. — Aachen, 2004. 40. Combination of laser beam and submerged arc processes for the longitudinal welding of large welded pipes / J. C. Coiffi- er, J. P. Jansen, G. Peru et al. // Proc. of Intern. symp. on high strength steels, Trondheim, Norway, 1997. Peculiarities of application of different hybrid welding methods are analysed allowing for the process parameters used, types and thecknesses of the metal welded. Economic aspects of utilisation of hybrid welding and characteristic features of quality control are considered. Поступила в редакцию 03.02.2010 6/2010 47
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101709
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0005-111X
language Russian
last_indexed 2025-11-25T20:53:27Z
publishDate 2010
publisher Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
record_format dspace
spelling Ках, П.
Салминен, А.
Мартикаинен, Дж.
2016-06-06T18:34:18Z
2016-06-06T18:34:18Z
2010
Особенности применения гибридной лазерно-дуговой сварки (Обзор) / П. Ках, А. Салминен, Дж. Мартикаинен // Автоматическая сварка. — 2010. — № 6 (686). — С. 38-47. — Бібліогр.: 40 назв. — рос.
0005-111X
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101709
621.791.72:621.375.826
Проанализированы особенности применения различных способов гибридной сварки с учетом используемых параметров процесса, типов свариваемого металла и его толщины. Рассмотрены экономические аспекты применения гибридной сварки, особенности контроля качества.
Peculiarities of application of different hybrid welding methods are analysed allowing for the process parameters used, types and thecknesses of the metal welded. Economic aspects of utilisation of hybrid welding and characteristic features of quality control are considered.
ru
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
Автоматическая сварка
Производственный раздел
Особенности применения гибридной лазерно-дуговой сварки (Обзор)
Different laser-arc hybrid welding processes (Review)
Article
published earlier
spellingShingle Особенности применения гибридной лазерно-дуговой сварки (Обзор)
Ках, П.
Салминен, А.
Мартикаинен, Дж.
Производственный раздел
title Особенности применения гибридной лазерно-дуговой сварки (Обзор)
title_alt Different laser-arc hybrid welding processes (Review)
title_full Особенности применения гибридной лазерно-дуговой сварки (Обзор)
title_fullStr Особенности применения гибридной лазерно-дуговой сварки (Обзор)
title_full_unstemmed Особенности применения гибридной лазерно-дуговой сварки (Обзор)
title_short Особенности применения гибридной лазерно-дуговой сварки (Обзор)
title_sort особенности применения гибридной лазерно-дуговой сварки (обзор)
topic Производственный раздел
topic_facet Производственный раздел
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101709
work_keys_str_mv AT kahp osobennostiprimeneniâgibridnoilazernodugovoisvarkiobzor
AT salminena osobennostiprimeneniâgibridnoilazernodugovoisvarkiobzor
AT martikainendž osobennostiprimeneniâgibridnoilazernodugovoisvarkiobzor
AT kahp differentlaserarchybridweldingprocessesreview
AT salminena differentlaserarchybridweldingprocessesreview
AT martikainendž differentlaserarchybridweldingprocessesreview