Технологические особенности лазерной, микроплазменной и гибридной лазерно-микроплазменной сварки алюминиевых сплавов
Показана актуальность применения лазерного, микроплазменного и гибридного лазерно-микроплазменного способов сварки алюминиевых сплавов. Выбраны технологические схемы проведения лазерной и лазерно-микроплазменной сварки. Для технологических особенностей трех рассматриваемых способов получения стыко...
Saved in:
| Date: | 2014 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2014
|
| Series: | Автоматическая сварка |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103430 |
| 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: | Технологические особенности лазерной, микроплазменной и гибридной лазерно-микроплазменной сварки алюминиевых сплавов / В.Д. Шелягин, А.М. Оришич, В.Ю. Хаскин, А.Г. Маликов, А.А. Чайка // Автоматическая сварка. — 2014. — № 5 (732). — С. 35-41. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-103430 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1034302025-02-23T18:23:54Z Технологические особенности лазерной, микроплазменной и гибридной лазерно-микроплазменной сварки алюминиевых сплавов Technological features of laser, microplasma and hybrid laser-microplasma welding of aluminium alloys Шелягин, В.Д. Оришич, А.М. Хаскин, В.Ю. Маликов, А.Г. Чайка, А.А. Производственный раздел Показана актуальность применения лазерного, микроплазменного и гибридного лазерно-микроплазменного способов сварки алюминиевых сплавов. Выбраны технологические схемы проведения лазерной и лазерно-микроплазменной сварки. Для технологических особенностей трех рассматриваемых способов получения стыковых и торцевых тонколистовых соединений проведены соответствующие эксперименты. Установлено, что при микроплазменной сварке существуют следующие основные недостатки: в случае полного провара наблюдается провисание шва, на сварочных токах более 30 А наблюдается склонность к образованию подреза, при повышении скорости более 40 м/ч снижается стабильность процесса. Для гибридной лазерно-микроплазменной сварки характерно: стабильность процесса на высоких (свыше 60 м/ч) скоростях сварки, уменьшение (в 1,5…2,0 раза по сравнению с микроплазменной сваркой) ширины швов, значительное снижение (до полного устранения) остаточных деформаций, отсутствие разбрызгивания. Установлено, что к характерным дефектам лазерной и лазерно-микроплазменной сварки алюминиевых сплавов относятся провисания швов, сваренных без подкладки, образование подрезов и внутренних пор диаметром 0,1...0,2 мм. Основными путями устранения этих дефектов можно считать следующие: подача присадочных материалов (например, в виде проволоки), использование стальных подложек (в том числе с канавками для формирования нижнего валика), сварка по отбортовке (торцевыми швами); применение режимов сварки с модуляцией мощности источников; сварка внахлест (требует тщательной подготовки поверхностей). Оптимальными значениями погонной энергии при сварке излучением СО₂-лазера, по критериям качества формирования соединений, отсутствию пор и трещин, являются 36…70 Дж/мм. Снижение погонной энергии приводит к исчезновению парогазового канала и непровару металла, а увеличение – к образованию горячих трещин. Приведены характерные макро- и микроструктура металла швов и зоны термического влияния соединений, полученных микроплазменной, гибридной и лазерной сваркой. 2014 Article Технологические особенности лазерной, микроплазменной и гибридной лазерно-микроплазменной сварки алюминиевых сплавов / В.Д. Шелягин, А.М. Оришич, В.Ю. Хаскин, А.Г. Маликов, А.А. Чайка // Автоматическая сварка. — 2014. — № 5 (732). — С. 35-41. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103430 621.791.72 ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Производственный раздел Производственный раздел |
| spellingShingle |
Производственный раздел Производственный раздел Шелягин, В.Д. Оришич, А.М. Хаскин, В.Ю. Маликов, А.Г. Чайка, А.А. Технологические особенности лазерной, микроплазменной и гибридной лазерно-микроплазменной сварки алюминиевых сплавов Автоматическая сварка |
| description |
Показана актуальность применения лазерного, микроплазменного и гибридного лазерно-микроплазменного способов
сварки алюминиевых сплавов. Выбраны технологические схемы проведения лазерной и лазерно-микроплазменной сварки. Для технологических особенностей трех рассматриваемых способов получения стыковых и торцевых тонколистовых
соединений проведены соответствующие эксперименты. Установлено, что при микроплазменной сварке существуют
следующие основные недостатки: в случае полного провара наблюдается провисание шва, на сварочных токах более
30 А наблюдается склонность к образованию подреза, при повышении скорости более 40 м/ч снижается стабильность
процесса. Для гибридной лазерно-микроплазменной сварки характерно: стабильность процесса на высоких (свыше
60 м/ч) скоростях сварки, уменьшение (в 1,5…2,0 раза по сравнению с микроплазменной сваркой) ширины швов, значительное снижение (до полного устранения) остаточных деформаций, отсутствие разбрызгивания. Установлено, что
к характерным дефектам лазерной и лазерно-микроплазменной сварки алюминиевых сплавов относятся провисания
швов, сваренных без подкладки, образование подрезов и внутренних пор диаметром 0,1...0,2 мм. Основными путями
устранения этих дефектов можно считать следующие: подача присадочных материалов (например, в виде проволоки),
использование стальных подложек (в том числе с канавками для формирования нижнего валика), сварка по отбортовке
(торцевыми швами); применение режимов сварки с модуляцией мощности источников; сварка внахлест (требует тщательной подготовки поверхностей). Оптимальными значениями погонной энергии при сварке излучением СО₂-лазера, по
критериям качества формирования соединений, отсутствию пор и трещин, являются 36…70 Дж/мм. Снижение погонной
энергии приводит к исчезновению парогазового канала и непровару металла, а увеличение – к образованию горячих
трещин. Приведены характерные макро- и микроструктура металла швов и зоны термического влияния соединений,
полученных микроплазменной, гибридной и лазерной сваркой. |
| format |
Article |
| author |
Шелягин, В.Д. Оришич, А.М. Хаскин, В.Ю. Маликов, А.Г. Чайка, А.А. |
| author_facet |
Шелягин, В.Д. Оришич, А.М. Хаскин, В.Ю. Маликов, А.Г. Чайка, А.А. |
| author_sort |
Шелягин, В.Д. |
| title |
Технологические особенности лазерной, микроплазменной и гибридной лазерно-микроплазменной сварки алюминиевых сплавов |
| title_short |
Технологические особенности лазерной, микроплазменной и гибридной лазерно-микроплазменной сварки алюминиевых сплавов |
| title_full |
Технологические особенности лазерной, микроплазменной и гибридной лазерно-микроплазменной сварки алюминиевых сплавов |
| title_fullStr |
Технологические особенности лазерной, микроплазменной и гибридной лазерно-микроплазменной сварки алюминиевых сплавов |
| title_full_unstemmed |
Технологические особенности лазерной, микроплазменной и гибридной лазерно-микроплазменной сварки алюминиевых сплавов |
| title_sort |
технологические особенности лазерной, микроплазменной и гибридной лазерно-микроплазменной сварки алюминиевых сплавов |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2014 |
| topic_facet |
Производственный раздел |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103430 |
| citation_txt |
Технологические особенности лазерной, микроплазменной и гибридной лазерно-микроплазменной сварки алюминиевых сплавов / В.Д. Шелягин, А.М. Оришич, В.Ю. Хаскин, А.Г. Маликов, А.А. Чайка // Автоматическая сварка. — 2014. — № 5 (732). — С. 35-41. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT šelâginvd tehnologičeskieosobennostilazernojmikroplazmennojigibridnojlazernomikroplazmennojsvarkialûminievyhsplavov AT orišičam tehnologičeskieosobennostilazernojmikroplazmennojigibridnojlazernomikroplazmennojsvarkialûminievyhsplavov AT haskinvû tehnologičeskieosobennostilazernojmikroplazmennojigibridnojlazernomikroplazmennojsvarkialûminievyhsplavov AT malikovag tehnologičeskieosobennostilazernojmikroplazmennojigibridnojlazernomikroplazmennojsvarkialûminievyhsplavov AT čajkaaa tehnologičeskieosobennostilazernojmikroplazmennojigibridnojlazernomikroplazmennojsvarkialûminievyhsplavov AT šelâginvd technologicalfeaturesoflasermicroplasmaandhybridlasermicroplasmaweldingofaluminiumalloys AT orišičam technologicalfeaturesoflasermicroplasmaandhybridlasermicroplasmaweldingofaluminiumalloys AT haskinvû technologicalfeaturesoflasermicroplasmaandhybridlasermicroplasmaweldingofaluminiumalloys AT malikovag technologicalfeaturesoflasermicroplasmaandhybridlasermicroplasmaweldingofaluminiumalloys AT čajkaaa technologicalfeaturesoflasermicroplasmaandhybridlasermicroplasmaweldingofaluminiumalloys |
| first_indexed |
2025-11-24T09:04:35Z |
| last_indexed |
2025-11-24T09:04:35Z |
| _version_ |
1849661928350154752 |
| fulltext |
355/2014
УДК 621.791.72
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНОЙ,
МИКРОПЛАЗМЕННОЙ И ГИБРИДНОЙ ЛАЗЕРНО-МИКРО-
ПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В. Д. ШЕЛЯГИН1, А. М. ОРИШИч2, В. Ю. ХАСКИН1, А. Г. МАЛИКОВ2, А. А. чАЙКА1
1 ИЭС им. Е. О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
2 Ин-т теорет. и прикладной механики им. С. А. Христиановича Сибирского отделения РАН.
630090. г. Новосибирск, ул. Институтская, 4/1. E-mail: admin@itam.nse.ru
Показана актуальность применения лазерного, микроплазменного и гибридного лазерно-микроплазменного способов
сварки алюминиевых сплавов. Выбраны технологические схемы проведения лазерной и лазерно-микроплазменной свар-
ки. Для технологических особенностей трех рассматриваемых способов получения стыковых и торцевых тонколистовых
соединений проведены соответствующие эксперименты. Установлено, что при микроплазменной сварке существуют
следующие основные недостатки: в случае полного провара наблюдается провисание шва, на сварочных токах более
30 А наблюдается склонность к образованию подреза, при повышении скорости более 40 м/ч снижается стабильность
процесса. Для гибридной лазерно-микроплазменной сварки характерно: стабильность процесса на высоких (свыше
60 м/ч) скоростях сварки, уменьшение (в 1,5…2,0 раза по сравнению с микроплазменной сваркой) ширины швов, зна-
чительное снижение (до полного устранения) остаточных деформаций, отсутствие разбрызгивания. Установлено, что
к характерным дефектам лазерной и лазерно-микроплазменной сварки алюминиевых сплавов относятся провисания
швов, сваренных без подкладки, образование подрезов и внутренних пор диаметром 0,1...0,2 мм. Основными путями
устранения этих дефектов можно считать следующие: подача присадочных материалов (например, в виде проволоки),
использование стальных подложек (в том числе с канавками для формирования нижнего валика), сварка по отбортовке
(торцевыми швами); применение режимов сварки с модуляцией мощности источников; сварка внахлест (требует тща-
тельной подготовки поверхностей). Оптимальными значениями погонной энергии при сварке излучением СО2-лазера, по
критериям качества формирования соединений, отсутствию пор и трещин, являются 36…70 Дж/мм. Снижение погонной
энергии приводит к исчезновению парогазового канала и непровару металла, а увеличение – к образованию горячих
трещин. Приведены характерные макро- и микроструктура металла швов и зоны термического влияния соединений,
полученных микроплазменной, гибридной и лазерной сваркой. Библиогр. 7, рис. 11.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сварка, алюминиевые сплавы, лазерное излучение, микроплазма, гибридная лазерно-микроплаз-
менная сварка, типы соединений, эксперименты, режимы, структуры
Алюминиевые сплавы широко применяются в со-
временной промышленности для изготовления об-
легченных конструкций. Основной особенностью
их сварки является необходимость устранения
оксидной пленки Al2O3, образующейся на поверх-
ности при взаимодействии с кислородом воздуха.
Обычно подготовку поверхностей этих сплавов
к сварке осуществляют механическим способом.
Микроплазменная сварка разнополярными им-
пульсами предоставляет возможность катодной
очистки свариваемых поверхностей [1]. Соеди-
нение процессов лазерной и микроплазменной
сварки позволяет не только обеспечить очистку
поверхностей, но и способствует образованию ги-
бридного лазерно-плазменного разряда, который
дает возможность значительно повысить произ-
водительность сварки, а также качество сварных
соединений [2]. Однако это не означает снижения
актуальности лазерной сварки. Согласно данным
ряда исследователей [3], правильный выбор режи-
ма лазерной сварки позволяет получать качествен-
ные соединения при минимальном перегреве ос-
новного металла.
В литературе [3, 4] описаны результаты апроба-
ции различных технологических схем лазерной и
лазерно-микроплазменной сварки. Обычно лазер-
ную сварку алюминиевых сплавов проводят с каче-
ственной газовой защитой верхней и нижней сторон
шва (рис. 1). Одной из наиболее перспективных для
соединения тонколистовых алюминиевых сплавов
можно считать схему, показанную на рис. 2 [4]. В ис-
следованиях, проведенных с применением этой схемы,
изучались особенности формирования соединений в
диапазоне погонных энергий 40…200 Дж/мм. Одна-
ко интерес также представляет сварка тонкостенных
изделий в диапазоне энергий 10…30 Дж/мм. Иссле-
дованиям получения качественных соединений в
этом диапазоне и посвящен один из аспектов дан-
ной работы. Другим важным моментом является
определение оптимальных погонных энергий ла-
зерной сварки аналогичных изделий. При этом в
качестве критериев оптимизации целесообразно
© В. Д. Шелягин, А. М. Оришич, В. Ю. Хаскин, А. Г. Маликов, А. А. Чайка, 2014
36 5/2014
рассматривать качество формирования соедине-
ний, отсутствие дефектов в виде пор и трещин, а
также минимизацию ЗТВ.
Поэтому целью работы являлось изучение тех-
нологических особенностей лазерной, микроплаз-
менной и гибридной лазерно-микроплазменной
сварки тонкостенных изделий из алюминиевых
сплавов для получения качественных неразъем-
ных конструкций, применяемых в авиа- и ракето-
строении. Критериями качества сварных соеди-
нений было выбрано такое формирование швов,
при котором отсутствовали подрезы, непровары,
внутренние поры, свищи, а также формировались
наиболее мелкодисперсные структуры металла
шва и зоны термического влияния (ЗТВ).
Исследование сварки тонколистовых алюми-
ниевых сплавов излучением СО2-лазера с дли-
ной волны λ = 10,6 мкм выполнялось в Институте
теоретической и прикладной механики им. С. А.
Христиановича Сибирского отделения РАН. Для
получения сварных соединений использовали соз-
данный в ИТПМ СО РАН автоматизированный ла-
зерный технологический комплекс (АЛТК) «Си-
бирь 1», включающий непрерывный СО2-лазер
мощностью до 8 кВт с параметром качества пуч-
ка K = 0,7 [5], технологический стол портального
типа и компьютерную систему управления АЛТК
(рис. 3). Лазерное излучение фокусировалось на
поверхности металла с помощью ZnSe-линзы с
фокусным расстоянием 254 мм. Согласно схе-
ме рис. 1, соосно с лазерным пучком подавалась
струя инертного газа гелия. Для защиты форми-
руемого сварного шва использовали защитное
сопло, из которого подавался тот же газ. Корень
шва защищали аргоном. В процессе проведения
экспериментов над неподвижной заготовкой пере-
мещали сварочную головку. В ходе исследований
определяли оптимальные энергетические параме-
тры лазерной сварки сплава АМг5.
В ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины был
изготовлен комплекс лазерно-микроплазменной
сварки с гибридным плазмотроном, показанный
на рис. 4, позволяющий реализовать выбранную
технологическую схему сварки (рис. 2). К от-
личительным особенностям этого плазмотрона
относится расположение осей вольфрамового
электрода и сфокусированного излучения под ми-
Рис. 1. Технологическая схема лазерной сварки алюминиевых
сплавов
Рис. 2. Схема процесса гибридной сварки, осуществляемо-
го при помощи интегрированного плазмотрона прямого дей-
ствия: Рл – мощность лазерного излучения, кВт; Iд – свароч-
ный ток, А; Qз.л – расход газа, защищающего фокусирующую
линзу, л/мин; Qпл – расход плазмообразующего газа, л/мин;
Qз – расход защитного газа, л/мин; vсв – скорость сварки, м/ч
Рис. 3. Внешний вид АЛТК «Сибирь 1» (а) и лабораторного стенда (б) для лазерной сварки
375/2014
нимальными углами к вертикали. Для фокусирова-
ния излучения волоконного лазера модели YLR-400-
AC (фирмы IPG, Германия) (λ = 1,07 мкм, мощность
до 400 Вт) использовали линзу с фокусным расстоя-
нием 200 мм, предохраняемую от попадания свароч-
ных аэрозолей газом (аргоном) и защитным стеклом.
Расход защищающего линзу аргона составлял Qз.л =
= 3…6 л/мин. Дуговую плазму создавали при помощи
вольфрамового электрода диаметром 1,6 мм, медного
плазмообразующего сопла с отверстием диаметром
1,5 мм. В качестве плазмообразующего и защитного
газа использовали аргон с расходами Qпл = 0,1…0,3
л/мин, Qзащ = 6…9 л/мин. Применяемый в экспери-
ментах сварочный ток прямой полярности не пре-
вышал 40 А при напряжении дуги до 22 В.
Питание гибридного плазмотрона осуществля-
лось от источника питания типа МПУ-50, рассчи-
танного на непрерывные и импульсные сварочные
токи до 50 А. Лазерное излучение вводилось в
плазмотрон при помощи коллиматора. Плазмо-
трон крепился на каретку трехкоординатного ма-
нипулятора, на рабочем столе которого располага-
ли сварочную струбцину для фиксации образцов.
Материалом свариваемых образцов послужили
сплавы АМг2 (δ = 1 и 2,5 мм), АМг4 (δ = 1 мм),
АМг5 (δ = 1,5 мм) и АМг6 (δ = 1,4 мм). Размер
образцов (100…300)×(10…50)×δ мм. Сварку вели
без подкладки. Лазерную сварку стыковых швов
выполняли как излучением СО2-лазера, так и во-
локонного лазера. В случае СО2-лазера мощности
излучения хватило, чтобы получить стабильный
провар. При сварке волоконным лазером из-за
большого отражения мощности непрерывного из-
лучения 400 Вт оказалось недостаточно для полу-
чения провара глубиной более 0,1…0,3 мм.
В экспериментах по микроплазменной и ги-
бридной сварке стыковых и торцевых соединений
ток прямой полярности Іпр устанавливали в пре-
делах 10…40 А, обратной Іобр – 6…15 А, длитель-
ность импульсов прямой полярности τпр составля-
ла 20 и 30 мс, обратной τобр – 10 мс.
Эксперименты по микроплазменной сварке
разнополярными импульсами позволили устано-
вить следующие основные недостатки (рис. 5): в
случае полного провара наблюдается провисание
шва; на более высоких токах прямой полярности
(свыше 30 А) наблюдается склонность к образова-
нию подреза; при повышении скорости (v ≥ 40 м/ч)
снижается стабильность процесса.
Эксперименты по гибридной лазерно-микро-
плазменной сварке показали следующие основные
преимущества: повысилась стабильность процес-
са на высоких (свыше 60 м/ч) скоростях сварки,
уменьшилась в 1,5…2,0 раза ширина швов, зна-
чительно снизились остаточные деформации, от-
сутствовало разбрызгивание. Также была уста-
новлена такая особенность гибридной сварки, как
склонность к образованию подрезов при форми-
ровании стыковых соединений на токах прямой
полярности свыше 30 А (рис. 6).
Исследование путей устранения характерных
дефектов лазерно-микроплазменной сварки алю-
миниевых сплавов показало, что основными из
них можно считать следующие: подачу присадоч-
ного материала; сварку по отбортовке (или торце-
выми швами) (рис. 7); сварку внахлест.
Рис. 4. Внешний вид комплекса лазерно-микроплазменной сварки (а) и гибридного плазмотрона (б)
Рис. 5. Макроструктура (×25) поперечного сечения стыкового
сварного соединения сплава АМг6 (δ = 1,4 мм), выполненно-
го плазменным способом со скоростью сварки 30 м/ч
38 5/2014
Для проведения металлографических исследо-
ваний из сваренных образцов в поперечном сече-
нии швов вырезали темплеты, которые затем за-
жимали в алюминиевые струбцинки, шлифовали
и полировали (применяли электрополировку). Вы-
явление микроструктуры проводили травлением в
растворе из 10 см3 плавиковой кислоты, 15 см3 со-
ляной кислоты и 30 см3 воды. Полученные образ-
цы изучали при помощи оптического микроскопа
“Neophot-30” при увеличениях от 25 до 500.
Сначала были изучены панорамные виды
швов, выполненных в сплавах АМг6 (δ = 1,4 мм)
(рис. 5–7). На рис. 5 приведена макроструктура
поперечного сечения сварного соединения, полу-
ченного плазменным способом на режиме Іпр =
= 30 А, Іобр = 10 А, τпр = 20 мс, τобр = 10 мс, на-
пряжение дуги U = 19 В, v = 30 м/ч. Несмотря на
небольшое провисание сварного шва в целом он
имеет структуру, характерную для микроплазмен-
ной сварки. Его макроструктура мелкокристалли-
ческая, плотная, без видимых дефектов. Ширина
шва в верхней части составляет примерно 2,7 мм,
в нижней 0,7 мм. Размер ЗТВ достаточно невелик
и составляет порядка 0,27 мм.
Далее изучали провар (рис. 6, а) и стыковой
шов (рис. 6, б), выполненные гибридным спосо-
бом. В обоих случаях режим сварки был одинако-
вым: Іпр = 30 А, Іобр = 10 А, τпр = 20 мс, τобр = 10 мс,
U = 21,5 В, v = 150 м/ч, Рл = 400 Вт, фокус на по-
верхности образца. Отличие глубины провара ли-
ста сплава АМг6 от сварки стыкового соединения
связано с наличием зазора между свариваемыми
кромками. Характерными дефектами являлись
подрез с одной из сторон шва и образование вну-
тренней поры диаметром 0,1…0,2 мм. Устранение
этих дефектов связано с уменьшением давления
дуги и плазмообразующего газа.
Торцевые соединения сплава АМг6 (δ = 1,4 мм)
выполняли гибридным (рис. 7) и лазерным (рис. 8)
способами. Режим гибридной сварки: Іпр = 12 А,
Іобр = 7 А, τпр = 30 мс, τобр = 10 мс, U = 16 В, v =
= 168 м/ч, Qпл = 0,1 л/мин, Qзащ = 9 л/мин, Qз.л =
= 3…6 л/мин, Рл = 400 Вт, фокус на поверхности
образца. В случае лазерной сварки шов глуби-
ной порядка 0,35 мм образовывался при скоро-
сти 110 м/ч и максимальной мощности излучения
(400 Вт).
Размер ширины шва и ЗТВ при гибридной свар-
ке с увеличением скорости уменьшился и соста-
вил: для стыкового соединения (рис. 6, б) ширина
верхней части шва 1,9 мм, ширина нижней части
шва 0,46 мм, ширина ЗТВ 0,08 мм; для торцевого
соединения (рис. 7, б) ширина верхней части шва
1,14 мм, ширина нижней части шва 0,39 мм, ши-
рина ЗТВ порядка 0,05 мм.
Более детально на рис. 8 показана микро-
структура металла швов, полученных в случаях
микроплазменной, гибридной и лазерной сварки.
Отдельно рассмотрена микроструктура гибрид-
ной сварки стыкового и торцевого соединений.
Исследование микроструктуры во всех получен-
ных сварных соединениях указывает на наличие
в сварных швах дендритного строения литого ме-
талла, который к периферии становится несколь-
ко более грубым. Металл шва имеет довольно
мелкозернистое строение (величина зерна около
50 мкм). При оценке дисперсности структуры ме-
талла швов исследуемых соединений, наряду с
объемной долей структурных составляющих, тол-
щиной избыточных включений и их удельной по-
верхностью основной характеристикой дисперс-
ности структуры является дендритный параметр.
Из сравнения микроструктур видно, что наиболее
Рис. 6. Макроструктура (×25) поперечных сечений провара (а) и
стыкового соединения (б), выполненных гибридным способом в
сплаве АМг6 (δ=1,4 мм) со скоростью сварки 150 м/ч
Рис. 7. Макроструктура (×25) поперечного сечения качественно-
го торцевого соединения сплава АМг6 (δ = 1,4 мм), выполнен-
ного гибридным способом со скоростью сварки 168 м/ч
395/2014
крупнодисперсная структура наблюдается при
плазменной сварке, а наиболее мелкодисперсная
в случае лазерной. Дендритный параметр состав-
ляет около 4 мкм для плазменной сварки и умень-
шается примерно в три раза для лазерной сварки.
При гибридной сварке более мелкодисперсная
структура наблюдается для случая торцевого со-
единения. По нашему мнению, это связано с по-
вышением скорости сварки, ставшим возможным
из-за улучшения поглощения лазерного излучения
в отбортовке.
Исследование влияния технологических пара-
метров сварки излучением СО2-лазера на особен-
ности формирования стыковых соединений алю-
миниевого сплава АМг5 (δ = 1,5 мм) проводили
согласно схеме рис. 1. Для этого перед сваркой
оксидную пленку с поверхности образцов удаля-
ли с помощью раствора МР-35, разработанного в
НИИХимПром (РФ). Для сравнения получаемых
результатов использовали стыковую сварку и про-
ход лазерным пучком по металлу.
При сварке алюминиевых сплавов возможно
образование пор, источником которых является
водород, хорошо растворяющийся в алюминии
при температуре плавления. Сплавы системы Al–
Mg характеризуются повышенной склонностью
к пористости при сварке, так как магний увели-
чивает растворимость водорода в алюминии [6].
Согласно статистике одним из основных дефектов
(примерно 48 % брака) сварных конструкций из
алюминиевых и магниевых сплавов является га-
зовая пористость. Поэтому в ходе данной работы
была оценена пористость сварных швов. В резуль-
тате визуально-оптического исследования уста-
новлено следующее.
При лазерной сварке на всех режимах наблю-
дается «чешуйчатость» (рис. 9, а). Это связано с
нестационарными процессами в сварочной ван-
не и прерывистостью ее кристаллизации. Поры,
кратеры в сварном шве и капли металла, образо-
вавшиеся во время сварки, являются дефектами
сварных соединений. В начальный момент сварки
наблюдаются многочисленные поры, что связано
с перегревом металла при наборе скорости техно-
логическим столом. С увеличением скорости про-
цесса наблюдается непровар, обусловленный сни-
жением энергии, вкладываемой в единицу объема
расплавляемого металла.
Для исследования структуры сварных швов
изготавливали по два макрошлифа из каждого об-
разца. В качестве травящего реактива использо-
вался реактив Келлера [7]. Во всех случаях были
обнаружены рассеянные поры малых диаметров
(до 0,2 мм) (рис. 10, 11). Для образцов, сварен-
ных встык излучением СО2-лазера со скоростью
420 м/ч, характерно провисание сварного шва,
превышающее 10 % толщины металла (рис. 10,
а). При этом на проплавленных цельных образцах
наблюдаются подрезы (рис. 10, б). При оптималь-
ных параметрах процесса наблюдается небольшая
пористость сварного соединения (поры диаме-
тром 0,1…0,2 мм), которую принято считать допу-
Рис. 8. Микроструктура (×500) металла швов, полученных плазменным (а), гибридным в стыковом соединении (б), гибрид-
ным в торцевом соединении (в) и лазерным (г) способами
40 5/2014
стимой. Стоит заметить, что в основном металле
также наблюдается небольшая пористость.
В заключение следует отметить, что для по-
лучения качественных стыковых соединений из
тонколистовых алюминиевых сплавов как в случае
лазерной, так и в случае гибридной лазерно-микро-
плазменной сварки необходимо вкладывать погон-
ную энергию порядка 20 Дж/мм на один миллиметр
глубины провара в диапазоне скоростей 100…300
м/ч. При сварке торцевых соединений этот показа-
тель может снижаться до 15 Дж/мм и меньше. При
этом использование микроплазменной составля-
ющей в гибридном процессе позволяет за счет
теплового механизма повышения поглощающей
способности основного металла снижать мощ-
ность излучения в соотношении примерно 1:1,
что значительно снижает себестоимость оборудо-
вания.
При микроплазменной сварке алюминиевых
сплавов толщиной до 1,5 мм наблюдается прови-
сание шва в случае полного провара, склонность к
образованию подрезов при сварке на токах свыше
30 А, снижение стабильности процесса при уве-
личении скорости свыше 40 м/ч. Основным недо-
статком лазерной сварки непрерывным излучени-
ем алюминиевых сплавов является необходимость
повышения мощности для получения стабильного
провара, приводящая к удорожанию сварочно-
го оборудования. Одним из способов устранения
этих недостатков является объединение микро-
плазменного и лазерного процессов.
Гибридная лазерно-микроплазменная сварка
алюминиевых сплавов толщиной до 1,5 мм харак-
теризуется стабильностью процесса на скоростях
сварки свыше 60 м/ч, уменьшенной (в 1,5…2,0
раза по сравнению с микроплазменной сваркой)
шириной швов, значительным снижением оста-
точных деформаций, а также возможностью полу-
чения качественных соединений при сравнительно
низких погонных энергиях (порядка 12…15 Дж/мм
Рис. 10. Макроструктура (×20) сварных соединений сплава Амг5 (δ = 1,5 мм), полученных при скорости сварки 360 м/ч
Рис. 11. Макроструктура (×20) сварных соединений сплава Амг5 (δ = 1,5 мм), полученных при скорости сварки 420 м/ч
Рис. 9. Внешний вид и характерные дефекты сварных соеднений (×3): а–в — лицевая сторона; г — обратная
415/2014
для торцевых соединений и около 30 Дж/мм для
стыковых); отсутствие разбрызгивания. К харак-
терным дефектам лазерно-микроплазменной сварки
алюминиевых сплавов относятся провисание швов,
сваренных без подкладки, образование подрезов и
внутренних пор диаметром 0,1…0,2 мм. Основными
путями устранения этих дефектов можно считать
следующие: подача присадочного материала (на-
пример, в виде проволоки); использование стальных
подкладок (в том числе с канавками для формирова-
ния нижнего валика); сварка по отбортовке (торце-
выми швами); сварка внахлест (требует тщательной
подготовки поверхностей); уменьшение энерговкла-
да от микроплазменной составляющей при сохране-
нии общего уровня вкладываемой энергии; введение
сварочных режимов с высокочастотной модуляцией
мощности излучения.
Оптимальными величинами параметров свар-
ки излучением СО2-лазера являются мощность
3,0…3,5 кВт при скорости 180…300 м/ч, т. е. диа-
пазон погонных энергий 36…70 Дж/мм. Снижение
погонной энергии приводит к непровару металла,
а увеличение – к образованию горячих трещин.
При оптимальных параметрах процесса наблюда-
ется небольшая пористость сварного соединения
(поры диаметром 0,1…0,2 мм), считающаяся до-
пустимой. Стоит заметить, что в основном метал-
ле также наблюдается небольшая пористость.
Детальное изучение структур металла швов,
полученных плазменной, гибридной и лазерной
сваркой, показало, что во всех случаях структу-
ра является достаточно равноосной, плотной, без
видимых дефектов, имеет дендритный характер.
Наиболее крупнодисперсная структура наблюда-
ется при плазменной сварке, наиболее мелкодис-
персная — в случае лазерной. Дендритный па-
раметр составляет около 4 мкм для плазменной
сварки и уменьшается примерно в три раза для ла-
зерной сварки. При гибридной сварке более мел-
кодисперсная структура наблюдается для случая
торцевого соединения, что связано с повышением
скорости сварки, ставшим возможным из-за улуч-
шения поглощения лазерного излучения в образо-
ванном отбортовкой узком несквозном зазоре.
1. Микроплазменная сварка / Б. Е. Патон, В. С. Гвоздецкий,
Д. А. Дудко и др. – Киев: Наук. думка, 1979. – 248 с.
2. Гибридная лазерно-микроплазменная сварка металлов
малых толщин / Б. Е. Патон, В. С. Гвоздецкий, И. В.
Кривцун и др. // Автомат. сварка. – 2002. – № 3. – С. 5–9.
3. Бондарев А. А., Бондарев Андр. А. Лазерная сварка алю-
миниевых сплавов (обзор) // Там же. – 2001. – № 12. –
С. 21–28.
4. Гибридная лазерно-плазменная сварка алюминиевых
сплавов / И. В. Кривцун, В. Д. Шелягин, В. Ю. Хаскин и
др. // Там же. – 2007. – № 5 – С. 49–53.
5. Генерация излучения с качеством ТЕМ00 моды в непре-
рывном СО2-лазере мощностью 8 кВт / Ю. В. Афонин,
А. П. Голышев, А. И. Иванченко и др. // Квант. электро-
ника. – 2004. – 31, № 4. – С. 307–310.
6. Рабкин Д. М. Металлургия сварки плавлением алюминия
и его сплавов. – Киев: Наук. думка, 1986. – 256 с.
7. Коваленко В. С. Металлографические реактивы: Спра-
вочник. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Металлургия,
1981. – 120 с.
Поступила в редакцию 07.02.2014
ИЗДАТЕЛЬСКИЙ ДОМ «ПАТОН»
www.patonpublishinghouse.com
Журнал «Автоматическая сварка» издается с 1948 г. 12 выпусков в год, ISSN 005-
111X. Один из наиболее авторитетных и популярных журналов, издаваемых в СНГ, в
области сварки и родственных процессов.
Журнал «The Paton Welding Journal» издается с 2000 г. 12 выпусков в год, ISSN 0957-
798X. Полный перевод журнала «Автоматическая сварка» на английский язык.
Журнал «Техническая диагностика и неразрушающий контроль» издается с 1985 г. 4 выпуска в
год, ISSN 0235-3474. В журнале публикуются статьи по технической диагностике сооружений, кон-
струкций и машин, а также по всем методам неразрушающего контроля. Журнал переиздается в пол-
ном объеме на английском языке под названием «Technical Diagnostics and Non-Destructive Testing»
издательством «Cambridge International Science Publishing», Великобритания.
Журнал «Современная электрометаллургия» издается с 1989 г. 4 выпуска в год, ISSN 0235-
3474. Журнал не имеет аналогов в СНГ. Журнал включает разделы: электрошлаковый пере-
плав, электронно-лучевые процессы, плазменно-дуговые процессы, вакуумно-индукционная
плавка, общие вопросы металлургии, новые материалы. Журнал переиздается в полном объеме
на английском языке под названием «Advances in Electrometallurgy» издательством «Cambridge
International Science Publishing», Великобритания.
|