Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЛАЗЕРНО-ДУГОВОЙ СВАРКИ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Область техники

Изобретение относится к технологическим процессам, а точнее к лазерно-дуговой сварке плавящимся электродом в среде защитного газа, и может быть использовано в различных областях машиностроения, судостроения, авиационно-космической промышленности при создании интегральных конструкций методом сварки стыковых соединений А1 сплавов.

Уровень техники

Создание современных образцов авиационной и космической техники, возросшие требования к удельным прочностным и весовым характеристикам узлов и конструкций данных изделий связаны с разработкой новых свариваемых алюминиевых, алюминиево-литиевых сплавов, а также совершенствованием методов их соединения.

Именно сварка дает возможность создавать комбинированные конструкции, состоящие из наиболее рациональных по форме и размерам заготовок и деталей, одновременно обеспечивая снижение весовых характеристик.

Известные способы лазерной сварки стыковых соединений [см. 1, 2] включают в себя: источник лазерного излучения, системы транспортировки лазерного луча и дальнейшей его фокусировки в зазор между кромками соединения для расплавления кромок и перемещения лазерного луча относительно стыкового соединения. Основной недостаток этих способов заключается в необходимости очень точной подготовки кромок, зазор между свариваемыми заготовками не должен превышать 0,1 толщины металла.

Известен способ лазерной сварки стыковых соединений, включающий направление в зазор между свариваемыми кромками лазерного луча для их расплавления и подачу в зону сварки присадочного материала в виде проволоки [3, 4] либо ленты [5] и перемещение лазерного луча относительно свариваемого соединения.

Недостаток этих способов заключается в высокой энергоемкости процесса из-за необходимости расплавления основного металла и всего присадочного материала, а также усложнения всего технологического процесса за счет обеспечения прижатия проволоки к поверхности свариваемых деталей или специальной подготовки кромок.

Для уменьшения энергетических затрат и снижения технологических требований к точности подготовки стыковых кромок был выбран способ гибридной лазерно-дуговой сварки алюминиевых сплавов, включающий выполнение сварки при одновременном воздействии лазерного луча и дуги в одну сварочную ванну в среде инертного газа.

Так известен способ лазерно-дуговой сварки стыковых соединений плоских пластин из алюминиевых сплавов в среде инертного газа [6], где устанавливают лазерную сварочную головку таким образом, чтобы ось лазерного луча располагалась перпендикулярно поверхности свариваемых деталей, а дуговую горелку с плавящимся электродом располагают за лазерной сварочной головкой под углом относительно направления сварки, защитный газ подают в зону сварки с помощью дуговой горелки, проволоку направляют в точку, расположенную перед лазерным лучом.

Предложен также способ лазерно-дуговой сварки алюминия и алюминиевых сплавов [7], включающий выполнение сварки при одновременном воздействии лазерного луча и дуги в одну сварочную ванну в среде инертного газа, причем при сварке лазерный луч наклоняют на 10-20 градусов, а дуговую горелку на 30-40 градусов в противоположные стороны относительно нормали к поверхности свариваемых деталей. Дуговую горелку устанавливают перед лазерным лучом по ходу движения и направляют сварочную проволоку в точку пересечения лазерного луча с поверхностью свариваемых деталей.

Воздействие излучения мощного волоконного лазера обеспечивает повышенную глубину проплавления и высокую скорость сварки. Одновременное воздействие дуги, формирующей общую с лазерным лучом сварочную ванну, в среде инертного газа обеспечивает подачу присадочного материала в металл шва. Лазерный луч формирует в расплавленном металле парогазовый канал, а наклон луча обеспечивает эффективный нагрев передней стенки канала, препятствуя его заливке и образованию пор в корневой части сварного шва. Расположение дуговой горелки перед лазерным лучом по ходу движения и направление сварочной проволоки в точку пересечения лазерного луча с поверхностью свариваемых деталей обеспечивает формирование сварочной ванны, состоящей из основного и присадочного металла. Угол наклона лазерного луча 10-20 градусов обеспечивает оптимальный угол встречи луча с поверхностью передней стенки парогазового канала, стабилизирует ее положение, препятствуя заливке парогазового канала расплавом. Угол наклона дуговой горелки 30-40 градусов обеспечивает оптимальную защиту сварочной ванны инертным газом.

Исследования, проведенные по подбору режимов гибридной сварки алюминиевых сплавов 1461, 1469 и 1424 толщиной 4-8 мм по схеме, приведенной в патенте [7], показали, что через 3-6 с после начала гибридной сварки глубина проплавления падала на 1,0-1,5 мм. По нашему мнению, это связано с интенсивным выделением сварочных аэрозолей, образующихся над ванной расплава при воздействии дуги плавящимся электродом, что приводит к интенсивному поглощению и рассеянию лазерного излучения и соответственно снижению глубины проплавления и ее нестабильности.

Один из способов устранения поглощения и рассеяния лазерного излучения сварочными аэрозолями приведен в работе Шелягина В.Д. и др. «Особенности лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом высокопрочных алюминиевых сплавов» М. - Автоматическая сварка. - 2009 г., №12, с. 28-35, где предлагается применять импульсную модуляцию лазерного излучения, а для защиты сварочной ванны использовать смесь Ar+Не либо чистый Не. Но, как пишут сами авторы, необходимо тщательно подобрать частоту следования импульсов лазерного излучения в соответствии с частотой импульсов дуги плавящегося электрода, что является трудоемким и малоисследованным.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание способа гибридной лазерно-дуговой сварки встык деталей из алюминиевых сплавов, обеспечивающего получение стабильного по глубине сварного шва с характеристиками шва, близкими к 1, а также отсутствие таких дефектов как поры, при минимальных энергетических затратах и высокой скорости самого процесса сварки.

Поставленная задача достигается тем, что в способе лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом алюминия и алюминиевых сплавов, включающем сварку деталей 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 с диаметром пятна на поверхности, равным (0,4÷0,6) мм, впереди точки дугового разряда на заданном расстоянии от нее с пороговой плотностью мощности, необходимой для начала процесса сварки, а лазерный луч наклоняют вперед по ходу движения на угол 8-9°, а дуговую горелку располагают позади лазерного луча под углом 40-50°.

Кроме того, целесообразно расстояние между центром пятна лазерного излучения и точкой дугового разряда поддерживать равным (0,1÷0,2) диаметра электрода.

Такое выполнение способа сварки позволяет улучшить качество сварного шва.

Предложенный способ гибридной лазерно-дуговой сварки представлен фиг.1, на которой обозначены:

1 - лазерная головка;

2 - лазерное излучение мощностью Р;

3 - фокусирующий объектив с фокусом F;

4 - защитное стекло;

5 - присадочная проволока;

6 - медный токовыводящий мундштук;

7 - защитное сопло;

8 - образец;

9 - съемная прокладка из меди с канавкой 6×4 мм для подачи защитного газа в корневой шов;

10 - приспособление для крепления свариваемых деталей (заготовок);

11 - сварочная ванна;

ΔF - расстояние от середины каустики излучения до поверхности заготовки;

L - расстояние между осевой линией дугового разряда и осью лазерного излучения;

θ - угол наклона оси лазерного луча;

φ - угол наклона плавящегося электрода;

V_св - скорость сварки;

V_пр - скорость подачи присадочной проволоки;

F - фокусное расстояние;

I_св - ток сварки;

U - напряжение дуги.

Суть предложенного способа гибридной лазерно-дуговой сварки встык деталей из алюминиевых сплавов заключается в следующем:

Лазерный луч 2 мощностью Р волоконного иттербиевого лазера (λ=1,06 мкм) фокусируется объективом 3 на расстоянии ΔF над поверхностью свариваемых деталей 8 таким образом, чтобы диаметр лазерного пятна на свариваемой поверхности был не менее (0,4÷0,6) мм с пороговой плотностью мощности, необходимой для начала процесса лазерной сварки. Выбор диаметра лазерного пятна обусловлен двумя обстоятельствами. Минимальный диаметр 0,4 мм связан с технологическими требованиями подготовки кромок под сварку. Как показали эксперименты, при диаметре пятна ≤0,3 мм необходимо накладывать более жесткие требования к подготовке кромок и тщательно отслеживать стык свариваемых заготовок. Максимальный диаметр 0,6 мм связан с необходимостью создания плотности мощности для проведения процесса сварки, а это требует увеличения общей мощности лазера более 3 кВт, что резко увеличивает энергозатраты.

- Лазерный луч фокусируется впереди точки дугового разряда на заданном расстоянии L от нее.

- При этом угол наклона оси лазерного луча θ к нормали свариваемой поверхности составляет 6-9 градусов по ходу движения сварочной головки 1, закрепленной в манипуляторе перемещающего механизма (на фиг. 1 не указан). Угол 6-9 градусов выбран из условия, во-первых, чтобы зеркальная составляющая отраженного луча от поверхности свариваемых деталей в первоначальный момент возникновения сварочной ванны не попадала обратно в волоконно-оптический тракт, а, во-вторых, при углах больше 10 градусов коэффициент поглощения лазерного излучения расплавленным металлом падает, что приводит к дополнительным энергетическим затратам.

- Соосно лучу 2 в сопло лазерной головки 1 подается защитный газ (Ar), который направлен в зону сварочной ванны 11. Дополнительно для защиты фокусирующего объектива 3 от брызг расплава в сопле лазерной головки крепится стекло 4.

- Аргонодуговая сварка с параметрами I_св и U расположена следом за лазерной сваркой, причем угол наклона φ плавящегося электрода (присадочная проволока 5) составляет 40-50 градусов от вертикали к направлению сварки, а расстояние L между центром поглощения лазерного пятна на поверхности свариваемых деталей и точкой контакта дугового разряда поддерживается равным (0,1÷0,2) d_эл. При увеличении расстояния L до величины >0,2 d_эл при тех же энергетических параметрах лазерного луча Р и дуги (I_св, U) свечение лазерного факела над сварочной ванной уменьшалось, что говорит об уменьшении доли поглощения лазерного излучения, но качество шва ухудшалось, что, наверное, объясняется малым размером сварочной ванны кинжального типа и ее быстрым остыванием, так как при увеличении мощности дугового разряда величина L может быть увеличена без потери качества сварки, но с большей шириной лицевого шва. Таким образом, четко проявляется зависимость уменьшения величины поглощаемого лазерного излучения от увеличения расстояния L между центром лазерного пятна на поверхности сварочной ванны и точкой контакта дугового разряда при постоянных энергетических параметрах лазерного луча и дуги, но качество лазерного шва при этом может ухудшаться. Поэтому для каждого диаметра электродной проволоки и энергетических параметрах гибридной сварки (Р и I_св, U) необходимо экспериментально определять расстояние L.

- Для защиты сварочной ванны 11 и остывающего металла предусмотрено сопло 7, в которое дополнительно подается защитный газ Ar.

- Внутри сопла 7 соосно расположен медный токовыводящий мундштук 6, через который подается электродная проволока 5 со скоростью V_пр, выполняющая одновременно роль присадочного материала в металле шва.

- В сопле 7 предусмотрено также отверстие для подвода лазерного излучения 2.

- Свариваемые детали 8 фиксируются в сварочном приспособлении 10, в котором имеется прокладка из меди 9 с канавкой 6×4 мм для подачи защитного газа (Ar) в корневую часть шва. Прокладка 9 защищает приспособление 10 от разрушения частично проходящим через парогазовый канал лазерным излучением.

- Таким образом, угол наклона φ плавящегося электрода 5, его диаметр d_эл, диаметр лазерного пятна d_п и угол наклона лазерного луча θ, а также расстояние L между центром лазерного пятна на поверхности сварочной ванны и точкой контакта дуги разряда выбираются из условия наименьшего влияния образующегося от дугового разряда облака аэрозолей на поглощение и рассеяние лазерного излучения, что приводит к стабильности глубины проплавления и формированию корневого шва с геометрическими параметрами, близкими к 1.

- Все это в совокупности позволяет получать стабильный шов с хорошим качеством и отсутствием таких дефектов, как свищи и подрезы.

Установка для проведения процесса гибридной лазерно-дуговой сварки в среде инертного газа работает следующим образом. Предварительно обработанные заготовки 8 свариваемых листов из алюминиевого сплава устанавливаются в приспособление 10 для крепления и поджатия в двух направлениях: сверху и сбоку. Причем стык заготовок располагают над канавкой медной прокладки 9, которая служит одновременно как для защиты приспособления 10 от остаточного лазерного излучения, проходящего через парогазовый канал, так и для защиты корневого шва, для чего в канавку вдоль всего стыка подается газ Ar.

Гибридная сварочная головка крепится в манипуляторе перемещающего механизма установки со скоростью V_св и включает в себя лазерную головку 1, дугу с присадочной проволокой 5 (выполняющей роль плавящегося электрода с диаметром d_эл) и защитное сопло 7, в которое подается защитный газ Ar как соосно лазерному лучу 2, так и коаксиально электроду 5. Помимо сопла 7 защитный газ также подается в съемную прокладку 9 для защиты корневого шва. По программе ЧПУ установки одновременно подается команда на включение лазера ЛС-5 источника лазерного излучения 2 мощностью Р с транспортировкой его в лазерную головку 1, команда на включение источника сварочной дуги «Fronius» TPS-3200 с параметрами I_св, U и команда на подачу присадочной проволоки 5 со скоростью V_пр.

Лазерное излучение 2 попадает в объектив 3 и фокусируется на расстоянии ΔF над обрабатываемой поверхностью таким образом, чтобы диаметр пятна был в пределах 0,4÷0,6 мм, а плотность мощности в нем была достаточной для проведения процесса сварки. Одновременно в образовавшуюся сварочную ванну 11 воздействует на расстоянии L=(0,1÷0,2)d_эл от центра лазерного пятна дуговая горелка с присадочной проволокой 5, формируя сварочный шов из основного и присадочного материала.

Защитный газ Ar, подаваемый в сопло 7 и в канал прокладки 9, защищает сварочную ванну как с лицевой, так и с нижней стороны.

Условие угла наклона оси лазерного луча θ=6÷9 градусов к нормали свариваемой поверхности и угла наклона дуговой горелки φ=40÷45 градусов с расстоянием L=(0,1÷0,2)d_эл между центром пятна лазерного излучения и точкой дугового контакта, а также их взаимное расположение лучом вперед позволяет избавиться от поглощения и рассеяния лазерного излучения аэрозолями, образующимися от дугового разряда, что приводит к формированию стабильного по глубине сварочного шва.

Пример использования предлагаемого способа

Способ был опробован на сварке листов из Al-Li сплава 1461 толщиной 4-6 мм. Первоначально листы были подвергнуты «химическому фрезерованию» для снятия плакированного слоя, а стыковочные кромки подвергнуты еще и предварительному фрезерованию. Сама предполагаемая зона сварки подвергается шабрению.

Эти процедуры необходимы для уменьшения порообразования в швах, которое обусловлено, в первую очередь, наличием газов и окислов в поверхностном слое.

Лазерно-дуговая сварка проводилась в среде инертного газа Ar при одновременном воздействии излучения волоконного лазера ЛС-5 фирмы НПО «ИРЭ-Полюс» мощностью от 2 до 3 кВт и сварочной дуги от источника фирмы «Fronius» TPS-3200 с параметрами I_св=160-180 А и U=18,6-20 В при подаче присадочной проволоки марки СВ-1201 (диаметром 0,8÷1,2 мм) механизмом подачи проволоки ПДГО-511 со скоростью 5,5-7,0 м/мин.

Для сварки была использована сварочная головка фирмы НПО «ИРЭ-Полюс» с некоторыми доработками ОАО НИАТ. Сварка велась при скорости 1,8-2,5 м/мин. Диаметр пятна лазерного излучения на поверхности свариваемых деталей изменялся в пределах от 0,3 до 0,8 мм. Расстояние между центром пятна лазерного излучения и точкой дугового разряда L варьировалось от 0 до 8 мм. Углы наклона лазерного луча θ и дуговой горелки φ изменялись соответственно от θ=5°, φ=55° до θ=20°, φ=30°.

Наилучшие результаты сварочного шва по критерию стабильного формирования корня шва при минимальной мощности обоих источников нагрева и геометрической формы шва (отношению ширины лицевого шва к ширине корневого), близкой к единице, были получены при углах θ=8-9°, φ=40-55° и L=0,1 d_эл, при скорости сварки V_св=1,8-2,0 м/мин, скорости подачи присадочной проволоки V_пр=7,0 м/мин, мощности лазерного излучения Р=2,5 кВт, диаметре пятна d_п=0,4 мм, d_эл=1,2 мм, 1 св=170А, U=19 В, при подаче защитного газа Ar (ГОСТ 10157-79) соосно лазерному лучу и коаксиально дуговому разряду с общим расходом 30 л/мин, а в канал подложки для защиты корневого шва - 20 л/мин соответственно.

Макроструктура металла шва и его форма определялись на шлифах после их химического травления шлифов в растворе смеси кислот HCl+НNO₃+HF, количество и размер пор определялись на рентгеновском томографе.

Исследования показали, что шов содержит мелкие поры, но их размер и количество находятся в пределах допустимых норм.

Технико-экономический эффект

Таким образом, предлагаемый способ лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом стыковых соединений из алюминиевых сплавов позволяет получить качественный и стабильный по глубине сварочный шов, при этом скорость гибридной сварки в 2,5 раза превышает скорость аргонодуговой сварки, а энерговклад в свариваемый материал снижается в 1,5 раза, что значительно уменьшает деформацию свариваемых деталей и зону разупрочнения.

Использованная литература

1. Заявка JP-1980-55-114490.

2. 3аявка РК 2442693, 1980 г.

3. Патент JP 11300485.

4. Патент CN 1657223(А).

5. Патент RU 2104137.

6. Заявка JP-A-2005-329430.

7. Патент RU 2440221.