Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

Оптимальним діапазоном діаметрів сфокусованого променя є 0,5…1,0 мм. Фокусна відстань лінз знаходиться в діапазоні 100…250 мм. Геометричні розміри проплавлення залежать також від положення фокуса променя відносно поверхні виробу (рис.3.32) [7,33]. Знак мінус відповідає заглибленню фокуса в метал.

І

ІІ

ІІІ

Рис.3.31. Деякі типи зварних з'єднань тонких металів:

І – зварювання дротиків; ІІ – зварювання дротиків з масивними деталями; ІІІ – зварювання деталей з відбортовкою

а

б

Рис.3.32. Залежність глибини проплавлення від положення фокальної площини відносно поверхні виробу (а) та схематичне зображення впливу положення фокальної площини на глибину проплавлення нержавіючої сталі при

Р = 16 кВт, vзв = 300 м/год (б)

Залежність глибини проплавлення від швидкості зварювання і потужності лазерного променя СО2-лазера показано на рис.3.33 [7]. Для

345

порівняння показано також аналогічні залежності для ЕПЗ. Видно, що ЛЗ за ефективністю проплавлення займає проміжне місце між ЕПЗ у вакуумі та ЕПЗ в атмосфері.

а

б

Рис.3.33. Вплив швидкості зварювання (а) та потужності променя (б) на глибину проплавлення нержавіючої сталі при ЛЗ та ЕПЗ:

а) 1 – ЕПЗ, Р = 10 кВт; 2 – ЛЗ, 10 кВт; 3 – ЕПЗ в атмосфері, 12 кВт; б) 1 – ЕПЗ, vзв = 16 мм/с; 2 – ЕПЗ, 41,7 мм/с; 3 – ЕПЗ, 83,8 мм/с; 4 – ЛЗ, 16,7 мм/с; 5 – ЛЗ, 41,7 мм/с; 6 – ЛЗ, 83,8 мм/с

Потужність випромінювання та швидкість зварювання перш за все впливають на проплавлення металу, формування та геометрію шва. У роботі [33] відзначається, що при середніх значеннях потужності випромінювання і значних швидкостях зварювання (близько 100 м/год) глибина проплавлення h збільшується пропорціонально потужності Р, а при зменшенні швидкості – за рівнянням

h ≈ αP0,7 ,

(3.35)

де α – коефіцієнт пропорціональності.

Взаємозв'язок основних параметрів режиму зварювання описується рівнянням

h =	P	ln	r + a vзв	,	(3.36)
	2πλT
			r
	к

де Тк – температура кипіння металу; r – радіус сфокусованого променя; а – коефіцієнт температуропроводності.

346

Збільшити глибину проплавлення можна введенням у зону зварювання елементів, які знижують ступінь іонізації та екрануючу дію факела. Такими елементами можуть бути деіонізатори – фтор та хлор.

Вище відзначалося, що максимальне значення ηпр забезпечує гелій. При зварюванні нержавіючої сталі лазерним променем потужністю 20 кВт при швидкості 42 мм/с у середовищі гелію глибина шва складає 12,7 мм, ширина – 1,6 мм, а при зварюванні на повітрі глибина зменшується до 3,0 мм, ширина збільшується до 12,6 мм [7]. Гелій різко підвищує ефективність проплавлення і є надійним захисним середовищем, але він значно дорожчий інших газів. Тому в нашій промисловості широко застосовують інший інертний газ – аргон. Оскільки в середовищі аргону глибина проплавлення мала, то при ЛЗ використовують суміш аргону і гелію. Ефективність проплавлення металу в газовій суміші показано на рис.3.34 [7].

Рис.3.34. Вплив складу аргоногелієвої суміші на співвідношення коефіцієнтів проплавлення металу в газовій суміші ηпр і та чистому гелії ηпр He лазерним променем потужністю Р = 5 кВт при vзв = 20 мм/с,

lф = 210 мм

Із рис.3.34 видно, що при вмісті в суміші 40…50 % гелію ефективність проплавлення така ж, як і в чистому гелії. Крім того, суміш краще утримується над зварним швом унаслідок збільшення її густини

347

(густина гелію ρHe = 0,178 кг/м3, ρAr = 1,78 кг/м3, ρповіт = 1,29 кг/м3).

Ефективність проплавлення залежить також від напрямку газового струменя та витрат газу. Її зростанню сприяє застосування вакууму.

Ефективність проплавлення різко зростає (у 3…4 рази) при використанні імпульсно-періодичного режиму ЛЗ. Періодична зупинка лазерного випромінювання для розсіювання пароплазмової фази в паузі між імпульсами є найбільш раціональним способом боротьби з розвитком плазмового факелу [7]. Вплив швидкості зварювання на залежність відношення глибини проплавлення до середньої потужності променя при імпульсно-періодичному та безперервному випромінюванні показано на рис.3.35.

Рис.3.35. Залежність ефективності проплавлення від швидкості ЛЗприбезперервному (крива 1) та імпульс- но-періодичному (крива 2) режимах (частота імпульсів f = 300 Гц, середня потужність Рсер = 3…5 кВт, скваж-

ність G = 4)

Аналіз результатів досліджень показує, що ефективність імпульс- но-періодичного режиму (ІПР) при швидкостях, більших ніж 15…20 мм/с, різко падає, тобто ІПР є ефективним при малих швидкостях зварювання і глибокому проплавленні.

Суттєве збільшення глибини проплавлення при ІПР досягається за рахунок збільшення інтенсивності лазерного випромінювання, однак при інтенсивності, вищій певного порогового значення, утворюється плазма в парах металу. Це призводить до збільшення тиску парогазової суміші та виплеску металу. Для попередження виплеску роз-

348

плаву і якісного формування шва необхідно, щоб тиск на передню стінку парогазового каналу не перевищував 12 атм (за експериментальними даними). Відповідно максимальна інтенсивність випромінювання І не повинна бути більшою (1…2)·106 Вт/см2. Для цього рівня інтенсивності оптимальна тривалість імпульсу, що необхідна для розігрівання металу від температури плавлення Тпл до температури кипіння Ткип, оцінюється рівнянням [7]

	ρ[c(T	−Т			пл	)+ Н	пл	] 2
tопт ≈ 4a	кип									,	(3.37)
		АІ&

де ρ, а, с, Нпл, A – відповідно густина, температуропровідність, питома теплоємність, питома теплота плавлення, середній коефіцієнт поглинання світла в інтервалі Тпл – Ткип.

Максимально допустима тривалість імпульсу tімп визначається

умовою незначного відведення теплоти в метал [7]:
4atімп << d .	(3.38)

Для діаметра сфокусованого променя 1,0 мм tімп << 20 мс, що відповідає мінімальній інтенсивності İmin = (1…2)·105 Вт/см2. Для зменшення охолодження поверхні парогазового каналу доцільно вибирати частоту імпульсів 600…1000 Гц.

Перспективним є застосування ІПР зварювання з імпульсами складної форми або імпульсами різної інтенсивності [7].

Ефективність проплавлення при безперервному режимі ЛЗ можна підвищити за рахунок осциляції положення сфокусованого променя по висоті стінки канала для забезпечення постійної по глибині канала щільності потужності. Для цього використовують спеціальні сканатори, які змінюють амплітуду коливань фокусу від 0 до 5 мм з частотою від 0 до 150 Гц. Глибина проплавлення сталі, алюмінієвих і титанових сплавів при скануванні може зростати на величину до 45 %.

При ЛЗ з глибоким проплавленням необхідно також забезпечува-

349

ти газовий захист металу. Типи з'єднань та підготовку деталей при ЛЗ доцільно застосовувати ті ж самі, що і при ЕПЗ.

Для визначення параметрів режиму ЛЗ можна використовувати інженерну методику, запропоновану в роботі [7]. Оптимальні параметри розраховували з умови мінімальних витрат енергії на пароутворення, але вони повинні бути достатніми для того, щоб реактивний тиск парів видаляв із передньої стінки каналу практично весь розплав (не повинно бути багаторазового переплавлення металу). У цьому випадку закон збереження енергії для переплавленого лазерним променем металу шва запишеться рівнянням

ηпрPсeр = hvзвdE + hvзв2E at ,

(3.39)

де Рсер – середня потужність лазерного променя; E = ρ{c(Tкип −Тпл )+ Нпл}–

	питомий тепловміст розплавленого металу; t =			d	; d – діаметр про-
				v G
				зв
	меня; G =	1	– скважність ІПР; f, Т – відповідно частота і період ім-
		f T

пульсів (при безперервному режимі G = 1); h – глибина проплавлення; 2 at – розмір зони розплавлення, що враховує поширення розплавленого металу в напрямку, перпендикулярному площині шва; t – час дії імпульсу.

К.к.д. проплавлення визначається рівнянням

η =	hv	dE	+ 2	a		(3.40)
	зв	1			.
пр	P			dv G
	сер			зв

Величина ηпр легко визначається експериментально шляхом виміру площі поперечного перерізу шва для кожного режиму (Рсер, vзв, d), розрахунку об'єму переплавленого в одиницю часу металу шва, його перемноження на питомий тепловміст і ділення на Рсер.

З урахуванням відводу теплоти в основний метал за рахунок теплопровідності рівняння теплового балансу має вигляд

350

ηефРсер = hvзвdE + hvзв2E	ad	+ hvзв2E′	ad	,	(3.41)
	vзвG		vзвG

де ηеф – ефективний к.к.д. ЛЗ; Е′ = сρ(Тпл – Т0) – питомий тепловміст нагрітого твердого металу; Т0 – температура навколишнього середо-

вища (20 ºС).

Після деякого спрощення з урахуванням (3.40) рівняння (3.41) має вигляд

					a
		2β
				dv G				,	(3.42)
ηеф = ηпр 1+					зв
	1+2				a
					dvзвG
де	β =	E′	.
		E
Якщо врахувати, що при ЛЗ пластин термічний к.к.д. ηт близький
до теоретичного в моделі нагрівання швидкорухомим									джерелом

(ηт = 0,484), то можна прийняти β ≈ 1. Для випадку високих швидко-

стей зварювання, коли

4a

<1 рівняння (3.42) можна записати у ви-

dvзвG

гляді

η

= η

+ 2

a

(3.43)

1

dv G

.

еф

пр

зв

Зі спільного рішення рівнянь (3.43) і (3.40) отримані

h

η

=

еф

(3.44)

P

a

2

сер

Edv

1 + 2

dv G

зв

зв

h

ηефG

та

=

.

(3.45)

P

4aE

сер max

351

Зі спільного рішення рівнянь (3.43) і (3.44) знаходять коефіцієнт

h/d:

h

=

Pсерηеф

(3.46)

d

2

a

2

d

v

E 1+ 2

dv G

зв

зв

або

h

=

πηефIсер

,

(3.47)

d

a

2

4v E 1

+ 2

зв

dv G

зв

де Ісер – середня інтенсивність променя.

У роботі [7] рівняння (3.44)–(3.47) використані для оцінки основних параметрів ЛЗ широкого кола режимів стосовно конкретних матеріалів та параметрів лазерного випромінювання.

Лазерне зварювання жароміцних сплавів досліджено в роботі [84] на установці ЛТ1-2М (лазер на СО2) при виводі лазерного променя в атмосферу та захисті металу шва гелієм. Макрошліф металу в зоні проплавлення показано на рис.3.36, а параметри проплавлення наведено в табл.3.3, у якій для порівняння є також дані для низьколегованої сталі.

Таблиця 3.3. Параметри проплавлення металу лазерним променем

	Потужність	Швидкість	Глибина	Ширина		B			Pсер
Метал	променя	зварювання	проплавлен-	проплавлен-
						h			h
	Рсер, кВт	vзв, м/год	ня h, мм	ня В, мм
Жароміцний	3,0	62	1,0	2,5	1,30				1,60
нікелевий	4,0	62	3,0	3,4	1,10				1,35
сплав	5,0	62	4,0	3,9	0,97				1,25
	8,0	45	8,9	2,3	0,26				0,90
Низьколего-	8,0	60	6,4	2,1	0,33				1,25
вана сталь	20,0	76	20,2	3,3	0,16				1,00
	20,0	153	12,7	2,3	0,18				1,57

352

Незважаючи на різні умови проплавлення сплаву ЭП99 і сталі, з табл.3.3 видно, що на 1 мм глибини проплавлення металу необхідно 0,9…1,6 кВт потужності, залежно від параметрів режиму.

а

б

Рис.3.36. Макрошліф жароміцного сплаву товщиною 2+2 мм у зоні проплавлення лазерним променем різної потужності:

а – 3,0; б – 4,0; в – 5,0 кВт (зменшено при друкуванні в 2 рази)

в

Мікроструктуру зварного з'єднання сплаву ЭИ602 (ХН75МВТЮ) показано на рис.3.37.

а

б

Рис.3.37. Мікроструктура стикового з'єднання сплаву ЭИ602 після ЛЗ:

а – ×300; б – ×100 (зменшено при друкуванні в 2 рази); 1 – шов; 2 – основний метал

353

Із макроструктури видно, що проплавлення жароміцного сплаву має рюмкоподібну форму. Верхня частина шва розширена, а нижня має форму ножа. Зона термічного впливу (див. рис.3.37,б) дуже вузька – практично відсутня. Біля поверхні проплавлення істотної зміни зерен основного металу не спостерігається. Мікроструктура з'єднань при ЛЗ аналогічна мікроструктурі при ЕПЗ. Механічні випробування зварних з'єднань на короткочасну та тривалу міцність при 900 ºС показали, що ці показники знаходяться на рівні показників основного металу.

Взаємозв'язок між потужністю лазерного променя, швидкістю зварювання та глибиною проплавлення низьковуглецевої сталі в режимі безперервного випромінювання, за даними SLV M-V, показано на рис.3.38.

Рис.3.38. Вплив швидкості зварювання в гелії на глибину проплавлення сталі при різних потужностях лазерного променя:

1 – 7,5; 2 – 12,5; 3 – 18,0; 4 –

25,0 кВт; фокусна відстань

300 мм

Залежності, зображені на рис.3.38, охоплюють широкий інтервал зміни потужності променя та швидкості зварювання. Практично використовуються значно менші інтервали швидкостей зварювання. Рекомендовані параметри безперервного режиму ЛЗ, що забезпечують найкращі геометрію шва, механічні властивості та технологічну міцність з'єднань деяких матеріалів, наведено в табл.3.4 [33].

354