Лазерный мир

Шелягин В.Д., Оришич А.М., Хаскин В.Ю., Маликов А.Г., Чайка А.А. // Автоматическая сварка. — 2014. — № 5 (732). — С. 35-41, УДК: 621.791.72.

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.

Алюминиевые сплавы широко применяются в современной промышленности для изготовления облегченных конструкций. Основной особенностью их сварки является необходимость устранения оксидной пленки Al2O3, образующейся на поверхности при взаимодействии с кислородом воздуха.
Обычно подготовку поверхностей этих сплавов к сварке осуществляют механическим способом.
Микроплазменная сварка разнополярными импульсами предоставляет возможность катодной очистки свариваемых поверхностей [1]. Соединение процессов лазерной и микроплазменной сварки позволяет не только обеспечить очистку поверхностей, но и способствует образованию гибридного лазерно-плазменного разряда, который дает возможность значительно повысить производительность сварки, а также качество сварных соединений [2]. Однако это не означает снижения актуальности лазерной сварки. Согласно данным ряда исследователей [3], правильный выбор режима лазерной сварки позволяет получать качественные соединения при минимальном перегреве основного металла.
В литературе [3, 4] описаны результаты апробации различных технологических схем лазерной и лазерно-микроплазменной сварки. Обычно лазерную сварку алюминиевых сплавов проводят с качественной 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 исследованиях, проведенных с применением этой схемы, изучались особенности формирования соединений в диапазоне погонных энергий 40…200 Дж/мм. Однако интерес также представляет сварка тонкостенных изделий в диапазоне энергий 10…30 Дж/мм. Исследованиям получения качественных соединений в этом диапазоне и посвящен один из аспектов данной работы. Другим важным моментом является определение оптимальных погонных энергий лазерной сварки аналогичных изделий. Поэтому целью работы являлось изучение технологических особенностей лазерной, микроплазменной и гибридной лазерно-микроплазменной сварки тонкостенных изделий из алюминиевых сплавов для получения качественных неразъемных конструкций, применяемых в авиа- и ракетостроении. Критериями качества сварных соединений 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 алюминиевых сплавов излучением СО2-лазера с длиной волны λ = 10,6 мкм выполнялось в Институте теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича Сибирского отделения РАН. Для получения сварных соединений использовали созданный в ИТПМ СО РАН автоматизированный лазерный технологический комплекс (АЛТК) «Сибирь 1», включающий непрерывный СО2-лазер мощностью до 8 кВт с параметром качества пучка K = 0,7 [5], технологический стол портального типа и компьютерную систему управления АЛТК

Лазерное излучение фокусировалось на поверхности металла с помощью ZnSe-линзы с фокусным расстоянием 254 мм. Согласно схеме рис. 1, соосно с лазерным пучком подавалась струя инертного газа гелия. Для защиты формируемого сварного шва использовали защитное сопло, из которого подавался тот же газ. Корень шва защищали аргоном. В процессе проведения экспериментов над неподвижной заготовкой перемещали сварочную головку. В ходе исследований определяли оптимальные энергетические параметры лазерной сварки сплава АМг5.

Полное содержание статьи: http://dspace.nbuv.gov.ua/bitstream/handle/123456789/103430/06-Shelyagin.pdf?sequence=1