Сварка аустенитной нержавеющей стали с использованием лазерного луча высокой мощности и электромагнитного управления сварочной ванной

Научная библиотека Комментариев к записи Сварка аустенитной нержавеющей стали с использованием лазерного луча высокой мощности и электромагнитного управления сварочной ванной нет

Бахманн, М. ; Авилов, В. ; Гуменюк, А. ; Ретмайер, М. // Автоматическая сварка. — 2014. — № 3 (730). — С. 23-27, УДК 621.791.72

Благодаря наличию лазеров мощностью 20 кВт и более, лазерная сварка с глубоким проплавлением широко применяется в промышленности при соединении листовой стали толщиной до 20 мм за один проход. При превышении критического уровня жидкий металл формируемого валика провисает под воздействием гидростатического давления. В отличие от электронно-лучевой, лазерная сварка позволяет управлять жидким потоком в сварочной ванне при помощи электромагнитных полей. Проведены экспериментальные и численные исследования электромагнитной системы переменного тока для компенсации гидростатического давления, обусловленного силами Лоренца в расплаве, при однопроходной сварке с полным проплавлением пластин из аустенитной нержавеющей стали типа AISI 304 толщиной до 20 мм. Показано, что применение магнитных полей с индукцией от 200 до 234 мТл (частота колебаний приблизительно 2,6 кГц) приводит к полной компенсации гидростатических сил в расплаве при сварке пластин толщиной от 10 до 20 мм, соответственно.
Проведено комплексное моделирование жидкого потока, тепловых и электромагнитных условий методом конечных элементов при различных плотностях магнитного потока и различных частотах колебаний для расчета оптимальной силы электромагнитного поля, предупреждающей провисание расплава. Результаты моделирования показывают, что для этого может использоваться магнитное поле более низкой плотности.

Появление в последние десять лет лазерных источников излучения мощностью выше 10 кВт позволило сваривать стальные пластины толщиной до 30 мм и алюминиевые большей толщины, используя процесс полного проплавления [1, 2], отличающийся высокой эффективностью. К этому следует добавить ключевые преимущества процесса лазерной сварки, по сравнению с многопроходной дуговой, такие как низкая погонная энергия, высокая скорость и низкая деформация [3]. В данной работе исследуется процесс однопроходной лазерной сварки пластин аустенитной нержавеющей стали AISI 304. Традиционно детали большой толщины сваривают электронно-лучевым способом [4, 5]. При этом возникают проблемы, связанные с необходимостью использования больших модулей для создания технического вакуума. Современные источники лазерного излучения позволяют сваривать стали стабильным однопроходным процессом с проплавлением до 16 мм [6, 7].

Одна из проблем рассматриваемого процесса заключается в том, что при превышении критического уровня поверхностное натяжение жидкого материала не может нейтрализовать гидростатическое давление расплава, поэтому он стекает в процессе сварки перед затвердеванием.
Еще одна проблема: в зоне сварки происходят чрезвычайно динамичные процессы, обусловленные, например, течением Марангони и естественной конвекцией.
В отличие от электронно-лучевой, лазерная сварка позволяет использовать электромагнитную обработку расплава. Технологии электромагнитной обработки металлов широко применяются при сварке. Они включают различные процессы: от выращивания кристаллов и плавки с промежуточной емкостью до предотвращения пористости и поверхностной обработки [8], а также перемешивания [9].

Подход, используемый в данном исследовании, состоит в бесконтактном наведении вихревых токов под зоной обработки при помощи переменного магнитного поля в направлении, перпендикулярном направлению сварки. Получаемые в результате этого объемные силы Лоренца в расплаве нейтрализуют действие гравитационных сил и компенсируют гидростатическое давление.
Систему электромагнитного управления сварочной ванной ранее исследовали на сталях толщиной до 18 мм и алюминиевых сплавах толщиной 30 мм [10, 11]. В работе [12] приведены расчеты по обоснованию использования этой системы при сварке алюминиевых сплавов толщиной 20 мм.
В настоящем исследовании приведены расчеты и описана экспериментальная проверка системы электромагнитного управления сварочной ванной при сварке пластин из нержавеющей стали AISI 304 толщиной 20 мм. Такого типа исследования, основанные на моделировании течения жидкости при электромагнитной обработке, описаны в работах
[12–14]. Магнит располагают под обрабатываемым изделием на расстоянии 2 мм. Полюса магнитов разнесены на 25 мм, поперечное сечение составляет 25×25 мм.

Экспериментальная установка показана на рис. 1, б.
Швы типа валиковой пробы выполняли волоконным лазером мощностью 18 кВт. Сварка стали AISI 304 толщиной 20 мм не дала хороших результатов, так как жидкий материал выдувался из шва. Таким образом, сварные соединения толщиной 20 мм получали с использованием аустенитной стали AISI 304 толщиной 10 мм в корневой части и ферритной
стали S235 в верхней части, так как более высокое поверхностное натяжение стали S235 стабилизирует поверхность валика сварного шва. Глубину проникновения магнитного поля регулировали в пределах 10 мм таким образом, чтобы магнитные свойства ферритной стали S235 не оказывали существенного влияния на приложенное магнитное поле. Предполагалось, что данный пример с толщиной сварного соединения 20 мм покажет принципиальную возможность применения магнитного воздействия на сварочную ванну при сварке листовых материалов большей толщины.

Полное содержание статьи: http://patonpublishinghouse.com/as/pdf/2014/pdfarticles/03/5.pdf

Рекомендуем для Вас

Leave a comment

You must be logged in to post a comment.


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top