Лазерный мир

Константинова А.А. //  Наука молодых ‐ будущее России 10‐11 декабря 2020 года ТОМ 4

В данной статье рассматриваются различные способы подвода ультразвукового генератора к свариваемой металлической заготовке при лазерной сварки, с целью улучшения механических свойств металла. Приводится описание каждой технологии, сравнение способов и выявление их преимуществ и недостатков. В настоящее время ультразвуковые эффекты активно применяются в лазерной сварке, так как способствуют улучшению структуры сварного шва и уменьшению дефектности сварного соединения, лучшему перемешиванию металлов при воздействии лазерного луча, тем самым повышая качество сварного шва. При воздействии ультразвука на зону плавления металла при лазерной сварке большая часть газа в сварочном шве удаляется, что приводит к снижению или даже исключению дефектов шва. За счёт акустического воздействия и явления кавитации сварочное остаточное напряжение уменьшается, а прочность и коррозионная стойкость соединения повышаются. Существует множество способ реализации такой технологии. Одним из таких является действие на металлическую подложку импульсного лазера, который способен одновременно излучать ультразвуковой луч [1]. Данный способ заключается в следующем: лазерный луч нагревает и плавит свариваемый материал, и через маленький промежуток времени с этого же сопла начинают воздействовать ультразвуковые волны на сварной шов. Всё это происходит в быстром импульсном режиме установки. Преимущество та- кой технологии – непосредственное ультразвуковое воздействие на ванну расплава, а недостаток – возникновение остаточных напряжений после застывания металла, а также оборудование с лазером подобного типа имеет высокую стоимость. Ещё одним способом реализации лазерной сварки с ультразвуковым воздействием является стандартный способ подвода сонотрода к металлической подложке. Он заключается в том, что сонотрод прикладывается или закручивается к заготовке, а ультразвуковые колебания передаются в зону лазерного воздействия путем механических вибраций [1]. Преимущество – простота выполнения технологии. Недостаток – ультразвук неравномерно действует во всем материале, поскольку данный способ не обеспечивает равномерной мощности при распространении ультразвука по всей площади сварного соединения и, соответственно, малоэффективно воздействует на сварной шов. Также волновод можно расположить так, чтобы он находился в непосредственном контакте с металлической подложкой. Соответственно, после лазерного луча на некотором расстоянии будет двигаться сонотрод вдоль затвердевшего сварного шва [2]. Тем самым, обеспечивается удаление газа из сварного соединения, что приводит к повышению прочности и коррозионной стойкости изделия. Недостатками такого способа является то, что трудно добиться качественного сварного шва более толстых пластин, поскольку ультразвуковые колебания затухают при достижении дна металла. Также сложно обеспечивать непосредственный контакт между волноводом и подложкой при движении сонотрода. Можно также расположить сонотрод перед соплом и обеспечить синхронное перемещение ультразвукового инструмента и источника лазерного излучения. То есть перед началом процесса сонотрод устанавливают так, чтобы он находился в непосредственном контакте с поверхностью свариваемого образца на расстоянии от ванны расплава, равном или кратном полудлине ультразвуковой волны, при этом инструмент ультразвукового излучения постоянно прижимают к металлической подложке так, чтобы на протяжении всей лазерной сварки в автоматическом режиме поддерживался непрерывный контакт волновода с металлической поверхностью заготовки. Соответственно, сонотрод будет двигаться впереди лазерного луча по направлению сварки, при этом сонотрод плотно соприкасается с металлической подложкой [3]. Недостатком такого способа по- прежнему является сложность в обеспечении непосредственного контакта между волноводом и подложкой при движении сонотрода. Даже если удастся установить постоянную непосредственную связь между волноводом и поверхностью заготовки, то тогда будет происходить износ ультразвукового инструмента и повреждение самой заготовки. Также говорят о лазерногибридной сварки. Например, способ гибрид- ной лазерно-дуговой сварки толстостенных изделий с ультразвуковой об- работкой [4]. Заключается он в следующем: на стык свариваемых образцов сначала воздействуют дуговой сварочной горелкой, после — лазерным лучом, а затем — снова дуговой сварочной горелкой, и только после этого сварной шов проходит через два сонотрод, который излучает ультразвуковые колебания. Преимущества такой технологии — повышение ударной вязкости и снижение твердости, которые достигаются за счёт ультразвуковой вибрации, поскольку разбиваются крупные дендриты на множество мелких частиц, что и приводит к улучшению механических свойств металлической заготовки. Недостатком может послужить излишнее нагревание металлического образца, что приведет к обратному эффекту улучшения свойств. Существует также бесконтактный способ передачи ультразвука в зону лазерного воздействия. Сонотрод располагают на некотором расстоянии от подложки и оставляют воздушный зазор между волноводом и поверхностью заготовки [5]. Данную технологию осуществляют следующим образом: лазер расплавляет свариваемый материал, затем образовавшийся рас- плавленный участок облучают бесконтактно ультразвуковыми волнами. Недостатком такого способа является ослабевание ультразвуковых колебаний при прохождении воздушной среды и при достижении сварного шва потеря половины силы действия ультразвука. Поэтому необходимо увеличивать мощность и энергию ультразвукового генератора, а это значит будет больше денежных затрат за чрезмерное энергопотребление, а также при длительном таком процессе происходит нагревание сонотрода, что может привести к неисправности оборудования. Таким образом, сложно реализовать эффективную передачу ультразвуковых колебаний в зону сварного шва. Ввиду сильного снижения мощности ультразвуковой волны в воздухе с ростом расстояния от источника. Для того, чтобы ультразвук эффективно проникал в материал, на подложку можно нанести небольшое количество жидкости, которая является неким «передаточным» звеном между наконечником сонотрода и поверхностью металла. Целесообразно применять вязкие плотные жидкости, смачивающие обрабатываемые металлы. Лазерная сварка с применением ультразвука обеспечивает качественное соединение по всей длине сварного шва, а также равномерное распределение мощности ультразвука за счёт смачивающей жидкости. В такой технологии, описанной выше, генератор ультразвука перемещают в соответствии с движением лазера, при этом сонотрод движется рядом с ним на некотором малом расстоянии [6]. Преимуществом такой технологии является то, что ультразвуковые колебания интенсивно воздействует на сварной шов, удаляя большую часть газов, а высокочастотные ультразвуковые колебания быстро достигают места проведения лазерной сварки, тем самым обеспечивая качественный шов. Схема технологии изображена на рис.1. Рисунок 1 — Локальное действие ультразвука на лазерную сварку Таким образом, существует множество способов подвода источника ультразвуковых волн к поверхности металлического изделия при проведении лазерной сварки. Наиболее перспективной является технология с использованием импульсного лазера с адаптивным ультразвуковым воздействием, но она наиболее затратная. Также можно выделить локализованный способ подвода сонотрода к металлической подложке через жидкое «передаточное» звено, поскольку в такой технологии наблюдается улучшение характеристик сварного соединения.

Список литературы

1. Liu Jia, Shi Yan, Liu Shuangyu, Liu Fengde, Zhang Hong, Huang Genzhe. Ultrasonical- ly assisted pulse laser-MIG composite heat source welding device and welding method there- of / Патент Китая 102016000363274, 2016. 2. Chen Junke, Xu Chunli, Niu Zhiyu, Pu Xiongying, Wang Lin. Ultrasonic assistec laser electric arc composite welding method of aluminum alloy / Патент Китая 201610290848.1, 2016. 3. Иванов А.Н., Воронцов А.В., Калашников К.Н., Дмитриев А.В., Рубцов В.Е., Бак- шаев В.А. Способ гибридной лазерной сварки с ультразвуковым воздействием и уст- ройство для его осуществления / Патент России 2704874, 2018. 4. Романцев А.И., Федоров М.А., Черняев А.А., Котлов А.О., Булыгин А.А. Способ гибридной лазерно-дуговой сварки труб большого диаметра с ультразвуковой обработ- кой / Патент России 2018119356, 2018 5. Katsura Akihide, Koshiishi Masato. Method and apparatus for ultrasonic wave-applying welding / Патент Японии 2006225328, 2006. 6. Павлова А.А. Моделирование акустических волн в зоне контакта металла и сонотрода для лазерной сварки / Павлова А.А., Цивильский И.В. // I Всероссийская науч- но-практическая конференция молодых авиаторов России, Казань, 29-30 ноября 2019 г.: материалы конференции. – Казань: Изд-во КНИТУ-КАИ, 2019. – С. 234-237.

Опубликовано в: В сборнике: Наука молодых — будущее России. сборник научных статей 5-й Международной научной конференции перспективных разработок молодых ученых : в 4 т.. Курск, 2020. С. 111-114.