Главная


Гибридные технологии лазерной сварки: Учебное пособие




Листать книгу
Листать
Страницы: 1 ... 23 ... 49
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45


скачать книгу Гибридные технологии лазерной сварки: Учебное пособие




Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов по образованию в области машиностроения и приборостроения в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 6514 «Машиностроительные технологии и оборудование», специальность 1207 «Машины и технология высокоэффективных процессов обработки материалов»
...
Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов по образованию в области машиностроения и приборостроения в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 6514 «Машиностроительные технологии и оборудование», специальность 1207 «Машины и технология высокоэффективных процессов обработки материалов»
...
В учебном пособии рассмотрены основы современных технологий гибридных методов лазерной сварки, а также основные технологические недостатки лазерной сварки. Представлены примеры практического применения технологии гибридных методов лазерной сварки. Для студентов старших курсов, обучающихся по специальности «Машины и технология высоко­эффективных процессов обработки материалов», и инженеров-технологов машиностроительных предприятий.
...
Уникальные свойства лазерного излучения - высокая монохроматичность и когерент­ность, низкая расходимость позволили создать перспективный вид высококонцентрированного теплового источника энергии. Луч лазера, как сварочный источник энергии, открыл новые техно­логические возможности в теории и практике сварочных процессов. Лазер, в настоящее время, является единственным доступным сварочным источником энергии, который при атмосферных условиях позволяет получить плотности мощности более 106 Вт/см2, реализующие режим глубо­кого проплавления.
...
Любое сравнение лазерной сварки с другими методами является достаточно условным, поскольку каждый метод сварки, имеет свои определенные преимущества и недостатки, которые определяют области оптимального технико-экономического применения.
...
Лазерная сварка в процессе своего научно-технического развития получила свое даль­нейшее развитие в виде создания гибридных методов сварки - двухлучевой лазерной, лазерно-дуговой, лазерно-индукционной, лазерно-плазменной, лазерно-светолучевой, которые находят все большее применение в промышленности вследствие своей высокой технико-экономической эффективности.
...
Соединение различных методов сварки с лазерной, в единый технологический свароч­ный процесс, позволяет нивелировать недостатки каждого метода сварки и получить новое каче­ство в виде функции расширения технологических возможностей.
...
В настоящее время лазеры являются стандартным технологическим оборудованием мно­гих промышленных предприятий, поэтому знание основных технологических возможностей, экономической эффективности, областей практического применения лазерной и гибридных ла­зерных методов сварки является непременным условием образовательного уровня современного инженера-технолога по сварочным технологиям.
...
В данном учебном пособии обобщен теоретический и практический опыт гибридных способов лазерной сварки конструкционных материалов, произведен сравнительный количест­венный и качественный технико-экономический анализ гибридных способов лазерной сварки.
...
Уникальные свойства лазерного излучения - высокая монохроматичность и когерент­ность, низкая расходимость позволили создать перспективный вид высококонцентрированного теплового источника энергии. Луч лазера, как сварочный источник энергии, открыл новые техно­логические возможности в теории и практике сварочных процессов. Лазер, в настоящее время, является единственным доступным сварочным источником энергии, который при атмосферных условиях позволяет получить плотности мощности более 106 Вт/см2, реализующие режим глубо­кого проплавления.
...
Любое сравнение лазерной сварки с другими методами является достаточно условным, поскольку каждый метод сварки, имеет свои определенные преимущества и недостатки, которые определяют области оптимального технико-экономического применения.
...
Лазерная сварка в процессе своего научно-технического развития получила свое даль­нейшее развитие в виде создания гибридных методов сварки - двухлучевой лазерной, лазерно-дуговой, лазерно-индукционной, лазерно-плазменной, лазерно-светолучевой, которые находят все большее применение в промышленности вследствие своей высокой технико-экономической эффективности.
...
Соединение различных методов сварки с лазерной, в единый технологический свароч­ный процесс, позволяет нивелировать недостатки каждого метода сварки и получить новое каче­ство в виде функции расширения технологических возможностей.
...
В настоящее время лазеры являются стандартным технологическим оборудованием мно­гих промышленных предприятий, поэтому знание основных технологических возможностей, экономической эффективности, областей практического применения лазерной и гибридных ла­зерных методов сварки является непременным условием образовательного уровня современного инженера-технолога по сварочным технологиям.
...
Лазерная сварка, обладая определенными преимуществами перед известными классиче­скими методами сварки, в то же время, как и любой другой метод сварки, имеет недостатки, ко­торые, в большинстве своем, обусловлены физикой взаимодействия лазерного излучения с веще­ством или являются логическим следствием ее преимуществ.
...
1.1. Поглощение лазерного излучения обрабатываемой поверхностью Поглощательная способность - А обрабатываемой лазерным излучением поверхности за­висит от длины волны лазерного излучения, температуры и оптических свойств поверхности вполне определенными для каждого металла. На рис. 1 показана зависимость поглощательной способности стали и алюминия, как функция длины волны лазерного излучения, при комнатной температуре. Поглощательная способность алюминия составляет около 2%, при применении СО2 - лазера с длиной волны 10,6 мкм, и 5%-10% при применении твердотельного лазера X = 1,06 мкм. Что касается металлических материалов, то лазерное излучение поглощается в скин-слое и через электроны, в области проводимости, энергия передается в глубь металла, то есть передача тепла металлу происходит за счет столкновений электронов, поглотивших лазерное излучение, с кристаллической решеткой и другими электронами. Этот процесс развивается на глубине 0,1 + 1 мкм, за промежуток времени примерно равный 10-11 сек. Постепенно температура электронного
...
газа и кристаллической решетки выравниваются и примерно через 10 ^ 10 сек можно говорить об общей температуре металла в зоне обработки.
...
Низкий уровень поглощательной способности обрабатываемой поверхности и ее зависи­мость от длины волны лазерного излучения является существенным недостатком технологии ла­зерной обработки, так как приводят к значительному повышению порогового значения уровня плотности мощности, необходимой для обработки материала.
...
Лазерная сварка, обладая определенными преимуществами перед известными классиче­скими методами сварки, в то же время, как и любой другой метод сварки, имеет недостатки, ко­торые, в большинстве своем, обусловлены физикой взаимодействия лазерного излучения с веще­ством или являются логическим следствием ее преимуществ.
...
1.1. Поглощение лазерного излучения обрабатываемой поверхностью Поглощательная способность - А обрабатываемой лазерным излучением поверхности за­висит от длины волны лазерного излучения, температуры и оптических свойств поверхности вполне определенными для каждого металла. На рис. 1 показана зависимость поглощательной способности стали и алюминия, как функция длины волны лазерного излучения, при комнатной температуре. Поглощательная способность алюминия составляет около 2%, при применении СО2 - лазера с длиной волны 10,6 мкм, и 5%-10% при применении твердотельного лазера X = 1,06 мкм. Что касается металлических материалов, то лазерное излучение поглощается в скин-слое и через электроны, в области проводимости, энергия передается в глубь металла, то есть передача тепла металлу происходит за счет столкновений электронов, поглотивших лазерное излучение, с кристаллической решеткой и другими электронами. Этот процесс развивается на глубине 0,1 + 1 мкм, за промежуток времени примерно равный 10-11 сек. Постепенно температура электронного
...
Низкие значения поглощательной способности металлов делают, на первый взгляд, мало­эффективным использование мощных лазеров в металлообработке. Однако поглощательная спо­собность металла может быть существенно повышена специальной обработкой поверхности -увеличением исходной шероховатости, нанесением специальных покрытий, созданием окисной пленки, а также с использованием физических методов.
...
Технологические операции изменения шероховатости поверхности, нанесения специаль­ных покрытий увеличивают длительность технологических циклов и трудоемки, поэтому жела­тельна замена или исключение из технологического цикла изготовления детали данных техпро­цессов.
...
Более целесообразным является воздействие на обрабатываемую поверхность дополни­тельными источниками нагрева, которые производятся одновременно (параллельно) с лазерной сваркой и, изменяя физико-оптические свойства поверхности, значительно увеличивают погло-щательную способность обрабатываемой поверхности.
...
Поглощательная способность неокисленной металлической поверхности лазерного излу­чения с длиной волны X = 10,6 мкм описывается уравнением Хагена-Рубенса.
...
Поскольку электропроводность металлов уменьшается при увеличении температуры, то, соответственно, возрастает и коэффициент поглощения. При переходе металла из твердого со­стояния в жидкое, число электронов проводимости на один атом металла, плотность металла, удельное сопротивление металла по постоянному току изменяются (рис. 2).
...
Низкие значения поглощательной способности металлов делают, на первый взгляд, мало­эффективным использование мощных лазеров в металлообработке. Однако поглощательная спо­собность металла может быть существенно повышена специальной обработкой поверхности -увеличением исходной шероховатости, нанесением специальных покрытий, созданием окисной пленки, а также с использованием физических методов.
...
Технологические операции изменения шероховатости поверхности, нанесения специаль­ных покрытий увеличивают длительность технологических циклов и трудоемки, поэтому жела­тельна замена или исключение из технологического цикла изготовления детали данных техпро­цессов.
...
Более целесообразным является воздействие на обрабатываемую поверхность дополни­тельными источниками нагрева, которые производятся одновременно (параллельно) с лазерной сваркой и, изменяя физико-оптические свойства поверхности, значительно увеличивают погло-щательную способность обрабатываемой поверхности.
...
Поглощательная способность неокисленной металлической поверхности лазерного излу­чения с длиной волны X = 10,6 мкм описывается уравнением Хагена-Рубенса.
...
Изменение данных физических величин приводит, в соответствии с законом Хагена-Рубенса, к повышению коэффициента поглощения в точке плавления металла (рис. 3).
...
В качестве дополнительных источников воздействия, для изменения оптических свойств поверхности, может выступать электрическая дуга, струя плазмы, светолучевая обработка, кото­рые, действуя одновременно (параллельно) с лазерным излучением, изменяют коэффициент по­глощения обрабатываемой поверхности и одновременно участвуют в образовании и формирова­нии сварного шва.
...
Существенное значение на свариваемость металлов оказывают термические сварочные циклы. Лазерная сварка обладает жестким термическим циклом. Скорость нагрева в сварном шве характеризуется значением 1,4 • 104 град/с. Скорость нагрева в зоне термического влияния в ин­тервале полиморфного превращения сталей составляет 5 • 103 град/с., а скорость охлаждения 5 • 102 град/с. Уменьшение жесткости термического цикла, в определенных случаях, может благо­приятно сказываться на свариваемость.
...
Уменьшение жесткости сварочного термического цикла может быть реализовано одно­временным наложением термического цикла лазерной сварки и менее жестких термических цик­лов других методов сварки, например, индукционной, плазменной, светолучевой, используя их в режиме предварительного или сопутствующего подогрева (рис. 4).
...
Изменение данных физических величин приводит, в соответствии с законом Хагена-Рубенса, к повышению коэффициента поглощения в точке плавления металла (рис. 3).
...
В качестве дополнительных источников воздействия, для изменения оптических свойств поверхности, может выступать электрическая дуга, струя плазмы, светолучевая обработка, кото­рые, действуя одновременно (параллельно) с лазерным излучением, изменяют коэффициент по­глощения обрабатываемой поверхности и одновременно участвуют в образовании и формирова­нии сварного шва.
...
Существенное значение на свариваемость металлов оказывают термические сварочные циклы. Лазерная сварка обладает жестким термическим циклом. Скорость нагрева в сварном шве характеризуется значением 1,4 • 104 град/с. Скорость нагрева в зоне термического влияния в ин­тервале полиморфного превращения сталей составляет 5 • 103 град/с., а скорость охлаждения 5 • 102 град/с. Уменьшение жесткости термического цикла, в определенных случаях, может благо­приятно сказываться на свариваемость.
...
Как видно (рис. 4в) жесткость термического цикла снижается при гибридной лазерно-индукционной сварке, что благоприятно сказывается, в отдельных случаях, на технологической прочности сварного соединения.
...
Процесс порообразования относится к сложным физико-химическим явлениям и его раз­витие обусловлено не только свойствами исходного металла, но и параметрами сварки. Рассмот­рим порообразование применительно к лазерной сварке алюминиевых сплавов. Одной из основ­ных причин порообразования при сварке алюминия и его сплавов является водород, попадающий в металл сварочной ванны из основного и присадочного металла. Из-за высокого сродства рас­плавленного металла к водороду и "падения растворимости", которое имеет место во время кри­сталлизации алюминия, необходимо принять меры по предотвращению любого притока водорода в зону шва (рис. 5). Расплавленный алюминиевый сплав при температуре 660°С может раство­рить около 0,7см3/100 г водорода - то при температуре 658°С, как только он кристаллизовался,
...
Как видно (рис. 4в) жесткость термического цикла снижается при гибридной лазерно-индукционной сварке, что благоприятно сказывается, в отдельных случаях, на технологической прочности сварного соединения.
...
только 0,036 см3/100 г. Одной из отличительных черт лазерной сварки является низкая погонная энергия, что означает, что для обратной диффузии водорода остается очень мало времени - си­туация, которая, в конечном счете, приводит к образованию водородных пор. С другой стороны, используя методы сварки в которых погонная энергия выше, сварочная ванна больше, больше время кристаллизации - что благоприятно сказывается на эвакуацию большего количества водо­рода и, соответственно уменьшение пористости.
...
Таким образом, уменьшение длительности существования жидкой фазы расплава свароч­ной ванны должно подавлять развитие зародышей пузырьков, а увеличение - способствовать их росту и, следовательно, эвакуации пузырьков из жидкой фазы сварочной ванны. Увеличение дли­тельности существования сварочной ванны возможно за счет увеличения погонной энергии.
...
Снижением погонной энергии (ужесточением термического цикла сварки) можно умень­шить размер пор (суммарный объем несплошностей) за счет сокращения времени развития газо­вых пузырьков. Однако при этом давление водорода в порах будет повышенным из-за того, что большая часть влаги будет реагировать с уже закристаллизовавшимся металлом с выделением водорода в объем несплошностей.
...
Исследование лазерной сварки сплавов алюминия показало, что гибридная двухлучевая лазерная сварка позволяет уменьшить порообразование, за счёт снизижения жесткости термиче­ского цикла.
...
При определенных, высоких, скоростях лазерной сварки (Усв > 200 мм/с) качественное формирование швов нарушается в результате образования так называемых "горбов", ("вспле­сков").
...
только 0,036 см3/100 г. Одной из отличительных черт лазерной сварки является низкая погонная энергия, что означает, что для обратной диффузии водорода остается очень мало времени - си­туация, которая, в конечном счете, приводит к образованию водородных пор. С другой стороны, используя методы сварки в которых погонная энергия выше, сварочная ванна больше, больше время кристаллизации - что благоприятно сказывается на эвакуацию большего количества водо­рода и, соответственно уменьшение пористости.
...
Таким образом, уменьшение длительности существования жидкой фазы расплава свароч­ной ванны должно подавлять развитие зародышей пузырьков, а увеличение - способствовать их росту и, следовательно, эвакуации пузырьков из жидкой фазы сварочной ванны. Увеличение дли­тельности существования сварочной ванны возможно за счет увеличения погонной энергии.
...
Снижением погонной энергии (ужесточением термического цикла сварки) можно умень­шить размер пор (суммарный объем несплошностей) за счет сокращения времени развития газо­вых пузырьков. Однако при этом давление водорода в порах будет повышенным из-за того, что большая часть влаги будет реагировать с уже закристаллизовавшимся металлом с выделением водорода в объем несплошностей.
...
Исследование лазерной сварки сплавов алюминия показало, что гибридная двухлучевая лазерная сварка позволяет уменьшить порообразование, за счёт снизижения жесткости термиче­ского цикла.
...
1.4. Гидродинамическая неустойчивость ванны расплава при высоких скоростях лазерной сварки
...
Причины образования горбов следующие. При сварке со сквозным проплавлением суще­ствует множество факторов (возмущений), вызывающих нарушение качественного формирова­ния шва. К ним относятся возмущения, обусловленные технологической наследственностью, оп­ределяемые химической и структурной неоднородностью металла, а также системными ошибка­ми технологической подготовки производства (колебаниями толщины зазора, угла скоса кромок свариваемых деталей и др.). Технологические возмущения приводят к случайным изменениям кривизны жидкой фазы расплава металла шва и соответственно к изменению сил поверхностного натяжения, что вызывает перепад давлений в жидкой фазе поперечного сечения сварочной ван­ны, который приводит к торможению жидкой фазы металла части ванны шва. В месте торможе­ния жидкой фазы увеличивается объем жидкого металла и при кристаллизации образуется "горб".
...
Таким образом, жидкая фаза ванны расплава шва испытывает гидродинамическую неус­тойчивость, ведущую, на больших скоростях сварки, к образованию "горба".
...
Использование дополнительных источников нагрева в виде второго, менее мощного луча, дуги или плазмы позволяет сглаживать образующиеся "горбы".
...
Высокие значения коэффициента сосредоточенности лазерного сварочного источника энергии определяют минимальные объемы расплава сварочной ванны, а режим глубокого про-плавления - высокое значение коэффициента формы шва. Вышеуказанные факторы предъявляют более высокие требования к точности геометрии сборки свариваемых деталей под сварку, по сравнению с аргоно-дуговой сваркой (АРДС).
...
Например, при сварке в стык, без присадки (рис. 6), конструкционных сталей толщиной Н, требования предъявляемые к зазору в стыке - Ь и смещение кромок - АН при лазерной сварке -ЛС являются более жесткими по сравнению с АРДС (таблица №1).
...
Причины образования горбов следующие. При сварке со сквозным проплавлением суще­ствует множество факторов (возмущений), вызывающих нарушение качественного формирова­ния шва. К ним относятся возмущения, обусловленные технологической наследственностью, оп­ределяемые химической и структурной неоднородностью металла, а также системными ошибка­ми технологической подготовки производства (колебаниями толщины зазора, угла скоса кромок свариваемых деталей и др.). Технологические возмущения приводят к случайным изменениям кривизны жидкой фазы расплава металла шва и соответственно к изменению сил поверхностного натяжения, что вызывает перепад давлений в жидкой фазе поперечного сечения сварочной ван­ны, который приводит к торможению жидкой фазы металла части ванны шва. В месте торможе­ния жидкой фазы увеличивается объем жидкого металла и при кристаллизации образуется "горб".
...
Таким образом, жидкая фаза ванны расплава шва испытывает гидродинамическую неус­тойчивость, ведущую, на больших скоростях сварки, к образованию "горба".
...
Использование дополнительных источников нагрева в виде второго, менее мощного луча, дуги или плазмы позволяет сглаживать образующиеся "горбы".
...
Высокие значения коэффициента сосредоточенности лазерного сварочного источника энергии определяют минимальные объемы расплава сварочной ванны, а режим глубокого про-плавления - высокое значение коэффициента формы шва. Вышеуказанные факторы предъявляют более высокие требования к точности геометрии сборки свариваемых деталей под сварку, по сравнению с аргоно-дуговой сваркой (АРДС).
...
1.5 Требования к геометрии сборки свариваемых деталей
...
1.6 Требования к стабильности диаграммы направленности лазерного Излучения
...
Стабильность диаграммы направленности определяется не только лазером, но и системой транспортировки и фокусировки лазерного излучения.
...
При выборе вида сварочного источника энергии, для сварки конкретных изделий, необходимо учитывать, энергетическую и экономическую эффективность сварочного источника, а также качество и надежность полученных сварных соединений.
...
Оценку технико-экономической эффективности различных методов сварки производят по многим параметрам, в том числе по значению удельной плотности энергии - Же,
...
1.7 Технико-экономическая эффективность лазерной сварки
...
ЖЕ - плотность энергии, необходимая для образования шва; ]¥Цв - плотность энергии сварочного источника;
...
Стоимость одного ватта энергии концентрированного источника энергии, например свето-лучевой сварки, составляет примерно на парядок ниже стоимости одного ватта высококонцен­трированного сварочного источника энергии. Поэтому объединение различных видов сварки в единый технологический процесс позволяет снизить стоимость одного Вт энергии сварочного источника энергии.
...
К настоящему времени дуговой разряд, как один из самых распространенных и дешевых видов сварочных источников, наталкивается в своем дальнейшем развитии на существенные трудности, связанные с недостаточной концентрацией энергии в электродуговой плазме и неус­тойчивостью горения дуги при высоких скоростях сварки. В связи с этим дуговой разряд, как технологический инструмент для реализации процессов сварки и металлообработки, не удовле­творяет современным требованиям промышленности в отношении производительности и качест­ва сварных соединений. Лазерная сварка, как было сказано, также имеет определенные недостат­ки. Гибридная лазерно-дуговая сварка позволяет в значительной мере нивелировать вышепере­численные недостатки, присущие каждому из указанных методов сварки.
...
Гибридная лазерно-дуговая сварка - это такой метод сварки, при котором формирование сварочной ванны происходит при одновременном действии лазерного излучения и сварочной ду­ги.
...
Процесс лазерно-дуговой сварки металлов может быть реализован по двум схемам - в первой схеме луч лазера и дуга действуют с разных сторон (рис. 9,а), во второй схеме воздейст­вие дуги и луча осуществляется с одной стороны, по отношению к направлению сварки и норма­ли к поверхности металла (рис. 9,б). При совместном действии дуги и лазерного луча с одной стороны детали основанием дуги служит образованная лазерным лучом приповерхностная плаз­ма, что способствует повышению скорости сварки, так как дуга, подплавляя поверхностный слой металла, способствует повышению коэффициента поглощения лазерного излучения. Выбор той или иной схемы лазерно-дугового процесса определяется, прежде всего, конструктивными осо­бенностями сварного узла. Схема (а) может быть использована при сварке листовых материалов, а при сварке изделий типа обечайки предпочтительнее схема ( б).
...
К настоящему времени дуговой разряд, как один из самых распространенных и дешевых видов сварочных источников, наталкивается в своем дальнейшем развитии на существенные трудности, связанные с недостаточной концентрацией энергии в электродуговой плазме и неус­тойчивостью горения дуги при высоких скоростях сварки. В связи с этим дуговой разряд, как технологический инструмент для реализации процессов сварки и металлообработки, не удовле­творяет современным требованиям промышленности в отношении производительности и качест­ва сварных соединений. Лазерная сварка, как было сказано, также имеет определенные недостат­ки. Гибридная лазерно-дуговая сварка позволяет в значительной мере нивелировать вышепере­численные недостатки, присущие каждому из указанных методов сварки.
...
Гибридная лазерно-дуговая сварка - это такой метод сварки, при котором формирование сварочной ванны происходит при одновременном действии лазерного излучения и сварочной ду­ги.
...
Процесс лазерно-дуговой сварки металлов может быть реализован по двум схемам - в первой схеме луч лазера и дуга действуют с разных сторон (рис. 9,а), во второй схеме воздейст­вие дуги и луча осуществляется с одной стороны, по отношению к направлению сварки и норма­ли к поверхности металла (рис. 9,б). При совместном действии дуги и лазерного луча с одной стороны детали основанием дуги служит образованная лазерным лучом приповерхностная плаз­ма, что способствует повышению скорости сварки, так как дуга, подплавляя поверхностный слой металла, способствует повышению коэффициента поглощения лазерного излучения. Выбор той или иной схемы лазерно-дугового процесса определяется, прежде всего, конструктивными осо­бенностями сварного узла. Схема (а) может быть использована при сварке листовых материалов, а при сварке изделий типа обечайки предпочтительнее схема ( б).
...
Процесс лазерно-дуговой сварки может осуществляться неплавящимся или плавящимся электродом. При использовании неплавящегося электрода дуга зажигается впереди по ходу свар­ки. Дуга подогревает металл и расплавляет его верхний слой, а лазерный луч осуществляет глу­бокое проплавление. В случае использования плавящегося электрода электрическую дугу зажи­гают позади сфокусированного лазерного излучения, которое проплавляет только соприкасаю­щиеся части металла, например в У
...
Поскольку лазерно-дуговая сварка осуществляется двумя источниками нагрева, необхо­димо рассмотреть энергетический баланс процессов лазерной, дуговой и лазерно-дуговой сварки.
...
2.1. Основные энергетические характеристики процесса лазерно-дуговой сварки
...
Величина п определяется степенью влияния лазерного и дугового источника друг на дру­га, что в свою очередь зависит от соотношения мощностей источников, их взаимной геометриче­ской ориентации и других параметров сварки.
...
При воздействии лазерного излучения и дуги в процессе сварки по второй геометрической схеме, КПД выше для случая, когда дуга располагается впереди по ходу движения лазерного луча (таблица 3).
...
В результате снижения КПД, с увеличением доли мощности дуги в суммарной мощности лазерно-дугового источника нагрева, уменьшается и скорость сварки, что подтверждается экспе­риментальными исследованиями (рис. 11).
...
Рис. 11. Предельные скорости сварки при проплавлении пластин толщиной 1,5 мм на всю глубину: 1—лазерно-дуговая сварка (Р=900 Вт); 2—лазерная сварка
...
Определялась предельная скорость Усв, обеспечивающая полный провар пластины из не­ржавеющей стали толщиной Н = 1,5 мм, при увеличении мощности источника нагрева, за счет повышения мощности дуги, при постоянном значении мощности лазерного луча - 900 Вт (рис. 11), кривая 1. На этом же рисунке нанесены расчетные (кривая 2) значения предельной ско­рости лазерной сварки в зависимости от мощности, полученные пересчетом по эксперименталь­ному режиму (Р = 900 Вт, Усв
...
При лазерно-дуговой сварке электрические параметры дуги определяются не только про­цессами, происходящими в дуге, но и явлениями, возникающими при лазерном воздействии на металл.
...
При лазерно-дуговой сварке металлов напряжение на дуге ниже, чем напряжение при ду­говой сварке (таблица 4), при практически постоянном сварочном токе эффект понижения на­пряжения на дуге свидетельствует об увеличении проводимости дугового промежутка.
...
В результате снижения КПД, с увеличением доли мощности дуги в суммарной мощности лазерно-дугового источника нагрева, уменьшается и скорость сварки, что подтверждается экспе­риментальными исследованиями (рис. 11).
...
Рис. 11. Предельные скорости сварки при проплавлении пластин толщиной 1,5 мм на всю глубину: 1—лазерно-дуговая сварка (Р=900 Вт); 2—лазерная сварка
...
Определялась предельная скорость Усв, обеспечивающая полный провар пластины из не­ржавеющей стали толщиной Н = 1,5 мм, при увеличении мощности источника нагрева, за счет повышения мощности дуги, при постоянном значении мощности лазерного луча - 900 Вт (рис. 11), кривая 1. На этом же рисунке нанесены расчетные (кривая 2) значения предельной ско­рости лазерной сварки в зависимости от мощности, полученные пересчетом по эксперименталь­ному режиму (Р = 900 Вт, Усв
...
2.2. Электрические характеристики дуги при лазерно-дуговой сварке
...
общего напряжения на дуге при лазерно-дуговой сварке с мощностью изучения более 500 Вт происходит до одной и той же величины независимо от тока дуги (рис. 14).
...
Рис. 12. Зависимость напряжения на дуге от мощности лазерного излучения, при сварке нержа­веющей стали (а): 1 - 1=75 А; 2 - 1=50 А; 3 - 1=20 А;
...
В соответствии с этим вольт-амперные характеристики дуги при лазерно-дуговой сварке смещены по отношению к вольт-амперным характеристикам дуги при дуговой сварке в сторону меньших напряжений, т. е. лазерное излучение оказывает такое же влияние, как и уменьшение длины дуги. Снижение анодного потенциала приводит к перераспределению напряжения по столбу дуги, повышению эффективности тепловвода электрической энергии в свариваемый ме­талл и соответствующему влиянию на геометрию формирования шва.
...
Формирование геометрии проплавления при лазерно-дуговой сварке определяется энерге­тическим балансом энергии лазерного излучения и электрической дуги и их количественным со­отношением между собой. При лазерной сварке с Wp > \¥кр формирование шва происходит в режиме кинжального проплавления, который характеризуется узким и глубоким швом с большим значением коэффициента формы шва.
...
Механизм формирования геометрии шва при дуговой сварке определяется механизмом теплопроводности и характеризуется низким значением коэффициента формы шва. Формирова­ние геометрии проплавления при лазерно-дуговой сварке отвечает некоторому промежуточному соотношению глубины и ширины шва и может регулироваться относительным вкладом энергии каждого источника.
...
В зависимости от соотношения мощностей лазерного луча и дуги геометрия проплавления изменяется от типично лазерной до типично дуговой (рис. 13).
...
общего напряжения на дуге при лазерно-дуговой сварке с мощностью изучения более 500 Вт происходит до одной и той же величины независимо от тока дуги (рис. 14).
...
Рис. 12. Зависимость напряжения на дуге от мощности лазерного излучения, при сварке нержа­веющей стали (а): 1 - 1=75 А; 2 - 1=50 А; 3 - 1=20 А;
...
В соответствии с этим вольт-амперные характеристики дуги при лазерно-дуговой сварке смещены по отношению к вольт-амперным характеристикам дуги при дуговой сварке в сторону меньших напряжений, т. е. лазерное излучение оказывает такое же влияние, как и уменьшение длины дуги. Снижение анодного потенциала приводит к перераспределению напряжения по столбу дуги, повышению эффективности тепловвода электрической энергии в свариваемый ме­талл и соответствующему влиянию на геометрию формирования шва.
...
Формирование геометрии проплавления при лазерно-дуговой сварке определяется энерге­тическим балансом энергии лазерного излучения и электрической дуги и их количественным со­отношением между собой. При лазерной сварке с Wp > \¥кр формирование шва происходит в режиме кинжального проплавления, который характеризуется узким и глубоким швом с большим значением коэффициента формы шва.
...
Механизм формирования геометрии шва при дуговой сварке определяется механизмом теплопроводности и характеризуется низким значением коэффициента формы шва. Формирова­ние геометрии проплавления при лазерно-дуговой сварке отвечает некоторому промежуточному соотношению глубины и ширины шва и может регулироваться относительным вкладом энергии каждого источника.
...
Характер формирования зоны проплавления хорошо согласуется с результатами исследо­вания эффективности процесса лазерно-дуговой сварки. При соотношении мощностей Р>Ид!
...
Лазерно-дуговая сварка характеризуется большим количеством независимо изменяемых параметров, к которым относятся мощность лазерного излучения P,
...
Особенности технологического процесса лазерно-дуговой сварки
...
Одним из достоинств лазерно-дуговой сварки по сравнению с лазерной является снижение требований к точности геометрии свариваемых деталей. Максимальный зазор, не нарушающий формирования сварного шва, зависит, прежде всего, от тока дуги и скорости сварки (рис. 18).
...
Максимально допускаемый зазор определяется поперечным размером сварочной ванны и свойствами материала. Величина b
...
Сочетание дуговой и лазерной сварки взаимно дополняет друг друга своими преимущест­вами и взаимно нивелируют недостатки присущие каждому из методов сварки:
...
- воздействие дуги на металл увеличивает коэффициент поглощения лазерного излучения, способствуя повышению эффективного и термического КПД сварки;
...
2.5. Технологическая подготовка производства при лазерно-дуговой сварке
...
- дуга, увеличивая объемы расплава, позволяет уменьшить жесткость термического цикла и, следовательно, благоприятно влияет на технологическую прочность сварного соединения;
...
- воздействие лазерного излучения на металл в режиме глубокого проплавления сопровожда­ется интенсивным испарением и плазмообразованием, что обеспечивает стабилизацию и ло­кализацию положения центра пятна дуги;
...
- гибридный процесс сварки позволяет снизить мощность лазерного луча и, соответственно, потребление энергии от лазерного источника. Твердотельный лазер имеет полный КПД примерно
...
- замена до половины лазерной мощности на электрическую мощность дуги не снижает эф­фективности и производительности процесса лазерной сварки. Именно в этом состоит глав­ная технико-экономическая эффективность лазерно-дуговой сварки, так как стоимость од­ного кВт лазерной энергии намного больше одного кВт энергии дуги. Гибридная лазерно-дуговая сварка, как показывают расчеты, при полной загрузке оборудования в
...
- гибридная лазерная сварка требует существенно меньших капиталовложений, чем процесс лазерной сварки, так как оборудование для дуговой сварки стоит значительно меньше;
...
Рис. 19. Схема процесса светолучевой сварки (Н - толщина листа): 1 - источник излучения; 2 - фокусирующий отражатель; 3 - свариваемые детали; 4 - сварочная ванна; 5 -оксидная пленка; 6 - распределение потока по пятну; 7 - конвективные потоки Сущность светолучевой обработки конструкционных материалов заключается в пре­образовании энергии света в тепловую энергию. Основными достоинствами светолучевых мето­дов обработки являются: отсутствие механического воздействия на обрабатываемую деталь; воз­можность плавного программного регулирования и поддержания температуры в зоне обработки.
...
При разработке технологии светолучевой сварки для повышения коэффициента А в каче­стве рабочей среды для низкоуглеродистых сталей целесообразно использовать воздух, а для вы­соколегированных - азот. Термические циклы при светолучевой сварке менее жесткие, чем при лазерной сварке или лазерно-индукционной (рис. 20)
...
Рис. 19. Схема процесса светолучевой сварки (Н - толщина листа): 1 - источник излучения; 2 - фокусирующий отражатель; 3 - свариваемые детали; 4 - сварочная ванна; 5 -оксидная пленка; 6 - распределение потока по пятну; 7 - конвективные потоки Сущность светолучевой обработки конструкционных материалов заключается в пре­образовании энергии света в тепловую энергию. Основными достоинствами светолучевых мето­дов обработки являются: отсутствие механического воздействия на обрабатываемую деталь; воз­можность плавного программного регулирования и поддержания температуры в зоне обработки.
...
При разработке технологии светолучевой сварки для повышения коэффициента А в каче­стве рабочей среды для низкоуглеродистых сталей целесообразно использовать воздух, а для вы­соколегированных - азот. Термические циклы при светолучевой сварке менее жесткие, чем при лазерной сварке или лазерно-индукционной (рис. 20)
...
Эти особенности определили следующие области применения метода: сварка в стык тонколистовых (0,3 + 4,0 мм) однородных и разнородных металлов и материалов (углеродистые и нержавеющие стали, титановые, алюминиевые, медные сплавы; неметаллические материалы: стекло, пластмасса, керамика; скорость сварки 10^60 м/час).
...
Возможность получать в зоне светолучевой обработки плотности мощности порядка 103 Вт/см2 и получать температуру до 3000°С может быть использована в гибридной лазерно-светолучевой сварке для предварительного или сопутствующего подогрева, для уменьшения же­сткости термического цикла при лазерной сварке. Изменение физико-химических свойств по­верхности материала, которое сопутствует светолучевой обработке, изменяет оптические свойст­ва поверхности и увеличивает коэффициент поглощения лазерного излучения и тем самым по­вышает эффективность сварки.
...
Гибридная технология лазерно-светолучевой сварки обеспечивает повышение скоро­сти сварки тонколистовых соединений толщиной до 1,0 мм. Световой луч обеспечивает закры­тие, в результате нагрева кромки тонколистового стыка, зазора перед лазерным лучом, что ис­ключает прожоги тонколистовых соединений и снижает затраты на подготовку кромок. Лазерно-светолучевая обработка позволяет программировать термический цикл в зоне обработки.
...
В настоящее время в выпускаются переносные светолучевые сварочные установки, кото­рые предназначены для ручной светолучевой сварки металлов и неметаллических материалов, сварки их комбинаций, пайки и резки металлов. В горелке используется ксеноновая дуговая лам­па мощностью от 1,0 кВт до 2,0 кВт с комбинированной системой водяного и воздушного охлаж­дения лампы. Горелки установок снабжены набором сменных насадок для выполнения работ в защитных газах и термической резки различных материалов. С помощью этих установок свари­вают металлы толщиной от 0,1 до 1,0 мм.
...
Одним из направлений развития гибридных лазерных технологий обработки материалов является технология двухлучевой лазерной обработки материалов, т. е. такого способа сварки при котором формирование сварочной ванны происходит при одновременном воздействии двух лучей лазера.
...
Существует несколько способов обработки материалов двумя лучами -суперпозиционный (рис. 21а), последовательный ( 21,б) и параллельный (рис. 21 в), которые определяются различными геометрическими расположениями двух лучей лазера относительно друг друга и выполнением различных функциональных задач при лазерной обработке материалов.
...
Одним из направлений развития гибридных лазерных технологий обработки материалов является технология двухлучевой лазерной обработки материалов, т. е. такого способа сварки при котором формирование сварочной ванны происходит при одновременном воздействии двух лучей лазера.
...
Существует несколько способов обработки материалов двумя лучами -суперпозиционный (рис. 21а), последовательный ( 21,б) и параллельный (рис. 21 в), которые определяются различными геометрическими расположениями двух лучей лазера относительно друг друга и выполнением различных функциональных задач при лазерной обработке материалов.
...
Лазерную сварку двумя параллельными лучами используют (рис. 23) для уменьшения порообразования, устранения прожогов, соединения разнотолщинных деталей.
...
Технологические особенности двухлучевой лазерной сварки
...
При сварке разнотолщинных материалов (рис. 24), мощность второго луча может быть значительно ниже мощности первого луча, что снижает вероятность образования прожогов при сварке разнотолщинных материалов.
...
Использование лазерной сварки с двумя параллельными лучами лазера становится особенно эффективно, когда необходимо уменьшить высокоинтенсивную центральную часть теплового источника сварки, например, при сварке в стык тонколистовых материалов (рис. 25).
...
Получаемое за счет одновременного действия двух лучей лазера распределение мощности по сечению стыка сварного соединения оказывает позитивное влияние на формирование шва, особенно при сварке тонколистовых материалов.
...
При сварке разнотолщинных материалов (рис. 24), мощность второго луча может быть значительно ниже мощности первого луча, что снижает вероятность образования прожогов при сварке разнотолщинных материалов.
...
Использование лазерной сварки с двумя параллельными лучами лазера становится особенно эффективно, когда необходимо уменьшить высокоинтенсивную центральную часть теплового источника сварки, например, при сварке в стык тонколистовых материалов (рис. 25).
...
Получаемое за счет одновременного действия двух лучей лазера распределение мощности по сечению стыка сварного соединения оказывает позитивное влияние на формирование шва, особенно при сварке тонколистовых материалов.
...
При сварке разнотолщинных материалов (рис. 24), мощность второго луча может быть значительно ниже мощности первого луча, что снижает вероятность образования прожогов при сварке разнотолщинных материалов.
...
Сварные швы, формирующиеся при высоких скоростях сварки, не всегда соответствуют всем требованиям по качеству сварного соединения, вследствие существования нестабильностей процесса. При больших скоростях сварки, когда возникает гидродинамическая нестабильность жидкой фазы поверхности ванны расплава, приводящая к образованию "горба" или появлению несплошностей можно использовать последовательное воздействие лучей различной мощности (рис. 26).
...
На динамику процесса плавления, при лазерной сварке двумя последовательными лучами оказывает влияние расстояние Ах между центрами диаметров лучей. Оптимизация Ах позволяет повысить максимальную скорость сварки приблизительно на 50%, при которой могут быть получены бездефектные сварные соединения (рис. 27).
...
Рис. 27. Макроструктура швов стали 10X6CrNiTi18, полученных двухлучевой лазерной сваркой последовательными лучами; Усв = 433 мм/сек; суммарная мощность PL = 7 кВт (P1 = P2 = 3,5 кВт)
...
Сварные швы, формирующиеся при высоких скоростях сварки, не всегда соответствуют всем требованиям по качеству сварного соединения, вследствие существования нестабильностей процесса. При больших скоростях сварки, когда возникает гидродинамическая нестабильность жидкой фазы поверхности ванны расплава, приводящая к образованию "горба" или появлению несплошностей можно использовать последовательное воздействие лучей различной мощности (рис. 26).
...
На динамику процесса плавления, при лазерной сварке двумя последовательными лучами оказывает влияние расстояние Ах между центрами диаметров лучей. Оптимизация Ах позволяет повысить максимальную скорость сварки приблизительно на 50%, при которой могут быть получены бездефектные сварные соединения (рис. 27).
...
Рис. 27. Макроструктура швов стали 10X6CrNiTi18, полученных двухлучевой лазерной сваркой последовательными лучами; Усв = 433 мм/сек; суммарная мощность PL = 7 кВт (P1 = P2 = 3,5 кВт)
...
При этом методе сварки два различных луча направляются в одну точку, при этом параметры этих лучей как по мощности, так и по оптическим характеристикам могут быт различными.
...
Важнейшей характеристикой луча лазера является качество лазерного излучения. Качество лазерного излучения определяется многими факторами - модовым составом, распределением энергии по сечению луча, поляризацией, расходимостью, диаметром луча. Если лазерное излучение одномодовое, распределение энергии по сечению пучка гауссово, поляризация круговая, то коэффициент качества луча определяется как отношение дифракционной расходимости лазерного излучения к фактической расходимости. Если расходимость лазерного излучения равна дифракционной, то коэффициент качества - К
...
Рис. 28. Зависимость глубины проплавления от скорости сварки при различных значениях параметров f и K, PL = 4,5 кВт, защитный газ - гелий где, PL - суммарная мощность лучей лазера
...
Рис. 28. Зависимость глубины проплавления от скорости сварки при различных значениях параметров f и K, PL = 4,5 кВт, защитный газ - гелий где, PL - суммарная мощность лучей лазера
...
Из рис. 30 видно влияние коэффициента качества луча на достигаемую глубину проплавления сварки (при одинаковой суммарной мощности). Результат показывает, что через суперпозицию двух лучей СО2-лазеров достигается повышение глубины проплавления особенно на высоких скоростях сварки.
...
Целью внедрения технологии лазерной сварки при производстве воздухозаборников было снижение производственных затрат, так как существующая технология была связана с большим объемом механической обработки - фрезерования.
...
При разработке технологии лазерной сварки с присадкой T-образного соединения вкладышей воздухозаборника, изготовленного из алюминиевого сплава одним лучом было выяснено, что наряду с обычной чешуйчатостью поверхности сварного шва, выполненного с присадкой, наблюдается брызгообразование жидкой фазы ванны расплава и образование единичных открытых пор на поверхности. Указанные дефекты обусловлены технологическим процессом лазерной сварки одним лучом и не устраняется путем оптимизации параметров сварочного процесса.
...
Предложенная схема (рис. 31) гибридной лазерной сварки двумя последовательными лучами позволила устранить вышеуказанные недостатки
...
Из рис. 30 видно влияние коэффициента качества луча на достигаемую глубину проплавления сварки (при одинаковой суммарной мощности). Результат показывает, что через суперпозицию двух лучей СО2-лазеров достигается повышение глубины проплавления особенно на высоких скоростях сварки.
...
Целью внедрения технологии лазерной сварки при производстве воздухозаборников было снижение производственных затрат, так как существующая технология была связана с большим объемом механической обработки - фрезерования.
...
При разработке технологии лазерной сварки с присадкой T-образного соединения вкладышей воздухозаборника, изготовленного из алюминиевого сплава одним лучом было выяснено, что наряду с обычной чешуйчатостью поверхности сварного шва, выполненного с присадкой, наблюдается брызгообразование жидкой фазы ванны расплава и образование единичных открытых пор на поверхности. Указанные дефекты обусловлены технологическим процессом лазерной сварки одним лучом и не устраняется путем оптимизации параметров сварочного процесса.
...
Предложенная схема (рис. 31) гибридной лазерной сварки двумя последовательными лучами позволила устранить вышеуказанные недостатки
...
Для реализации технологии двухлучевой лазерной сварки было создано роботизированное рабочее место для сварки вкладышей воздухозаборника с использованием твердотельного YAG-лазера со световолоконной системой .
...
Для реализации двухлучевой лазерной обработки создан двухлучевой лазер модели "ТАНДЕМ". Этот лазер имеет ряд конструктивных особенностей:
...
- лазер "ТАНДЕМ" универсален - может производить технологические операции резки, сварки, термообработки, наплавки, напыления, лазерно-плазменную обработку; имеет режим работы с безгелиевой смесью; полностью автоматизирован, включая автоюстировку резонатора.
...
Для реализации технологии двухлучевой лазерной сварки было создано роботизированное рабочее место для сварки вкладышей воздухозаборника с использованием твердотельного YAG-лазера со световолоконной системой .
...
Для реализации двухлучевой лазерной обработки создан двухлучевой лазер модели "ТАНДЕМ". Этот лазер имеет ряд конструктивных особенностей:
...
Гибридная лазерно-индукционная сварка - это способ сварки, при котором формирование сварной ванны происходит при одновременном действии лазерного излучения и токов высокой час­тоты.
...
Жесткий термический цикл, сопутствующий лазерной сварке, имеет, с одной стороны, опре­деленные преимущества (малые зоны термического воздействия, уменьшение влияния межкристал-литной коррозии, снижение уровня продольных и поперечных деформаций), а с другой стороны, в ряде случаев, может приводить к снижению технологической прочности сварного соединения.
...
Уменьшение жесткости сварочного термического цикла может быть реализовано использова­нием гибридной лазерно-индукционной сварки, то есть когда сварочная ванна формируется при од­новременном воздействии луча лазера и токов высокой частоты (ТВЧ-нагрев) (рис. 32).
...
Как показано на рис. 30, жесткость термического цикла снижается при гибридной лазерно-индукционной сварке, что благоприятно сказывается на технологической прочности при сварке среднеуглеродистых сталей с С = 0,26-Ю,45% и легированных сталей с С>0,2% .
...
Гибридная лазерно-индукционная сварка - это способ сварки, при котором формирование сварной ванны происходит при одновременном действии лазерного излучения и токов высокой час­тоты.
...
Жесткий термический цикл, сопутствующий лазерной сварке, имеет, с одной стороны, опре­деленные преимущества (малые зоны термического воздействия, уменьшение влияния межкристал-литной коррозии, снижение уровня продольных и поперечных деформаций), а с другой стороны, в ряде случаев, может приводить к снижению технологической прочности сварного соединения.
...
Уменьшение жесткости сварочного термического цикла может быть реализовано использова­нием гибридной лазерно-индукционной сварки, то есть когда сварочная ванна формируется при од­новременном воздействии луча лазера и токов высокой частоты (ТВЧ-нагрев) (рис. 32).
...
Лазерно-индукционная сварка значительно снижает градиенты температуры на границе шва и свариваемого металла, что благоприятно сказывается на технологической прочности сварного со­единения (рис. 34).
...
Лазерно-индукционная сварка значительно снижает градиенты температуры на границе шва и свариваемого металла, что благоприятно сказывается на технологической прочности сварного со­единения (рис. 34).
...
Лазерно-индукционная сварка, сохраняя все преимущества лазерной сварки, уменьшает жест­кость термического цикла и повышает свариваемость.
...
В настоящее время ежегодно методом лазерно-индукционной сварки сваривается до 450000 приводных валов автомобилей из сталей С38/26Мп5. Приводные валы имеют меньший износ и вы­держивают большую нагрузку по сравнению с обычно сваренными валами .
...
Гибридная лазерно-плазменная сварка - это способ сварки, при котором формирование сва­рочной ванны происходит при одновременном действии луча лазера и плазменной струи.
...
При плазменной обработке источником тепла служит плазменная струя - поток ионизирован­ных частиц, обладающих высокой энергией.
...
Плазменной струей принято называть сжатый дуговой разряд с интенсивным плазмообразо-ванием. Плазменная дуга может быть прямого и косвенного действия. В первом случае анодом слу­жит изделие (рис35,а), и столб дуги в этих случаях часто называют "проникающей дугой", а также дугой прямого действия. Если анодом служит сопло, которое конструктивно может совпадать с ка­налом плазменной головки, то источник теплоты становится независимым от изделия со струёй плазмы, выделенной из столба дуги в виде факела (рис. 35,б). Такую дугу называют дугой косвенно­го действия или просто плазменной струей .
...
Рис. 35. Принципиальные схемы дуговых плазменных горелок прямого (а) и косвенного (б) действия 1 -вольфрамовый электрод - катод; 2 - канал сопла; 3 - охлаждение; 4 - сжатая дуговая плазма; 5 - столб дуги (струя); Е - источник тока; И - изделие
...
Плазменная дуга, благодаря обжатию ее в канале сопла газовым потоком, в отличие от обыч­ной дуги, характеризуется высокими температурами столба (рис. 36) (до 15300...25000 К и более) и высокими скоростями потока плазмы. Это значительно расширяет ее технологические возможности при резке, сварке, наплавке и напылении материалов.
...
Гибридная лазерно-плазменная сварка - это способ сварки, при котором формирование сва­рочной ванны происходит при одновременном действии луча лазера и плазменной струи.
...
При плазменной обработке источником тепла служит плазменная струя - поток ионизирован­ных частиц, обладающих высокой энергией.
...
Плазменной струей принято называть сжатый дуговой разряд с интенсивным плазмообразо-ванием. Плазменная дуга может быть прямого и косвенного действия. В первом случае анодом слу­жит изделие (рис35,а), и столб дуги в этих случаях часто называют "проникающей дугой", а также дугой прямого действия. Если анодом служит сопло, которое конструктивно может совпадать с ка­налом плазменной головки, то источник теплоты становится независимым от изделия со струёй плазмы, выделенной из столба дуги в виде факела (рис. 35,б). Такую дугу называют дугой косвенно­го действия или просто плазменной струей .
...
Рис. 35. Принципиальные схемы дуговых плазменных горелок прямого (а) и косвенного (б) действия 1 -вольфрамовый электрод - катод; 2 - канал сопла; 3 - охлаждение; 4 - сжатая дуговая плазма; 5 - столб дуги (струя); Е - источник тока; И - изделие
...
Плазменная дуга, благодаря обжатию ее в канале сопла газовым потоком, в отличие от обыч­ной дуги, характеризуется высокими температурами столба (рис. 36) (до 15300...25000 К и более) и высокими скоростями потока плазмы. Это значительно расширяет ее технологические возможности при резке, сварке, наплавке и напылении материалов.
...
Для получения дуговой плазменной струи используют специальные плазменные головки, так называемые плазмотроны, в которых обычно имеется неплавящийся вольфрамовый или медный ка­тод, изолированный от канала и сопла головки, а анодом может служить сопло или изделие.
...
Плазменная струя образуется в канале горелки и стабилизируется стенками канала и холод­ным газом, отделяющим столб дуги от этих стенок. Сравнительно малый диаметр и достаточная длина канала обеспечивают требуемую для стабилизации плазменного столба скорость газового по­тока. В существовании стабилизирующего канала и заключается основное отличие плазмотрона от обычной горелки для сварки в защитных газах.
...
В качестве плазмообразующего материала обычно применяют газы (аргон, азот, гелий, водо­род, воздух и их смеси), что обеспечивает температуру плазмы до 50000 К.
...
1. По сравнению с аргонодуговой плазменная сварка отличается более стабильным горением дуги, при этом обеспечивается более равномерное проплавление кромок.
...
2. По проплавляющей способности плазменная дуга занимает промежуточное положение между электронным лучом и дугой, горящей в аргоне.
...
3. Способ дуги и струя плазмы имеют цилиндрическую форму, поэтому площадь поверхно­сти металла, через которую осуществляется теплопередача, не зависит от расстояния между элек­тродом горелки и изделием.
...
4. Благодаря цилиндрической форме столба дуги плазменно-дуговая сварка менее чувстви­тельна к изменению длины дуги, чем аргонодуговая. Плазменная сварка позволяет иметь практиче­ски постоянный диаметр пятна и дает возможность стабилизировать проплавление основного метал­ла.
...
Путем совместного воздействия на образование сварочной ванны лазерного луча и плазмен­ной струи реализуется комбинированный лазерно-плазменный процесс сварки. Такая комбинация приводит к улучшению пространственной стабилизации пятна дуги на поверхности металла и по­вышению устойчивости ее горения при малых токах и больших скоростях перемещения. Одновре­менно происходящий нагрев металла плазмой приводит к локальному повышению температуры в зоне нагрева и, как следствие, изменению оптических свойств поверхности и соответственно к уве­личению коэффициента поглощения лазерного излучения. В итоге эффективность лазерной сварки возрастает, что особенно важно при использовании лазеров небольшой мощности. Все это позволя-
...
ет, с одной стороны увеличить скорость и стабильность плазменной сварки, а с другой - повысить эффективность и снизить себестоимость лазерной сварки.
...
Если лазерное излучение проходит через плазму дуги, то наблюдается изменение полного энергетического баланса дугового разряда, связанное с дополнительным выделением энергии в объ­еме дуговой плазмы, вследствие поглощения лазерного излучения. В том случае когда мощность, вносимая в дугу лазерным пучком, соизмерима с ее электрической мощностью, реализуется проме­жуточный (между оптическим и дуговым) тип газового разряда - комбинированный лазерно-дуговой разряд. Интегральные и особенно локальные характеристики плазмы такого разряда существенно отличаются от соответствующих характеристик исходной сжатой дуговой плазмы.
...
Характеристики лазерного излучения также претерпевают существенные изменения в резуль­тате поглощения и рефракции лазерного излучения в плазме разряда. В результате энергия, вводимая в свариваемую деталь, не сводится к простой сумме энерговкладов лазерного и дугового источников тепла, взятых в отдельности.
...
В лазерно-плазменном разряде происходит существенное изменение, по сравнению с плаз­менным разрядом, температуры, газодинамического давления, распределения интенсивности лазер­ного излучения вдоль оптической оси, вольтамперные характеристики разряда.
...
Поглощение лазерного излучения дуговой плазмой приводит к существенному повышению температуры ее центральных областей, причем максимально достижимые значения Т увеличиваются с ростом мощности пучка Р. Отмеченный рост температуры плазмы способствует повышению ее электропроводности и, как следствие, увеличению плотности тока в приосевой зоне разряда. Таким образом, разряд, генерируемый лазерно-дуговым плазмотроном, характеризуется повышенной кон­центрацией тепловой и электрической энергии в той области плазмы, которая подвергается воздей­ствию лазерного пучка и жестко связана с его осью, а также высокой пространственной стабильно­стью этой области (рис. 37).
...
Рис. 37. Пространственные распределения температур плазмы разряда в лазерно-дуговом плазмо­троне (1=200А) при мощности лазерного пучка: 1 кВт (1), 2 кВт (2), 3 кВт (3). 0 кВт (штриховая кривая) г - расстояние от оси лазерного луча
...
ет, с одной стороны увеличить скорость и стабильность плазменной сварки, а с другой - повысить эффективность и снизить себестоимость лазерной сварки.
...
Если лазерное излучение проходит через плазму дуги, то наблюдается изменение полного энергетического баланса дугового разряда, связанное с дополнительным выделением энергии в объ­еме дуговой плазмы, вследствие поглощения лазерного излучения. В том случае когда мощность, вносимая в дугу лазерным пучком, соизмерима с ее электрической мощностью, реализуется проме­жуточный (между оптическим и дуговым) тип газового разряда - комбинированный лазерно-дуговой разряд. Интегральные и особенно локальные характеристики плазмы такого разряда существенно отличаются от соответствующих характеристик исходной сжатой дуговой плазмы.
...
Характеристики лазерного излучения также претерпевают существенные изменения в резуль­тате поглощения и рефракции лазерного излучения в плазме разряда. В результате энергия, вводимая в свариваемую деталь, не сводится к простой сумме энерговкладов лазерного и дугового источников тепла, взятых в отдельности.
...
В лазерно-плазменном разряде происходит существенное изменение, по сравнению с плаз­менным разрядом, температуры, газодинамического давления, распределения интенсивности лазер­ного излучения вдоль оптической оси, вольтамперные характеристики разряда.
...
Поглощение лазерного излучения дуговой плазмой приводит к существенному повышению температуры ее центральных областей, причем максимально достижимые значения Т увеличиваются с ростом мощности пучка Р. Отмеченный рост температуры плазмы способствует повышению ее электропроводности и, как следствие, увеличению плотности тока в приосевой зоне разряда. Таким образом, разряд, генерируемый лазерно-дуговым плазмотроном, характеризуется повышенной кон­центрацией тепловой и электрической энергии в той области плазмы, которая подвергается воздей­ствию лазерного пучка и жестко связана с его осью, а также высокой пространственной стабильно­стью этой области (рис. 37).
...
Рис. 37. Пространственные распределения температур плазмы разряда в лазерно-дуговом плазмо­троне (1=200А) при мощности лазерного пучка: 1 кВт (1), 2 кВт (2), 3 кВт (3). 0 кВт (штриховая кривая) г - расстояние от оси лазерного луча
...
Описанное изменение теплового режима горения плазменной дуги, под воздействием лазер­ного излучения, вызывает существенное перераспределение газодинамических характеристик потока плазмы при увеличении Р. Одной из основных причин этого является снижение вязкости аргоновой плазмы при повышении температуры. Другой причиной является упомянутое выше перераспределе­ние плотности тока в разряде, усиливающее роль электромагнитных сил в ускорении плазменного потока. В результате аксиальная компонента скорости плазмы на оси разряда заметно увеличивается. Несмотря на возрастание скорости, снижение плотности плазмы при повышении температуры при­водит к тому, что газодинамическое давление плазменного потока в приосевой зоне комбинирован­ного разряда несколько уменьшается. Следует отметить, что это снижение, вызывающее уменьше­ние динамического воздействия на поверхность расплавленного металла, важно для процесса на­плавки с использованием лазерно-дугового плазмотрона.
...
Происходящее в рассматриваемом плазмотроне взаимодействие лазерного излучения с дуго­вой плазмой приводит к перераспределению не только ее характеристик, но и самого лазерного пуч­ка (за счет поглощения и рефракции в плазме разряда). Так, например, поглощение лазерного излу­чения приводит к тому, что на расстоянии 20 мм от среза катода мощность пучка для рассматривае­мых условий составляет всего около 30 % от его исходной мощности Р, тогда как интенсивность из­лучения на его оси возрастает при этом более чем в два раза (рис. 38).
...
Рис. 38. Распределение плотности мощности лазерного излучения вдоль оси комбинированного раз­ряда (Р=3кВт) при токе дуги: 100 (1), 200 (2), 300 А (3), штриховая кривая - без плазменной дуги
...
Таким образом, взаимодействие лазерного пучка с плазмой комбинированного разряда вызы­вает его дополнительное фокусирование, усиливающееся с ростом тока и мощности луча лазера.
...
Описанное изменение теплового режима горения плазменной дуги, под воздействием лазер­ного излучения, вызывает существенное перераспределение газодинамических характеристик потока плазмы при увеличении Р. Одной из основных причин этого является снижение вязкости аргоновой плазмы при повышении температуры. Другой причиной является упомянутое выше перераспределе­ние плотности тока в разряде, усиливающее роль электромагнитных сил в ускорении плазменного потока. В результате аксиальная компонента скорости плазмы на оси разряда заметно увеличивается. Несмотря на возрастание скорости, снижение плотности плазмы при повышении температуры при­водит к тому, что газодинамическое давление плазменного потока в приосевой зоне комбинирован­ного разряда несколько уменьшается. Следует отметить, что это снижение, вызывающее уменьше­ние динамического воздействия на поверхность расплавленного металла, важно для процесса на­плавки с использованием лазерно-дугового плазмотрона.
...
Происходящее в рассматриваемом плазмотроне взаимодействие лазерного излучения с дуго­вой плазмой приводит к перераспределению не только ее характеристик, но и самого лазерного пуч­ка (за счет поглощения и рефракции в плазме разряда). Так, например, поглощение лазерного излу­чения приводит к тому, что на расстоянии 20 мм от среза катода мощность пучка для рассматривае­мых условий составляет всего около 30 % от его исходной мощности Р, тогда как интенсивность из­лучения на его оси возрастает при этом более чем в два раза (рис. 38).
...
Рис. 38. Распределение плотности мощности лазерного излучения вдоль оси комбинированного раз­ряда (Р=3кВт) при токе дуги: 100 (1), 200 (2), 300 А (3), штриховая кривая - без плазменной дуги
...
Таким образом, взаимодействие лазерного пучка с плазмой комбинированного разряда вызы­вает его дополнительное фокусирование, усиливающееся с ростом тока и мощности луча лазера.
...
Следовательно, варьируя этими двумя параметрами, можно эффективно управлять фокусированием пучка в плазме комбинированного разряда, создаваемого с помощью лазерно-дугового плазмотрона, что важно при использовании подобных устройств для сварки и резки.
...
Вольт-амперные характеристики разряда с использованием медного водоохлаждаемого анода при различных значениях мощности луча и так плазматрона показаны на рис. 39,а. Видно,что под воздействием лазерного пучка напряжение на дуге уменьшается, причем основное его падение про­исходит при мощности лазера Р < 2,5 кВт. Что касается самой плазменной дуги, то под воздействием лазерного излучения она несколько сжимается, что можно наблюдать визуально или по возрастаю­щим вольт-амперным характеристикам разряда (рис. 39, б).
...
Рис. 39. Зависимость напряжения на разряде в лазерно-дуговом плазмотроне от мощности Р (а) и то­ка I (Ь): ■ - Іа=150, х - 200, ▲ - 250А; ♦ - Р=0, □ - 1, о - 3кВт; штриховая линия - расчетные данные
...
Исследования показали, что соосное объединение плазменной дуги с лазерным пучком в ла-зерно-дуговом плазмотроне дает возможность за счет улучшения пространственной стабильности горения дуги повысить скорость сварки в 2...3 раза по сравнению с обычной плазменной сваркой.
...
Кроме того, отмеченное выше уменьшение напряжения на дуге в комбинированном процессе снижает опасность двойного дугообразования, что особенно важно при работе на больших токах (более 300 А). Это является предпосылкой для повышения производительности процесса сварки за счет увеличения тока дуги.
...
Дальнейшее развитие лазерных и плазменных способов сварки было направлено на создание интегрированных лазерно-дуговых плазматронов.
...
Следовательно, варьируя этими двумя параметрами, можно эффективно управлять фокусированием пучка в плазме комбинированного разряда, создаваемого с помощью лазерно-дугового плазмотрона, что важно при использовании подобных устройств для сварки и резки.
...
Вольт-амперные характеристики разряда с использованием медного водоохлаждаемого анода при различных значениях мощности луча и так плазматрона показаны на рис. 39,а. Видно,что под воздействием лазерного пучка напряжение на дуге уменьшается, причем основное его падение про­исходит при мощности лазера Р < 2,5 кВт. Что касается самой плазменной дуги, то под воздействием лазерного излучения она несколько сжимается, что можно наблюдать визуально или по возрастаю­щим вольт-амперным характеристикам разряда (рис. 39, б).
...
Рис. 39. Зависимость напряжения на разряде в лазерно-дуговом плазмотроне от мощности Р (а) и то­ка I (Ь): ■ - Іа=150, х - 200, ▲ - 250А; ♦ - Р=0, □ - 1, о - 3кВт; штриховая линия - расчетные данные
...
Исследования показали, что соосное объединение плазменной дуги с лазерным пучком в ла-зерно-дуговом плазмотроне дает возможность за счет улучшения пространственной стабильности горения дуги повысить скорость сварки в 2...3 раза по сравнению с обычной плазменной сваркой.
...
Кроме того, отмеченное выше уменьшение напряжения на дуге в комбинированном процессе снижает опасность двойного дугообразования, что особенно важно при работе на больших токах (более 300 А). Это является предпосылкой для повышения производительности процесса сварки за счет увеличения тока дуги.
...




    Ультразвуковые диагностические приборы: Практическое руководство для пользователей
    Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 2. Акустические методы контроля: Практ. пособие
    Выбор марки стали и режима термической обработки деталей машин: Учебное пособие ...
    Гибридные технологии лазерной сварки: Учебное пособие
    Проектирование вакуумных систем сварочных установок: Учеб. пособие
    Железоуглеродистые сплавы : Учеб. пособие
    Основы систем автоматизированного проектирования в сварке: Учеб. пособие

    rss
    Карта