Лазерная сварка сталей мощными СО2

реклама
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ
А.Игнатов,
laseris-spb@mail.rcom.ru
ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА СТАЛЕЙ
МОЩНЫМИ СО2-ЛАЗЕРАМИ. ЧАСТЬ 3*
заключительной части обзора особенностей лазерной
сварки сталей различных классов обсуждаются результаты металлографических исследовании сварных соединении.
Предложены рекомендации по выбору технологических параметров сварки: скорости, мощности излучения. Они помогут
избежать дефектообразования и улучшить формируемый
сварной шов.
Основная причина образования пор в расплавленном метал-
шириной сварного шва. Расплавленный металл в парога-
ле сварного шва (рис.25), а также корневых дефектов при
зовом канале накапливается на его стенках, почти "схла-
лазерной сварке кроется в большой загрязненности основ-
пывается". Перекрывает путь лазерному пучку, из-за чего
ного металла газами и неметаллическими включениями
возникает "взрывное испарение" и образование пор. На
(рис.26). Этот эффект усиливают затруднение дегазации жид-
рис.30 показан образец титанового сплава, заваренный на
кого металла сварочной ванны, особенно в ее корневой час-
оптимальном режиме, с хорошим формированием и без
ти. При лазерной сварке разложение и удаление неметал-
внутренних дефектов. Корневые дефекты имели место во
лических включений приводит к "очищению" от них металла
всех исследуемых сталях (рис.31, 32), полученных разны-
шва, но часть из них остается в шве в виде пор, не успевших
ми методами выплавки и прокатки, при обычных режимах
всплыть на поверхность сварочной ванны. В таблице 3 при-
сварки, с фокусировкой лазерного пучка "с заглублением"
ведены характерные неметаллические включения в основном
или "на поверхности" образцов, при сварке без сквозного
металле и сварных швах.
проплавления.
Для изучения механизмов образования пор и корневых
дефектов изготовили продольные и поперечные образцы и
Появление корневых дефектов вызывает угрозу разрушения изделий из высокопрочных, жаростойких и жаропрочных
шлифы. Затем их исследовали в трех направлениях методами рентгенографии сварных и проплавных швов (рис.27, 28),
ультразвуковой и цветной дефектоскопии. Увеличение проходящей мощности от 0-10% до 20-30% позволило получить
качественные сварные швы, свободные от пор, при ширине
обратного валика 1,5-2,0 мм (рис.286). Эти условия оптимальны как для высоколегированной стали 08Х18Н10Т, так и
для судокорпусной высокопрочной стали 12ХН4МДА.
Повышению пористости способствуют заниженные скорости сварки 8-10 мм/с и ниже. На рис.29 показана зона
проплавления на одном и том же шлифе из стали 08Х18Н10Т
с нестабильным переносом металла и, соответственно,
* Часть 1 см.: Фотоника, 2008, № 6; Часть 2 см.: Фотоника, 2009, № 3.
I ФОТОНИКА 4/2009
http://www.laserteh.spb.ru
Лазерная сварка сталей
мощными
СО2-лазерами
Т а б л и ц а 3. Х а р а к т е р н ы е н е м е т а л л и ч е с к и е включения в о с н о в н о м м е т а л л е и с в а р н ы х ш в а х
Марка
стали
Осн.металл
Шов
Сульфиды титана
Нет
Шов
Осн.металл
Осн.металл
Шов
Силикаты
Осн.металл
Шов
Отдельные
Нет
Нет
Отдельные частицы
частицы
Силикаты в сульфид- Отдельные
Практически
редкие
Нет
ной оболочке. ПапочРедкие частицы
нет
ки алюмосиликатов
частицы
Практически
Практически
Нет
Практически нет
Редкие частицы
нет
нет
Практически
Практически Отдельные час- Единичные
Практически нет
нет
нет
тицы и строчки частицы
Отдельные часПрактически нет
Практически нет
Мелкие
тицы и строчки Единичные
Практически
Практически
частицы
частицы
нет
нет
Шпинели, по-види- шпинелей
Нет
Отдельные частицы
мому, Сг-АL
Скопление частиц MnS в Практически Отдельные части22К
нет
цы корундов
междендритных участках
Отдельные
Скопление частиц MnS в Практически
частицы и строчки
10ГН2МФА
нет
междендритных участках
корундов
Практически Строчки корундов
Тонкие сульфиды
09Г2С
нет
(4-5 баллов)
и оксисульфиды марганца
Практически
Строчки сульфидов
Практически нет
08X18H10T
нет
титана
08X18H10T
+ Х17Н
Карбонитриды титана
Окислы
Сульфиды
Практически
нет
*Исследования выполнялись Булатниковой В.И. в лаборатории НПО "ЦНИИТМАШ" (г. Москва)
сталей. Эта проблема особенно актуальна для изделий, при-
ные свойства швов. В качестве таких материалов используют,
меняемых в судостроении и авиакосмической промышлен-
например, аустенитные материалы типа 08Х18Н10Т.
ности. Корневые дефекты способствуют появлению трещин.
Широко известны технические приемы, разработанные
При сварке угловых и тавровых соединений (рис.32) жесткие
для повышения качества шва. Если сфокусировать пучок "над
условия кристаллизации, низкая пластичность металла при-
поверхностью" образца, на расстоянии более 2 мм, то можно
водят к образованию трещин. Поэтому для получения качест-
получить качественный шов, жертвуя, конечно, глубиной про-
венных швов необходимо не только исключить условия обра-
плавления в 1,5-2 раза. Или, сканируя поверхность лазер-
зования корневых дефектов. Использование присадочных
ным пучком, добиваться выравнивания распределения плот-
материалов при лазерно-дуговой сварке повышает пластич-
ности мощности. Это обеспечивает перемешивание расплав-
http://www.laserteh.spb.ru
ФОТОНИКА4/2009
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ О Б О Р У Д О В А Н И Е И Т Е Х Н О Л О Г И И
Улучшению условий дегазации корневой части сварочленного металла в сварной ванне и улучшает его дегазацию.
ной ванны и снижению пористости швов при сквозном про-
Такой прием способствует устранению дефектов особенно в
плавлении способствует обеспечение проходящей мощнос-
корневой части, а также создает оптимальные условия крис-
ти излучения на уровне 10-25% от падающей мощности.
таллизации.
Ширина обратного валика при этом должна быть не менее
При этом улучшается поверхностное формирование, что
позволяет избежать образования подрезов, снижается веро-
0,5-1,0 мм, и при мощности излучения от 1 до 30 кВт, как
правило, составляет 1,0-2,0 мм. Предварительные расчеты
ятность образования кристаллизационных трещин. Следует
показывают, что для волоконных и твердотельных лазеров
помнить, что зарождению таких трещин (рис.33) способс-
с диодной накачкой, обладающих высоким качеством луча,
твуют относительно низкие скорости сварки Vсв. То есть пра-
указанные параметры могут быть уменьшены в 1,3-2 раза.
вильный выбор скорости сварки и, соответственно, скоростей
охлаждения поможет избежать дефектообразования. Экспериментально обнаруженные зависимости максимальной глубины проплавления от скорости сварки и мощности излучения хорошо аппроксимируются линейной зависимостью
(рис.34, 35). Эти результаты опубликованы [1,2].
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
КАЧЕСТВЕННОЙ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
Наиболее характерными дефектами при ЛС являются поры и
несплавление кромок свариваемых деталей, а также корневые дефекты при сварке без сквозного проплавления и при
начале и замыкании сварного шва.
Основной причиной образования пор и корневых дефектов в сварных швах, выполненных лазерным лучом, является большая загрязненность неметаллическими включениями
и газами основного металла, а также затрудненные условия
дегазации жидкого металла сварочной ванны, особенно в ее
корневой части.
http://www.laserteh.spb.ru
Лазерная
сварка
сталей
мощными
СО2-лазерами
обратного валика. При сборке авиационных или судовых протяженных конструкций с зазорами до 0,5-0,7 мм целесообразно применять лазерно-дуговую сварку с подачей присадочной проволоки.
Улучшению процесса формирования сварных швов и
Устранению корневых дефектов способствует смещение
повышению качества их внешнего вида способствует уве-
фокальной точки "над поверхностью" свариваемой детали на
личение скорости сварки, как правило, более 30-50 м/ч, и
2 мм и более, в зависимости от характеристик фокусирую-
качественная защита сварного шва с обеих сторон сварочной
щей системы.
ванны. Гелиево-аргоновая смесь является наиболее предпоч-
При сварке кольцевых швов необходимо плавное увеличение мощности излучения до его нужного значения в нача-
тительной как с технологической, так и с экономической точек
зрения. При этом, с повышением мощности лазерного излу-
ле сварки, с одновременным перемещением фокальной точ-
чения, доля аргона в смеси уменьшается, а гелия увеличива-
ки к поверхности изделия, а при замыкании шва - обрат-
ется. Для защиты обратной стороны шва лучше вместо гелия
ные действия: плавное снижение уровня мощности до нуля
использовать аргон.
и перемещение фокальной точки от поверхности изделия -
И хотя наиболее универсальной защитной средой при
"над поверхностью" до 6 мм и более. Уменьшению корневых
сварке является гелий и смеси на его основе, но для повы-
дефектов при замыкании кольцевого шва способствует при-
шения экономичности процесса можно использовать двуо-
менение сканирования лазерного пучка.
кись углерода и азот. Такие рекомендации полезны при мощ-
Для устранения дефектов типа несплавлений необходимо
ности излучения до 7 - 8 кВт и, соответственно, для сварки
обеспечивать высокие точность сборки соединения и пере-
углеродистых и коррозионно-стойких сталей. При мощности
мещения изделия, лазерной головки в процессе сварки (с
лазерного излучения до 1 - 3 кВт хорошее качество шва обес-
системой слежения за стыком). Суммарная их погрешность
печивает аргон.
должна составлять не более 0,1-0,3 мм на длине 12 м при
Требования к фокусировке излучения должны определять-
мощности излучения от 1 до 30 кВт. Снижению требований
ся индивидуально в каждом конкретном случае, но, как пра-
способствует увеличение проходной мощности или увеличе-
вило, для получения максимальной глубины проплавления
ние фокальной точки и, соответственно, увеличение ширины
фокальную точку целесообразно располагать на поверхности
http://www.laserteh.spb.ru
ФОТОНИКА 4/2009
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ О Б О Р У Д О В А Н И Е И Т Е Х Н О Л О Г И И
свариваемого образца или чуть (на 0,5-1,0 мм) заглубляя ее
качества, обеспечивать прочностные и пластические свойства
"под поверхность".
сварных соединений на уровне свойств основного металла,
Эффективным способом снижения дефектов при лазерной
отвечающие требованиям нормативных документов, и пре-
сварке является применение сканирования лазерного пучка с
восходящие, как правило, результаты аналогичных испытаний
частотами до 800 Гц. Сканирование позволяет улучшать дега-
сварных соединений для традиционных способов сварки.
зацию в сварном шве, особенно в корневой его части и, соот-
Лазерная сварка наиболее целесообразна при решении
ветственно, снижать или полностью устранять пористость.
особых технологических задач, когда сварка традиционными
Сканирование обеспечивает более равномерное распреде-
методами невозможна или нецелесообразна (например, при
ление плотности мощности в пятне фокусировки, что спо-
сварке ячеистых конструкций или выполнении проплавных
собствует устранению корневых дефектов, а также позволяет
соединений), и экономически наиболее эффективна в массо-
изменять форму сварных швов, получать более однородную
вом и крупносерийном производстве.
структуру шва, выравнивать процесс и регулировать скоро-
Желательно обеспечивать загрузку лазерного технологи-
сти кристаллизации по глубине и ширине сварного шва, что,
ческого оборудования однотипными изделиями и сварными
соответственно, снижает вероятность образования трещин,
конструкциями в 2 - 3 смены. При этом вспомогательные опе-
пор и подрезов.
рации по загрузке заготовок и выгрузке металлоконструкций
Приведенные выше рекомендации и материалы данной
должны быть максимально механизированы или автомати-
работы позволяют получать сварные соединения высокого
зированы, а время простоя лазерной технологической установки - сведено к минимуму
Приведенные результаты технологических исследований
в основном относятся к лазерной сварке СО2-лазерами российского производства - типа "Ижора" и "Славянка". Поэтому
при разработке технологии сварки СО2-лазерами зарубежного производства - твердотельными или волоконнымии СО2-лазерами нового поколения, с другими параметрами
излучения, нужно проводить дополнительные исследования
и уточнять режимы сварки.
ЛИТЕРАТУРА.
1. Игнатов А.Г., Козлов А.В., Скрипченко А.И. и др.
Лазерная сварка со сквозным пропловлением сталей
различных классов. - Автоматическая сварка, 1987, N9.
2. Игнатов А.Г., Скрипченко А.И. О качестве сварных
швов, выполненных лазерным лучом на энергомашиностроительных сталях. - Материалы семинара "Внедрение высокоэффективных технологических процессов с
применением лазеров в промышленности". - Л.:ЛДНТП,
1986 г
http://www.laserteh.spb.ru
I
ФОТОНИКА 4/2009
На главную
Часть 2
Часть 1
Скачать