Гибридные лазерные технологии Преимущества гибридных лазерных технологий • Объединение лазерного источника нагрева с другими источниками в единый источник, позволяет невелировать, присущие каждому из методов сварки недостатки и получить новое качество, в виде расширения технологических возможностей. • Применительно к сварке гибридные лазерные технологии позволяют: • 1. снизить себестоимость сварки одного погонного метра шва; • 2. повысить качество сварки различных материалов; • 3. увеличить производительность традиционных методов сварки за счёт увеличения скорости сварки.
Гибридные лазерные технологии • • • Лазерно-дуговая Лазерно-плазменная Свето-лазерная Двухлучевая лазерная Лазерно-индукционная
Основные недостатки технологии лазерной сварки 1. низкий коэффициент поглощения лазерного излучения поверхностью, увеличивающий пороговое значение критической плотности мощности; 2. жесткие термические циклы, которые могут приводить к снижению технологической прочности сварных соединений; 3. высокое значение коэффициента формы шва, снижающее технологическую воспроизводимость процесса лазерной сварки; 4. эффекты брызгообразования, наблюдающиеся при высоких скоростях сварки; 5. затруднительное газовыделение из жидкой фазы расплава металла шва, при высоких скоростях сварки и соответственно повышенное порообразование; 6. гидродинамическая неустойчивость ванны расплава при высоких скоростях сварки; 7. низкое значение полного КПД лазерной сварки; 8. высокую себестоимость сварки погонного метра шва.
Особенности лазерной сварки Поглощение лазерного излучения А, % 10, 6 1, 06 Сталь Al λ, мкм Зависимость поглощательной способности от длины волны лазерного излучения
Поглощение лазерного излучения Поглощательная способность неокисленной металлической поверхности лазерного излучения с длиной волны λ = 10, 6 мкм описывается уравнением Хагена-Рубенса. А = 112, 2 (σ -1)1/2 где, σ – удельная электропроводность металла, (Ом·м)-1; А – поглощательная способность (коэффициент поглощения) металла. - удельное сопротивление Температурная зависимость удельного сопротивления для железа и сталей Расчетная зависимость коэффициента поглощения чистых металлов от температуры
Термические циклы лазерной сварки 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 Гибридный термический цикл благоприятно сказывается на на механических свойствах и технологической прочности сварного соединения T Т Т t t термический цикл лазерной сварки термический цикл индукционного подогрева t гибридной термический цикл
Пористость сварных соединений Гибридная лазерная сварка сплавов алюминия позволяет уменьшить порообразование, за счёт снизижения жесткости термического цикла и увеличение длительности существования жидкой фазы сварочной ванны, что приводит к усконию роста пузырьков и их эвакуации из расплава. Увеличение длительности существования сварочной ванны возможно за счет увеличения погонной энергии. Т, о. С Растворимость водорода в алюминии в зависимости от температуры где, G – растворимость водорода, см 3/100 г.
Гидродинамика формирования соединений При высоких, скоростях лазерной сварки (Vсв > 5 м/мин) качественное формирование швов нарушается и образуются наплывы. Жидкая фаза ванны расплава шва испытывает гидродинамическую неустойчивость, ведущую, на больших скоростях сварки, к образованию неровностей на поверхности. Применение гибридных технологий влияет на гидродинамические процессы и устраняет образование неровностей на поверхности
Сборка сварных соединений b Δ Н H Геометрия зазора и смещения свариваемых кромок при сварке встык Дуговая сварка Лазерная сварка Толщина металла, мм Скорость сварки, мм/сек Максимально допустимая величина зазора (b), мм 0, 8 – 1, 5 5, 5 -22, 2 -33, 3 0, 12 0, 10 1, 5 – 3, 0 5, 5 -22, 2 -33, 3 0, 15 0, 12 Максимально допустимое смещение кромок (ΔН), мм 0, 15
Технико-экономическая эффективность Объединение различных видов сварки в единый технологический процесс позволяет снизить стоимость одного Вт энергии сварочного источника энергии. lg WЕ WЕ, Дж/см 2 W = W + W 106 6 105 5 104 4 W 103 102 Энергетическая эффективность сварочных источников энергии Где, – плотность энергии, необходимая для образования шва; – плотность энергии сварочного источника; –плотность энергии вспомогательных систем; – суммарная плотность энергии при сварке 3 2
Лазерно-дуговая сварка Недостатки дуговой сварки: 1. недостаточная концентрация энергии в электродуговой плазме; 2. неустойчивостью горения дуги при высоких скоростях сварки. 3. не удовлетворяет современным требованиям промышленности в отношении производительности и качества сварных соединений. Недостатки лазерной сварки: 1. низкий коэффициент поглощения лазерного излучения поверхностью; 2. жесткие термические циклы; 3. высокое значение коэффициента формы шва; 4. высокая себестоимость сварки погонного метра шва.
Лазерно-дуговая сварка Фокусирующая линза Лазерное излучение W-электрод vсв Плазма электрической дуги Лазерная плазма Жидкая фаза расплава Парогазовый канал Анодное пятно Сварной шов W-электрод а а) дуга снизу б) дуга сверху;
Лазерно-дуговая сварка с присадкой
Лазерно-дуговая сварка
Лазерно-дуговая сварка Баланс энергии лазерной сварки Qи Qф Qо Qт Qв Qл = Qо+Qф+Qи+Qв+Qт
Лазерно-дуговая сварка Баланс энергии аргоно-дуговой сварки Qэ Катодный источник Qр - Источник дуги - Анодный источник Qв Qт Uд I = Qэ+Qр+Qв+Qт
Лазерно-дуговая сварка Баланс энергии лазерно- дуговой сварки Р+Uд. I = Q Источник нагрева +Q P, Вт +Q +Q Uд, В +Q +Q +Q I, А Uд. I+P, Вт — Лазерный 950 — — Дуговой 1200 24 950 20 50 Лазерно-дуговой 1950 S, мм 2 31, 3, 0, 809 31, 3 50 Vсв, мм/с 0, 756 31, 3 1, 988
Лазерно-дуговая сварка Эффективный КПД Термический КПД Полный КПД
Лазерно-дуговая сварка Геометрическое положение источников P, Вт I, А Vс, мм/с S, мм 2 η Дуга впереди луча 950 100 40 2, 370 0, 32 Дуга сзади луча 950 100 40 1, 856 0, 25
Лазерно-дуговая сварка 0, 32 0, 28 0, 24 20 40 60 80 100 I, А Зависимость полного теплового КПД лазерно-дуговой сварки от тока дуги (сталь 08 Х 18 Н 10 Т, Р=900 Вт; Vсв=21, 3 мм/с)
Лазерно-дуговая сварка Зависимость скорости от тока дуги и мощности лазерного луча
Лазерно-дуговая сварка Электрические характеристики дуги Uд, В 28 26 25 1 24 24 22 22 20 20 2 18 18 16 1 2 3 16 3 200 400 600 а 800 P, Вт 200 400 600 800 P, Вт б Зависимость напряжения на дуге от мощности лазерного излучения, при сварке нержавеющей стали (а), алюминиенвого сплава (б): 1 – I=75 А; 2 – I=50 А; 3 – I=20 А.
Лазерно-дуговая сварка Вольт-амперная характеристика лазернодуговой сварки Осцилограмма устойчивочти горения дуги
Лазерно-дуговая сварка Аргоно-дуговая Лазерная Гибридная
Лазерно-дуговая сварка Особенности формирования и геометрии шва 1 2 3 а б в Изменение формирования геометрии формы шва при варьировании мощности лазерного излучения и мощности дуги: а – P=900 Вт; б – Р=500 Вт; в – P=200 Вт; Vсв = const: 1 – I = 20 A; 2 – I = 75 A; 3 – I = 105 A
Лазерно-дуговая сварка 1 2 3 4 5 Изменение геометрии шва и глубины проплавления в зависимости от скорости сварки (Р=900 Вт; I=50 A – const): 1 – Vсв=21, 3 мм/с; 2 – Vсв=40 мм/с; 3 – Vсв=62 мм/с; 4 – Vсв=100 мм/с;
Лазерно-дуговая сварка Зависимости глубины проплавления от скорости Л+ДНЭ сварки стали при токе дуги 300 А и различных значениях мощности лазерного излу-чения Зависимости глубины проплавления от скорости Л+ДНЭ сварки стали при мощности лазерного излучения 4 к. Вт и различных значениях тока дуги
Лазерно-дуговая сварка Зависимости глубины проплавления от тока дуги при постоянной скорости Л+ДНЭ сварки Зависимости глубины проплавления от мощности лазерного пучка при постоянной скорости сварки
Лазерно-дуговая сварка Влияние расстояния неплавящегося электрода от оси лазерного пучка на глубину проплавления при лазернодуговой сварке Зависимости глубины проплавления от положения фокальной плоскости лазерного пучка относительно поверхности образца при различных значениях тока дуги (мощность лазерного излучения и скорость сварки постоянны)
Лазерно-дуговая сварка Изменение расчетной формы проплавления металла при лазерно-дуговой сварке в зависимости от радиуса дугового источника тепла
Лазерно-дуговая сварка b Δ Н H b, мм 0, 8 0, 6 0, 4 0, 2 0 0 20 40 60 а 80 100 I, А 20 40 60 vсв, мм/с б Изменение предельной величины зазоров при сварке встык от тока дуги (а) и скорости сварки (б) при постоянной мощности лазерного излучения.
Лазерно-дуговая сварка Преимущества гибридной лазерно-дуговой сварки Перед дуговой: Перед лазерной: 1) Стабильное горение дуги; 1) Снижение мощности излучения; 2) Высокая скорость сварки. 2) Снижение отражательной способности материала; 3) Обеспечение синергетического эффекта увеличения глубины проплавления. 4) Снижение требований по сборке.
Лазерно-дуговая сварка Основной металл Зона термического влияния Основной материал – среднеуглеродистая сталь Заполняющий материал – проволока «Power bridge 60 M» (Fe, Si, Ni, Ti, B, C) © ООО «ИТС» Зона термического влияния Центральная зона
Лазерно-дуговая сварка Типовая конфигурация системы 1. Сварочный источник питания 2. Механизм подачи проволоки 3. Блок охлаждения 4. Блок дистанционного управления 5. Роботизированный интерфейс 6. Сварочная головка Лазер-Гибрид 7. Буфер подачи проволоки 8. Источник питания лазера.
Лазерно-дуговая сварка
Лазерно-дуговая сварка Области применения Автомобильная Судостроительная Сварка промышленность трубопроводов
Свето-лазерная сварка Свето-лазерная технология основана на интеграции энергии лучей двух источников: энергии лазерного источника и полихроматического светового источника. Н Световая сварка Преимущества процесса 1. снижение газонасыщения металла шва за счет WE(0) незначительной ионизации газов в зоне обработки; отсутствие электрических и магнитных полей в зоне обработки; 2. низкая себестоимость погонного метра шва по сравнению с лазерной сваркой; 3. высокий энергетический КПД светолучевой установки до 45%; 4. высокая экологическая чистота технологического процесса по сравнению с традиционными сварочными процессами; 5. простота в работе и обслуживании; 6. высокая безопасность технологии.
Свето-лазерная сварка Угловая схема Коаксиальная схема
Свето-лазерная сварка
Свето-лазерная сварка Преимущества свато-лазерной обработки 1)Возможность плавного программирования температуры в зоне обработки по заданному оптимальному термическому циклу, что позволяет устранять отпуском дефектов структуры шва при сварке закаливающихся сталей и осуществлять термическую обработку. 2) Увеличение КПД процесса, глубины обработки и скорости за счёт синергетического эффекта совместного воздействия луча света и лазера в одну точку. Лазер впереди Совмещение Лазер сзади 3) Возможность предварительного подогрева для устранения зазоров при сборке. 4) Снижение себестоимости лазерной обработки.
Свето-лазерная сварка T, К Tплав 1570 2 970 1 0 4 0 – 4 – 6 х, см Термический цикл свето-лазерной сварки
Получение перлитно-бейнитной структуры за счет уменьшения скорости охлаждения при расположении дополнительного источника нагрева за лазерным лучом.
Свето-лазерная сварка Схема закрытия зазора за счет теплового расширения кромок при расположении дополнительного источника тепла перед лазерным лучом.
Свето-лазерная сварка Технологические преимущества свето-лазерной сварки 1. Скорость сварки возрастает в 4 раза (А 1), в 6 раз (Fe) на толщинах 0, 5 мм; 2. Значительное увеличение глубины проплавления: от 0, 3 мм при лазерной сварке стали до 0, 8 мм при совмещенной сварке лазером и световым источником; 3. Снижение себестоимости изготовляемой на нем продукции за счет комплектации световым модулем; 4. Повышение качества сварных соединений; 5. Экономия потребляемой электроэнергии; 6. Расширение технологических возможностей лазера;
Свето-лазерная сварка Стоимость 1 Вт энергии для различных лучевых источников, применяемых в технологии обработки материалов.
Свето-лазерная сварка Области применения технологии Автомобильная промышленность- сварка встык изделий из закаливающейся высокопрочной стали в соответствии с международной программой создания перспективного ультралёгкого стального автомобильного кузова ULSAB (Ultralight Steel Auto Body). Авиакосмическая промышленность - сварка объёмных изделий из алюминиевых и титановых сплавов ; - наплавка специальных жаропрочных покрытий для лопаток и других деталей горячего тракта авиационных двигателей; Атомная промышленность - сварка разнородных материалов корпусов источников ионизирующего излучения
Свето-лазерная сварка Сварка алюминиевых пластин Сварка тепловых элементов
Двухлучевая лазерная сварка Лазер2 Лазер1 Луч лазера х х Схема сведения лучей для газовых лазеров Nd: YAG лазер Схема сведения лучей для твердотельного лазера
Двухлучевая лазерная сварка ∆x Последовательное расположение лучей ∆y Параллельное расположение лучей Сварка материалов разных толщин а) Δх = 0 мм ; б) Δx = 2 мм
Двухлучевая лазерная сварка +∆F Сведение двух лучей в одну точку Схема процесса
Двухлучевая лазерная сварка Характеристики качества лазерных пучков Модовый состав Пространственный профиль лазерного пучка определяется модовым составом. Модой называется вид электромагнитных колебаний соответствующей устойчивому распределению волны в резонаторе. Расходимость луча - это угол, в котором сосредоточена основная доля генерируемой мощности лазером. Расходимостьопределя ется углом расходимости. Чем меньше угол расходимости, тем лучше фокусировка. Когерентность Когерентнось-это согласованное протекание во времени и пространстве нескольких волновых процессов. Это значит, что сдвиг фаз в резонаторе равен сдвигу фаз за его пределами. За счёт этого лазерное излучение передаётся на большие расстояния с малой расходимостью. Поляризация характеризует Ориентацию вектора электрического поля в электромагнитной волне а б а- линейная поляризация б- круговая поляризация
Двухлучевая лазерная сварка При одномодовом излучении, гаусовом распределении, и круговой поляризации коэффициент качества лазерного излучения – К определяется как Диаметр сфокусированного луча – df определяется расходимостью лазерного излучения и фокусным расстоянием где, f – фокусирующее число Таким образом, чем больше значение К, то есть чем выше качество луча лазера, тем меньше диаметр сфокусированного луча лазера
Двухлучевая лазерная сварка Δ ○ □ ● ■ h, мм 6 f=3 f=4 f=6 f = 4, 2 f = 6, 6 K = 0, 1 K = 0, 26 5 4 3 2 а 1 0 0 33 66 132 165 Vсв, мм/сек Единичный луч К=0, 1 Два луча К 1=0, 18; К 2=0, 28 df = 500 мкм Зависимость глубины проплавления от скорости сварки при различных значениях параметров f и K, PL = 4, 5 к. Вт, защитный газ - гелий где, РL – суммарная мощность лучей лазера б df =250 мкм Мощность лазера 5 к. Вт
Двухлучевая лазерная сварка ● К = 0, 1 – 7 к. Вт □ К = 0, 28 – 3, 5 к. Вт / К = 0, 18 – 3, 5 к. Вт ∆ К = 0, 1 – 3, 5 к. Вт / К = 0, 28 – 3, 5 к. Вт h, мм 7 6 5 4 3 2 V, мм/с 1 0 16 66 132 198 264 Зависимость глубины проплавления от скорости сварки при лазерной сварке одним лучом и двумя лучами
Двухлучевая лазерная сварка Схема процесса двухлучевой сварки труб 8 мм; 10 мм; 12 мм Сварка за один проход, Vcв=0, 8 м/мин
Лазерно-плазменная сварка 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. В качестве плазмообразующего материала обычно применяют газы (аргон, азот, гелий, водород, воздух и их смеси), что обеспечивает температуру плазмы до 50000°С. Преимущества плазменной сварки состоят в следующем : 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. 5. Плазменная сварка позволяет иметь практически постоянный диаметр пятна и дает возможность стабилизировать проплавление основного металла.
Лазерно-плазменная сварка Плазменная дуга, благодаря обжатию ее в канале сопла газовым потоком, в отличие от обычной дуги, характеризуется высокими температурами столба (до 15000. . . 25000°С и более) и высокими скоростями потока плазмы. Это значительно расширяет ее технологические возможности при резке, сварке, наплавке и напылении материалов. Ar Ar 24270 К I II 10270 К 18270 К 10270 К 14270 К r, мм 10 5 5 + r, мм 10 Z Распределение температур в обычной дуге (I) и плазменной (II) струе
Лазерно-плазменная сварка Плазменные горелки 1 Е 1 Газ Е 2 3 4, 5 2 L 3 4 5 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
Лазерно-плазменная сварка Интегрированные плазмотроны прямого действия использоваться для лазерноплазменной сварки, наплавки и резки металлов. Схемы интегрированных плазмотронов : 1 – катод; 2 – анод; 3 – плазмоформирующее сопло; 4 – плазмообразующий газ; 5 – лазерный пучок; 6 – плазма; 7 – изолятор Интегрированные плазмотроны косвенного действия – для обработки диэлектрических материалов, закалки металлических поверхностей, нанесения покрытий и ведения других технологических процессов.
Лазерно-плазменная сварка 3 2 3 Т, 103 К 1 2 30 3 1 z = 14, 0 мм 2 20 1 z = 10, 0 10 z = 5, 5 0 2 4 6 r, мм Пространственные распределения температур плазмы разряда в лазерно-дуговом плазмотроне (I=200 A) при мощности лазерного пучка: 1 к. Вт (1), 2 к. Вт (2), 3 к. Вт (3). 0 к. Вт (штриховая кривая) r – расстояние от оси лазерного луча Z – расстояние от среза катода
Лазерно-плазменная сварка Wp, 103 Вт/см 2 3 2 80 1 40 0 5 10 15 z, мм Распределение плотности мощности лазерного излучения вдоль оси комбинированного разряда (P=3 к. Вт) при токе дуги: 100 (1), 200 (2), 300 A (3), штриховая кривая - без плазменной дуги
Лазерно-плазменная сварка U, В 28 29 24 25 20 21 17 16 0 1 2 3 Р, к. Вт 100 150 200 250 I, А Зависимость напряжения на разряде в лазерно-дуговом плазмотроне от мощности P (a) и тока I (b): ■ - Ia=150, × - 200, ▲ - 250 A; - Р=0, □ - 1, ○ - 3 к. Вт; штриховая линия - расчетные данные при I=200 A
Лазерно-плазменная сварка Устройство для реализации лазерно-плазменных процессов: 1 - сопло лазерной головки; 2 внешнее водоохлаждаемое сопло (анод); 3 - изделие; 4 - линза; 5 лазерный пучок; 6 - электрическая дуга; 7, 8 - плазмообразующий газ; 9 - напыляемый материал (в случае лазерно-плазменного напыления). Лазерно-плазменная головка
Лазерно-плазменная сварка Основные преимущества: 1)увеличивается эффективность ; проплавления гибридного источника более, чем сумма лазерного и плазменного источников; 2) повышается стабильность процесса; значительно повышается скорость обработки; 4) процесс практически не зависит от оптических свойств поверхности; 5) возможность легирования поверхности.
Лазерно-индукционная сварка Гибридная лазерно-индукционная сварка – это способ сварки, при котором формирование сварной ванны происходит при одновременном действии лазерного излучения и токов высокой частоты. луч лазера зеркало индуктор деталь поворотное фокусирующее зеркало сформированный лазерный луч предварительно подогреваемая зона Схема лазерно-индукционной обработки Лазерно-индукционная сварка, сохраняя все преимущества лазерной сварки, уменьшает жесткость термического цикла и повышает свариваемость.
Лазерно-индукционная сварка Лазерно-индукционный нагрев Т, К Лазерный нагрев Индукционный нагрев t, с Термические циклы различных источников нагрева
Лазерно-индукционная сварка 1 мм а б Макрошлифы сварных соединений закалённой стали: а) лазерная сварка; б) лазерно-индукционная сварка Детали, сваренные лазерноиндукционной сваркой
Лазерно-ультразвуковая сварка – это совместное воздействие на металлическую поверхность механической энергии за счёт ультразвуковых колебаний и тепловой энергии лазерного излучения. Преимущества метода. 1. Дозированный ввод ультразвуковой механической энергии помогает в управлении гидродинамическим движением в ванне расплава. 2. Происходит независимая оптимизация гидродинамики и теплофизики процесса. Схема процесса 3. Изменяется кинетика протекания диффузионных процессов и фазовых превращений. 4. Улучшается структурно-напряженное состояние обрабатываемого материала. 5. Уменьшается шероховатость поверхности, в которой формируются напряжений сжатия
Лазерно-ультразвуковая сварка Гидродинамические процессы а Гидродинамические течения в ванне расплава при: б а) лазерном воздействии: 1 - термокапиллярные вихри; 2 -пограничный слой неподвижной жидкости. б) лазерно-ультразвуковом воздействии: 1 - вихревой слой: 2 - кавитационный отрыв вихрей от вихревого слоя; 3 -термокапиллярные течения.
Лазерно-ультразвуковая сварка Схема вариантов лазерно-ультразвуковой обработки а) несоосная схема; б) соосная схема 1 - фокусировка лазерного излучения; 2 - магнитострикционный преобразователь; 3 - концетратор; 4 - зона лазерно-ультразвуковой обработки.
Скачать презентацию Гибридные лазерные технологии Преимущества гибридных лазерных технологий
Курс гибридные технологии.ppt