Гибридная лазерно-микроплазменная сварка металлов малых толщин

12.07.2018
В последнее время все большее развитие получают комбинированные, или гибридные технологические процессы, реализуемые путем совместного использования двух различных источников тепла, например, лазерного пучка и электрической дуги. Первые исследования лазерно-дуговых процессов сварки показали, что они обладают целым рядом особенностей, которые нельзя объяснить простой суперпозицией свойств используемых источников тепла, взятых по отдельности. В частности, установлено, что при комбинированном воздействии на металлы существенно увеличивается коэффициент использования энергии как лазерного, так и дугового источников тепла, улучшается стабильность движения пятна дуги по поверхности изделия. Все это позволяет более чем в полтора раза увеличить максимальную глубину проплавления для соответствующего лазерного процесса, но особенно важно при использовании лазеров небольшой мощности, а также повысить стабильность и практически удвоить производительность соответствующего дугового процесса.

Еще более обнадеживающие результаты были получены при использовании в гибридном процессе сжатой (плазменной) дуги вместо свободногорящей. Известны две схемы реализации лазерно-плазменной сварки — с расположением лазерного пучка и плазменной дуги под углом друг к другу и их соосное объединение. Последняя схема представляется наиболее рациональной, поскольку обеспечивает необходимую коаксиальность теплового и динамического воздействия источников тепла на поверхность сварочной ванны.

К сожалению, применить традиционные дуговые плазмотроны для реализации гибридной, лазерно-плазменной сварки в рамках рассматриваемой схемы практически невозможно. Соосное объединение лазерного пучка и плазменной дуги требует создания специализированных устройств — интегрированных лазерно-дуговых плазмотронов, основной особенностью которых является конструкция катодного узла (тугоплавкий трубчатый катод или система штыревых катодов, расположенных по окружности), позволяющая вводить сфокусированное лазерное излучение в зону сварки вдоль оси плазмоформирующего канала.

В настоящей статье представлены результаты испытаний опытного образца интегрированного лазерно-дугового плазмотрона для автоматической и ручной сварки различных металлов толщиной до 3 мм, а также результаты исследований технологических возможностей гибридной сварки нержавеющей стали, титанового и особенно алюминиевого сплава с перспективой ее использования в условиях космоса.

Экспериментальное оборудование. С целью практической реализации процесса гибридной сварки металлов малых толщин была разработана конструкция и изготовлен опытный образец универсального плазмотрона для микроплазменной, лазерной и лазерно-микроплазменной сварки в автоматическом и ручном режимах (рис. 1). Данное устройство представляет собой двухэлектродный плазмотрон, имеющий вольфрамовый катод диаметром 1,5 мм (для работы на прямой полярности) и вольфрамовый электрод диаметром 2,5 мм (для работы в режиме разнополярных импульсов тока), установленные внутри водоохлаждаемого корпуса. Электроды расположены диаметрально под углом 21° к оси плазмотрона и имеют возможность перемещения вдоль своих осей. Плазмотрон имеет сменное плазмоформирующее сопло, изготовленное из меди или молибдена, с диаметром выходного канала 2...3 мм и внешнее сопло для подачи защитного газа.

Предложенная конструкция плазмотрона позволяет вводить сфокусированный лазерный пучок в зону сварки вдоль оси плазмоформирующего сопла. Для этой цели в верхней части корпуса предусмотрен стыковочный узел (рис. 2) для подсоединения плазмотрона к стандартной фокусирующей системе RSY-FM-D160Z НР/2 с регулируемым фокусным расстоянием 160±6 мм, которая соединяется со световодом посредством коллиматора RSY-KM-B120 HPW/2. Плазмотрон предназначен для работы с пучком излучения ИАГ-лазера мощностью до 2 кВт (размер пятна фокусировки 0,6... 1,0 мм) при токах микроплазменной дуги прямой полярности до 50 А и при использовании разнополярных импульсов тока амплитудой до 35 А.

Предварительные испытания плазмотрона в дуговом режиме, проведенные в ИЭС с использованием экспериментального источника питания, включали:

- определение условий возбуждения и поддержания дежурной и основной дуги;

- проверку функционирования плазмотрона на прямой и обратной полярности;

- предварительную оценку технологических возможностей плазмотрона в режиме микроплазменной сварки.

При диаметрах канала плазмоформирующего сопла 2...3 мм и расходах плазмообразующего газа (аргон) 0,5...0,8 л/мин дежурная дуга возбуждалась стабильно как между каждым из электродов и соплом, так и между двумя электродами (ток дежурной дуги 5...7 А, напряжение холостого хода 60 В). Наилучшая форма дежурной дуги с факелом плазмы, выходящим за срез сопла, наблюдалась при ее горении между электродами плазмотрона.

При расстояниях от среза сопла до поверхности образца h = 2...3 мм основная дуга прямой полярности возбуждалась и горела устойчиво в диапазоне токов I = 32...53 А при напряжении на дуге U = 29...36 В (Uхх = 80 В). Повышение напряжения холостого хода до 100 В позволило добиться стабильного возбуждения и горения основной дуги при увеличении расстояния до образца вплоть до 6 мм.

Для оценки технологических возможностей разработанного плазмотрона в режиме микроплазменной сварки использовали образцы толщиной 1,5; 2 и 3 мм из следующих материалов: нержавеющая сталь 12Х18Н9; титановый сплав ОТ-4 и алюминиевый сплав АМгЗ.

Свариваемые образцы устанавливали на неподвижном сварочном столе (с использованием медной подкладки), а плазмотрон был закреплен на кронштейне сварочного трактора и перемещался при выполнении сварочных операций (рис. 2). В ходе проведения технологических экспериментов выполнялось проплавление образцов, а также сварка стыковых соединений. Расход плазмоообразующего газа составлял примерно 0,6, защитного газа, охлаждающей воды 1,5 л/мин.

Установлено, что с помощью разработанного плазмотрона при микроплазменной сварке дугой прямой полярности возможно получение сварных соединений с полным проплавлением образцов из нержавеющей стали и титанового сплава толщиной 1,0...1,5 мм. Параметры режима сварки при этом находились в следующих пределах: I = 43...52 A, U = 29...25 В, скорость сварки vсв = 0,24...0,4 м/мин. Ширина полученных швов не превышала 3,5 мм. Заметных подрезов и провисаний швов не наблюдалось, при этом предпочительнее выглядят швы, полученные при расстоянии до образца, равном 2 мм.

Проведенные эксперименты показали недостаточность защиты поверхности сварочной ванны, поэтому сварные швы отличались заметным окислением. Поскольку увеличение расхода защитного газа не приводило к заметному улучшению качества защиты, была проведена частичная доработка плазмотрона, а именно: увеличен диаметр выходного отверстия защитного сопла; изготовлено и установлено в это сопло фторопластовое газораспределительное кольцо. Принятые меры в какой-то мере улучшили качество защиты зоны сварки, но этого улучшения оказалось явно недостаточно (требуется дальнейшая оптимизация системы защиты шва).

К сожалению, возможности плазмотрона при его работе в режиме разнополярных импульсов тока на первом этапе испытаний определить не удалось в связи с неустойчивым функционированием имеющегося источника питания.

Технологические эксперименты. Технологические эксперименты по использованию интегрированного плазмотрона для сварки в дуговом, лазерном и гибридном режимах были проведены в БИAC (Германия). В качестве источника питания дуги использовали серийный источник для дуговой и плазменной сварки MESSER TIG 450 AC/DC-P с плавной регулировкой тока от 5 до 450 А, включающий систему подачи и контроля плазмообразующего и защитного газов, а также замкнутый контур жидкостного охлаждения плазмотрона с блокировкой его включения. Источник питания обеспечивал стабильное возбуждение дежурной дуги как между одним из электродов и соплом плазмотрона, так и между двумя электродами. Кроме того, данный источник снабжен осциллятором для поджига основной дуги путем пробоя дугового промежутка, что позволило в дальнейшем возбуждать основную дугу постоянного и переменного тока без использования дежурной дуги.

Для перемещения плазмотрона при сварке использовался робот-манипулятор фирмы KUKA, система управления которого позволяла программировать все параметры сварочного процесса, что наряду с достоинствами имело и определенные недостатки, так как не позволяло корректировать параметры режима в процессе сварки. При проведении всех экспериментов скорость сварки задавалась равной 0,25 м/мин, что является, во-первых, средним значением скорости при выполнении ручных сварочных операций, а, во-вторых, работать на более высоких скоростях не позволяла ограниченная мощность плазмотрона. Расстояние от среза медного плазмоформирующего сопла до образца устанавливали в диапазоне 2,0...2,5 мм, диаметр канала сопла плазмотрона был выбран равным 2,5 мм. При проведении технологических экспериментов использовали образцы тех же материалов и толщин, что и при испытаниях плазмотрона в ИЭС им. Е.О. Патона.

Mикроплазменная сварка. Для определения технологических возможностей разработанного плазмотрона при работе в дуговом режиме проводилась микроплазменная сварка на прямой полярности образцов из нержавеющей стали 12Х18Н9 и титанового сплава ОТ-4. Были сварены шесть стыковых соединений образцов толщиной 1,0...1,5 мм при различных значениях тока дуги I = 40...51 А, а также выполнено проплавление четырех образцов толщиной 2...3 мм для последующего сравнения глубины и ширины проплавления при микроплазменной сварке с соответствующими параметрами швов, полученных при лазерной и гибридной сварке.

При сварке образцов из алюминиевого сплава микроплазменной дугой переменного тока использовался режим сварки разнополярными импульсами с частотой 125 Гц. Длительность импульсов прямой и обратной полярности составляла соответственно 65 и 35 %. Сварка выполнялась при токах дуги 25...35 А. Следует отметить, что при токе микроплазменной дуги 25 А наблюдалась только очистка поверхности образца толщиной 3 мм без заметного его проплавления. При сварке стыковых соединений также наблюдалась хорошая очистка поверхности, однако качественных швов с полным проплавлением образцов не удалось получить даже при их толщине 1 мм и токе дуги 35 А.

Лазерная сварка. После завершения экспериментов в дуговом режиме плазмотрон был подсоединен к фокусирующей системе RSY-FM-D160Z 1/2 (рис. 3) и с помощью гибкого световода подключен к импульсно-периодическому лазеру с диодной накачкой RS D4 044 (фирмы «Rofin-Sinar») максимальной мощностью 4,4 кВт. Проведена юстировка положения фокуса лазерного пучка (размер пятна фокусировки 0,8...1,0 мм) относительно поверхности образца при расстоянии от среза плазмотрона h = 2 мм.
Гибридная лазерно-микроплазменная сварка металлов малых толщин

Вначале было выполнено проплавление и сварка образцов из нержавеющей стали и титанового сплава. Перед сваркой алюминиевых образцов для предотвращения попадания отраженного излучения в оптическую систему лазера, плазмотрон с установленной на нем фокусирующей системой был повернут на угол 8° по отношению к вертикали (рис. 3), при этом было скорректировано положение фокуса лазерного пучка относительно поверхности образца. Были обработаны десять образцов из указанных материалов толщиной 1,5...3,0 мм при мощности лазера 500...1500 Вт. В результате удалось получить полное проплавление образцов из нержавеющей стали толщиной 2 мм при мощности лазера 1 кВт. Для образцов из титанового и алюминиевого сплава толщиной 3 мм глубина проплавления составила 1,2 мм при мощности лазера 0,5 кВт (ОТ-4) и 0,8 мм при мощности лазера 1,5 кВт (АМг3). В случае сварки стыковых соединений образцов из алюминиевого сплава толщиной 1,5 мм полного проплавления достичь не удалось при увеличении мощности лазера от 1 до 1,3 кВт.

Гибридная сварка. Перед проведением сварочных экспериментов в комбинированном режиме плазмотрон с подключенной фокусирующей системой был электрически изолирован от робота. После пробных включений возникли проблемы с системой охлаждения лазера RS D4 044 мощностью 4,4 кВт, после чего к плазмотрону был подключен лазер непрерывного действия RS CW 020 мощностью 2 кВт, пучок которого фокусировался на изделие в пятно размером 0,6 мм.

Проплавление образцов из алюминиевого сплава АМгЗ толщиной 3 мм проводили в гибридном режиме (лазер + микроплазменная дуга переменного тока). При амплитуде тока дуги 25 А и мощности лазерного пучка 1...1,5 кВт образец проплавлялся на глубину менее 1 мм, при этом наблюдалось сильное почернение сварных швов, хотя в случае использования только микроплазменной дуги переменного тока этот эффект отсутствовал и происходила нормальная очистка поверхности алюминия. При разборке плазмотрона (снятии защитного и плазмоформирующего сопел) была обнаружена течь охлаждающей воды по пайке в нижней части корпуса плазмотрона, которая, по всей видимости, и являлась причиной ухудшения защиты зоны сварки. Несмотря на это, было выполнено проплавление двух образцов алюминиевого сплава АМг3 толщиной 3 мм в режиме гибридной сварки (для проведения этих экспериментов плазмотрон был отключен от системы охлаждения). Режимы гибридной сварки были следующими: мощность лазера 1,2 кВт, амплитуда импульсов тока микроплазменной дуги соответственно 25 и 35 А.

Результаты экспериментов. Разработанный интегрированный плазмотрон для микроплазменной, лазерной и гибридной сварки позволяет при работе в дуговом режиме на постоянном токе прямой полярности получать стыковые соединения с полным проплавлением образцов из нержавеющей стали и титанового сплава толщиной до 1,5 мм при токе дуги 40...50 А и скорости сварки 0,25 м/мин.

Мощность плазмотрона при сварке алюминиевого сплава разнополярными импульсами (амплитудное значение тока 25 А) позволяет производить только очистку поверхности образцов толщиной 3 мм без видимых следов расплавления (рис. 4, а). Попытки выполнения стыковых соединений алюминия при толщине образцов 1 мм показали, что указанная мощность также является недостаточной для получения сварных швов с полным проплавлением. Таким образом, необходимо повышение мощности плазмотрона (увеличение максимального значения тока дуги не менее чем до 50 А) при работе в режиме разнополярных импульсов.

Эксперименты по лазерной сварке показали, что при выбранной скорости сварки получение стыковых соединений образцов из нержавеющей стали и титана толщиной 1,5 мм возможно при мощности лазера 750...800 Вт. Здесь следует отметить некоторую нестабильность процесса, следствием которой является наличие различных по внешнему виду участков поверхности шва при постоянстве параметров режима сварки.

При выполнении стыковых соединений образцов из алюминиевого сплава АМгЗ толщиной 1,5 мм полного проплавления не удалось получить при повышении мощности лазера до 1,3 кВт. По всей видимости, требуемая для этого мощность лазера должна составлять не менее 1,5 кВт. Кроме того, при лазерной сварке алюминия отсутствует очистка поверхности от оксидной пленки в процессе сварки, результатом чего является недостаточно высокое качество сварных швов.

Для сравнительной оценки различных способов сварки (микроплаэменной, лазерной и гибридной выполняли проплавление образцов из различных материалов толщиной 2...3 мм на одной и той же скорости (0,25 м/мин). В частности, в режиме микроплазменной сварки на прямой полярности при токе дуги 50 А глубина проплавления составила 0,6 мм для нержавеющей стали и 2,0 мм для титанового сплава (при этом ширина швов соответственно 2,8 и 5,5 мм). В режиме лазерной сварки при мощности лазера 1 кВт и той же скорости сварки удалось достичь полного проплавления образца нержавеющей стали толщиной 2 мм, а при мощности 0,5 кВт глубина проплавления составила 0,8 мм для нержавеющей стали и 1,2 мм для титанового сплава (при ширине швов соответственно 1,4 и 2,5 мм).

При проплавлении алюминиевого сплава толщиной 3 мм микроплаэменной дугой переменного тока (амплитудное значение тока 25 А) заметное расплавление металла отсутствует (рис. 4, а), а при увеличении амплитуды импульсов тока до 35 А глубина проплавления составляет 0,7 мм, ширина шва 4,0 мм, площадь проплавления 2,0 мм2 (рис. 5, а). При лазерном проплавлении этого же образца на скорости 0,25 м/мин глубина проплавления составила 0,4 мм при мощности лазера 1,2 кВт (рис. 4, в, 5, б).

При совместном использовании лазерного пучка мощностью 1,2 кВт и микроплазменной дуги переменного тока (амплитуда тока 25 А) глубина проплавления образца толщиной 3 мм при скорости сварки 0,25 м/мин составляет 0,8 мм, ширина шва 2,0 мм и площадь проплавления 1,1 мм2 (см. рис. 4, б), тогда как в случае лазерной сварки при той же мощности пучка и скорости сварки соответственно 0,4 мм, 1,2 мм и 0,35 мм2 (см. рис. 4, в), а при микроплазменной сварке 25-амперной дугой проплавление отсутствует вообще (см. рис. А, а).

Еще более интересные результаты были получены при использовании в гибридном процессе 35-амперной микроплазменной дуги и лазерного пучка прежней мощности (1,2 кВт). В частности, было достигнуто полное проплавление образца из АМгЗ толщиной 3 мм при ширине шва 4,9 мм и площади его поперечного сечения 10,6 мм2 (см. рис. 5, в). Сравнивая полученные данные с результатами проплавления образца при лазерной и микроплаэ-менной сварке в отдельности (ср. рис. 5, a-в), можно заметить, что площадь проплавления при гибридной сварке алюминиевого сплава более чем в 4 раза превосходит сумму соответствующих площадей при лазерной и микроплазменной сварке в отдельности. Это свидетельствует о существенном повышении эффективности использования энергии источников тепла при их объединении в гибридном процессе.

К сожалению, по причинам, изложенным выше, удалось получить только один образец проплавления, выполненного в таком режиме. Поэтому полученные результаты требуют дополнительного подтверждения, для чего необходимо создание плазмотрона, позволяющего выполнять сварку в режиме разнополярных импульсов при токах 50 А и выше.

Заключение. Проведенные предварительные исследования технологических возможностей интегрированного плазмотрона применительно к микроплазменной, лазерной и лазерно-микроплазменной сварке позволяют сделать вывод о перспективности гибридной сварки алюминиевых сплавов лазерным пучком и микроплазменной дугой, горящей в режиме разнополярных импульсов тока. С одной стороны, такая комбинация позволяет осуществлять очистку поверхности алюминия в процессе сварки, чего нельзя достичь при чисто лазерной сварке, и тем самым повысить качество получаемых сварных соединений. С другой стороны, совместное использование двух источников тепла позволяет существенно увеличить эффективность использования энергии каждого из них, что делает гибридную сварку весьма привлекательной для использования, например, при ремонтных работах в условиях космических летательных аппаратов.

Представляется целесообразным продолжить начатые исследования в направлении разработки более мощного интегрированного плазмотрона на токи до 100 А при работе в режиме разнополярных импульсов, предназначенного для использования совместно с диодным лазером мощностью 1,5...2,0 кВт, проведения экспериментальных и теоретических исследований процесса гибридной сварки алюминиевых сплавов малых и средних толщин, а также дальнейшего изучения технологических возможностей данного процесса.