Сварка и свариваемые материалы. Том 2. Технология и оборудование

ристик системы проведения электронного луча питание катушек КЖ, ФК, ОК (см. рис. 5.10) осуществляется от ре­ гуляторов тока.

В СССР в настоящее время се­ рийно выпускаются источники ускоряю­ щего? напряжения в комплекте сэлект- ронпо-лучевой пушкой на ускоряющее напряжение 60 кВ и мощность 5, 15 и 60 кВт (ЭЛА5, ЭЛА15, ЭЛА60 и др.).

5.10-4. Вакуумная система электронно-лучевой установки

5.10.5. Система управления электронно-лучевой установкой

Система управления (СУ) должна выполнять следующие основные функции:

—программное управление работой всех систем установки;

—диагностику работы всех систем установки;

— контроль и управление положением электронного луча по отношению

кстыку;

—контроль и управление пространственными, энер1 етическими и времен­ ными характеристиками электронного луча;

—связь с СУ более высокого уровня при работе в составе гибкой про­ изводственной системы.

Элементная база СУ — мини- и микроЭВМ, микропроцессоры. Все про­

граммное управление осуществляется либо одной достаточно мощной ЭВМ, либо центральной микроЭВМ и местными микроЭВМ, на которых реализуется локальное управление одним или несколькими устройствами. В отечественных установках используются микроЭВМ семейства «Электроника», СМ-1800 и др. Для повышения помехоустойчивости и надежности работы микроЭВМ я объект управления гальванически разделены.

5.10.6. Примеры, оборудования ЭЛС

Установка EBW36000/60-150 является типичным представите­ лем камерных машин. Она предназначена для сварки крупнога­

баритных деталей. Размеры рабочей камеры — 4,9ХЗ,35Х

с двумя криогенными насосами производительностью 10 м3/с. Время откачки рабочей камеры------15 мин.

Установка оснащена ЭЛП мощностью 60 кВт при ускоряю­ щем напряжении 150 кВ, системами слежения за стыком во время сварки и телевизионного наблюдения за процессом сварки. Управление установкой полностью автоматизировано.

Установка УВЛ-6003, разработанная ВНИИЭСО, является типичной для тактовых высокопроизводительных специализиро­ ванных установок. Она предназначена для сварки кольцевых швов на деталях с вертикальной осью вращения. Максималь­ ные габариты деталей: диаметр 0,3, высота 0,3 м. Расположе­ ние ЗЛП — вертикальное или горизонтальное. Вакуумная си­ стема рабочей камеры оснащена двухступенчатой системой от­

Установка содержит трехпозиционный поворотный стол с по­ зициями загрузки-выгрузки, подогрева детали перед сваркой, сварки. На установке можно проводить сварку среднеуглероди­

стых сталей (установка снабжена позицией отжига деталей). Подогрев и отжиг осуществляются среднечастотными индукци­ онными генераторами. СУ выполнена на базе микроЭВМ

«Электроника МС 2716» и осуществляет управление всеми уст­ ройствами установки, а также контроль и диагностику неис­ правностей. Установка комплектуется энергоблоком ЭЛА-15 <15 кВт, 60 кВ).

Г л а в а 6 Л А З Е Р Н А Я С В А РК А

в.1. О бщ ие сведения

€.1.1. Источники энергии

Среди известных источников энергии, используемых для сварки, лазерное из* лучение обеспечивает наиболее высокую концентрацию энергии. На рис. 6.1 представлены значения плотности мощности £, т. е. отношение мощности источника к его площади, и диаметры источников нагрева для основных сва­ рочных источников энергии. Из этих данных следует, что лазерное излучение на несколько порядков превосходит по концентрации остальные источники теплоты, используемые для сварки. Такие высокие значения концентрации энергии определяются уникальными характеристиками лазерного излучении, в первую очередь его монохроматичностью и когерентностью.

Лазерная сварка, в отличие от электронно-лучевой, также обеспечиваю щей высокую концентрацию энергии, не требует вакуумных камер. Ее ведут либо на воздухе, либо в аргоне, гелии, либо в С02 и др. Лазерной сваркой можно соединять элементы любых размеров.

6.1.2. Виды технологических лазеров

ческого и непрерывного действия [2 , 31.

Одним из первых твердотельных лазеров для сварки был ис­ пользован лазер на рубине. Активный элемент в нем — стер­ жень из кристалла искусственного рубина. Эти лазеры обычно генерируют импульсно-периодическое излучение на длине волны 1=0,69 мкм с длительностью импульсов т= 10- 3 -s-10-9 с, энер­ гией в импульсе U7H«10_2 H- 103 Дж, максимальной частотой по­ вторения импульсов Г„»10 Гц.

Твердотельные лазеры с активным элементом в виде стерж­ ней из стекла с примесью неодима позволяют получать более высокие значения энергии излучения. Они генерируют импульс­ но-периодическое излучение на А.= 1,06 мкм. Частота импульсов

твердотельные лазеры с активным элементом из иттрий-алюми- ниевого граната (ИАГ) с добавкой неодима. Эти лазеры гене­ рируют излучение на Я.= 1,06 мкм как в импульсно-периодиче­ ском, так и в непрерывном режимах.

Средняя мощность излучения твердотельных лазеров дости­

и их низкой теплопроводностью, что затрудняет их охлаждение в лазерных установках.

Наиболее широко используют для сварки газовые лазеры, в которых в качестве активной среды используется СОг. Эти лазеры развивают в настоящее время среднюю мощность от не скольких десятых до десятков киловатт в непрерывном и им пульсно-периодическом режимах генерации излучения с А,= = 10,6 мкм.

Лазерное излучение когерентно, монохроматично, обеспечи­ вает малую расходимость. Вследствие этого возникает возмож­ ность высокой степени фокусировки для достижения больших значений концентрации энергии излучения, и на поверхности свариваемого материала происходит локальный нагрев, обеспе­ чивающий высокие скорости нагрева и охлаждения, значи­ тельно превосходящие эти параметры при традиционных спосо­ бах дуговой сварки, малый объем расплавленного металла, ма­ лые размеры околошовной зоны термического влияния.

6.1.3. Теплофизические показатели процессов

Лазерное излучение на поверхность материала частично отражается, а ча­ стично поглощается.

Эффективный к. п. д. процесса сварки по физической сущности явля­ ется эффективным коэффициентом поглощения лазерного излучения

где q — эффективная тепловая мощность процесса лазерной сварки, т. е. мощ­ ность, поглощаемая металлом при лазерной сварке, Р — мощность лазерного излучения. Значения % зависят от параметров режима и условий лазерной сварки, особенно ее скорости (рис. 6.2). Это связано с влиянием размеров и формы образующегося парогазового канала на поглощение лазерного из­ лучения. Разные состояния поверхностей образцов перед сваркой незначи-

Рис. 6.2. Зависимость эффективного к. п. д. от скорости св&рки и физико-химического состояния поверхности образцов из малоуглеро­

Рис. 6.3. Изменение термического к. п. д. лазерной сварки титанового сплава ВТ-28 толщиной 6=2 мм от скорости сварки и мощности лазер­ ного излучения в разных условиях (фокусирующая линза — КС1, фокусное расстояние /=*«*215 мм):

а коэффициент поглощения лазерного излучения значительно растет с ростом температуры.

Высокопроизводительные режимы лазерной сварки с большими скоро­

и рекомендуются к применению.

Оптимальные значения Т)и=0,6-г0,7 при лазерной сварке не уступают со­ ответствующим показателям при дуговой сварке, следовательно, энергетиче­ ская эффективность лазерной сварки не ниже, чем дуговой.

Термический к. п. д.— т)/ — характеризует эффективность использования энергии, введенной в металл при сварке, и определяется отношением теплоты, необходимей для проплавления, ко всей введенной в изделие при сварке. На рис. 6.3 представлены экспериментальные результаты изменения r\t в зависи­ мости от скорости сварки и мощности лазерного излучения. На оптимальных участках при высоких скоростях сварки достигаются весьма высокие значе­ ния (0,4-0,45), близкие к предельному теоретическому уровню 0,484 для случая проплавления тонкой пластины линейным мощным быстродвижущимся источником теплоты.

Особенность лазерной сварки — высокий уровень эффективности расплав­ ления на больших (в диапазоне 20—40 мм/с) скоростях сварки, обеспечи­ вающих высокую производительность. Достигаемые при этом r\t=0,35—0,40 значительно превосходят значения, полученные при дуговой сварке (^0 ,2 ).

€.1.4. Классификация методов лазерной сварки

Методы лазерной сварки можно классифицировать по трем группам призна­ ков (рис. 6.4).

Энергетические признаки. Каждый метод лазерной сварки характеризуется плотностью мощности Е, Вт/см2, т. е. отношением мощности лазерного излу­ чения к площади пятна сфокусированного луча, и длительностью воздей­ ствия излучения т, т. е. экспозицией непрерывного излучения, или длитель­ ностью импульса при импульсном излучении.

Рис. 6.4. Классификация методов лазерной сварки

Лазерную сварку ведут, как правило, при £ = 1 -И 0 МВт/см2. Меньшие плотности мощности не рекомендуются, так как при этом более эффективны

иэкономичны другие методы сварки, например дуговая. При £> 10 МВт/см2 происходит интенсивное испарение металла, которое приводит к его выплеску

инарушению качественного формирования шва. Однако качественное форми­ рование шва определяется не только плотностью мощности лазерного излу­ чения, но и определенным сочетанием ее с длительностью воздействия излу­ чения на материал. Возможны три основных режима с определенным соче­ танием плотности мощности и длительности воздействия.

1.£ = 0,1 -5-1,0 МВт/см2, т> 10—2 с. Режим I обеспечивается лазерами не­ прерывного действия. В этом случае

2. £=1,0—10 МВт/см2, т<10~3 с. Режим II обеспечивается лазерами им­ пульсно-периодического действия. Вследствие высоких £ процесс сварки вы­ сокоэффективен. Частота повторения импульсов излучения — от десятков до нескольких сотен герц. Сочетание указанных значений £ и х позволяет осу­ ществить сварку ряда металлов и сплавов разных толщин при меньших энер­ гетических затратах, чем при использовании непрерывного излучения.

3. £ = 0,1 -М,0 МВт/см2, т= 10~3-М0""2 с. Режим III обеспечивается лазе­ рами импульсно-периодического действия и используется для сварки малых толщин.

Технологические признаки. По этим признакам следует различать сварку металлов с глубоким проплавлением и сварку малых толщин. Лазерная сварка с глубоким проплавлением обеспечивает соединение металлов толщиной >1,0 мм и выполняется лазерами как непрерывного действия, так и импуль­ сно-периодическими.

Лазерную сварку с глубоким проплавлением ведут, как правило, беэ присадочного материала, хотя в отдельных случаях для повышения свойств шва и для улучшения свариваемости в сварочную ванну подают присадочный материал. Использование присадки позволяет осуществить сборку деталей под сварку с менее жесткими требованиями к точности зазора по длине шва,, т. е. с менее жесткими условиями подготовки стыкуемых кромок. В качестве присадки в основном применяется < 1,5-мм проволока. Лазерная еварка с присадкой обеспечивает качественное формирование шва лишь при условии точной подачи проволоки в зону плавления непосредственно под лазерным лучом.

Лазерную сварку с глубоким проплавлением в большинстве случаев ве­ дут в защитной среде для обеспечения эффективного проплавления и высо­ ких свойств сварных соединений.

Лазерную сварку можно выполнять во всех пространственных положе­ ниях.

Скорость импульсно-периодической лазерной сварки с глубоким проплав­ лением примерно в десять раз меньше, чем при непрерывном лазерном излу­ чении. Однако при этом обеспечивается более высокая эффективность про­ плавления по сравнению с непрерывной сваркой.

Малыми при лазерной сварке считают толщины металлов <1,0 мм. Прин­ ципиальным в отличие от сварки с глубоким проплавлением является отсут­ ствие значительного перегрева и интенсивного испарения расплавленного ме­ талла шва.

Сварку малых толщин ведут как непрерывными, так и импульсно-перио­ дическими лазерами. При использовании непрерывного излучения выполня­ ется шовная сварка, а импульсно-периодическое излучение позволяет выпол­ нять как точечную, так и шовную сварку. В последнем случае шов формиру­ ется перекрытием отдельных точек.

В большинстве случаев сварку малых толщин ведут без присадки. Принципиально сварку малых толщин, в особенности при выполнении то­

чечных соединений, можно проводить без защитной среды. На эффективность проплавления в данном случае защитные газы не оказывают существенного влияния. Однако в тех случаях, когда необходимо предохранить швы от окис­ ления, в особенности при сварке титана, молибдена, ниобия, циркония и дру­ гих активных материалов, применяют защитные газы.

Экономические признаки. Методы лазерной сварки характеризуются свое­ образными экономическими признаками, которые необходимо учитывать как при разработке технологического процесса, так и при проектировании сварных соединений.

Одним из важных признаков, определяющих производительность про­ цесса сварки, является скорость. Лазерная сварка непрерывным излучением выполняется с весьма высокими скоростями, позволяющими в 10—15 раз уве­ личить производительность по сравнению с традиционными методами сварки плавлением. Наряду с высокой производительностью лазерная сварка энерге­ тически эффективна, так как благодаря высокой концентрации энергии излу­ чения процесс сварки осуществляется с минимальной погонной энергией, оп­ ределяемой отношением мощности к скорости сварки.

Лазерная сварка на высоких скоростях наряду с повышением произво­ дительности и энергетической эффективности одновременно обеспечивает ми­ нимальные остаточные деформации и снижение склонности к образованию го­ рячих и холодных трещин при сварке целого ряда конструкционных материа­ лов. Однако высокая скорость достигается не во всех случаях лазерной сварки. В частности, лазерная сварка импульсно-периодическим излучением осуществляется на меньших скоростях, сопоставимых с традиционными мето­ дами сварки плавлением.

Одним из важных экономических признаков, свойственных процессу ла­ зерной сварки, является значительная экономия сварочных материалов вслед­ ствие малых объемов расплавленного металла шва. В частности, лазерная сварка металла толщиной 5—20 мм может быть выполнена за один проход без предварительной разделки кромок и без использования присадочной про­ волоки. Для сопоставления отметим, что дуговая сварка металла толщиной порядка 20 мм выполняется как многопроходная с разделкой кромок и с ис­ пользованием присадочного материала.

Высокая концентрация энергии лазерного излучения позволяет осуществ лять сварку сфокусированным лучом с минимальным диаметром пятна 0,1 мм, обеспечивая значительную локальность обработки. Это условие локальности обеспечивает рациональное и экономически целесообразное проектирование сварных деталей и конструкций с учетом возможностей сварки в крайне ог­ раниченной по размерам зоне, а также в труднодоступных местах. В част­ ности, лазерная сварка в электронике благодаря локальности обеспечивает проектирование крайне уплотненных схем, сварных корпусов приборов мини­ мальных размеров и т. д.

Важным обстоятельством, связанным с локальностью процесса лазерной сварки, являются минимальные остаточные деформации. Это дает возмож­ ность проектировать технологию изготовления сварных конструкций без ис пользования дорогостоящих методов последующего уменьшения либо устранения остаточных деформаций. Лазерная сварка — прецизионный процесс соединения деталей, в ряде случаев ее можно рассматривать как финишную операцию.

6.2.Технология лазерной сварки

6.2.1.Применение лазерной сварки

Отработана технология лазерной сварки малых и средних (5— 10 мм) толщин. Однако широкое применение лазерной сварки в ряде случаев сдерживается соображениями экономического характера. Стоимость технологических лазеров пока еще доста­ точно высока, что требует тщательного анализа возможностей применения лазерной сварки. Перспектива для лазерной сварки появляется тогда, когда применение традиционных способов сварки сопряжено с трудностями.

Лазерную сварку следует рекомендовать при необходимости получения прецизионной конструкции, форма и размеры кото­ рой практически не должны изменяться в результате сварки; возможности значительного упрощения технологии изготовле­ ния сварных конструкций за счет выполнения сварки в виде заключительного процесса без последующих операций правки либо механической обработки для достижения требуемой точ­ ности; необходимости существенного увеличения производитель­ ности, так как процесс лазерной сварки может осуществляться на скоростях 100— 2 0 0 м/ч и более, что в несколько раз пре­ вышает скорость наиболее распространенного традиционного способа дуговой сварки; производстве крупногабаритных кон­ струкций малой жесткости с труднодоступными швами. При этом в отличие от электронно-лучевой сварки не требуются ва­ куумные камеры; соединении трудносвариваемых материалов, в том числе разнородных.

Лазерное излучение рекомендуется к использованию для из­ готовления конструкций с учетом технологических особенностей лазерной сварки основных конструкционных материалов [1].

6.2.2. Сварка сталей

Качество и надежность сварных соединений, выполняемых ла­ зерным лучом, в значительной степени определяются точностью сборки элементов под сварку. Необходимая точность сборки до­ стигается подготовкой свариваемых кромок на металлорежущих станках (строганием, фрезерованием, точением).

Поверхность металла в зоне сварки следует очищать от ока­ лины, ржавчины, других загрязнений, а также от влаги. Ука­ занные загрязнения и влага создают условия для образования пористости, оксидных включений, а в некоторых случаях и хо­ лодных трещин в металле шва и зоне термического влияния за счет насыщения водородом.

Зачищать свариваемые поверхности следует щетками из не­ ржавеющей стали на участке не менее 10—15 мм как выше, так

я ниже свариваемых кромок. Зачищаются также торцевые по­ верхности, прилегающие к свариваемым участкам. После за­ чистки место сварки рекомендуется обезжирить.

Сборка под сварку должна обеспечивать возможность тща­ тельной подгонки кромок по всей длине шва с минимальным зазором н перекосом кромок. При толщине свариваемогомате­ риала > 1 ,0 мм зазор не должен превышать 5—7 % толщины (не более 0,2—0,3 мм). Смещение одной кромки относительно другой по высоте не должно превышать 20—25 % от толщины свариваемых деталей (не более 0,5 мм).

При сборке под сварку не рекомендуются прихватки. В слу­ чае необходимости прихватки следует выполнять лучом лазера.

Предпочтительное соединение — стыковое. Нахлесточцые и замковые соединения углеродистых сталей не рекомендуются из-за высокой чувствительности к концентраторам напряжений.

Защ ищать поверхности шва от окисления следует гелием или

специальное сопло. Корень шва с обратной стороны рекоменду­ ется защищать аргоном. В некоторых случаях при сварке низ­ коуглеродистых сталей допускается отсутствие защиты шва.

Характерные режимы непрерывной лазерной сварки некото­ рых сталей обеспечивают сочетание качественного формирова­ ния шва, высокой технологической прочности н высоких меха­ нических свойств сварного соединения (табл. 6.1).

Как следует из табл. 6.1, оптимальные режимы сварки ста­ лей обеспечиваются сравнительно высокими (80— 120 м/ч) ско­ ростями сварки. При этом мощность лазерного излучения мо-

ТАБЛИЦА 6.1

тенентностареющие (08Х15Н5Д2Т)

П р т е ч м а е . Р - и о ц р о сп луча. F — фокусвое p ic c ro tite , AF — заглуб­ лена* фокуса.