Сварка и свариваемые материалы. Том 2. Технология и оборудование

жет быть ориентировочно подобрана из условия 1 кВт на 1 мм толщины свариваемой детали.

Представленные в табл. 6.1 режимы даны для стыковых сварных соединений, но в первом приближении их можно ис­ пользовать и для угловых, тавровых, прорезных и других видов соединений.

6.2.3■ Сварка алюминиевых и магниевых сплавов

Сварка алюминиевых и магниевых сплавов характеризуется ря­ дом особенностей, связанных с взаимодействием расплавленного

металла с газами окружающей среды, испарением легирующих элементов, образованием оксидной пленки на поверхности

ванны, затрудняющей качественное проведение сварочного про­ цесса. Основные трудности сварки алюминия и его сплавов

в большинстве своем устраняются применением концентриро­

ванных источников энергии, к которым относятся лазерный и электронный луч.

Под лазерную сварку соединяемые поверхности подготавли­ вают также тщательно, как и под дуговую, включая механиче­ скую обработку, травление с последующим осветлением, про­ мывку в горячей воде и зачистку шабером непосредственно пе­ ред сваркой.

Лазерную сварку осуществляют в среде защитных газов. Обычно рекомендуется использовать гелий для защиты верх­

ней части сварочной ванны, а для корневой части шва моэцет быть использован аргон. Расход гелия должен быть не менее 7—8 л/мин, а аргона 5— 6 л/мин.

При лазерной сварке алюминиевых, сплавов (табл. 6.2) на­ блюдается характерная особенность расплавления металла лишь при определенном уровне мощности и плотности мощно­

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА (ЧИСЛИТЕЛЬ) И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ (ЗНАМЕНАТЕЛЬ)

ИЗ СПЛАВА АМгб

сти. Например, для сплава АМгб пороговая мощность излуче­ ния СО2 составляет 2—2 ,2 кВт. При этом сразу достигается глу­ бина проплавления 1,5—2,0 мм, а при меньших значениях мощ­ ности проплавление полностью отсутствует. Это обстоятельство связано с высоким коэффициентом отражения алюминиевой по­ верхностью и последующим резким снижением отражения после начала плавления.

Прочность сварных соединений толщиной 2,0 и 3,0 мм со­ ставляет не менее 0,9 от прочности основного металла при сварке без присадочной проволоки (табл. 6.3). Разрушаются соединения преимущественно по шву.

Сварные швы магниевых сплавов, выполненные лучом ла­ зера, хорошо формируются, не образуя провисания при сварке

на весу. Это позволяет в отличие от дуговой сварки осуще­ ствлять лазерную сварку без применения подкладок, что суще­ ственно упрощает технологию изготовления, особенно крупнога баритных конструкций.

Механические свойства сварных соединений, выполненных лазерным излучением с оптимальными параметрами режимов

(табл. 6.4) находятся на уровне соответствующих свойств основ­ ного металла.

6.2-4. Сварка титановых сплавов

Основными трудностями сварки титановых сплавов являются высокая химическая активность металла при повышенных тем­ пературах и особенно в расплавленном состоянии, склонность к росту зерна при нагреве до 330—350 °С и выше, а также по­ вышенная склонность к образованию холодных трещин при повышении содержания в шве и околошовной зоне примесей газов, в особенности водорода. Перечисленные трудности устра­ няются при сварке с минимальными значениями погонной энер­ гии, обеспечиваемыми такими высококонцентрированными ис­ точниками энергии, как лазерный и электронный лучи.

Необходима тщательная подготовка кромок под сварку, включая механическую обработку или дробеструйную, песко­ струйную с последующим химическим травлением, осветлением и промывкой.

Существенно влияет на свойства сварных соединений каче­ ство защиты поверхности, корня шва, остывающих участков шва и околошовной зоны до 400—500 °С. Для защиты поверхности

шва и плазмоподавления в зоне лазерного воздействия исполь­ зуется гелий высокой чистоты с ориентировочным расходом 10—12 л/мин. Для защиты остывающей поверхности шва и корня можно применять аргон повышенной чистоты с ориенти­ ровочным расходом для корня шва 4—5 л/мин и для поверхно­ сти шва 15—18 л/мин.

Режимы лазерной сварки выбираются из условий обеспече­ ния качественного формирования, необходимой геометрии шва,

предотвращения образования холодных трещин и создания наи­ более благоприятных структур в шве и околошовной зоне

(табл. 6.5).

Повышенные механические свойства сварных соединений, вы­ полненных лазерной сваркой (табл. 6 .6 ), связаны с высокой

скоростью процесса и соответственно с высокими скоростями охлаждения металла шва и околошовной зоны, составляющими

25°С/с при дуговой сварке. Это приводит к повышению дисперс­ ности металла шва в три-четыре раза, а также значительному

измельчению зерна в околошовной зоне.

6.3. Оборудование для лазерной сварки

Оборудование для лазерной сварки состоит из источника коге­ рентного излучения — технологического лазера, системы транс­ портировки и фокусировки излучения, системы газовой защиты изделия, системы относительного перемещения луча и изделия. Технологические лазеры можно разбить на две основные группы: твердотельные и газовые. Лазер состоит из излуча­ теля и источника питания.

6.3.1.Твердотельные лазеры

Визлучателях твердотельных лазеров в качестве рабочего тела используются активные элементы из рубина, стекла с присад­

кой ионов неодима, алюмоиттриевого граната (АИГ) с неоди-

Т А Б Л И Ц А е.7

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ

П р и м е ч а н и е . А — энергия в импульсном режиме, dn — диаметр пучка, а — расходимость.

мом. «Накачку» (возбуждение активного элемента) осуществ­ ляют световым потоком (от мощных дуговых криптоновых

ламп). Длина волны излучения в зависимости от материала ра­ бочего тела 0,37—1,064 мкм. Электрический к. п. д. 1—3 %. Ос­ новные функциональные узлы излучателя (рис. 6.5): «рабочее тело», система «накачки», включающая электрические лампы и отражатель, концентрирующий световую энергию на рабочем теле, система охлаждения, резонатор. Лазеры работают в не­ прерывном и импульсном режимах. Последний реализуется либо модуляцией добротности при непрерывной «накачке», либо импульсной «накачкой». Технические характеристики некоторых твердотельных технологических лазеров приведены в табл. 6.7.

электрическим разрядом. Два последних газа обеспечивают пе­ редачу энергии возбуждения молекуле С 02 и благоприятные условия горения разряда. Длина волны излучения 10,6 мкм. Электрооптический к. п. д. 5—15 %. Основные функциональные узлы лазера (рис. 6.6): вакуумплотный замкнутый контур, вну­ три которого смонтировано устройство для прокачки рабочей смеси газов, являющаяся частью контура электроразрядная камера, резонатор; вакуумный насос для откачки контура; си­ стема охлаждения рабочей смеси и оптических систем; источник питания; система управления; системы коммутации и измерения лазерного излучения. По способу охлаждения рабочей смеси — диффузное (медленная прокачка) и конвективное (быстрая

прокачка) — лазеры делятся на две группы. Первая из них при­ меняется в трубчатых однолучевых лазерах со сравнительно малой мощностью и в многолучевых лазерах, например типа МТЛ-2 и «ИГЛАН» (ЛН-2,5 НМ). Вторая — со скоростью про­ качки газа до 100 м/с — в лазерах мощностью ^ 1 кВт. По на­

правлению газового потока относительно электродов газораз­ рядной камеры и зеркал резонатора последняя группа делится на лазеры с продольной прокачкой: ИЛГН-707, VFA-500-5000; RS-1200-5000 (трубчатые лазеры) и поперечной прокачкой: мо­ дели 971, 973, 820, ЛГТ-2.01, ЛГТ-2.02, Плутон-1 (ЛН-1.2НО), ТЛ-1,5, ТЛ-5М и т. п. Возбуждение (накачка) рабочего газа

осуществляется: разрядом постоянного тока (лазеры ЛН-1.2НО, ТЛ-5М, модели 973, RS-1000 и др.); высокочастотным разрядом

Мощные электроионизационные лазеры с предыонизацией пуч­ ком электронов, созданные в СССР и за рубежом, к настоя­ щему времени широкого применения не получили.

чивают качество излучения с расходимостью 5—1 мрад. В ус­ тойчивых резонаторах выходное зеркало, как правило, изготов­ ляют из селенида цинка. Качество материала и обработки этого элемента в значительной мере определяет качество излучения лазера. Глухое и промежуточные зеркала устойчивых резона­ торов, а также выходное зеркало неустойчивых резонаторов из­ готовляют из меди, кремния и других материалов с покры­ тиями, обеспечивающими коэффициент отражения 98—99,6 % для длины волны 10,6 мкм.

Охлаждение оптики и юстировочных узлов резонатора осу­ ществляется обычно термостабилизированной двухконтурной во­ дяной системой, а охлаждение рабочего газа теплообменником газ — вода с развитой рабочей поверхностью.

Система управления лазеров обеспечивает заданный цикл работы, необходимые блокировки, стабилизацию основных па­ раметров и выполнена на лазерах ЛГТ-2.01, RS-1000, моделях

971 и 973 в виде релейной схемы и отдельных электронных бло­ ков. Управление лазерами ЛГТ-2.02, ТЛ-1,5, VFA и модели 825 осуществляется микроЭВМ. Коммутация лазерного излучения

осуществляется либо внешним поглотителем, являющимся од­ новременно калориметрическим индикатором мощности излу­ чения с постоянной времени от 5 до 30 с, либо коммутацией электрического разряда в камере. Для индикации мощности в процессе сварки или резки используется ответвитель в виде вращающегося пропеллера, направляющего 1—3 % мощности на болометрический или другой датчик. В случае, если глухое зеркало резонатор'а пропускает часть излучения, датчик уста­ навливается непосредственно за ним. Постоянная времени дат­ чиков 100—1 мс.

Основные технические характеристики отечественных СО2- лазеров приведены в табл. 6.8, а зарубежных— в табл. 6.9. Ла­ зеры с расходимостью 1—2 мрад рекомендуется использовать

6.3.3- Система транспортировки и фокусировки излучения

Система транспортировки и фокусировки излучения СТФЛ со­ стоит из защитных лучепроводов, отклоняющего зеркала и фо­ кусирующего устройства. Отклоняющее зеркало изменяет ход луча и направляет его в зону обработки. Для маломощных твердотельных лазеров с длиной волны излучения 1,06 мкм с этой целью используются призмы полного внутреннего отра­ жения и интерференционные зеркала с многослойным диэлек­ трическим покрытием. Для С 02-лазеров применяют медные зер­ кала, для мощных лазеров — зеркала с водяным охлаждением.

фокусирующее устройство — тубус, установленный с воз­ можностью перемещения относительно поверхности обрабаты­ ваемого изделия, в котором закреплена линза из оптического стекла — для твердотельных лазеров, из хлорида калия или селенида цинка с интерференционным просветляющим покры­ тием— для СОг-лазеров. Защита линз (кроме стеклянных) от продуктов, выделяющихся при обработке изделия, осуществля­ ется шторкой, образуемой продуваемым очищенным и осушен­ ным воздухом. Для получения высоких плотностей мощности (5 МВт/см2), обеспечивающих «кинжальное» проплавление при сварке, фокусное расстояние линз не должно превышать 10— 15 см. Уменьшение фокусного расстояния также нежелательно из-за трудности защиты линз от продуктов деструкции и увели­ чения сферической аберрации. Применяются, кроме того, фоку­ сирующие устройства с отражательной оптикой в виде одного фокусирующего зеркала или разных вариантов объектива Кас­ сегрена.

6.3.4. Система газовой защиты

Система предназначена для предотвращения окисления ме­ талла сварного шва, в том числе его корня, и включает сопла разнообразной конструкции. Конструкция сопел, кроме того, должна обеспечивать сдув паров и брызг, образующихся при сварке, в сторону от оси лазерного луча. В зависимости от хи­ мической активности свариваемых металлов, мощности излуче­ ния лазера и требующейся глубины проплавления используется конкретная конструкция сопла и подбирается состав подавае­ мого в зону обработки газа.

6.3.5. Система относительного перемещения луча и изделия

Относительное перемещение луча и изделия реализуется обычно за счет движения детали, осуществляемого манипулятором с ЧПУ с разным числом степеней свободы в зависимости от тре­ бующейся сложности обработки. Скорость перемещения 40—

400 м/ч. В случае обработки массивных и крупногабаритных изделий рационально перемещать луч с помощью подвижных зеркал. Наибольший интерес представляет система с рабочим инструментом, закрепленным в руке антропоморфного робота. Излучение от лазера к инструменту передается через зеркала, установленные.в шарнирных узлах робота.

Г л а в а 7 О Б О Р У Д О В А Н И Е Д Л Я Д У Г О В О Й С В А РК И

7.1.Источники сварочного тока

7.1.1.Общие сведения

Принцип устройства. На рис. 7.1 представлены структурные схемы статиче­

ских источников сварочного тока. Основным узлом традиционных источников переменного тока (рис. 7.1, а) является специальный, как правило, однофаз­ ный сварочный трансформатор Т. По этому основному узлу источники пере­ менного тока часто называют просто сварочными трансформаторами.

Традиционные источники постоянного тока (рис. 7.1,6) на базе трансфор­ матора Т и полупроводникового выпрямителя В получили названия сварочных выпрямителей. В источниках по схемам рис. 7.1, а, б трансформатор работает при сетевой частоте 50 Гц.

Широкое распространение получили также инверторные источники тока (рис. 7.1, в). В таких источниках сетевое напряжение выпрямляют (51), ин­ вертируют (И 1) в напряжении повышенной частоты, трансформируют, по­ вторно выпрямляют (52), а в источниках переменного тока снова инверти­ руют (И 1) в напряжение прямоугольной формы заданной низкой частоты (30—300 Гц).

Промежуточное положение занимают источники (рис. 7.1, г), в состав которых входит простейший 50-Гц сварочный выпрямитель (Т , В ); регули­ ровка тока — полупроводниковым ключевым регулятором (Я), работающим на повышенной частоте.

В состав оборудования для сварки вольфрамовым электродом в среде

электродом в среде активных и инертных газов.

Ручная и автоматическая сварка вольфрамовым электродом легированных сталей, меди и титана в среде инертных газов