eng
* Часть 1 см.: Фотоника, 2008, № 6; Часть 2 см.: Фотоника, 2009, № 3.
В заключительной части обзора особенностей лазерной сварки сталей различных классов обсуждаются результаты металлографических исследований сварных соединений. Предложены рекомендации по выбору технологических параметров сварки: скорости, мощности излучения. Они помогут избежать дефектообразования и улучшить формируемый сварной шов.
В заключительной части обзора особенностей лазерной сварки сталей различных классов обсуждаются результаты металлографических исследований сварных соединений. 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 металле сварного шва (рис.25), а также корневых дефектов при лазерной сварке кроется в большой загрязненности основного металла газами и неметаллическими включениями (рис.26). Этот эффект усиливают затруднение дегазации жидкого металла сварочной ванны, особенно в ее корневой части. При лазерной сварке разложение и удаление неметаллических включений приводит к "очищению" от них металла шва, но часть из них остается в шве в виде пор, не успевших всплыть на поверхность сварочной ванны. В таблице 3 приведены характерные неметаллические включения в основном металле и сварных швах.
Для изучения механизмов образования пор и корневых дефектов изготовили продольные и поперечные образцы и 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.28б). 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, шириной сварного шва. Расплавленный металл в парогазовом канале накапливается на его стенках, почти "схлапывается". Перекрывает путь лазерному пучку, из-за чего возникает "взрывное испарение" и образование пор. На рис.30 показан образец титанового сплава, заваренный на оптимальном режиме, с хорошим формированием и без внутренних дефектов. Корневые дефекты имели место во всех исследуемых сталях (рис.31, 32), полученных разными методами выплавки и прокатки, при обычных режимах сварки, с фокусировкой лазерного пучка "с заглублением" или "на поверхности" образцов, при сварке без сквозного проплавления.
Появление корневых дефектов вызывает угрозу разрушения изделий из высокопрочных, жаростойких и жаропрочных сталей. Эта проблема особенно актуальна для изделий, применяемых в судостроении и авиакосмической промышленности. Корневые дефекты способствуют появлению трещин. При сварке угловых и тавровых соединений (рис.32) жесткие условия кристаллизации, низкая пластичность металла приводят к образованию трещин. Поэтому для получения качественных швов необходимо не только исключить условия образования корневых дефектов. Использование присадочных материалов при лазерно-дуговой сварке повышает пластичные свойства швов. В качестве таких материалов используют, например, аустенитные материалы типа 08Х18Н10Т.
Широко известны технические приемы, разработанные для повышения качества шва. Если сфокусировать пучок "над поверхностью" образца, на расстоянии более 2 мм, то можно получить качественный шов, жертвуя, конечно, глубиной проплавления в 1,5–2 раза. Или, сканируя поверхность лазерным пучком, добиваться выравнивания распределения плотности мощности. Это обеспечивает перемешивание расплавленного металла в сварной ванне и улучшает его дегазацию. Такой прием способствует устранению дефектов особенно в корневой части, а также создает оптимальные условия кристаллизации.
При этом улучшается поверхностное формирование, что позволяет избежать образования подрезов, снижается вероятность образования кристаллизационных трещин. Следует помнить, что зарождению таких трещин (рис.33) способствуют относительно низкие скорости сварки Vсв. То есть правильный 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.
Улучшению условий дегазации корневой части сварочной ванны и снижению пористости швов при сквозном проплавлении способствует обеспечение проходящей мощности излучения на уровне 10–25% от падающей мощности. Ширина обратного валика при этом должна быть не менее 0,5–1,0 мм, и при мощности излучения от 1 до 30 кВт, как правило, составляет 1,0–2,0 мм. Предварительные расчеты показывают, что для волоконных и твердотельных лазеров с диодной накачкой, обладающих высоким качеством луча, указанные параметры могут быть уменьшены в 1,3–2 раза.
Устранению корневых дефектов способствует смещение фокальной точки "над поверхностью" свариваемой детали на 2 мм и более, в зависимости от характеристик фокусирующей системы.
При сварке кольцевых швов необходимо плавное увеличение мощности излучения до его нужного значения в начале сварки, с одновременным перемещением фокальной точки к поверхности изделия, а при замыкании шва – обратные действия: плавное снижение уровня мощности до нуля и перемещение фокальной точки от поверхности изделия – "над поверхностью" до 6 мм и более. Уменьшению корневых дефектов при замыкании кольцевого шва способствует применение сканирования лазерного пучка.
Для устранения дефектов типа несплавлений необходимо обеспечивать высокие точность сборки соединения и перемещения изделия, лазерной головки в процессе сварки (с системой слежения за стыком). Суммарная их погрешность должна составлять не более 0,1–0,3 мм на длине 12 м при мощности излучения от 1 до 30 кВт. Снижению требований способствует увеличение проходной мощности или увеличение фокальной точки и, соответственно, увеличение ширины 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 повышению качества их внешнего вида способствует увеличение скорости сварки, как правило, более 30–50 м/ч, и качественная защита сварного шва с обеих сторон сварочной ванны. Гелиево-аргоновая смесь является наиболее предпочтительной как с технологической, так и с экономической точек зрения. При этом, с повышением мощности лазерного излучения, доля аргона в смеси уменьшается, а гелия увеличивается. Для защиты обратной стороны шва лучше вместо гелия использовать аргон.
И хотя наиболее универсальной защитной средой при сварке является гелий и смеси на его основе, но для повышения экономичности процесса можно использовать двуокись углерода и азот. Такие рекомендации полезны при мощности излучения до 7–8 кВт и, соответственно, для сварки углеродистых и коррозионно-стойких сталей. При мощности лазерного излучения до 1–3 кВт хорошее качество шва обеспечивает аргон.
Требования к фокусировке излучения должны определяться индивидуально в каждом конкретном случае, но, как правило, для получения максимальной глубины проплавления фокальную точку целесообразно располагать на поверхности свариваемого образца или чуть (на 0,5–1,0 мм) заглубляя ее "под поверхность".
Эффективным способом снижения дефектов при лазерной сварке является применение сканирования лазерного пучка с частотами до 800 Гц. Сканирование позволяет улучшать дегазацию в сварном шве, особенно в корневой его части и, соответственно, снижать или полностью устранять пористость. Сканирование обеспечивает более равномерное распределение плотности мощности в пятне фокусировки, что способствует устранению корневых дефектов, а также позволяет изменять форму сварных швов, получать более однородную структуру шва, выравнивать процесс и регулировать скорости кристаллизации по глубине и ширине сварного шва, что, соответственно, снижает вероятность образования трещин, пор и подрезов.
Приведенные выше рекомендации и материалы данной работы позволяют получать сварные соединения высокого качества, обеспечивать прочностные и пластические свойства сварных соединений на уровне свойств основного металла, отвечающие требованиям нормативных документов, и превосходящие, как правило, результаты аналогичных испытаний сварных соединений для традиционных способов сварки.
Лазерная сварка наиболее целесообразна при решении особых технологических задач, когда сварка традиционными методами невозможна или нецелесообразна (например, при сварке ячеистых конструкций или выполнении проплавных соединений), и экономически наиболее эффективна в массовом и крупносерийном производстве.
Желательно обеспечивать загрузку лазерного технологического оборудования однотипными изделиями и сварными конструкциями в 2–3 смены. При этом вспомогательные операции по загрузке заготовок и выгрузке металлоконструкций должны быть максимально механизированы или автоматизированы, 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 волоконными –
и 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 проплавлением 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.
Для изучения механизмов образования пор и корневых дефектов изготовили продольные и поперечные образцы и 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.28б). 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, шириной сварного шва. Расплавленный металл в парогазовом канале накапливается на его стенках, почти "схлапывается". Перекрывает путь лазерному пучку, из-за чего возникает "взрывное испарение" и образование пор. На рис.30 показан образец титанового сплава, заваренный на оптимальном режиме, с хорошим формированием и без внутренних дефектов. Корневые дефекты имели место во всех исследуемых сталях (рис.31, 32), полученных разными методами выплавки и прокатки, при обычных режимах сварки, с фокусировкой лазерного пучка "с заглублением" или "на поверхности" образцов, при сварке без сквозного проплавления.
Появление корневых дефектов вызывает угрозу разрушения изделий из высокопрочных, жаростойких и жаропрочных сталей. Эта проблема особенно актуальна для изделий, применяемых в судостроении и авиакосмической промышленности. Корневые дефекты способствуют появлению трещин. При сварке угловых и тавровых соединений (рис.32) жесткие условия кристаллизации, низкая пластичность металла приводят к образованию трещин. Поэтому для получения качественных швов необходимо не только исключить условия образования корневых дефектов. Использование присадочных материалов при лазерно-дуговой сварке повышает пластичные свойства швов. В качестве таких материалов используют, например, аустенитные материалы типа 08Х18Н10Т.
Широко известны технические приемы, разработанные для повышения качества шва. Если сфокусировать пучок "над поверхностью" образца, на расстоянии более 2 мм, то можно получить качественный шов, жертвуя, конечно, глубиной проплавления в 1,5–2 раза. Или, сканируя поверхность лазерным пучком, добиваться выравнивания распределения плотности мощности. Это обеспечивает перемешивание расплавленного металла в сварной ванне и улучшает его дегазацию. Такой прием способствует устранению дефектов особенно в корневой части, а также создает оптимальные условия кристаллизации.
При этом улучшается поверхностное формирование, что позволяет избежать образования подрезов, снижается вероятность образования кристаллизационных трещин. Следует помнить, что зарождению таких трещин (рис.33) способствуют относительно низкие скорости сварки Vсв. То есть правильный 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.
Улучшению условий дегазации корневой части сварочной ванны и снижению пористости швов при сквозном проплавлении способствует обеспечение проходящей мощности излучения на уровне 10–25% от падающей мощности. Ширина обратного валика при этом должна быть не менее 0,5–1,0 мм, и при мощности излучения от 1 до 30 кВт, как правило, составляет 1,0–2,0 мм. Предварительные расчеты показывают, что для волоконных и твердотельных лазеров с диодной накачкой, обладающих высоким качеством луча, указанные параметры могут быть уменьшены в 1,3–2 раза.
Устранению корневых дефектов способствует смещение фокальной точки "над поверхностью" свариваемой детали на 2 мм и более, в зависимости от характеристик фокусирующей системы.
При сварке кольцевых швов необходимо плавное увеличение мощности излучения до его нужного значения в начале сварки, с одновременным перемещением фокальной точки к поверхности изделия, а при замыкании шва – обратные действия: плавное снижение уровня мощности до нуля и перемещение фокальной точки от поверхности изделия – "над поверхностью" до 6 мм и более. Уменьшению корневых дефектов при замыкании кольцевого шва способствует применение сканирования лазерного пучка.
Для устранения дефектов типа несплавлений необходимо обеспечивать высокие точность сборки соединения и перемещения изделия, лазерной головки в процессе сварки (с системой слежения за стыком). Суммарная их погрешность должна составлять не более 0,1–0,3 мм на длине 12 м при мощности излучения от 1 до 30 кВт. Снижению требований способствует увеличение проходной мощности или увеличение фокальной точки и, соответственно, увеличение ширины 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 повышению качества их внешнего вида способствует увеличение скорости сварки, как правило, более 30–50 м/ч, и качественная защита сварного шва с обеих сторон сварочной ванны. Гелиево-аргоновая смесь является наиболее предпочтительной как с технологической, так и с экономической точек зрения. При этом, с повышением мощности лазерного излучения, доля аргона в смеси уменьшается, а гелия увеличивается. Для защиты обратной стороны шва лучше вместо гелия использовать аргон.
И хотя наиболее универсальной защитной средой при сварке является гелий и смеси на его основе, но для повышения экономичности процесса можно использовать двуокись углерода и азот. Такие рекомендации полезны при мощности излучения до 7–8 кВт и, соответственно, для сварки углеродистых и коррозионно-стойких сталей. При мощности лазерного излучения до 1–3 кВт хорошее качество шва обеспечивает аргон.
Требования к фокусировке излучения должны определяться индивидуально в каждом конкретном случае, но, как правило, для получения максимальной глубины проплавления фокальную точку целесообразно располагать на поверхности свариваемого образца или чуть (на 0,5–1,0 мм) заглубляя ее "под поверхность".
Эффективным способом снижения дефектов при лазерной сварке является применение сканирования лазерного пучка с частотами до 800 Гц. Сканирование позволяет улучшать дегазацию в сварном шве, особенно в корневой его части и, соответственно, снижать или полностью устранять пористость. Сканирование обеспечивает более равномерное распределение плотности мощности в пятне фокусировки, что способствует устранению корневых дефектов, а также позволяет изменять форму сварных швов, получать более однородную структуру шва, выравнивать процесс и регулировать скорости кристаллизации по глубине и ширине сварного шва, что, соответственно, снижает вероятность образования трещин, пор и подрезов.
Приведенные выше рекомендации и материалы данной работы позволяют получать сварные соединения высокого качества, обеспечивать прочностные и пластические свойства сварных соединений на уровне свойств основного металла, отвечающие требованиям нормативных документов, и превосходящие, как правило, результаты аналогичных испытаний сварных соединений для традиционных способов сварки.
Лазерная сварка наиболее целесообразна при решении особых технологических задач, когда сварка традиционными методами невозможна или нецелесообразна (например, при сварке ячеистых конструкций или выполнении проплавных соединений), и экономически наиболее эффективна в массовом и крупносерийном производстве.
Желательно обеспечивать загрузку лазерного технологического оборудования однотипными изделиями и сварными конструкциями в 2–3 смены. При этом вспомогательные операции по загрузке заготовок и выгрузке металлоконструкций должны быть максимально механизированы или автоматизированы, 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 волоконными –
и 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 проплавлением 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.
Отзывы читателей
