eng
Выпуск #4/2013
Г.Белерини, Ф.Брианд, Ф.Лефебр, K.Чоуф, М.Степанова
Сварка твердотельными и СО2-лазерами листовой оцинкованной стали и нестандартных заготовок в среде аргона и в смесях на его основе
Сварка твердотельными и СО2-лазерами листовой оцинкованной стали и нестандартных заготовок в среде аргона и в смесях на его основе
Просмотры: 6716
Газ в операциях обработки играет роль защиты поверхности от нежелательного загрязнения и шва от окисления. Статья описывает преимущества использования аргона как защитного газа, способного обеспечить высокие контролируемые динамические параметры сварочного процесса для сварки СО2- и твердотельными лазерами.
Традиционно при сварке мощными СО2-лазерами (мощностью более 4 кВт) используют гелий и смеси на его основе с целью подавления плазмы оптического пробоя защитного газа, создаваемого 10-мкм излучением. При сварке излучением твердотельного лазера с длиной волны 1,06 мкм оптического пробоя газа при рабочей интенсивности лазера не происходит. В этом случае, как правило, используются аргон, смеси на базе аргона или иные газы в зависимости от природы свариваемого материала.
Лазерная сварка сегодня
Режим сварки с глубоким проплавлением осуществляется при плотности мощности лазерного излучения выше 1 МВт/см2. Лазерное излучение поглощается поверхностью металла, что приводит к его нагреву, плавлению и испарению. Избыточное давление паров выдавливает расплав, в результате образуется узкий и глубокий канал (капилляр) в ванне расплава. Этот канал, частично заполненный ионизованной смесью паров металла и защитного газа, поглощает некоторую долю лазерного излучения. Доля излучения, не поглощенная в плазме, доходит до металла, частично отражается и уже затем поглощается на стенках канала, приводя к разогреву, плавлению и частичному испарению металла. Сварка лазерным излучением происходит в результате перемещения лазерного излучения вдоль шва и, как следствие, перемещения ванны расплава и парогазового канала. Существуют две рабочие модели, описывающие поведение этого канала – стационарная [1, 2, 3] и нестационарная [4]. В рамках первой модели парогазовый канал описывается как вертикальный жесткий цилиндр, перемещающийся в направлении сварки. Он имеет стабильную форму, а его равновесие описывается как результат действия всех сил, воздействующих на расплав. В нестационарной модели парогазовый канал не имеет определенной формы, его форма непрерывно изменяется в результате непрерывно происходящих нестационарных элементарных процессов локального поглощения и отражения лазерного излучения, плавления и испарения металла на стенках канала.
Чистый гелий, как правило, используется в процессе сварки СО2-лазером с мощностью выше 4 кВт для предотвращения образования плазмы пробоя в защитном газе. Такая плазма сильно поглощает падающее лазерное излучение, приводя к значительным потерям. Основной механизм поддержания плазменного факела – обратное тормозное поглощение. Такое образование плазмы в газе называется оптическим пробоем газа, инициируется лазерным излучением при условии, что плотность его мощности равна или превышает порог пробоя для данного газа. Плазменный факел распространяется в той области, куда попадает лазерное излучение, т.е. внутри зоны пространства, занятого лазерным пучком. Поскольку сфокусированный пучок излучения лазера – сходящийся, то по мере удаления от поверхности металла интенсивность излучения снижается, плотность плазмы и поглощение ею излучения также падает. При этом повышается доля излучения, достигающая поверхности металла [5]. Это приводит к более сильному его испарению и ионизации паров. Схематически эти процессы показаны на рис.1. Таким образом, может начаться "колебательный" процесс. Для его предотвращения требуется повысить порог оптического пробоя защитного газа [6]. В наших предыдущих работах мы продемонстрировали практическую возможность использования смеси Ar/He или смеси LASALMIX He/N2 для сварки излучением СО2-лазера без потери качества шва по сравнению со сваркой в чистом гелии.
В случае сварки твердотельными лазерами с длиной волны излучения 1 мкм процесс взаимодействия лазерного излучения с материалом принципиально отличается от взаимодействия с излучением длиной волны, равной 10 мкм. Это связано с тем, что при рабочей интенсивности, при которой ведется сварка, оптического пробоя газа не происходит и, следовательно, в газе нет поглощения излучения. В этом случае защитный газ служит лишь для предотвращения попадания воздуха в зону сварки. При сварке лазерами высокой мощности и яркости (например, Yb:YAG-лазерами мощностью 10 кВт) интерпретация роли защитного газа неоднозначна. Некоторые авторы [7, 8] предлагают в таких случаях использовать защитный газ для повышения эффективности взаимодействия лазерного излучения с металлом. Другие же [9] – утверждают, что простое сдувание факела паров, вылетающих из парогазового канала, уже достаточно для получения качественного шва и высокой скорости сварки. Однако не стоит забывать, что шов хорошего качества довольно сложно получить при сварке металлов с высокой вязкостью расплава и оцинкованных сталей. В данной работе мы покажем, каким образом можно варить с высоким качеством оцинкованную сталь в атмосфере 100% Ar без использования сложных прижимов.
Сварка СО2-лазером в защитной атмосфере гелия и смеси LASERMIX Ar/He
Гелий обладает самым высоким потенциалом ионизации (24,5 эВ). Благодаря этому для него порог оптического пробоя 10 мкм излучением СО2-лазера достаточно высок, и для сварки этим лазером он рассматривается как основной защитный газ [10, 11]. Аргон и азот также можно использовать, но порог пробоя этих газов гораздо ниже, что ограничивает их применение в диапазоне сравнительно низких значений плотности мощности лазерного излучения. В табл.1 приведены значения потенциалов ионизации основных защитных газов.
Благодаря высокому потенциалу ионизации гелий может быть использован для лазеров любой мощности. Поскольку он инертен и не участвует в металлургических процессах при сварке, он является универсальным защитным газом. Потенциал ионизации аргона (15,7 эВ) ниже, чем у гелия (24,5 эВ). Аргон, как правило, применяется для сварки излучением СО2-лазера мощностью до 3 кВт. Как и гелий, аргон химически инертен и не оказывает влияния на шов. Поскольку цена аргона ниже, его можно с успехом использовать вместо гелия. Потенциал ионизации атомарного азота (15,5 эВ) близок к потенциалу ионизации аргона, однако процессы плазмообразования в азоте более сложные, чем в аргоне. Это связано с тем, что ионы атомарного азота образуются после диссоциации двухатомной молекулы N2. Энергия тройной связи в молекуле азота 9 эВ [12], прямая ионизация молекулы с образованием положительных ионов N2+ возможна, но такие ионы нестабильны. Таким образом, азот возможно использовать при мощности лазера до 5 кВт без заметного поглощения лазерного излучения в азотной плазме. Однако, поскольку азот вступает в химические реакции с рядом металлов, в качестве защитного газа его стараются не использовать.
В качестве защитной среды при лазерной сварке возможно использовать смесь аргона и гелия Ar/He LASALMIX. Ключом для определения допустимой доли аргона в смеси, достаточной, чтобы избежать оптического пробоя в защитном газе, является величина интенсивности лазерного излучения непосредственно над облаком плазмы пробоя металлических паров. Чем выше интенсивность излучения над облаком паров металла, тем выше риск пробоя защитного газа. При использовании короткофокусных линз интенсивность излучения падает быстрее по мере удаления от поверхности металла, чем при использовании длиннофокусных линз. Параметры фокусировки приведены в табл.2.
На производстве для оперативной работы удобнее иметь дело с фокусным расстоянием линзы как с инструментом определения параметров процесса и смеси, а не с интенсивностью лазерного излучения. Поэтому мы предлагаем следующий вариант представления полученных результатов и соответствия с составом смеси: для СО2-лазера мощностью 12 кВт и диаметром пятна на линзе 25 мм, предлагаются следующие составы смеси:
40% Ar – 60% He, F = 250 мм,
65% Ar – 35% He, F = 200 мм,
75% Ar – 25% He, F = 150 мм.
Очевидно, что смесь 70% He – 30% Ar является универсальной для широкого диапазона конфигураций фокусировки. Тем не менее, в каждом конкретном случае следует проводить тесты для оценки ее применимости.
Сварка излучением СО2-лазера в среде аргона (100%) с помощью сопла LASAL
Для сварки СО2-лазерами очень широко применяются как гелий, так и смеси на основе гелия, например смесь LASALMIX. Мы предлагаем пойти дальше и заменить гелий стопроцентным аргоном. В основе предлагаемой методики лежит остановка распространения плазмы пробоя газа за счет сдувания ионизированного газа из области пространства, занятой лазерным излучением выше облака паров металла (рис.3). Эта струя газа сокращает время взаимодействия лазерного излучения с молекулами газа, предотвращая тем самым развитие пробоя.
Мы разработали сопло, предназначенное для сварки СО2-лазером мощностью до 12 кВт, получившее название LASAL Jet Nozzle. Его конструкция состоит из газодинамического сопла и системы слежения (рис.4). Сопло устанавливается по трем координатам X, Y, Z, а система слежения позволяет сделать это в течение нескольких секунд. Такое оборудование совместимо практически со всеми промышленными фокусирующими головами с фокусным расстоянием 200–300 мм. Имеется два сопловых отверстия для создания двух потоков газа: для сдувания плазмы и для защиты шва от влияния окружающей атмосферы. Оборудование запатентовано компанией Air Liquide. Сопло LASAL (рис.5) позволяет вести сварку в среде 100% аргона без пробоя в аргоне для большого количества промышленных задач, таких как сварка нестандартных заготовок, плоских листов, труб и т.д. Для сравнения мы привели шлифы швов, полученные при сварке в защитной атмосфере гелия (рис.6а) и в 100% аргоне (рис.6б) с использованием сопла LASAL. В обоих случаях валики швов имеют схожую форму, без дефектов и пор.
Сварка СО2-лазером: применение 100% аргона для сварки заготовок
Мы провели испытания нашего оборудования на примере сварки нестандартных заготовок. Рабочие параметры:
СО2-лазер мощностью 8 кВт, фокусное расстояние линзы 200 мм,
сопло LASAL, расход аргона 30 л/мин,
сварка трех конфигураций оцинкованных пластин: 1,02 мм/1,76 мм; 2,47 мм/2,47 мм; 1,02 мм/1,02 мм.
Макрофотографии шлифов швов показаны на рис.7 и 8. Визуальный анализ поверхности образцов, макрофотографии, рентгеновский анализ и тесты Эриксена и Ольсена (рис.9) по оценке штампуемости и пластичности тонколистовых материалов показывают хорошее качество швов. Для критериев Эриксена и Ольсена мы принимали предел пластичности перед растрескиванием 75%. Валики швов не имеют дефектов и обладают хорошими механическими показателями. При этом метр сварного шва оказывается дешевле, чем при сварке в гелии. Также наблюдается снижение количества материала, напыленного из паров вокруг шва на поверхность свариваемых деталей (рис.10). Предположительно пары материала просто сдуваются струей аргона.
Сварка Nd:YAG-лазером.
Применение аргона для стабилизации парогазового канала
Как мы говорили в начале статьи, парогазовый канал нестабилен [14, 15, 16] и его форма определяется динамическим равновесием между давлением паров и другими силами, действующими на расплав, движущийся по каналу [17, 18]. Было показано, что именно процессы взаимодействия между парами металла с задней стенкой парогазового канала отвечают за возникновение таких гидродинамических неустойчивостей, как возникновение волн расплава, разбрызгивание и других. Струя защитного аргона [19] может способствовать стабилизации расплава при сварке, тем самым сокращая дефекты шва [20]. На самом деле направленная струя аргона способствует увеличению давления газа в канале сварки, и в результате отверстие оказывается достаточно большим, чтобы не допустить нежелательное закрытие канала. Направленность, размеры и расход аргона в струе являются критическими параметрами. Газовая струя должна быть ламинарной, достаточно быстрой с сечением, максимально близким к размеру валика шва. Струя должна быть направлена внутрь канала (рис.11), при этом наилучшие результаты достигаются при попадании струи защитного газа на заднюю стенку газового канала. Расход газа должен быть оптимальным. Если он слишком велик, расплав слишком далеко выталкивается и преждевременно застывает, образуя наплывы и бугры. Если расход газа низкий, парогазовый канал не образуется, и ситуация оказывается сходной по конфигурации со стандартной лазерной сваркой.
Мы разработали конструкцию сопла с системой позиционирования, позволяющей установить сопло в положение, оптимальное для стабилизации процессов в парогазовом канале. Сопло названо LASAL Keyhole Stabilization (рис.12). Положение сопла может варьироваться в диапазоне 5 мм в трех направлениях. Установка сопла занимает несколько секунд. Сопло создает три потока газа. Центральный сориентирован таким образом, чтобы попадать внутрь парогазового канала, два других потока оказывают двойное действие – стабилизируют процессы на задней стенке канала и защищают расплав от влияния окружающей атмосферы и окисления. Конструкция сопла запатентована Эр Ликид. Для Nd:YAG-лазеров с диаметром пятна 600 мкм и размером канала 600 мкм – 1 мм, поток защитного газа, создаваемый соплом, увеличивает диаметр канала до 3 мм (рис.13).
Сварка YAG-лазером:
использование аргона для сварки листов оцинкованной стали внахлест
Лазерная сварка листовой оцинкованной стали внахлест без зазора между листами проходит с определенными проблемами, связанными с испарением цинкового покрытия в области нахлеста. Поскольку температура испарения цинка довольно низкая (906°С), пары цинка оказывают давление на стенки сварочного канала и на поверхность свариваемых листов в зоне нахлеста. Высокое давление паров дестабилизирует парогазовый канал с выбросом расплава в виде брызг, в результате чего могут образовываться дефекты шва (непровар, поры и т.д.). Существующие методы сварки оцинкованной листовой стали внахлест основаны на искусственном создании зазора между листами любым способом для обеспечения вытекания паров цинка из зазора. Альтернативное решение проблемы состоит в том, чтобы существенно увеличить диаметр парогазового канала с помощью контролируемого потока аргона с целью обеспечить выход паров непосредственно через парогазовый канал. В этом случае пары цинка покидают область нахлеста без взаимодействия с расплавом и без образования дефектов шва и брызг (рис.14).
Были проведены эксперименты со следующими конфигурациями и параметрами:
4 кВт Nd:YAG-лазер, фокусное расстояние линзы 200 мм, диаметр волокна доставки 600 мкм, пространственное распределение интенсивности в форме "шляпы" (с минимумом в центре пятна);
стабилизирующее сопло LASAL с расходом аргона 15 л/мин;
2 типа используемого материала:
GI = гальваническое покрытие 99,5% Zn и 0,5% Al. Толщина цинка около 10 мкм,
EZ = электрогальваническое покрытие, осаждение 100% Zn электролитическим методом. Толщина цинка около 7,5 мкм;
конфигурация: 0,7 мм/0,7 мм; нулевой зазор;
скорость сварки 5 м/мин.
Результаты получились одинаковыми для обоих материалов – GI и EZ. Сварной шов внахлест без защитного газа имел ряд различных дефектов: вогнутый шов за счет нехватки металла в шве, брызги, неприемлемая геометрия шва (рис.15а). Шов, полученный в 100% аргоне с расходом 16 л/мин при той же скорости сварки, не имеет никаких дефектов (рис.15б). Микролитографии обоих швов (рис.16) демонстрируют обе ситуации – отсутствие и наличие дефектов. Дефект, показанный на рис.16а, образовался в результате испарения и расширения паров цинка. На фотографии шлифа (рис.16б) дефектов нет. Стоит отметить, что сопло работает так же хорошо и при наличии зазора между листами. Также мы заметили различия в осаждении испаренного материала и брызг. При сравнении фотографий без защитного газа и с соплом при расходе аргона 15 л/мин видно, что без защитного газа и стабилизирующего сопла происходит пробой воздуха (рис.17).
Заключение
Поток аргона с определенными динамическими характеристиками является неплохой альтернативой для других защитных газов при лазерной сварке. Предлагаемые решения подходят как для сварки мощными, до 12 кВт, СО2-лазерами, так и твердотельными лазерами. Наиболее интересно использование предлагаемого решения в автомобильной промышленности для сварки кузовов. Данное решение – применение аргона в качестве защитного газа и сопло ЛАЗАЛ запатентованы Эр Ликид.
Использование нового сопла LASAL Jet nozzle для сварки нестандартных заготовок позволяет заменить гелий чистым аргоном. При этом качество сварного шва остается таким же, как и при сварке в гелии. Основное действие аргона – сдувание ионизованных атомов во избежание образования плазменного факела в защитном газе. Сопло LASAL создает поток аргона с расходом 30 л/мин.
Пластины из оцинкованного металла могут быть сварены внахлест с нулевым зазором без использования прижимной оснастки. Сопло LASAL создает поток аргона, направленный внутрь парогазового канала. Поток газа вызывает увеличение диаметра канала, способствуя вытеканию паров цинка и предотвращая микровзрывы паров внутри шва. Расход аргона – около 15 л/мин.
ЛИТЕРАТУРА
Akhhter R., Davis M., Dowden, Kapadia P., Ley M. and Steen W.M. A method for calculating the fused zone profil of laser keyhole welds.– Journal of Physics, D: Applied Physics, 1989, v. 21, p.23–28.
Steen W.M, Dowden, J. Davis M. & Kapadia P. A point and line source model of laser keyhole welding". – Journal of Physics, D: Applied Physics, 1992,v. 21, p.1255–1260.
Beck M., Dausinger F., Hügel H. Modelling of laser deep welding processes.– Bergman H. (Ed), European Scientific Laser Workshop on Mathematical Simulation, Lisbon, 1989, p.201–216.
Matsunawa A. & Semak V. Simulation of the front keyhole wall dynamics during laser welding.–Journal of Physics, D: Applied Physics, 1997,v. 30, 798-809.
Seto N., Katayama S., Mizutani M. & Matsunawa A. Relationship between plasma and keyhole behaviour during CO2-laser welding.– Proceedings of SPIE, 2000,v.3888, p.61–68.
Chouf K., Verna E., Briand F. New tailored gas solutions for CO2-laser welding applications.– Proceedings of 9th NOLAMP, 2004.
Thomy C., Grupp M., Schilf M., Seefeld Th., Vollertsen F. Welding of aluminium and steel with high-power fibre lasers.– Proceeding of 23rd ICALEO, 2004.
Greses, P.A. Hilton, C.Y. Barlow and W.M. Steen. Plume attenuation under high power Nd:yttritium-aluminum-granet laser welding. – J. Laser Appl., 2004,v.16, №1.
Yousuke Kawahito, Keisuke Kinoshita, Naoyuki Matsumoto, Masami Mizutani And Seiji Katayama. Interaction between Laser Beam and Plasma/Plume Induced in Welding of Stainless Steel with Ultra-High Power Density Fiber Laser. – Quaterly Juornal of Japanese Welding Society, 2007,v. 25, № 3, p.461–467.
Dixon R.D. & Lewis G.K. The influence of a plasma during laser welding.– Proceedings of ICALEO, 1983.
Finke B.R., Kapadia P.D. & Dowden J.M. A fundamental plasma based model for energy transfer in laser material processing.– Journal of Physics, D : Applied Physics, 1990, v.23, p.643–654.
Capitelli M., Ficocelli E., Molinari E. Equilibrium compositions and thermodynamic properties of mixed plasmas – He/N2, Ar-N2 and Xe-N2 plasmas at one atmosphere between 5000°K and 35000°K.– Centro di Studio per la Chimica dei Plasmi del Consiglio Nazional delle Ricerche , Università degli Studi – Bari, Italy.
Tsukamoto S., Hiraoka K.; Asai Y.; Irie H.; Oguma M. Characterization of laser induced plasma in CO2 laser welding.Trends in welding research.– 5-th International Conference, Pine Montain, 1998.
Matsunawa A., Kim J., Seto N., Mitzutani M. and Katayama S. Dynamics of keyhole and molten pool in laser welding. – J. Laser Applications, 1998,v.10(6), p.247–254.
Fabbro R., Slimani S., Coste F., Briand F., Arata Y, Maruo H, Myamoto I. Analysis of the various melt pool hydrodynamic regimes observed during CW Nd-YAG deep penetration laser welding.– Proceeding ICALEO, 2007, p.802.
Mara G.L., Funk E.R., McMaster R.C. and Pence P.E. Welding Journal, 1974, v.53, p.246–251.
Fabbro R., Hamadou M., Coste F. Metallic vapor ejection effect on melt pool dynamics in deep penetration laser welding.– J. Laser Applications, 2004, v.16(1), p.16–19.
Semak V. and Matsunawa A. The role of recoil pressure in energy balance during material processing.– J. Phys., D: Appl. Phys., 1997, v.30, p.2541–2552.
Kamikuki K., Inoue T., Yasuda K., Muro M., Nakabayashi T. and Matsunawa A. Prevention of welding defect by side gas flow and its monitoring method in continuous wave Nd:Yag laser welding.– J. Laser 2002, Appl. 14(3), p.136–145.
Fabbro R., Slimani S., Coste F. and Briand F. Study of keyhole behavior for full penetration Nd-Yag CW laser welding.– J. Phys., D: Appl. Phys., 2005, v.38, p.1881–1887.
Лазерная сварка сегодня
Режим сварки с глубоким проплавлением осуществляется при плотности мощности лазерного излучения выше 1 МВт/см2. Лазерное излучение поглощается поверхностью металла, что приводит к его нагреву, плавлению и испарению. Избыточное давление паров выдавливает расплав, в результате образуется узкий и глубокий канал (капилляр) в ванне расплава. Этот канал, частично заполненный ионизованной смесью паров металла и защитного газа, поглощает некоторую долю лазерного излучения. Доля излучения, не поглощенная в плазме, доходит до металла, частично отражается и уже затем поглощается на стенках канала, приводя к разогреву, плавлению и частичному испарению металла. Сварка лазерным излучением происходит в результате перемещения лазерного излучения вдоль шва и, как следствие, перемещения ванны расплава и парогазового канала. Существуют две рабочие модели, описывающие поведение этого канала – стационарная [1, 2, 3] и нестационарная [4]. В рамках первой модели парогазовый канал описывается как вертикальный жесткий цилиндр, перемещающийся в направлении сварки. Он имеет стабильную форму, а его равновесие описывается как результат действия всех сил, воздействующих на расплав. В нестационарной модели парогазовый канал не имеет определенной формы, его форма непрерывно изменяется в результате непрерывно происходящих нестационарных элементарных процессов локального поглощения и отражения лазерного излучения, плавления и испарения металла на стенках канала.
Чистый гелий, как правило, используется в процессе сварки СО2-лазером с мощностью выше 4 кВт для предотвращения образования плазмы пробоя в защитном газе. Такая плазма сильно поглощает падающее лазерное излучение, приводя к значительным потерям. Основной механизм поддержания плазменного факела – обратное тормозное поглощение. Такое образование плазмы в газе называется оптическим пробоем газа, инициируется лазерным излучением при условии, что плотность его мощности равна или превышает порог пробоя для данного газа. Плазменный факел распространяется в той области, куда попадает лазерное излучение, т.е. внутри зоны пространства, занятого лазерным пучком. Поскольку сфокусированный пучок излучения лазера – сходящийся, то по мере удаления от поверхности металла интенсивность излучения снижается, плотность плазмы и поглощение ею излучения также падает. При этом повышается доля излучения, достигающая поверхности металла [5]. Это приводит к более сильному его испарению и ионизации паров. Схематически эти процессы показаны на рис.1. Таким образом, может начаться "колебательный" процесс. Для его предотвращения требуется повысить порог оптического пробоя защитного газа [6]. В наших предыдущих работах мы продемонстрировали практическую возможность использования смеси Ar/He или смеси LASALMIX He/N2 для сварки излучением СО2-лазера без потери качества шва по сравнению со сваркой в чистом гелии.
В случае сварки твердотельными лазерами с длиной волны излучения 1 мкм процесс взаимодействия лазерного излучения с материалом принципиально отличается от взаимодействия с излучением длиной волны, равной 10 мкм. Это связано с тем, что при рабочей интенсивности, при которой ведется сварка, оптического пробоя газа не происходит и, следовательно, в газе нет поглощения излучения. В этом случае защитный газ служит лишь для предотвращения попадания воздуха в зону сварки. При сварке лазерами высокой мощности и яркости (например, Yb:YAG-лазерами мощностью 10 кВт) интерпретация роли защитного газа неоднозначна. Некоторые авторы [7, 8] предлагают в таких случаях использовать защитный газ для повышения эффективности взаимодействия лазерного излучения с металлом. Другие же [9] – утверждают, что простое сдувание факела паров, вылетающих из парогазового канала, уже достаточно для получения качественного шва и высокой скорости сварки. Однако не стоит забывать, что шов хорошего качества довольно сложно получить при сварке металлов с высокой вязкостью расплава и оцинкованных сталей. В данной работе мы покажем, каким образом можно варить с высоким качеством оцинкованную сталь в атмосфере 100% Ar без использования сложных прижимов.
Сварка СО2-лазером в защитной атмосфере гелия и смеси LASERMIX Ar/He
Гелий обладает самым высоким потенциалом ионизации (24,5 эВ). Благодаря этому для него порог оптического пробоя 10 мкм излучением СО2-лазера достаточно высок, и для сварки этим лазером он рассматривается как основной защитный газ [10, 11]. Аргон и азот также можно использовать, но порог пробоя этих газов гораздо ниже, что ограничивает их применение в диапазоне сравнительно низких значений плотности мощности лазерного излучения. В табл.1 приведены значения потенциалов ионизации основных защитных газов.
Благодаря высокому потенциалу ионизации гелий может быть использован для лазеров любой мощности. Поскольку он инертен и не участвует в металлургических процессах при сварке, он является универсальным защитным газом. Потенциал ионизации аргона (15,7 эВ) ниже, чем у гелия (24,5 эВ). Аргон, как правило, применяется для сварки излучением СО2-лазера мощностью до 3 кВт. Как и гелий, аргон химически инертен и не оказывает влияния на шов. Поскольку цена аргона ниже, его можно с успехом использовать вместо гелия. Потенциал ионизации атомарного азота (15,5 эВ) близок к потенциалу ионизации аргона, однако процессы плазмообразования в азоте более сложные, чем в аргоне. Это связано с тем, что ионы атомарного азота образуются после диссоциации двухатомной молекулы N2. Энергия тройной связи в молекуле азота 9 эВ [12], прямая ионизация молекулы с образованием положительных ионов N2+ возможна, но такие ионы нестабильны. Таким образом, азот возможно использовать при мощности лазера до 5 кВт без заметного поглощения лазерного излучения в азотной плазме. Однако, поскольку азот вступает в химические реакции с рядом металлов, в качестве защитного газа его стараются не использовать.
В качестве защитной среды при лазерной сварке возможно использовать смесь аргона и гелия Ar/He LASALMIX. Ключом для определения допустимой доли аргона в смеси, достаточной, чтобы избежать оптического пробоя в защитном газе, является величина интенсивности лазерного излучения непосредственно над облаком плазмы пробоя металлических паров. Чем выше интенсивность излучения над облаком паров металла, тем выше риск пробоя защитного газа. При использовании короткофокусных линз интенсивность излучения падает быстрее по мере удаления от поверхности металла, чем при использовании длиннофокусных линз. Параметры фокусировки приведены в табл.2.
На производстве для оперативной работы удобнее иметь дело с фокусным расстоянием линзы как с инструментом определения параметров процесса и смеси, а не с интенсивностью лазерного излучения. Поэтому мы предлагаем следующий вариант представления полученных результатов и соответствия с составом смеси: для СО2-лазера мощностью 12 кВт и диаметром пятна на линзе 25 мм, предлагаются следующие составы смеси:
40% Ar – 60% He, F = 250 мм,
65% Ar – 35% He, F = 200 мм,
75% Ar – 25% He, F = 150 мм.
Очевидно, что смесь 70% He – 30% Ar является универсальной для широкого диапазона конфигураций фокусировки. Тем не менее, в каждом конкретном случае следует проводить тесты для оценки ее применимости.
Сварка излучением СО2-лазера в среде аргона (100%) с помощью сопла LASAL
Для сварки СО2-лазерами очень широко применяются как гелий, так и смеси на основе гелия, например смесь LASALMIX. Мы предлагаем пойти дальше и заменить гелий стопроцентным аргоном. В основе предлагаемой методики лежит остановка распространения плазмы пробоя газа за счет сдувания ионизированного газа из области пространства, занятой лазерным излучением выше облака паров металла (рис.3). Эта струя газа сокращает время взаимодействия лазерного излучения с молекулами газа, предотвращая тем самым развитие пробоя.
Мы разработали сопло, предназначенное для сварки СО2-лазером мощностью до 12 кВт, получившее название LASAL Jet Nozzle. Его конструкция состоит из газодинамического сопла и системы слежения (рис.4). Сопло устанавливается по трем координатам X, Y, Z, а система слежения позволяет сделать это в течение нескольких секунд. Такое оборудование совместимо практически со всеми промышленными фокусирующими головами с фокусным расстоянием 200–300 мм. Имеется два сопловых отверстия для создания двух потоков газа: для сдувания плазмы и для защиты шва от влияния окружающей атмосферы. Оборудование запатентовано компанией Air Liquide. Сопло LASAL (рис.5) позволяет вести сварку в среде 100% аргона без пробоя в аргоне для большого количества промышленных задач, таких как сварка нестандартных заготовок, плоских листов, труб и т.д. Для сравнения мы привели шлифы швов, полученные при сварке в защитной атмосфере гелия (рис.6а) и в 100% аргоне (рис.6б) с использованием сопла LASAL. В обоих случаях валики швов имеют схожую форму, без дефектов и пор.
Сварка СО2-лазером: применение 100% аргона для сварки заготовок
Мы провели испытания нашего оборудования на примере сварки нестандартных заготовок. Рабочие параметры:
СО2-лазер мощностью 8 кВт, фокусное расстояние линзы 200 мм,
сопло LASAL, расход аргона 30 л/мин,
сварка трех конфигураций оцинкованных пластин: 1,02 мм/1,76 мм; 2,47 мм/2,47 мм; 1,02 мм/1,02 мм.
Макрофотографии шлифов швов показаны на рис.7 и 8. Визуальный анализ поверхности образцов, макрофотографии, рентгеновский анализ и тесты Эриксена и Ольсена (рис.9) по оценке штампуемости и пластичности тонколистовых материалов показывают хорошее качество швов. Для критериев Эриксена и Ольсена мы принимали предел пластичности перед растрескиванием 75%. Валики швов не имеют дефектов и обладают хорошими механическими показателями. При этом метр сварного шва оказывается дешевле, чем при сварке в гелии. Также наблюдается снижение количества материала, напыленного из паров вокруг шва на поверхность свариваемых деталей (рис.10). Предположительно пары материала просто сдуваются струей аргона.
Сварка Nd:YAG-лазером.
Применение аргона для стабилизации парогазового канала
Как мы говорили в начале статьи, парогазовый канал нестабилен [14, 15, 16] и его форма определяется динамическим равновесием между давлением паров и другими силами, действующими на расплав, движущийся по каналу [17, 18]. Было показано, что именно процессы взаимодействия между парами металла с задней стенкой парогазового канала отвечают за возникновение таких гидродинамических неустойчивостей, как возникновение волн расплава, разбрызгивание и других. Струя защитного аргона [19] может способствовать стабилизации расплава при сварке, тем самым сокращая дефекты шва [20]. На самом деле направленная струя аргона способствует увеличению давления газа в канале сварки, и в результате отверстие оказывается достаточно большим, чтобы не допустить нежелательное закрытие канала. Направленность, размеры и расход аргона в струе являются критическими параметрами. Газовая струя должна быть ламинарной, достаточно быстрой с сечением, максимально близким к размеру валика шва. Струя должна быть направлена внутрь канала (рис.11), при этом наилучшие результаты достигаются при попадании струи защитного газа на заднюю стенку газового канала. Расход газа должен быть оптимальным. Если он слишком велик, расплав слишком далеко выталкивается и преждевременно застывает, образуя наплывы и бугры. Если расход газа низкий, парогазовый канал не образуется, и ситуация оказывается сходной по конфигурации со стандартной лазерной сваркой.
Мы разработали конструкцию сопла с системой позиционирования, позволяющей установить сопло в положение, оптимальное для стабилизации процессов в парогазовом канале. Сопло названо LASAL Keyhole Stabilization (рис.12). Положение сопла может варьироваться в диапазоне 5 мм в трех направлениях. Установка сопла занимает несколько секунд. Сопло создает три потока газа. Центральный сориентирован таким образом, чтобы попадать внутрь парогазового канала, два других потока оказывают двойное действие – стабилизируют процессы на задней стенке канала и защищают расплав от влияния окружающей атмосферы и окисления. Конструкция сопла запатентована Эр Ликид. Для Nd:YAG-лазеров с диаметром пятна 600 мкм и размером канала 600 мкм – 1 мм, поток защитного газа, создаваемый соплом, увеличивает диаметр канала до 3 мм (рис.13).
Сварка YAG-лазером:
использование аргона для сварки листов оцинкованной стали внахлест
Лазерная сварка листовой оцинкованной стали внахлест без зазора между листами проходит с определенными проблемами, связанными с испарением цинкового покрытия в области нахлеста. Поскольку температура испарения цинка довольно низкая (906°С), пары цинка оказывают давление на стенки сварочного канала и на поверхность свариваемых листов в зоне нахлеста. Высокое давление паров дестабилизирует парогазовый канал с выбросом расплава в виде брызг, в результате чего могут образовываться дефекты шва (непровар, поры и т.д.). Существующие методы сварки оцинкованной листовой стали внахлест основаны на искусственном создании зазора между листами любым способом для обеспечения вытекания паров цинка из зазора. Альтернативное решение проблемы состоит в том, чтобы существенно увеличить диаметр парогазового канала с помощью контролируемого потока аргона с целью обеспечить выход паров непосредственно через парогазовый канал. В этом случае пары цинка покидают область нахлеста без взаимодействия с расплавом и без образования дефектов шва и брызг (рис.14).
Были проведены эксперименты со следующими конфигурациями и параметрами:
4 кВт Nd:YAG-лазер, фокусное расстояние линзы 200 мм, диаметр волокна доставки 600 мкм, пространственное распределение интенсивности в форме "шляпы" (с минимумом в центре пятна);
стабилизирующее сопло LASAL с расходом аргона 15 л/мин;
2 типа используемого материала:
GI = гальваническое покрытие 99,5% Zn и 0,5% Al. Толщина цинка около 10 мкм,
EZ = электрогальваническое покрытие, осаждение 100% Zn электролитическим методом. Толщина цинка около 7,5 мкм;
конфигурация: 0,7 мм/0,7 мм; нулевой зазор;
скорость сварки 5 м/мин.
Результаты получились одинаковыми для обоих материалов – GI и EZ. Сварной шов внахлест без защитного газа имел ряд различных дефектов: вогнутый шов за счет нехватки металла в шве, брызги, неприемлемая геометрия шва (рис.15а). Шов, полученный в 100% аргоне с расходом 16 л/мин при той же скорости сварки, не имеет никаких дефектов (рис.15б). Микролитографии обоих швов (рис.16) демонстрируют обе ситуации – отсутствие и наличие дефектов. Дефект, показанный на рис.16а, образовался в результате испарения и расширения паров цинка. На фотографии шлифа (рис.16б) дефектов нет. Стоит отметить, что сопло работает так же хорошо и при наличии зазора между листами. Также мы заметили различия в осаждении испаренного материала и брызг. При сравнении фотографий без защитного газа и с соплом при расходе аргона 15 л/мин видно, что без защитного газа и стабилизирующего сопла происходит пробой воздуха (рис.17).
Заключение
Поток аргона с определенными динамическими характеристиками является неплохой альтернативой для других защитных газов при лазерной сварке. Предлагаемые решения подходят как для сварки мощными, до 12 кВт, СО2-лазерами, так и твердотельными лазерами. Наиболее интересно использование предлагаемого решения в автомобильной промышленности для сварки кузовов. Данное решение – применение аргона в качестве защитного газа и сопло ЛАЗАЛ запатентованы Эр Ликид.
Использование нового сопла LASAL Jet nozzle для сварки нестандартных заготовок позволяет заменить гелий чистым аргоном. При этом качество сварного шва остается таким же, как и при сварке в гелии. Основное действие аргона – сдувание ионизованных атомов во избежание образования плазменного факела в защитном газе. Сопло LASAL создает поток аргона с расходом 30 л/мин.
Пластины из оцинкованного металла могут быть сварены внахлест с нулевым зазором без использования прижимной оснастки. Сопло LASAL создает поток аргона, направленный внутрь парогазового канала. Поток газа вызывает увеличение диаметра канала, способствуя вытеканию паров цинка и предотвращая микровзрывы паров внутри шва. Расход аргона – около 15 л/мин.
ЛИТЕРАТУРА
Akhhter R., Davis M., Dowden, Kapadia P., Ley M. and Steen W.M. A method for calculating the fused zone profil of laser keyhole welds.– Journal of Physics, D: Applied Physics, 1989, v. 21, p.23–28.
Steen W.M, Dowden, J. Davis M. & Kapadia P. A point and line source model of laser keyhole welding". – Journal of Physics, D: Applied Physics, 1992,v. 21, p.1255–1260.
Beck M., Dausinger F., Hügel H. Modelling of laser deep welding processes.– Bergman H. (Ed), European Scientific Laser Workshop on Mathematical Simulation, Lisbon, 1989, p.201–216.
Matsunawa A. & Semak V. Simulation of the front keyhole wall dynamics during laser welding.–Journal of Physics, D: Applied Physics, 1997,v. 30, 798-809.
Seto N., Katayama S., Mizutani M. & Matsunawa A. Relationship between plasma and keyhole behaviour during CO2-laser welding.– Proceedings of SPIE, 2000,v.3888, p.61–68.
Chouf K., Verna E., Briand F. New tailored gas solutions for CO2-laser welding applications.– Proceedings of 9th NOLAMP, 2004.
Thomy C., Grupp M., Schilf M., Seefeld Th., Vollertsen F. Welding of aluminium and steel with high-power fibre lasers.– Proceeding of 23rd ICALEO, 2004.
Greses, P.A. Hilton, C.Y. Barlow and W.M. Steen. Plume attenuation under high power Nd:yttritium-aluminum-granet laser welding. – J. Laser Appl., 2004,v.16, №1.
Yousuke Kawahito, Keisuke Kinoshita, Naoyuki Matsumoto, Masami Mizutani And Seiji Katayama. Interaction between Laser Beam and Plasma/Plume Induced in Welding of Stainless Steel with Ultra-High Power Density Fiber Laser. – Quaterly Juornal of Japanese Welding Society, 2007,v. 25, № 3, p.461–467.
Dixon R.D. & Lewis G.K. The influence of a plasma during laser welding.– Proceedings of ICALEO, 1983.
Finke B.R., Kapadia P.D. & Dowden J.M. A fundamental plasma based model for energy transfer in laser material processing.– Journal of Physics, D : Applied Physics, 1990, v.23, p.643–654.
Capitelli M., Ficocelli E., Molinari E. Equilibrium compositions and thermodynamic properties of mixed plasmas – He/N2, Ar-N2 and Xe-N2 plasmas at one atmosphere between 5000°K and 35000°K.– Centro di Studio per la Chimica dei Plasmi del Consiglio Nazional delle Ricerche , Università degli Studi – Bari, Italy.
Tsukamoto S., Hiraoka K.; Asai Y.; Irie H.; Oguma M. Characterization of laser induced plasma in CO2 laser welding.Trends in welding research.– 5-th International Conference, Pine Montain, 1998.
Matsunawa A., Kim J., Seto N., Mitzutani M. and Katayama S. Dynamics of keyhole and molten pool in laser welding. – J. Laser Applications, 1998,v.10(6), p.247–254.
Fabbro R., Slimani S., Coste F., Briand F., Arata Y, Maruo H, Myamoto I. Analysis of the various melt pool hydrodynamic regimes observed during CW Nd-YAG deep penetration laser welding.– Proceeding ICALEO, 2007, p.802.
Mara G.L., Funk E.R., McMaster R.C. and Pence P.E. Welding Journal, 1974, v.53, p.246–251.
Fabbro R., Hamadou M., Coste F. Metallic vapor ejection effect on melt pool dynamics in deep penetration laser welding.– J. Laser Applications, 2004, v.16(1), p.16–19.
Semak V. and Matsunawa A. The role of recoil pressure in energy balance during material processing.– J. Phys., D: Appl. Phys., 1997, v.30, p.2541–2552.
Kamikuki K., Inoue T., Yasuda K., Muro M., Nakabayashi T. and Matsunawa A. Prevention of welding defect by side gas flow and its monitoring method in continuous wave Nd:Yag laser welding.– J. Laser 2002, Appl. 14(3), p.136–145.
Fabbro R., Slimani S., Coste F. and Briand F. Study of keyhole behavior for full penetration Nd-Yag CW laser welding.– J. Phys., D: Appl. Phys., 2005, v.38, p.1881–1887.
Отзывы читателей
