Введение
Несмотря на то, что первые эксперименты по лазерно-дуговому воздействию на материалы проводились уже в 80-х годах прошлого века [1], только сейчас, с развитием мощных волоконных лазеров, гибридная лазерно-дуговая сварка достигла стадии реальной промышленной технологии. Различные варианты гибридной лазерно-дуговой сварки (лазер+MIG/MAG, лазер+TIG) являются одними из наиболее перспективных технологий сварки толстостенных крупногабаритных конструкций в судостроении, нефтегазовой промышленности, энергетике, мостостроении и строительстве, а также легких конструкций в аэрокосмической отрасли и транспортном машиностроении. Ее основным преимуществом является возможность однопроходной сварки металла толщиной до 20 мм, в том числе новых высокопрочных сталей и современных сплавов. Технология обладает рядом преимуществ как по сравнению с лазерной, так и с традиционной сваркой. Наличие дополнительного источника нагрева делает ее менее чувствительной к зазорам. Возможность дополнительного легирования сварного шва за счет металла электрода позволяет получать соединения с заданными прочностными характеристиками. Взаимодействие лазерного излучения и электрической дуги стабилизирует горение дуги при высокоскоростной обработке. Качество швов при этом не уступает лазерным. Таким образом, гибридные процессы позволяют обеспечить лучшую свариваемость и снизить требования к точности сборки по сравнению с лазерными технологиями, а также повысить производительность и качество сварного шва, уменьшить сварочные деформации по сравнению с дуговыми технологиями.
Несмотря на указанные преимущества, внедрение этой технологии в реальное производство ограничивают высокая сложность технологического процесса [2] и возможность образования целого ряда специфических дефектов: пористость, горячие трещины, корневые пики и хампинг, особенно при сварке легированных сталей (рис. 1).
а)
б)
Рис. 1. Возможные дефекты при лазерно-дуговой сварке металлов больших толщин: а) нестабильное формирование обратного валика сварного шва (хампинг) и пористость; б) горячие трещины.
Анализ результатов проведенных исследований лазерно-дугового сварочного процесса дает возможность определить основные проблемы, решение которых позволит разработать надежные технологии и оборудование для реализации гибридных технологий, в частности, необходимо устранить:
• резкое увеличение ширины верхней части сварного шва;
• неблагоприятное направление роста кристаллов металла шва;
• наличие закалочных структур в зоне глубокого проплавления;
• наличие газовых пор и горячих трещин;
• неудовлетворительные значения ударной вязкости осевой зоны при отрицательных температурах испытаний.
Обзор тенденций развития гибридных технологий и способов решения поставленных задач представлен в [3]. Высокая сложность и многофакторность лазерно-дугового сварочного процесса требует комплексного подхода к разработке технологий, гарантирующих получение требуемого качества сварных соединений. При определении и оптимизации технологических параметров, а также при поиске и тестировании технологических приемов, необходимо использовать компьютерное моделирование и экспериментальные методы.
Моделирование гибридной лазерно-дуговой сварки
Лазерно-дуговая сварка является сложным многопараметрическим процессом, характеризующимся параметрами, присущими не только лазерной (длина волны, мощность и качество лазерного излучения, размеры и положение сфокусированного луча) и дуговой сварке (ток и напряжение на дуге, вылет электрода, длина дуги, скорость подачи проволоки), но и специфическими параметрами, характерными именно для их совместного воздействия. Поэтому определение «окна» технологических параметров лазерно-дугового сварочного процесса только на основе экспериментальных результатов является сложной задачей и требует больших материально-временных затрат. Этот факт диктует необходимость предварительного моделирования процесса. Также с помощью компьютерного моделирования могут быть сформулированы технические требования к технологическим комплексам, определяющие параметры лазерных и дуговых источников, скорости и точности позиционирования манипуляторов и т. д.
Для моделирования процессов формирования шва и поведения сварочной ванны при лазерно-дуговой сварке были разработаны две модели: стационарная и динамическая. Стационарная модель основана на модели лазерной сварки с глубоким проплавлением [4]. Модель построена на совместном решении следующих взаимосвязанных задач:
• взаимодействие лазерного излучения с лазерно-индуцированной и дуговой плазмой с учетом газовой динамики пароплазменной струи в атмосфере защитного газа,
• кинетика гибридного лазерно-дугового разряд в смеси металлических паров и защитного газа над обрабатываемой поверхностью,
• распределение тока дуги в дуговом промежутке,
• нагрев и плавление электродной проволоки,
• поглощение и переотражение лазерного луча в парогазовом канале,
• тепломассоперенос в расплаве и твердой фазе,
• испарение и газовая динамика металлических паров в парогазовом канале.
При решении частных задач учитывалась взаимосвязь между физическими процессами, протекающими при лазерно-дуговой сварке. Задача поглощения и переотражения лазерного луча в парогазовом канале, задача теплопереноса в твердой фазе и задача течения паров в парогазовом канале решались так же, как и в случае лазерной сварки [4]. При разработке моделей дуговых и плазменных процессов использовалось приближение пограничного слоя для уравнений потока массы, импульса, тока и энергии [5]. При построении самосогласованного аналитического описания плазменного факела при лазерно-дуговой сварке в условиях смешения струи паров металла с защитным газом учитывались объемное тепловыделение за счет поглощения лазерного излучения и прохождения тока дуги, температурная зависимость кинетических коэффициентов газовой смеси, а также особенности течения защитного и плазмообразующего газа у обрабатываемой поверхности. Модель комбинированного лазерно-дугового разряда, определяющая степень ионизации, и, следовательно, пространственные распределения проводимости и температуропроводности, основана на решении кинетического уравнения Райзера с учетом электронного обмена между плазменной фазой и металлическими кластерами конденсированной фазы в пароплазменном факеле. Задача о плавлении электродной проволоки решена в одномерной постановке с учетом условий Стефана на границе раздела твердой и жидкой фаз, а также влияния электромагнитных сил на капельный перенос [6]. Для решения задач течения расплава и теплопереноса в жидкой фазе использовалось приближение потенциального течения идеальной жидкости с учетом вязкости в пограничных слоях на фронте плавления и поверхности парогазового канала. Для возможности учета влияния величины зазора в сварном стыке гидродинамическая задача была решена в трехмерной постановке в отличии от модели лазерной сварки. Кроме того, была добавлена возможность моделирования сварки разнородных материалов. Схема модели процесса показана на рис. 2: различные задачи связаны между собой как через граничные условия (сплошная стрелка), когда решение одной задачи определяет граничные условия для другой, так и через коэффициенты в уравнениях (пунктирная стрелка). В этом случае решение одной задачи напрямую определяет коэффициенты в уравнении другой задачи.
Рис. 2. Структура модели лазерно-дуговой сварки.
Для математического решения этой сложной задачи был разработан специальный численно-аналитический алгоритм [7]. Он был реализован в виде компьютерной системы моделирования LaserCAD, которая позволяет рассчитывать форму и размер ванны расплава, а также распределение температуры в сварном шве и зоне термического влияния при гибридной лазерно-дуговой сварке. Пример сопоставления результатов моделирования с экспериментальными результатами показан на рис. 3.
а) б)
Рис. 3. Экспериментальная проверка результатов моделирования:
а) лазерно-дуговая сварка алюминиевого сплава; б) лазерно-дуговая сварка трубной стали.
При разработке технологий на стадии предварительного компьютерного моделирования также используется модель, описывающая динамическое поведение расплава в сварочной ванне. Данная модель разработана с использованием тех же подходов, что и динамическая модель процесса лазерной сварки с глубоким проплавлением [8]. Модель основана на формализме механики Лагранжа, что позволяет учитывать такие явления, как: движение волн на поверхности парогазового канала, изменение формы и размеров сварочной ванны во времени и влияние движения парогазового канала как целого на колебания его глубины и радиуса. Динамическая модель также используется при обработке данных с датчиков системы мониторинга и установлении связи между регистрируемыми сигналами (оптическая эмиссия в различных спектральных диапазонах) и динамикой парогазового канала и сварочной ванны. На рис. 4 представлен пример использования динамической модели для анализа формирования пористости и корневых пиков.
а) б)
Рис 4. Моделирование образования пор в результате схлопывания парогазового канала (а) и экспериментальный результат (б)
Разработка технологического оборудования для лазерно-дуговой сварки
Разработка технологических машин для гибридной сварки в Институте лазерных и сварочных технологий основана на модульном принципе, что позволяет обеспечить унификацию составных частей оборудования, их совместимость и значительно сократить время разработки и изготовления технологических комплексов. В соответствии с этим подходом каждая технологическая установка состоит из: лазерного и дугового источников, лазерно-дугового модуля (сварочного инструмента), манипулятора и технологической оснастки, системы управления, системы подготовки и распределения рабочих газов, системы слежения и позиционирования сварочного инструмента, системы мониторинга технологического процесса. Объединение отдельных модулей в единый комплекс осуществляется с использованием общего интерфейса управления, стандартных механических соединений газовых, гидравлических и электрических разъемов. С использованием такого подхода был разработан ряд промышленных технологических комплексов, некоторые из которых описаны ниже.
Рис. 5. Технологическая установка для лазерно-дуговой сварки металлов больших толщин.
Технологическая установка, представленная на рис. 5, была разработана для гибридной лазерно-дуговой сварки толстостенных труб большого диаметра, используемых в нефтегазовой отрасли. Она обеспечивает возможность однопроходной сварки трубных сталей толщиной более 12 мм со скоростью до 3 м/мин. Моделирование с помощью САЕ-системы LaserCAD позволило определить параметры установки [9]: мощность лазерного источника не менее 15 кВт; фокальный диаметр лазерного луча 0,3–0,4 мм; сварочный ток не менее 250 А, диаметр электродной проволоки в диапазоне 1–2 мм. Разработанный комплекс состоит из: волоконного лазера ЛС-15 производства компании «ИРЭ-Полюс»; системы охлаждения на основе чиллера Riedel PC250; дугового источника ВДУ-506 ДК производства компании ИТС с током до 500 А и программным управлением механизма подачи электродной проволоки; лазерно-дугового модуля (рабочего инструмента); 6-ти канального модуля подготовки и распространения газов с ЧПУ; системы слежения за стыком и наведения рабочего инструмента на базе триангуляционного лазерного датчика; системы мониторинга и управления технологическим процессом. Система управления технологической установки реализована в виде программно-аппаратного комплекса (ПАК), который представляет собой распределенную вычислительную систему, выполняющую функции управления всеми компонентами сварочного комплекса, обеспечивая:
- считывание профиля свариваемого стыка;
- контроль качества сборки изделия под сварку;
- слежение за координатами стыка при скорости сварки до 6 м/мин,
- позиционирование рабочего инструмента относительно стыка;
- управление источником лазерного излучения;
- управление дуговым источником;
- управление подачей рабочих газов;
- контроль параметров сварочного процесса и их документирование;
- измерение параметров сварочной головы и защита от недопустимых режимов;
- контроль качества сварного шва с использованием датчиков системы мониторинга.
В соответствии с решаемыми задачами ПАК состоит из нескольких подсистем.
- подсистема управления лазером;
- подсистема управления дуговым оборудованием;
- подсистема управления газовым оборудованием;
- подсистема позиционирования сварочной головки;
- подсистема считывания геометрии стыка металла;
- подсистема контроля параметров и защиты лазерной сварочной головки;
- модуль центрального контроллера;
- управляющий компьютер.
Для объединения указанных подсистем в единую систему управления использовался высоконадежный сетевой протокол CAN.
Лазерно-дуговой модуль состоит из манипулятора, лазерной сварочной головки, дуговой горелки, триангуляционного датчика системы слежения, датчиков системы мониторинга. Также предусмотрена газовая защита металла шва. Для обеспечения возможности сварки сталей больших толщин по зазору до 2 мм дуговая горелка в лазерно-дуговом модуле установлена перед лазерным лучом.
Позиционирование и стабилизация положения лазерно-дуговой модуля относительно стыка осуществляется манипулятором-системой линейных приводов (рис. 6).
а) б)
Рис. 6. Манипулятор лазерно-дугового модуля: а) кинематическая схема, б) реализация.
Данный манипулятор обеспечивает стабилизацию заданного положения фокуса лазерного луча относительно обрабатываемой поверхности (вертикальное перемещение) и относительно стыка (поперечные перемещения). Точность позиционирования лазерно-дугового модуля относительно обрабатываемой поверхности составляет 0.2 мм. Точность наведения лазерно-дугового модуля на стык составляет 0.5 мм.
В сварочную лазерную головку (Precitec YW 50), входящую в состав лазерно-дугового модуля, встроен одномерный сканатор, обеспечивающий перемешивание расплава в сварочной ванне и более равномерное распределение легирующих элементов по глубине шва.
Представленный на рис. 7 роботизированный технологический комплекс иллюстрирует еще один пример использования модульного подхода.
Рис. 7. Роботизированный комплекс для гибридной лазерно-дуговой сварки судовых микропанелей.
Данный комплекс является совместной разработкой ИЛИСТ и ОАО «ЦТСС». Использование в качестве сварочного манипулятора промышленного робота требует снижения веса лазерно-дугового модуля, применения специализированных систем подач электродной проволоки с крэш-сенсорами и улучшения системы слежения за швом до уровня технического зрения.
В связи с необходимостью однопроходной сварки судостроительных сталей толщиной до 20 мм в качестве источника лазерного излучения используется волоконный лазер мощностью 25 кВт; для фокусировки лазерного излучения — зеркальная сварочная головка фирмы Scansoniс.
Для гибридной сварки объемных легких конструкций была разработана портальная система с использованием волоконного лазера мощностью 5 кВт (рис. 8).
Рис. 8. Портальная машина для сварки объемных легких конструкций.
Для обеспечения качества сварного соединения элементов из алюминиевых сплавов была доработана система подготовки, распределения и подачи защитных газов в зону сварки. Также были изменены настройки датчиков системы мониторинга в связи с изменением спектрального состава излучения из зоны сварки и диапазона температур расплава в сварочной ванне.
Для использования преимуществ гибридной лазерно-дуговой технологии при сварке протяженных стыков, в том числе и криволинейных, в частности, неповоротных кольцевых швов, актуальным является создание мобильных технологических комплексов (рис. 9).
Рис. 9. Мобильный комплекс для орбитальной лазерно-дуговой сварки.
На каретку, перемещающуюся по гибкому направляющему поясу, установлены лазерно-дуговой модуль, система наведения на шов и механизм подачи электродной проволоки. Остальные подсистемы комплекса являются стационарными. В качестве источника лазерного излучения используется волоконный лазер мощностью 20 кВт. В качестве дугового источника — инвертор ВД- 508 компании ИТС.
Необходимо отметить, что при разработке подсистем технологических комплексов должны быть учтены особенности, характерные гибридным лазерно-дуговым сварочным процессам. В частности, датчики системы слежения за швом должны быть работоспособны в условиях высокого уровня отраженного лазерного излучения и высокой яркости электрической дуги, что требует применения спектральной и временной фильтрации сигналов и разработки специальных алгоритмов обработки данных. Система мониторинга, обеспечивающая оперативный контроль качества технологического процесса, должна отслеживать формирование таких дефектов сварного шва, как пики, хампинг и пористость. Все примеры технологических комплексов, описанных выше, и опыт их использования доказывают, что эта задача может быть успешно решена.
Технология гибридной лазерно-дуговой сварки
При проведении технологических экспериментов проплавлялись и сваривались плоские и кольцевые образцы толщиной 8, 10, 12, 14, 16, 24, 40, 60 мм из сталей Ст3, 25 Г2 С, 10 Г2 ФБЮ, 12Х18 Н9T, РСЕ 36 и других конструкционных и высокопрочных сталей. Были отработаны технологии сварки стыковых, тавровых и угловых соединений. Сварка проводилась как в нижнем, так и в вертикальном пространственных положениях. Также разработана технология орбитальной сварки неповоротных стыков. Для газовой защиты сварочной ванны и металла шва использовались аргон, углекислый газ и их смеси. Для обеспечения надежной газовой защиты использовались как коаксиальное сопло, так и дополнительные некоаксиальные сопла различной конфигурации. Качество всех сварных швов оценивалось визуально, на основе металлографических исследований, радиографического контроля и результатов механических испытаний. При этом определялись глубина проплавления и другие геометрические параметры шва, наличие дефектов и свойства металла шва и зоны термического влияния. Примеры реализации различных технологий гибридной лазерно-дуговой сварки показаны на рис. 10, 11.
а) б) в)
Рис. 10. Макрошлифы сварных соединений трубной стали Х80: а) однопроходный шов толщиной 15 мм; б) и в) трехпроходный шов толщиной 24 мм (б — технологический шов, в — технологический шов и два заполняющих прохода сваркой под флюсом).
а) б)
Рис. 11. Макрошлифы однопроходных швов судостроительных сталей: а) стыковое соединение толщиной 20 мм; б) тавровое соединение толщиной 16 мм.
Гибридный процесс позволяет снизить требования к качеству сборки крупногабаритных конструкций по сравнению с лазерной сваркой. Из рис. 12 видно, что лазерно-дуговая сварка обеспечивает удовлетворительное формирование сварного шва даже при вертикальном смещении кромок более 3 мм.
Рис. 12. Обратный валик корневого шва при орбитальной лазерно-дуговой сварке. Зазор 2 мм, вертикальное смещение кромок 3 мм.
Рис. 13. Макрошлиф гибридного шва алюминиевого сплава АМг6 толщиной 10 мм и распределение магния в сварном соединении.
При сварке алюминиевых сплавов системы Al-Mg или Al-Mg-Zn важно компенсировать испарение легкокипящих легирующих элементов (Zn и Mg). Для решения этой задачи при лазерно-дуговой сварке легких конструкций в качестве электродной использовалась проволока с повышенным содержанием этих элементов. Пример сварного шва легкой конструкции из сплава АМг6 показан на рис 13.
Заключение
С помощью компьютерного моделирования были определены оптимальные значения режимных параметров технологического процесса и требования к конструкции подсистем технологического комплекса, обеспечивающие необходимое качество сварного шва при лазерно-дуговой сварке по зазору до 2 мм. Использование сканирования лазерного луча, оптимизация положения дуговой горелки относительно лазерного луча, подбор химического состава газовых смесей и электродной проволоки позволили избежать формирования пористости, горячих трещин и хампинга, обеспечив тем самым ударную вязкость металла шва при температуре –40 °C в пределах 140–200 Дж для трубных сталей класса прочности Х80. Разработаны технологии гибридной лазерно-дуговой сварки для производства плоских секций судов и элементов судовых деталей и механизмов, подводных аппаратов, а также легких конструкций из алюминиевых сплавов.
Г. А. Туричин, Е. В. Земляков, Е. А. Валдайцева,
И. А. Цибульский, Я. Б. Певзнер
Институт лазерных и сварочных технологий
СПбГПУ, г. Санкт-Петербург
ilist@ltc.ru
Литература
- Steen W. M., Eboo M. Arc augmented laser welding//Metal Construction. — 1979. — Vol. 11, No. 7. — P. 332–335.
- Туричин Г. А., Цибульский И. А., Валдайцева Е. А., Лопота А. В. Гибридная лазерно-дуговая сварка металлов больших толщин//Сварка и диагностика. 2009. № 3. С. 16–23.
- B. Ribic, T. A. Palmer and T. DebRoy, Problems and issues in laser-arc hybrid welding, International Materials Reviews, 2009, V. 54, N 4, p. 223–244
- Vitaliy A. Lopota; Yuri T. Sukhov; Gleb A. Turichin, Computer simulation of laser beam welding for technological applications, SPIE Proc V. 3091, 1997, p. 19–23
- Г. А. Туричин, А. М. Григорьев, Е. В. Земляков, Е. А. Валдайцева, У. Дилтей, А. Гуменюк. Особенности формирования плазменного факела при гибридной лазерно-дуговой сварке//Теплофизика высоких температур. Т 44, № 5, с. 655–663, 2006
- Туричин Г. А., Поздеева Е. Ю., Земляков Е. В. Численно-аналитическая модель плавления электрода при лазерно-дуговой сварке//Физика и химия обработки материалов, 2007, № 4, с. 41–45.
- Beyer E., Dahmen M., Fuerst B., Kreutz E. W., Nitchs H., Turichin G., Schulz W. «A Tool for Efficient Laser Processing», Proceedings of 14 Int. Congress on application of lasers — ICALEO-95, San Diego, USA.
- G. Turichin, E. Valdaitseva, E. Pozdeeva, U. Dilthey, A. Gumeniuk. Theoretical investigation of dynamic behavior of molten pool in laser and hybrid welding with deep penetration, Paton welding journal, 2008 (7), p. 11–15
- Turichin G., Valdaytseva E., Tzibulsky I., Lopota A., Velichko O., Simulation and technology of hybrid welding of thick steel parts with high power fiber laser, Physics Procedia, Proceedings of the 6th International WLT Conference on Lasers in Manufacturing, LiM Munich, 2011. С. 646–655.