from 01.01.2019 to 01.01.2023
Orenburg, Orenburg, Russian Federation
Orenburg, Orenburg, Russian Federation
from 01.01.2016 to 01.01.2019
Orenburg, Orenburg, Russian Federation
from 01.01.2016 to 01.01.2019
Orenburg, Orenburg, Russian Federation
UDK 621.791.03 Оборудование для сварки и пайки
BBK 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
The paper objective is to study a hybrid welding process based on the combination of two methods: laser and plasma ones. The combination of two different types of welding is a promising way to detect and then eliminate the defects of each of them. The task to which the paper is devoted is aimed at finding out features when combining different approaches to the creation of fixed welded joints. The paper analyzes hybridization of laser and plasma piles in a concise way, provides generalized information about their main advantages and disadvantages. The distinctive novelty of this work is concise and cumulative analysis of the problem involved which has not been done before. The result of the study is the publication of the hybrid welding feature, explaining the principles of the working process of the devices. On the basis of the conducted research, the following conclusions can be drawn: hybridization of laser and plasma welding compensate for the disadvantages and increase the advantages of each other; during the study, the main pros and cons are summarized, important aspects of each of the affected methods for obtaining fixed welded joints are analyzed.
welding, joints, process, steel, plasma
Введение
Исходя из потребностей современной промышленности, главным результатом общественного и научно-технического прогрессов в области сварки стала гибридизация путей создания прочных и надежных неразъёмных соединений металлических изделий способом сваривания. Совмещение нескольких видов сварки, является основополагающим способом получения неразъемного соединения, сформированного на принципах лазерной и дуговой, лазерной и плазменной, лазерной двухлучевой или лазерной сварки под действием светового луча [1].
Совмещение отличных друг от друга подходов, образующих полноценный технологический процесс, представляет собой практичный способ устранения недостатков используемых видов сварки с обоснованной целью - увеличение качества получаемого неразъемного соединения, выполненного сваркой [2].
Параллельное воздействие струи плазмы и лазерного луча представляет собой одно из главных достижений промышленности, открывающих, например, решение к задаче о соединении нержавеющих сталей (подробная информация о классификации марок нержавеющих сталей представлена в табл. 1) толщиной от 0,3 до 15,0 мм [3].
Таблица 1
Классификация марок нержавеющих сталей
Table 1
Classification of stainless steel grades
|
Маркировка стали |
Тип стали |
Сфера применения |
Химический состав, в % |
|
12Х18Н10Т |
хромоникелевые стали аустенитного класса |
для изготовления свариваемой аппаратуры в разных отраслях промышленности |
Cr: 17-19 |
|
08Х18Н10Т |
хромоникелевые стали аустенитного класса |
для изготовления сварных изделий, работающих в средах более высокой агрессивности, чем сталь марок 12Х18Н10Т и 12Х18Н9Т |
Cr: 17-19 Ti: до 0,7 |
|
08Х18Г8Н2Т |
хромомарганценикелевые стали аустенито-ферритного класса |
для изготовления свариваемой аппаратуры, работающей в агрессивных средах, в химической, пищевой и других отраслях промышленности |
Cr: 17-19 |
|
08Х17Н13М2, 08Х17Н13М2Т |
хромоникелевые молибденовые стали аустенитного класса |
для технологического оборудования химической промышленности |
Cr: 16-18 |
|
08Х22Н6Т |
хромоникельмолибденовые стали аустенитно-ферритного класса |
для изготовления свариваемой аппаратуры в химической, пищевой и других отраслях промышленности, работающей при температуре не более 300ºС |
Cr: 21-23 |
|
08Х18Н10 |
хромоникелевые стали аустенитного класса |
для изделий, подвергаемых термической обработке (закалке) |
Cr: 17-19 |
Необходимо обратить внимание на относительную безопасность и экономичность устройств плазменной (схема, которой представлена на рис.1) и твердотельной (активное тело устройства, установленное в осветительной камере, представляет из себя рубиновый стержень или неодим-примесное стекло, подвергнутое легированию [4]; накачивающая лампа, вызывающая сильные световые вспышки, применяется для изменения нейтрального состояния атомов активного тела на возбуждённое (рис. 2)) лазерной сварок в отличии от других сварочных систем, использующих баллоны с ацетиленом, пропаном и кислородом - минимизируется опасность причинения вреда здоровью специалиста во время выполнения работ [5].
Рис. 1. Схематичное представление плазменно-сварочных работ
Fig. 1. Schematic representation of plasma welding operations
Рис. 2. Схема твердотельного лазерного устройства
Fig. 2. Diagram of a solid-state laser device
Сильный нагрев металла струей плазмы (рис. 3) приводит к преобразованию оптических характеристик плоскости металла - меняется показатель поглощения, определяющий степень взаимодействия лазерного потока с поверхностью. Данное явление наиболее важно при работе с лазерными установками малых мощностей, эффективность которых непосредственно зависит от коэффициента поглощения лазерного излучения [6]. Нетрудно догадаться, что себестоимость сварочного аппарата будет напрямую исходить из полезной мощности устройства [7].
Рис. 3. Схема процесса последовательной лазерно-плазменной сварки
Fig. 3. The scheme of the process of sequential laser-plasma welding
Рассматриваемый способ гибридизации двух видов сварки имеет место быть не только в стальной промышленности, но и в сфере обработки алюминиевых сплавов.
Такие проблемы как: неустойчивость хода плазменной дуги при больших темпах движения сварочного аппарата; понижение эффективности лазерного излучения; образование окисной пленки в течение сварки - становятся устранимыми в условиях современной промышленности за счет принципиально новой методики сварки тонколистовых алюминиевых сплавов, в основу которой заложен принцип совмещенной работы маломощного лазерного луча и микроплазменной дуги инверсионной полярности (рис. 4) [8].
Рис. 4. Схема микроплазменной сварки на обратной полярности
(1 – электрод, 2 – сопло, 3 – плазменный факел, 4 - катод)
Fig. 4. Reverse polarity microplasma welding scheme
(1 – electrode, 2 – nozzle, 3 – plasma torch, 4 - cathode)
Например, при гибридной сварке сплава алюминия 0,35 мм толщиной при токе 22 Ампер и мощности пучка в 250 Вт становится возможным добиться темпов сварки в 9 метров в минуту с первоклассным очищением поверхности металла (ширина шва - от 1,0 до 1,2 мм) [9]. При этом таких результатов невозможно достигнуть, пользуясь только микроплазменной или лазерной сварками, которые априори не допускают возможность выполнять сварку на скоростях, близких к 3 метрам в минуту. Более подробно ознакомиться с преимуществами и недостатками каждого из способов можно в табл. 2 [10].
Таблица 2
Сравнительная характеристика сварок лазером и плазмой
Table 2
Comparative characteristics of laser and plasma welds
|
|
Лазерная сварка |
Плазменная сварка |
|
Точность сварки |
Взаимодействие с поверхностью металла невероятно точное, исключатся колебания и скачки лазерного пучка. Эти аспекты становятся актуальными, когда речь идёт о высоком уровне соответствия проекту |
Нестабильность дуги плазмы несёт в себе негативный характер: вырезы и углы получаются менее чёткими |
|
Скорость сварки |
Скорость соединения тонких металлов значительно выше, однако с увеличением толщины она падает в разы быстрее, чем при сварке плазмой |
Плазменный факел уступает лазеру в скорости сварки тонких металлов, но при увеличении толщины соединяемых изделий скорость падает значительно медленнее |
|
Природа свариваемых изделий |
- металлы - стекло - пластмассы - керамика |
- металлы |
|
Качество сварного шва |
Обеспечение минимальных деформаций в области вокруг шва за счёт отсутствия критического нагрева |
Относительно меньшая точность и качество сварного шва компенсируются экономичностью при работе с металлами шириной до 150 мм |
|
Стоимость оборудования |
От 1 млн. руб и выше |
От 100.000 рублей и выше |
Результаты
Данный способ сварки, основные нюансы которого были рассмотрены в статье, в условиях импортозамещения можно использовать в массовом производстве.
Уровень общественного прогресса и быстро растущая в сложившейся ситуации необходимость в точном оборудовании на частных и государственных предприятиях, являются главными мотиваторами к разнонаправленным исследованиям и их характерным совершенствованиям в области лазерно-плазменной сварки [11].
Заключение
Главные достоинства данного метода сварки заключаются в следующем:
- увеличение скорости сварки (речь идет об увеличении скорости, превосходящей обычное арифметическое сложение скоростей);
- отсутствие зависимости от оптических свойств поверхности;
- проводится очистка поверхности металлов алюминиевых сплавов от пленки окиси Al2O3;
- преобразование теплопроводного режима в режим глубокого проплавления обеспечивается понижением температуры поверхности ванны расплава [12].
На основании выполненного обзора определено, что на сегодняшний день данный метод соединения металлических изделий встречается намного реже как в теории, так и на практике ввиду своей узкой специализации на производстве. Научная новизна состоит в том, что в проделанной работе проводится систематизация имеющихся данных плазменной и лазерной сварок, поскольку существующие исследования практически не рассматривают их гибридизацию. Кроме того, в литературе почти что не встречаются труды, посвященные детальному анализу заявленной проблемы. Описанные в статье преимущества гибридной сварки являются убедительным аргументом для развития и последующего введения в широкую эксплуатацию сварочных систем, основанных на принципе совмещенного использования лазера и плазмы.
1. Zabelin AM, Orishin AM, Chirkov AM. Laser technologies of mechanical engineering. Novosibirsk: NSU; 2004.
2. Classification of stainless steels [Internet]. Available from: https://nzmetallspb.ru/stanki/klassifikatsiya-nerzhaveyushhih-stalej-i-ih-markirovka.html.
3. Krasnopevtsev IV. Evaluation of technical and economic indicators of various ways to connect car body parts. Science Vector of Togliatti State University. 2016;3(37):9-15.
4. Banov MD, Masakov VV, Plyusnina NP. Special methods of welding and cutting. Moscow: Publishing Center "Academy"; 2009.
5. Reizgen U, Olshok S. Hybrid laser-arc submerged welding. Automatic Welding. 2009;4:46-51.
6. Grigoryants AG, Shiganov IN, Chirkov AM. Hybrid laser welding technologies. Moscow: Publishing House of Bauman Moscow State Technical University; 2004.
7. Solomatov VB. Plasma welding of aluminum alloys. RHYTHM: Repair. Innovations. Technologies. Modernization. 2014;7(95):54-55.
8. Sosnin NA. Selection of plasma welding parameters. Engineering Journal. 2013;12 (201):3-8.
9. Aleshin NP, Chernyshev GG, editors. Welding. Cutting. Control: handbook. Moscow: Mechanical Engineering. 2004;1:133-151.
10. Shiganov IN, Shakhov SV, Tarasenko LV, Plokhikh AI. Influence of laser welding speed on properties and the structure of aluminum alloys alloyed with lithium and scandium. Tekhnologiya Mashinostroeniya. 2005;10:23-28.
11. Paul K, Riedel F. Hybrid laser welding - combining efforts. Photonics. 2009;1:2-56.
12. Plasma welding. Science and Technology [Internet]. Available from: http://neftegaz.ru/science/view/558-Plazmennaya-svarka.
