Книги, научные публикации
Pages: | 1 | 2 | -- [ Страница 1 ] --
й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun ГИБРИДНЫЕ ЛАЗЕРНО-ДУГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ СВАРКИ И ОБРАБОТКИ
МАТЕРИАЛОВ (ОБЗОР) Х Эффекты совместного воздействия лазерного пучка и электрической дуги на обрабатываемое изделие Развитие лазерно-дуговых процессов началось в конце 1970-х годов. Идея совместно использовать лазерный пучок и электрическую дугу для сварки и других видов обработки металлов таким образом, чтобы оба источника тепла воздействовали на изделие в пределах одной зоны нагрева, принадлежит английскому ученому Стину (W. M. Steen), который защитил свое изобретение рядом патентов [5-8]. Он предложил способы сварки, резки, сверления и обработки поверхности, при которых на обрабатываемое изделие направляют лазерный пучок и одновременно в зоне теплового воздействия лазерного излучения возбуждают дугу между электродом и изделием. Совместно с другими учеными он также выполнил первые экспериментальные исследования эффектов лазерно-дугового воздействия на обрабатываемый металл [9-14] и применил комбинированный способ сварки в конкретном производстве [15].
Практически все отличительные особенности новых лазерно-дуговых процессов по сравнению с дуговыми и лазерными способами металлообработки освещены в работах [9, 10, 12], поэтому остановимся на них более подробно.
Схема экспериментальной установки для реализации комбинированных процессов сварки и резки металлов приведена на рис. 1.1. В экспериментах использовался СO2-лазер непрерывного действия мощностью 2 кВт. С помощью поликристаллической KCl линзы с фокусным расстоянием 75 мм лазерный пучок диаметром 1 см фокусировался на поверхность образца в пятно размером 250Е350 мкм. При этом он проходил через отверстие в медном сопле диаметром 3 мм в экспериментах по сварке или 1 мм в экспериментах по резке.
Через сопло лазерной головки в зону обработки подавался гелий или кислород соответственно для сварки или резки. В качестве источника питания дуги й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, использовался аппарат для сварки неплавящимся электродом в инертном газе при токах до 250 А (либо сварочный генератор на ток до 400 А в комплекте с осциллятором). Дуговая горелка могла быть установлена как с той же стороны образца, на которую направлялся лазерный пучок, так и с противоположной (см. рис. 1.1). Вольфрамовый электрод горелки, защищаемый потоком аргона, во всех экспериментах был катодом, а изделие - анодом.
При осуществлении лазерно-дуговых процессов сварки и резки были отмечены следующие эффекты. Если оба источника тепла располагались с одной и той же стороны изделия, электрическое сопротивление дуги в режиме устойчивого горения (ток 100 А) под воздействием лазерного излучения уменьшалось, о чем свидетельствовало снижение напряжения на дуговом промежутке при одновременном росте тока (рис. 1.2, а). Кроме того, анодная область дуги привязывалась к плазменному факелу, создаваемому над поверхностью металла лазерным пучком. При меньших токах (70 А) неустойчивое горение дуги, связанное с блужданием анодного пятна, сменялось устойчивым (рис. 1.2, б) вследствие стабилизации ее анодной области в зоне воздействия на образец лазерного излучения. Последний эффект наблюдался и в том случае, когда источники тепла располагались по разные стороны изделия, при условии, что температура металла под пятном лазерного нагрева не менее чем на 400 К превышала температуру окружающей поверхности.
й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Рис. 1.1. Схемы реализации лазерно-дуговых процессов сварки и резки с распо ложением лазерного пучка и дуги с неплавящимся электродом с одной стороны изделия (а) и с разных сторон (б) [12] а б Рис. 1.2. Осциллограммы тока и напряжения на дуге: (а) - снижение электричес кого сопротивления дуги при лазерно-дуговой сварке малоуглеродистой стали толщиной 3 мм на скорости 22,5 мм/с;
(б) - стабилизация неустойчивого горения дуги под воздействием лазерного пучка при сварке той же стали толщиной 2 мм на скорости 45,0 мм/с [10] й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Эффекты привязки анодного пятна дуги и стабилизации ее горения в комбинированном процессе даже при малых токах позволили значительно увеличить скорость сварки по сравнению не только с дуговой, но и с лазерной.
На рис. 1.3 приведены зависимости скорости сварки от тока дуги при полном проплавлении образцов из различных металлов (значения мощности лазерного излучения указаны на рисунке). Наибольшее увеличение скорости (в 4 раза) наблюдалось при сварке малоуглеродистой стали толщиной 0,2 мм (кривая б) по схеме с расположением дуги и лазерного пучка с разных сторон изделия.
Более скромные результаты (примерно двукратное увеличение скорости) получены для титана толщиной 0,8 мм (кривые а) и малоуглеродистой стали толщиной 2 мм при расположении дуги и лазерного пучка по одну сторону изделия. В последнем случае наблюдался еще один важный эффект, а именно отсутствие подрезов, характерных для высокоскоростной дуговой сварки.
Существенное увеличение скорости обработки по сравнению с лазерной было достигнуто и в опытах по лазерно-дуговой резке малоуглеродистой стали толщиной 3 мм с расположением лазерного пучка и дуги по разные стороны изделия. На рис. 1.4 представлены зависимости скорости резки от величины вводимой в металл тепловой энергии. До тех пор, пока прирост тепловложения в изделие за счет дуги не достигал величины, приблизительно равной тепловому вкладу от лазерного излучения (1870 Вт), наклон экспериментальной кривой не изменялся, а резка происходила так, как если бы просто увеличивалась мощность лазерного излучения. При этом качество реза сохранялось и оставалось сравнимым с качеством реза при лазерной обработке.
Выше указанного предела вводимой мощности ( 3800 Вт) рост скорости резки замедлялся, а качество реза заметно ухудшалось - рез переставал быть параллельным и расширялся со стороны дуги из-за оплавления дугой его боковых сторон. При воздействии обоих источников тепла с одной стороны изделия также не удалось добиться качественной резки вследствие блуждания дуги по кромкам реза.
й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Рис. 1.3. Зависимость скорости лазерно-дуговой сварки от тока дуги: (а) - титан толщиной 0,8 мм при расположении лазерного пучка и дуги с одной стороны образца;
(б) - малоуглеродистая сталь толщиной 0,2 мм при расположении источников тепла с разных сторон [10] Рис. 1.4. Зависимость скорости резки малоуглеродистой стали толщиной 3 мм от мощности, вводимой в изделие (вводимая мощность до 1870 Вт обес печивается только лазерным пучком, а выше указанной величины - ла зерным пучком и электрической дугой) [12] й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Авторы работ [9, 10, 12] пытаются дать трактовку описанных эффектов комбинированного воздействия на металлы при лазерно-дуговой сварке и резке на основе физических представлений. В работе [9] они, в частности, высказывают мнение, что причиной снижения напряжения на дуге под действием лазерного излучения (см. рис. 1.2, а) является уменьшение работы выхода анода в области пятна нагрева, создаваемого лазерным пучком, а, значит, и анодного падения потенциала, и связывают с этим эффект привязки анодной области дуги к зоне лазерного нагрева. С подобным мнением трудно согласиться, поскольку работа выхода анода, определяемая энергией Ферми (E.
Fermi) электронов металла, с одной стороны, слабо зависит от его температуры, а с другой, практически не влияет на анодное падение потенциала в электрической дуге. В работах [10, 12] авторы больше не возвращаются к вышеуказанному предположению и объясняют явление привязки тем, что при одностороннем расположении источников тепла дуга ведет себя в соответствии с принципом минимума Штеенбека (M. Steenbeck), а именно:
поскольку электропроводность лазерной плазмы, температура которой может достигать 20000 К, намного превышает электропроводность окружающего холодного газа, факел лазерной плазмы является предпочтительной, энергетически выгодной областью горения дуги. Соглашаясь с таким объяснением эффекта привязки анодной области дуги, следует отметить, что происходящее при этом взаимодействие излучения СO2-лазера с прианодной дуговой плазмой, приводит к повышению ее температуры, а, следовательно, и электропроводности. Именно это обстоятельство является причиной отмеченного в работах [10, 12] снижения напряжения на дуговом промежутке.
Можно также предположить, что при расположении дуги и лазерного пучка с разных сторон изделия, стабилизация анодного пятна в зоне лазерного нагрева металла не приведет к снижению напряжения на дуге (см. рис. 1.2, б) из-за отсутствия непосредственного взаимодействия лазерного пучка с дуговой плазмой.
й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, В работах [10, 12] констатируется, что эффект привязки анодной области дугового разряда к пятну лазерного нагрева проявляется при малых и средних токах дуги (менее 300 А). При больших токах может наблюдаться исчезновение указанного эффекта, что связано, по мнению авторов, с самостабилизацией дуги за счет мощной катодной струи, при наличии которой анодное пятно может перемещаться независимо от зоны нагрева, создаваемой лазерным пучком. Это рассматривается как одна из причин ухудшения качества комбинированной резки при увеличении тока дуги [12]. Высказывается также предположение, что увеличение тока дуги может привести к появлению нежелательного эффекта и в том случае, когда привязка анодной области дуги к факелу лазерной плазмы не исчезает (источники тепла расположены с одной стороны изделия). Это эффект отражения лазерного пучка плотной плазмой, который наблюдается при повышении плотности электронов в приповерхностной плазме выше критического значения (ne 1019 см-3 для полного отражения плазмой излучения СO2-лазера) и приводит к ограничению тепловложения в обрабатываемый металл. Авторы указанных работ считают этот эффект несущественным при токах дуги менее 300 А.
Явление привязки анодной области дуги к факелу лазерной плазмы не только обеспечивает улучшение стабильности горения дугового разряда в комбинированном процессе, но и приводит к такому важному эффекту, как контрагирование анодной области дуги. К этому заключению авторы работ [10, 12] приходят в результате сравнительного анализа профилей поперечных сечений сварных швов (рис. 1.5, 1.6), полученных в экспериментах по лазерно дуговой сварке (заштрихованные кривые) и вычисленных на основе математической модели проплавления металла (незаштрихованные кривые).
Локальный (в пределах общей зоны нагрева) вклад энергии лазерного и дугового источников тепла в изделие, наблюдающийся в условиях привязки анодного пятна дуги, дал основание авторам при построении математической модели рассматривать их как два коаксиально действующих цилиндрических й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Рис. 1.5. Изменение расчетной формы проплавления металла при лазерно-дуго вой сварке в зависимости от радиуса дугового источника тепла [10] Рис. 1.6. Сравнение экспериментальных и расчетных профилей проплавления металла при комбинированной сварке с использованием лазерного пуч ка мощностью 1,57 кВт и дуги мощностью 1,0 и 1,6 кВт при коэф фициенте использования мощности дуги 75 %, скорости сварки 33, мм/c и коэффициенте поглощения лазерного излучения плазмой 800 м- [10] й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, источника тепла, движущихся относительно образца. В модели предполагалось, что тепловая мощность, вводимая в изделие лазерным пучком, имеет гауссовское распределение по радиусу, а вводимая дугой - параболическое, и учитывались потери тепла поверхностью обрабатываемого металла за счет конвекции и излучения. Допускалось также, что в комбинированном процессе, как и при лазерной сварке, имеет место эффект проплавления в форме замочной скважины. Чтобы учесть этот эффект в используемой математической модели проплавления образца часть расчетной области, лежащая выше изотермы кипения металла, считалась частично прозрачной для лазерного излучения. При этом предполагалось, что мощность лазерного пучка в полости замочной скважины уменьшается по мере удаления от поверхности изделия по экспоненциальному закону [12].
Сравнивая экспериментальный и расчетные профили расплава на рис. 1. (значения параметров указаны на рис. 1.5, 1.6 и в подписях к ним), можно убедиться, что расчет формы проплавления металла при радиусе дугового источника тепла 0,5 мм и мощности, вкладываемой им в изделие, 750 Вт, дает профиль шва, максимально близкий к наблюдаемому в экспериментах по лазерно-дуговой сварке с использованием дуги полной мощностью 1000 Вт. В то же время, ссылаясь на литературные данные, авторы работ [10, 12] отмечают, что свободногорящая дуга такой мощности имеет радиус теплового воздействия 1,5 мм. Аналогично дуга мощностью 1600 Вт (радиус теплового воздействия в отсутствие лазерного излучения 2,0 мм) в комбинированном процессе создает профиль расплава, соответствующий расчетному при радиусе источника тепла 1,0 мм и эффективной мощности 1200 Вт (см. рис. 1.6).
Сопоставление этих данных позволило авторам сделать вывод о том, что анодная область дуги под влиянием лазерного излучения контрагирует, причем степень контрагирования уменьшается с ростом тока.
Предложенное в работе [12] объяснение указанного эффекта основывается на том, что контрагирование анодной области дуги может быть результатом й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, действия двух факторов. С одной стороны, это возникновение вблизи оси дуги под влиянием сфокусированного лазерного излучения высокотемпературной области плазмы с повышенной концентрацией заряженных частиц, а с другой стороны - появление истекающей из пятна лазерного нагрева струи паров металла, имеющих более низкий потенциал ионизации, чем окружающий газ.
Локальное увеличение электропроводности плазмы под действием обоих факторов приводит к сосредоточению тока в приосевой зоне анодной области дуги, т.е. к ее контрагированию. Оба рассмотренных механизма могут вносить соизмеримый вклад в результирующий эффект контрагирования, если в комбинированных процессах используется излучение СO2-лазера, как, например, в работах [9, 10, 12]. Относительная значимость этих механизмов может однако измениться при изменении длины волны лазерного излучения.
Такой вывод позволяют сделать результаты аналогичных исследований, выполненных автором данного обзора, по лазерно-дуговой сварке нержавеющей стали с использованием твердотельного ИАГ-лазера (мощность до 400 Вт) и аргоновой дуги с неплавящимся электродом (ток до 100 А) [16].
Основной причиной эффекта контрагирования анодной области дуги, наблюдающегося и в этом случае, можно считать только интенсивное испарение металла из зоны лазерного воздействия, т.к. образование вблизи оси дуги высокотемпературной области плазмы, поддерживаемой лазерным пучком, маловероятно из-за низкого коэффициента поглощения плазмой лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм (примерно на два порядка ниже, чем излучения СO2-лазера).
В работах [10, 12] показано, что профили швов при комбинированной сварке близки к расчетным профилям проплавления, если коэффициент использования энергии дуги выбирается равным 0,75 (см. рис. 1.5, 1.6), в то время как для обычного дугового источника тепла он составляет лишь 0,5. Это свидетельствует о более эффективной передаче энергии электрической дуги металлу под действием лазерного излучения, в результате чего тепловой й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, эффект комбинированного воздействия превосходит простую сумму тепловых эффектов лазерного и дугового источников тепла, взятых по отдельности.
Кроме того, совпадение экспериментального профиля шва с расчетным (см.
рис. 1.6) для случая, когда единственным источником тепла является лазерный пучок мощностью 2320 Вт, равной сумме мощностей лазерного источника (1570 Вт) и дугового при коэффициенте использования энергии дуги 0, (0,751000 Вт), дает основание утверждать, что дуга, контрагируя, действует в комбинированном процессе подобно сфокусированному лазерному пучку.
Упомянутые эффекты связываются в работе [12] с проникновением анодной области дуги в полость замочной скважины, создаваемой лазерным пучком.
Не отрицая важной роли явления проникновения прианодной плазмы в замочную скважину при лазерно-дуговой сварке и резке, следует отметить, что повышение эффективности теплового воздействия дуги на изделие будет наблюдаться в комбинированных процессах и при отсутствии глубокого проплавления. Главной причиной повышения эффективности дугового нагрева является изменение под влиянием лазерного излучения характера протекания анодных процессов и, как следствие, увеличение энергии, вкладываемой дугой в анод. Именно поэтому этот эффект будет присутствовать не только при лазерно-дуговой сварке или резке, но и при термической обработке поверхности.
Завершая обзор работ [9, 10, 12], следует обратить внимание на важный вывод, к которому приходят авторы на основе анализа особенностей комбинированного воздействия на металлы при лазерно-дуговой сварке и резке. Это вывод о существовании взаимосвязи лазерного и дугового источников тепла, приводящей к нарушению аддитивности теплового воздействия лазерного пучка и электрической дуги на изделие. Последнее означает, что комбинированный лазерно-дуговой источник тепла может обеспечить более высокую скорость металлообработки, чем дуговой или лазерный источники в отдельности при эффективной мощности каждого из й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, них, эквивалентной суммарной мощности источников в условиях отсутствия взаимодействия между ними. Иными словами, совместное использование лазерного пучка и электрической дуги дает возможность при значительно меньшей мощности лазерного излучения достичь такой же производительности процесса, как и в случае обычной лазерной сварки или резки (мощность лазерного излучения, естественно, должна быть достаточна для обеспечения стабилизации анодной области дуги в пятне лазерного нагрева и ее контрагирования). Необходимо отметить и то немаловажное обстоятельство, что комбинированное использование лазерного пучка и дугового разряда позволяет повышать производительность процессов металлообработки не за счет дорогостоящей энергии лазерного излучения, а за счет гораздо более дешевой энергии электрической дуги. В этом состоит одно из основных преимуществ лазерно-дуговых способов соединения и обработки металлов.
Х Схемы практической реализации лазерно-дуговых и лазерно плазменных способов сварки, резки и обработки поверхности В конце 1970-х годов, вслед за английскими учеными, активную разработку различных способов лазерно-дуговой сварки, резки и обработки поверхности, а также устройств для их осуществления начали японские исследователи. Так, в 1977 г. Хамазаки (M. Hamasaki) предложил для увеличения глубины проплавления при сварке дугой с неплавящимся электродом (ДНЭ) в инертном газе направлять в сварочную ванну (несколько позади дуги по ходу сварки) сфокусированный лазерный пучок через специальное отверстие, выполненное в корпусе дуговой горелки [17]. Тем самым он запатентовал способ сварки, обеспечивающий комбинированное, в пределах общей сварочной ванны, воздействие на изделие лазерного излучения и электрической дуги с неплавящимся электродом (Л+ДНЭ).
В начале 1980-х годов, в течение буквально двух-трех лет, в Японии появляется целый ряд оригинальных технических решений, направленных на й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, практическое осуществление различных лазерно-дуговых процессов металлообработки. Если следовать хронологии развития новых методов обработки, в которых совместно используются лазерный пучок и дуговой разряд, то следует отметить, что уже в 1982 г. группа японских ученых высказала идею применить сфокусированное лазерное излучение в качестве дополнительного источника тепла при дуговой сварке плавящимся электродом в защитных газах [18]. Однако речь еще не шла о комбинированном воздействии на металл, а, значит, и о реализации лазерно-дугового процесса, поскольку ставилась цель использовать лазерный пучок всего лишь как вспомогательный инструмент для термообработки шва после сварки. Для этого предлагалось позади дуговой горелки на некотором удалении от нее установить лазерную головку и в процессе сварки осуществлять ее колебания поперек шва.
В это же время другая группа японских исследователей также вплотную подошла к изобретению комбинированного лазерно-дугового процесса применительно к сварке плавящимся электродом, предложив при лазерной сварке подавать присадочную проволоку в факел приповерхностной плазмы несколько впереди лазерного пучка [19] и осуществлять ее подогрев с помощью дополнительного источника тепла (вспомогательной дуги, пламени газовой горелки и т. п.) [20]. В следующем варианте лазерной сварки с присадкой, в котором авторы предусмотрели подогрев обратной стороны шва электрической дугой [21], по существу была предложена схема комбинированного лазерно дугового процесса сварки с расположением источников тепла по разные стороны изделия, поскольку зоны теплового воздействия лазерного пучка и дуги объединялись в пределах единой сварочной ванны.
Придерживаясь и далее хронологической последовательности возникновения новых комбинированных способов соединения и обработки металлов с использованием лазерного излучения и электрической дуги, отметим заявку [22], в которой авторы предлагают в зазор стыкового соединения при лазерной сварке помещать присадочный металл и сначала й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, расплавлять его дуговой горелкой с неплавящимся электродом, а затем, переместив расплавленный участок шва под лазерную головку, не дожидаясь остывания ванны, производить лазерный переплав. Очевидно, что в данном случае, как и в заявке [18], нельзя говорить об осуществлении комбинированного лазерно-дугового процесса, поскольку отсутствует одновременное воздействие лазерного и дугового источников тепла на изделие.
Упомянем здесь и заявку [23], также касающуюся совместного использования ДНЭ и излучения лазера при осуществлении комбинированного процесса сварки. В ней фактически предлагается применить схему лазерно-дуговой сварки, известную из работ Стина (см., например, [10]), с расположением лазерного пучка и дуги соответственно с лицевой и обратной стороны изделия для выполнения кольцевых швов на трубопроводах с целью исключения чрезмерного усиления шва и непроваров.
Наконец, Хамазаки, автор уже упомянутого ранее изобретения [17], в конце 1982 г. предложил способ сварки [24-26], при котором осуществляют одновременное проплавление обрабатываемого металла дугой с плавящимся электродом (ДПЭ), горящей в защитном газе, и лазерным излучением, причем лазерный пучок фокусируют вблизи дна кратера, образуемого дугой. При осуществлении этого способа лазерная головка и горелка для сварки плавящимся электродом располагаются над поверхностью металла таким образом, что лазерный пучок находится несколько впереди дуги по ходу сварки. Это изобретение положило начало развитию лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом (Л+ДПЭ) в защитных газах.
Приблизительно год спустя в заявке [27] было предложено оригинальное устройство для осуществления комбинированной лазерно-дуговой сварки неплавящимся электродом, т.е. Л+ДНЭ процесса. В нем лазерный пучок направляется на изделие вдоль оси сопла дуговой горелки, через которое подается рабочий инертный газ (рис. 1.7). Коаксиально пучку на цилиндрическом изоляторе размещают четыре пары вольфрамовых электродов й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, (катодов). В сопло подается также защитный газ. Сварка осуществляется при одновременном горении двух дуг с диаметрально расположенных электродов (впереди и позади пучка). Другой вариант конструкции предусматривает установку вместо набора стержневых катодов специального сопла, выполняющего роль электрода дуги (рис. 1.8).
В заявке [28] и в патенте [29], опубликованных в середине 1980-х годов, также предлагается в качестве электрода дуги в устройстве для лазерно-дуговой сварки, резки и термообработки поверхности использовать кольцеобразный неплавящийся электрод, установленный на торце сопла фокусирующей лазерной головки. Как считают авторы этого изобретения, такая конструкция устройства повышает эффективность лазерного нагрева металла, т.к. плазма дуги, поглощая энергию лазерного излучения, передает ее затем изделию более эффективно, чем непосредственно лазерный пучок. Благодаря этому становится возможной сварка таких высокотеплопроводных металлов, как алюминий и медь. Отметим, что предложенное устройство, также как и описанное в заявке [27], позволяет реализовать особый тип разряда - комбинированный лазерно дуговой разряд [30], характерной чертой которого является существенное взаимодействие сфокусированного лазерного излучения с плазмой столба электрической дуги.
Чтобы увеличить срок эксплуатации кольцевого электрода и уменьшить зону термического влияния при лазерно-дуговой обработке, те же авторы предложили усовершенствовать описанное устройство путем использования дополнительного наружного водоохлаждаемого сопла, через которое подается инертный газ [31]. Последний, кроме своей основной функции - защиты металла шва от окисления атмосферным кислородом, будет выполнять и другие важные функции, а именно: способствовать охлаждению электрода, увеличивая срок его службы, а также обжимать дуговую плазму, т.е. реализовать плазменную дугу (ПД). При этом зона термического влияния уменьшится й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, настолько, что становится возможным применение устройства и для резки металлов. Это усовершенствование фактически привело авторов к созданию на й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Рис. 1.7. Устройство для лазерно-дуговой (Л+ДНЭ) сварки: 1 - штыревые катоды (расположенные по окружности);
2 - сопло для подачи защитного газа;
- цилиндрический изолятор;
4 - изделие;
5 - сфокусированный лазерный пучок;
6 - электрическая дуга;
7, 8 - защитный инертный газ [27] Рис. 1.8. Устройство для Л+ДНЭ сварки: 1 - кольцевой электрод (катод);
2 - сопло для подачи защитного газа;
3 - изделие;
4 - фокусирующая линза;
5 - лазерный пучок;
6 - электрическая дуга;
7 - инертный газ;
8 - защитный инертный газ [27] й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, основе комбинированного разряда плазмотрона прямого действия для лазерно плазменной (Л+ПД) обработки металлов.
Скомбинировать лазерное излучение и сжатую плазменную дугу для получения двустороннего шва предложил и автор заявки [32] в способе сварки, согласно которому лазерный пучок и дуга располагаются по разные стороны изделия - соответственно с лицевой и обратной стороны шва. Естественно, что говорить здесь о непосредственном взаимодействии лазерного излучения с дуговой плазмой и возникновении комбинированного разряда можно только при условии сквозного проплавления образца.
В заявке [33], опубликованной в 1985 г., было предложено устройство для резки, сварки, закалки и напыления, в котором совместно используются лазерное излучение и плазменная струя. Плазменная струя (ПС) создается дугой, зажигаемой в кольцевом зазоре между двумя электродами, роль которых выполняют сопло лазерной головки и расположенное коаксиально с ним наружное водоохлаждаемое сопло (рис. 1.9). Плазмообразующий газ подается как в лазерную головку, так и в кольцевой зазор между двумя электродами (соплами) и формирует на выходе плазменную струю, соосную с лазерным пучком. Описанное устройство можно рассматривать как один из первых плазмотронов косвенного действия, предназначенных для реализации лазерно плазменных (Л+ПС) процессов металлообработки.
Известна еще одна схема реализации лазерно-дугового процесса с расположением источников тепла по разные стороны изделия, на которой основан способ комбинированной сварки лазером и дугой с плавящимся электродом в защитных газах, предназначенный для выполнения стыковых соединений с Y-образной разделкой кромок [34]. В этом способе дуговую горелку располагают со стороны разделки, т.е. с лицевой стороны шва, а лазерную головку - с обратной стороны шва. Сварку лазерным пучком производят со сквозным проплавлением, в результате чего значительный объем лазерной плазмы выдувается в разделку. Тем самым, во-первых, увеличивается й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, эффективность использования энергии лазерного излучения и, во-вторых, повышается стабильность горения дуги благодаря присутствию в разделке лазерной плазмы. Способ обеспечивает сварку толстолистовых металлов за один проход при использовании лазера небольшой мощности.
Работа по созданию новых схем и устройств для реализации лазерно дуговых процессов соединения и обработки материалов не прекратилась и в последнее десятилетие. В частности, в научно-технической литературе этого периода находим сведения о способе Л+ПС резки с расположением источников тепла по разные стороны изделия [35], а также о способе Л+ПД сварки, реализованным по новой схеме [36-38]. В отличие от схемы, предложенной ранее [31], согласно которой лазерный пучок и плазменная дуга соосны, в работе [36] ось лазерного пучка и ось плазменной горелки направлены под углом друг к другу (рис. 1.10). Подобная схема практической реализации процесса Л+ПД сварки, предусматривающая подачу присадочной проволоки в зону сварки (рис. 1.11), приводится и в обзорной статье [39], в которой рассматриваются и другие известные способы реализации комбинированных процессов.
К соосному объединению плазменной дуги и лазерного пучка возвращаются авторы более поздних публикаций [40-43], в которых речь идет о создании специализированных устройств - интегрированных плазмотронов для реализации Л+ПД процессов сварки [40, 41] и порошковой наплавки [42, 43].
Основной особенностью таких устройств является конструкция катодного узла (тугоплавкий трубчатый катод или система штыревых катодов, расположенных по окружности) позволяющая подавать сфокусированное лазерное излучение в зону обработки вдоль оси плазмоформирующего канала плазмотрона (рис.
1.12). Интегрированные плазмотроны не только обеспечивают требуемую коаксиальность воздействия лазерного пучка и плазменной дуги на изделие в пределах общей зоны нагрева, но, в случае использования СО2-лазера (когда возможно возникновение лазерно-дугового разряда [30]), фактически являются й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Рис. 1.9. Устройство для реализации лазерно-плазменных (Л+ПС) процессов: 1 - сопло лазерной головки;
2 - внешнее водоохлаждаемое сопло (анод);
3 - изделие;
4 - линза;
5 - лазерный пучок;
6 - электрическая дуга;
7, 8 - плазмообразующий газ;
9 - напыляемый материал (в случае лазерно плазменного напыления) [33] Рис. 1.10. Схема процесса лазерно-плазменной (Л+ПД) сварки [36] й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Рис. 1.11. Схема процесса Л+ПД сварки с присадочной проволокой [39] Рис. 1.12. Интегрированный плазмотрон для реализации комбинированных (Л+ПД) процессов сварки и обработки металлов: 1 - тугоплавкий труб чатый катод;
2 - водоохлаждаемое плазмоформирующее сопло;
3 - сфокусированный лазерный пучок;
4, 5 - плазмообразующий газ;
6 - изделие (анод);
7 - защитный газ;
8 - сопло для подачи защитного газа;
9 - лазерно-дуговой разряд й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, плазменными генераторами нового типа, действующими на основе комбинированного разряда, как особого типа газового разряда. По аналогии с дуговыми плазмотронами они могут быть прямого действия (когда изделие является одним из электродов дуги) и косвенного действия, т.е. генерировать бестоковую плазменную струю. Как технические средства для реализации различных технологических процессов интегрированные лазерно-дуговые плазмотроны могут использоваться не только в процессах сварки и обработки материалов, связанных с воздействием на поверхность изделия, но и в технологических процессах, использующих весь объем плазмы, таких, например, как порошковая наплавка или напыление.
В качестве примера интегрированного плазмотрона коаксиальной схемы можно привести устройство для микроплазменной, лазерной и комбинированной (лазерно-микроплазменной) сварки нержавеющей стали, титановых и алюминиевых сплавов толщиной до 3 мм в автоматическом и ручном режимах (рис. 1.13, 1.14), которое разработано специалистами ИЭС им.
Е.О. Патона и КБ Южное с перспективой использования для выполнения ремонтных работ в космических условиях. Данное устройство представляет собой двухэлектродный плазмотрон, имеющий вольфрамовый катод диаметром 1,5 мм для работы на прямой полярности и вольфрамовый электрод диаметром 2,5 мм для работы в режиме разнополярных импульсов тока, установленные внутри водоохлаждаемого корпуса. Электроды расположены диаметрально под углом 21о к оси плазмотрона и имеют возможность перемещения вдоль своих осей. Плазмотрон имеет сменное плазмоформирующее сопло, изготовленное из меди или молибдена, с диаметром выходного канала 2Е3 мм и внешнее сопло для подачи защитного газа.
Предложенная конструкция интегрированного плазмотрона позволяет вводить сфокусированный лазерный пучок в зону сварки вдоль оси плазмоформирующего канала. Для этой цели в верхней части корпуса предусмотрен стыковочный узел (см. рис. 1.13) для подсоединения плазмотрона й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Рис. 1.13. Внешний вид интегрированного плазмотрона для автоматической и ручной лазерно-микроплазменной сварки Рис. 1.14. Лазерно-микроплазменная сварка в автоматическом режиме й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, к стандартной фокусирующей системе RSY-FM-D160Z HP/2 c регулируемым фокусным расстоянием 160 6 мм, которая соединяется со световодом посредством коллиматора RSY-KM-B120 HPW/2. Плазмотрон предназначен для работы с пучком излучения твердотельного ИАГ-лазера мощностью до кВт (размер пятна фокусировки 0,6Е1,0 мм) при токах микроплазменной дуги прямой полярности до 50 А (в случае сварки сталей и титановых сплавов) или при использовании разнополярных импульсов тока амплитудой до 35 А (в случае сварки алюминя). Испытания плазмотрона продемонстрировали высокую стабильность его работы в широком диапазоне режимов сварки.
Принципиально новая схема реализации комбинированных процессов сварки с использованием ИАГ-лазера, которая также обеспечивает коаксиальность теплового и динамического воздействия лазерного пучка и электрической дуги на поверхность свариваемого металла, предложена в работе [44], опубликованной японскими учеными. Согласно этой схеме лазерный пучок после коллимирующей линзы с помощью системы зеркал разделяется на два пучка, как показано на рис. 1.15, которые затем фокусируются посредством двух собирающих линз в общий фокус, находящийся на поверхности изделия.
Электрод дуги (плавящийся или неплавящийся) располагается в пространстве между указанными пучками несколько выше зоны их объединения и устанавливается нормально к поверхности металла. Внешний вид сварочных головок для реализации Л+ДНЭ и Л+ДПЭ сварки по описанной выше схеме показан на рис. 1.16. Кроме того в статье [44] приводится подробный анализ результатов исследования технологических возможностей применения разработанных устройств, включая фотографии поверхностей и макрошлифов поперечных сечений швов, выполненных Л+ДНЭ и Л+ДПЭ сваркой на стали и алюминии.
В работе [45], представляющей обзор результатов исследований по лазерно-дуговой сварке, выполненных немецкими учеными, кроме уже известных способов комбинированной сварки (Л+ДНЭ, Л+ПД, Л+ДПЭ), описан й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Рис. 1.15. Схема устройства для Л+ДНЭ и Л+ДПЭ сварки с разделением лазер ного пучка на две части и последующим их сведением в общий фокус [44] а б Рис. 1.16. Внешний вид сварочных головок для Л+ДНЭ (а) и Л+ДПЭ (б) сварки с разделением лазерного пучка [44] й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, новый гибридный процесс, заключающийся в совместном использовании лазерного пучка и двух дуг с плавящимися электродами. Практическая реализация такого процесса потребовала создания специальной сварочной головки, внешний вид которой показан на рис. 1.17. Предложенная модульная конструкция головки предусматривает возможность изменения положения каждой из двух горелок для сварки плавящимся электродом относительно оси лазерного пучка и поверхности изделия. Наряду с возможностью раздельного регулирования режимов горения каждой ДПЭ, это позволяет использовать данное устройство для решения широкого круга сварочных задач.
Представляет интерес и более ранняя обзорная статья [46]. В ней, наряду со способами комбинированной лазерно-дуговой сварки, рассматриваются схемы и других гибридных процессов обработки материалов, в частности, плазменно-лазерного напыления. Отмечается, что применение лазерного излучения для оплавления напыленного с помощью плазменной струи слоя улучшает структуру, механические и функциональные свойства получаемого покрытия. В работе [46] приводятся четыре возможные схемы реализации процесса комбинированного напыления (рис. 1.18), обеспечивающие различные условия взаимодействия лазерного пучка и плазменной струи с напыляемым материалом. Сообщается, что при плазменно-лазерном нанесении покрытий достигается более высокая производительность, чем при физическом и химическом осаждении из паровой фазы. Очевидно, что наиболее перспективной является последняя из приведенных на рис. 1.18 схем, которая позволяет использовать лазерное излучение не только для нагрева напыляемого материала, но и для управления характеристиками ПС за счет взаимодействия лазерного пучка с плазмой.
Все рассмотренные выше схемы реализации лазерно-дуговых способов соединения и обработки материалов можно классифицировать по типу комбинированного процесса, а также по пространственному расположению источников тепла относительно изделия (табл. 1.1).
й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Рис. 1.17. Внешний вид сварочной головки для двухдуговой Л+ДПЭ сварки [45] Рис. 1.18. Схема процесса плазменно-лазерного напыления: 1 - образец;
2 - напыляемый материал;
3 - плазменная струя;
4 - лазерный пучок (вертикальные стрелки указывают направление движения образца) [46] й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Tаблица 1. Основные схемы практической реализации лазерно-дуговых процессов Тип комбинированного Расположение ла Области примене процесса (используемые зерного пучка и Литература ния процесса источники тепла) дуги [5, 12, 17, 27 с одной стороны сварка, резка, Л+ДНЭ 29, 39, 44, изделия сверление, закалка 45] с разных сторон Л+ДНЭ сварка, резка [10, 12, 23] изделия [24, 39, 44 Л+ДПЭ с одной стороны сварка 46] Л+ДПЭ с разных сторон сварка [34] сварка, резка, [31, 36, 38 Л+ПД с одной стороны наплавка 43, 45] Л+ПД с разных сторон сварка [32] сварка, резка, за Л+ПС с одной стороны [33, 46] калка, напыление Л+ПС с разных сторон резка [35] В заключение данного раздела следует отметить, что известные способы лазерно-дуговой сварки, резки, обработки поверхности (Л+ДНЭ, Л+ДПЭ, Л+ПД, Л+ПС) и большинство устройств для их практической реализации были предложены до начала 1990-х годов. В дальнейшем (судя по содержанию работ последнего десятилетия) ученые сосредоточили свои усилия в большей мере на изучении технологических возможностей лазерно-дуговых процессов металлообработки, а также на исследовании физических явлений, протекающих й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, при взаимодействии сфокусированного лазерного излучения с дуговой плазмой и их комбинированном воздействии на металлы.
Х Энергетические характеристики и технологические возможности лазерно-дугового источника тепла Параллельно с разработкой различных лазерно-дуговых процессов и устройств для их реализации происходило интенсивное накопление экспериментальных данных об энергетических характеристиках и технологических возможностях нового, комбинированного источника тепла. Исследовались параметры проплавления металла, производительность и качество лазерно-дуговой обработки в зависимости от соотношения мощностей лазерного пучка и электрической дуги, их взаимного расположения, условий фокусировки лазерного излучения и т.д. Эти исследования преследовали цель оценить перспективы промышленного применения того или иного комбинированного процесса и установить диапазон оптимальных режимов его реализации.
Как уже отмечалось выше, Стин был первым, кто начал изучать технологические возможности своего изобретения. Он исследовал эффективность совместного использования излучения СO2-лазера мощностью до 2 кВт и дуги с неплавящимся электродом при сварке и резке низкоуглеродистой стали малых толщин (0,2Е3,0 мм), при сварке титана толщиной 0,8 мм и жести различного состава, а также при наплавке толстолистовой (12 мм) малоуглеродистой стали. Им было установлено, что комбинированное воздействие этих источников тепла на изделие позволяет значительно увеличить глубину проплавления и производительность процесса, почти не снижая качества обработки по сравнению с лазерными способами.
Эффективность совместного нагрева обрабатываемого металла излучением СO2-лазера небольшой мощности и аргоновой дугой с вольфрамовым электродом (при расположении обоих источников тепла с одной стороны изделия) была доказана и в работах [47, 48]. Эксперименты по комбинированной сварке углеродистых и нержавеющих сталей, никелевых й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, сплавов, латуни и меди показали существенное увеличение глубины проплавления по сравнению с лазерной сваркой в случае совпадения положения дугового кратера и фокуса лазерного пучка. Например, при лазерно дуговой сварке труб из аустенитной стали диаметром 150 мм с толщиной стенки 4 мм полное проплавление было достигнуто при мощности лазера Вт и токе дуги 25 А (Qa 190 Вт) [47], в то время как без дуги лазерный пучок той же мощности проплавлял металл лишь на несколько процентов его толщины, а для получения сквозного проплавления требовалось поднять мощность лазерного излучения до 1 кВт. Увеличение глубины проплавления в 3 и более раз наблюдалось и при комбинированной сварке пластин из нержавеющей стали толщиной 4 мм, о чем свидетельствуют приведенные в работе [48] зависимости геометрических параметров сварного шва от мощности лазерного пучка при различных значениях тока дуги и одной и той же скорости сварки. Авторами было замечено, что влияние дополнительного дугового нагрева на глубину проплавления металла уменьшается с ростом мощности лазерного излучения. При мощности излучения более 400 Вт изменение мощности дугового источника тепла от 180 до 600 Вт уже практически не сказывалось на глубине проплавления, а приводило лишь к расширению шва.
Более того, если в комбинированном процессе использовалась дуга мощностью выше 600 Вт, шов расширялся настолько, что становился малоотличимым от шва, выполненного в отсутствие лазерного пучка. Таким образом, можно предположить, что для каждого фиксированного значения мощности лазерного излучения существует предел мощности электрической дуги, за которым форма шва, а значит, и характер теплового воздействия на обрабатываемый металл определяются преимущественно дуговым источником энергии, а роль лазерного пучка как одной из составляющих комбинированного источника тепла становится незначительной. Иными словами, существует оптимальное соотношение мощностей лазерного пучка и дуги, объединяемых в комбинированном процессе. В работе [48], например, было найдено, что в й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, случае лазерно-дуговой сварки труб из никелевого сплава с толщиной стенки 2,6 мм наилучшие результаты при мощности излучения 400 Вт дает использование дуги мощностью 120 Вт. Такое соотношение мощностей позволяло удвоить скорость сварки при сохранении формы шва, характерной для лазерной сварки, и, по-видимому, являлось оптимальным для данного технологического процесса.
Исследованию технологических особенностей и преимуществ комбинированной сварки толстолистовых (до 15 мм) низкоуглеродистых сталей посвящены работы [49-53] Хамазаки и других японских ученых. Наиболее полно результаты этих исследований изложены в обобщающей статье [52], которой следует уделить основное внимание.
Изучались два способа лазерно-дуговой сварки - с использованием неплавящегося и плавящегося электрода (в классификации комбинированных процессов, предложенной в предыдущем подразделе, они могут быть отнесены соответственно к Л+ДНЭ и Л+ДПЭ процессам). В первом случае использовалась схема процесса с расположением вольфрамового электрода - катода (диаметр 2,4 мм, угол наклона к поверхности изделия 45о, межэлектродный промежуток 1,0 мм) впереди лазерного пучка по ходу сварки, как показано на рис. 1.19. При этом дуга расплавляла верхний слой металла, а лазерный пучок осуществлял кинжальное проплавление. В экспериментах по Л+ДПЭ сварке дуговая горелка с плавящимся электродом - анодом (сварочная проволока диаметром 1,2 мм из малоуглеродистой стали, максимальный угол наклона к поверхности изделия 75о) устанавливалась позади лазерного пучка, как показано на рис. 1.20. Сварка осуществлялась на пластинах с различной формой разделки кромок, причем здесь, в отличие от Л+ДНЭ процесса, лазерное излучение оплавляло соприкасающиеся кромки свариваемого соединения, а заполнение разделки осуществляла дуга с расходуемым электродом.
й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Рис. 1.19. Схема процесса лазерно-дуговой сварки при использовании дуги с неплавящимся электродом [52] Рис. 1.20. Схема процесса лазерно-дуговой сварки при использовании дуги с плавящимся электродом [52] й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Результаты экспериментов по определению глубины проплавления при Л+ДНЭ сварке иллюстрируются рис. 1.21 - 1.27. В частности, на рис. 1. графически представлены зависимости глубины проплавления от скорости сварки при различной мощности лазерного излучения и постоянном токе дуги (штриховой кривой на этом же рисунке показана аналогичная зависимость для чисто лазерной сварки при мощности лазерного пучка 5 кВт). Сравнивая соответствующие зависимости для лазерно-дуговой и лазерной сварки, можно убедиться, что глубина проплавления в комбинированном процессе в 1,3Е2, раза (в зависимости от скорости) превышает глубину проплавления в случае лазерной сварки пучком той же мощности. По оценке авторов работы [52], полученный ими эффект совместного воздействия лазерного излучения большой мощности (5 кВт) и дуги с неплавящимся электродом выше, чем в экспериментах Стина, [9, 10, 12, 13], который использовал лазер меньшей мощности (2 кВт).
Зависимости глубины проплавления от скорости сварки были измерены и для различных токов дуги при постоянной мощности лазерного излучения (рис.
1.22). На основе экспериментальных данных, приведенных на рис. 1.21, 1.22, построены кривые, иллюстрирующие зависимость глубины проплавления от тока дуги (рис. 1.23, а) и мощности лазерного излучения (рис. 1.23, б) при скорости сварки 1 м/мин. Эти рисунки наглядно доказывают, что использование дополнительного дугового нагрева позволяет получить ту же глубину проплавления, что и в случае лазерной сварки, при значительно меньшей мощности лазерного излучения.
Представляют интерес исследования авторов, направленные на определение оптимального расстояния между неплавящимся электродом и осью лазерного пучка (рис. 1.24) и оптимального интервала расположения фокальной плоскости пучка относительно поверхности образца (рис. 1.25 - 1.27) при Л+ДНЭ сварке. По данным работы [52], для получения максимального проплавления расстояние от рабочего конца неплавящегося й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Рис. 1.21. Зависимости глубины проплавления от скорости Л+ДНЭ сварки стали при токе дуги 300 А и различных значениях мощности лазерного излу чения [52] Рис. 1.22. Зависимости глубины проплавления от скорости Л+ДНЭ сварки стали при мощности лазерного излучения 4 кВт и различных значениях тока дуги [52] й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, а б Рис. 1.23. Зависимости глубины проплавления от тока дуги (а) и мощности лазер ного пучка (б) при постоянной скорости Л+ДНЭ сварки [52] Рис. 1.24. Влияние расстояния неплавящегося электрода от оси лазерного пучка на глубину проплавления при лазерно-дуговой сварке [52] й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Рис. 1.25. Зависимости глубины проплавления от положения фокальной плос кости лазерного пучка относительно поверхности образца при различных значениях тока дуги (мощность лазерного излучения и скорость сварки постоянны) [52] Рис. 1.26. Зависимости глубины проплавления от положения фокальной плос кости лазерного пучка при различных значениях скорости сварки (мощность лазерного излучения и ток дуги постоянны) [52] й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, электрода до оси лазерного пучка должно лежать в интервале 2Е3 мм. При меньших расстояниях существует опасность разрушения электрода под влиянием лазерного излучения, а при больших наблюдается уменьшение глубины проплавления (см. рис. 1.24), причиной которого, очевидно, является исчезновение эффекта привязки анодной области дуги к пятну лазерного нагрева. Оптимальный интервал расположения фокуса пучка относительно поверхности изделия (обеспечивающий глубину проплавления не менее 90 % ее максимального значения) может быть выбран по рис. 1.27. Как следует из этого рисунка, оптимальное положение фокальной плоскости по мере увеличения тока дуги смещается вниз от поверхности образца (рис. 1.27, а), и, наоборот, приближается к ней из глубины металла по мере увеличения скорости сварки (рис. 1.27, б). Этот эффект понятен, если иметь в виду, что фокус лазерного пучка должен отслеживать положение поверхности сварочной ванны, которое соответственно меняется с ростом тока дуги и скорости сварки.
Переходя к изложению результатов исследований авторов работы [52] по Л+ДПЭ сварке, отметим, что целью совместного использования лазера и дуги с плавящимся электродом было проверить возможность соединения этим методом пластин из малоуглеродистой стали толщиной 12 мм за один проход со скоростью 0,5 м/мин, чего не удавалось сделать ни с помощью сварки плавящимся электродом вплоть до тока 400 А, ни с помощью Л+ДНЭ сварки при мощности излучения 5 кВт и токе дуги 300 А. Л+ДПЭ сварка производилась в атмосфере гелия при мощности лазерного излучения до 5 кВт, токе дуги 400 А и различной форме разделки кромок.
Рисунки 1.28, 1.29 иллюстрируют зависимости глубины проплавления соответственно от расположения плавящегося электрода относительно лазерного пучка (т.е. параметра a на рис. 1.20) и положения фокуса пучка относительно дна разделки при различной форме последней. Как следует из рис. 1.28, максимальная глубина проплавления достигается при пересечении осей электрода и лазерного пучка на уровне дна разделки. Оптимальное же й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, а б Рис. 1.27. Зависимость оптимального (обеспечивающего максимальную глубину проплавления) положения фокальной плоскости пучка относительно поверхности изделия от тока дуги (а) и скорости Л+ДНЭ сварки (б) [52] Рис. 1.28. Влияние расстояния плавящегося электрода от оси лазерного пучка на глубину проплавления при Л+ДПЭ сварке [52] й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, положение фокуса находится ниже указанного уровня (см. рис. 1.29), что связано с прогибом поверхности сварочной ванны в результате силового воздействия дуги. Наконец, представленная на рис. 1.30 зависимость глубины проплавления от мощности лазерного излучения при Л+ДНЭ сварке позволяет сделать вывод, что лазерным пучком мощностью 4 кВт в комбинации с дугой, горящей в атмосфере гелия при токе 400 А, можно сваривать пластины толщиной 12 мм со скоростью 0,5 м/мин, применив V-образную разделку кромок на глубину 7 мм с углом их раскрытия 45о. Авторы работы [52] отмечают, что, повысив мощность излучения до 5 кВт, можно осуществить сварку более толстых пластин при той же скорости либо увеличить скорость сварки пластин толщиной 12 мм до 0,8 м/мин.
Кроме описанных выше экспериментальных данных, в рассматриваемой работе приводятся фотографии макрошлифов поперечных сечений швов, выполненных Л+ДНЭ сваркой (при различных значениях скорости, тока дуги и мощности лазерного пучка), а также Л+ДПЭ сваркой в сравнении с лазерной сваркой и сваркой плавящимся электродом. Относительно качества сварных соединений сообщается, что как при Л+ДНЭ, так и при Л+ДПЭ сварке наблюдалось хорошее формирование швов, отсутствовали подрезы и неравномерные усиления, присущие швам, выполненным, например, сваркой неплавящимся электродом на аналогичных режимах, а также поры и раковины.
В результате обеспечивались высокие механические свойства получаемых соединений.
Заканчивая обзор работ [49-53], следует отметить, что авторы, высоко оценивая технологические возможности исследованных способов лазерно дуговой сварки, делают вывод о перспективности их применения в промышленном производстве, поскольку комбинированные технологии не требуют лазерных установок большой мощности и в то же время позволяют реализовать преимущества лазерной сварки в отношении как формы и качества сварного шва, так и производительности процесса.
й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, а б Рис. 1.29. Влияние положения фокальной плоскости пучка на глубину проплав ления при лазерной (а) и Л+ДПЭ (а), (б) сварке стальных пластин с различной формой разделки кромок [52] Рис. 1.30. Глубина проплавления в зависимости от мощности лазерного излу чения при постоянной скорости сварки: сплошная кривая - Л+ДПЭ сварка при токе дуги 400 А;
штриховая кривая - лазерная сварка [52] й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Опубликованная американскими учеными в 1984 г. статья [54] является первой работой, посвященной изучению технологических особенностей лазерно-дуговой сварки алюминия и его сплавов. Авторы поставили перед собой задачу не только исследовать влияние различных параметров комбинированного процесса на глубину проплавления и устойчивость горения дуги при сварке алюминиевого сплава, но и дать трактовку полученных результатов на основе физических представлений о механизме взаимодействия дуги и лазерного пучка.
В экспериментах использовался СO2-лазер непрерывного действия мощностью 600 Вт и дуговая горелка с вольфрамовым электродом (катодом) диаметром 2,4 мм, установленная впереди лазерного пучка по ходу сварки так, что угол между поверхностью изделия и электродом составлял 45о, а расстояние от рабочего конца электрода до оси лазерного пучка не превышало 3,2 мм. Проводилась Л+ДНЭ сварка с неполным проплавлением стыковых соединений пластин из алюминиевого сплава 5052 толщиной 3,2 мм.
Полученные результаты сравнивались с результатами не лазерной (как в большинстве рассмотренных выше работ), а дуговой сварки таких же образцов, т.к. при лазерной сварке не удавалось получить заметного проплавления из-за недостаточной мощности лазера.
Экспериментальные данные, приведенные на рис. 1.31 - 1.33, свидетельствуют об увеличении глубины проплавления и улучшении стабильности дуги в комбинированном процессе по сравнению с дуговой сваркой неплавящимся электродом. В частности, относительное увеличение глубины проплавления в диапазоне используемых режимов сварки составило 20-50 % (ср. рис. 1.31, 1.32). По мнению авторов работы [54], это меньше, чем эффект дополнительного лазерного воздействия при сварке углеродистых сталей, и объясняется известными трудностями сварки алюминиевых сплавов лазерным излучением малой мощности. Заметим, однако, что если привлечь данные работы [52] (см., например, рис. 1.23, а), то эффекты увеличения глубины й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Рис. 1.31. Зависимости глубины проплавления от скорости лазерно-дуговой (Л+ДНЭ) сварки алюминия при различных значениях тока дуги [54] Рис. 1.32. Зависимости глубины проплавления от скорости дуговой (ДНЭ) сварки алюминия при различных значениях тока (штриховые участки кривых соответствуют нестабильному горению дуги) [54] й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, проплавления для стали и алюминия при прочих равных условиях можно оценить как соизмеримые. В работе [54] отмечается также, что, несмотря на увеличение глубины проплавления в комбинированном процессе, форма шва остается при всех используемых токах дуги типичной для дуговой сварки. Это позволяет предположить, что при лазерно-дуговой сварке алюминиевых сплавов эффект контрагирования дуги проявляется менее отчетливо, чем, например, при комбинированной сварке сталей [10, 12]. Причина такого различия в поведении дуги может заключаться в увеличении с ростом теплопроводности металла поперечных размеров зоны его лазерного испарения, определяющих степень контрагирования анодной области дуги.
При исследовании стабильности процесса лазерно-дуговой сварки алюминиевого сплава в сравнении со сваркой неплавящимся электродом было установлено, что дуга в присутствии лазерного излучения стабилизируется, в результате чего появляется возможность увеличить скорость сварки, причем этот эффект наиболее заметен на малых токах. С помощью комбинированного процесса авторам удалось получить гладкие, однородные швы при скорости сварки вплоть до 30,5 м/мин и токе дуги 70 А, в то время как дуговая сварка на этом токе позволяла достичь скорости не более 20,3 м/мин.
В работе [54] предлагаются три возможных механизма для объяснения наблюдаемых явлений. Это стабилизация анодного пятна дуги в присутствии лазерного пучка, увеличение поглощения энергии пучка поверхностью изделия вследствие нагрева обрабатываемого металла дугой и, наконец, непосредственное взаимодействие лазерного излучения с дуговой плазмой.
Авторы работы [54] считают, что при мощности лазерного пучка 600 Вт два последних механизма не вносят существенного вклада в повышение стабильности процесса и увеличение глубины проплавления, а определяющую роль играет стабилизация анодного пятна дуги в зоне лазерного нагрева. С таким утверждением можно, вообще говоря, согласиться, однако нужно заметить, что физический механизм, лежащий в основе наблюдаемого авторами й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, эффекта стабилизации (также как и явления контрагирования анодной области дуги), - это появление в приповерхностной плазме в результате лазерного испарения металла паров алюминия, имеющих более низкий потенциал ионизации, чем гелий. Этим же можно объяснить и отмеченный в работе [54] эффект облегчения возбуждения дуги в присутствии лазерного пучка.
Сведения о реализации Л+ДНЭ сварки алюминия и его сплавов малых толщин, также как и других тонколистовых металлов, находим и в более поздних публикациях [55-58]. Авторы этих работ отмечают так называемый синергетический эффект совместного использования лазерного излучения и электрической дуги (эффект нарушения аддитивности теплового воздействия на изделие лазерного пучка и дуговой плазмы, о котором упоминалось выше). В работе [55], например, указывается, что в экспериментах по лазерно-дуговой сварке алюминия СО2-лазером мощностью 1,2 кВт и дугой с неплавящимся электродом при токе 60 А и скорости сварки 0,25 м/мин объем расплавленного металла на 77 % превышал простую сумму объемов расплавов, полученных в случае использования каждого из источников тепла в отдельности. В вышеупомянутых публикациях подчеркивается, что комбинированным способом удается получить качественные швы на алюминии при относительно малых мощностях лазерного пучка и дуги, а также высокой скорости сварки, чего не удавалось достичь лазерной сваркой при гораздо более высокой мощности лазерного излучения. Этим преимуществом комбинированного процесса воспользовались авторы работы [57], применив для сварки алюминиевого сплава толщиной 3 мм твердотельный ИАГ-лазер мощностью всего 360 Вт совместно с горелкой для сварки дугой с неплавящимся электродом на токе 50 А. Достигнутые ими параметры проплавления и производительность процесса оказались сравнимыми с получаемыми при сварке ИАГ-лазером мощностью 2 кВт.
Достоинства лазерно-дуговой сварки тонколистового алюминия и нержавеющей стали демонстрируются в работах [56, 58], где сравниваются й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, основные параметры режимов для трех способов сварки: ДНЭ, комбинированной (Л+ДНЭ) и лазерной. Так, при мощности лазерного излучения в интервале от 0,1 до 1,5 кВт (для двух последних способов), длине дуги 6 мм и 10 мм (соответственно для двух первых способов), типичная скорость сварки составляла 0,5;
2,0 и 1,0 м/мин, отношение глубины проплавления к ширине шва - 0,5;
2,0 и 1,0, а погонная энергия - 320;
50 и Дж/мм соответственно. Отмечается улучшение стабильности горения дуги в комбинированном процессе и облегчение ее зажигания. Подчеркивается, что комбинированным способом удается сваривать листы очень малой толщины и соединять разнотолщинные элементы, не обеспечивая высокой точности сборки стыков, как это необходимо для лазерной сварки.
Положительные результаты по комбинированной сварке тонколистовых (0,5Е1,0 мм) металлов, в том числе алюминия, но уже способом Л+ПД получены в упомянутой ранее работе [36], опубликованной английскими учеными из университета в Ковентри. Сварка осуществлялась с использованием СО2-лазера непрерывного действия мощностью 400 Вт и стандартной плазменной горелки, расположенной под углом к оси лазерного пучка впереди по ходу сварки (см. рис. 1.10). Обосновывая целесообразность замены в комбинированном процессе свободногорящей (открытой) дуги на плазменную (сжатую) дугу, авторы [36] указывают на целый ряд существенных недостатков Л+ДНЭ процесса, из-за которых он, несмотря на отмечаемые всеми исследователями потенциальные возможности, до сих пор не нашел широкого промышленного применения. Ограничения Л+ДНЭ способа сварки обусловлены главным образом особенностями поведения открытой дуги, которые проявляются даже в присутствии лазерного пучка, отрицательно влияя на характер комбинированного процесса в целом. Это общеизвестные трудности, связанные с зажиганием дуги и пространственной неустойчивостью ее столба при малых токах и больших скоростях перемещения дуговой горелки относительно изделия.
й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Как и ожидалось, применение в комбинированном процессе вместо свободногорящей дуги плазменной (сжатой) дуги позволило реализовать преимущества последней и такой комбинации в целом. Были получены следующие результаты: обеспечено надежное возбуждение дуги (за счет использования дежурной дуги) и увеличен срок службы вольфрамового электрода. Что касается положительных эффектов достигнутым способом Л+ПД по сравнению с лазерной или плазменной сваркой, то они аналогичны тем, которые наблюдались при реализации других типов комбинированных процессов и рассматривались выше. В частности, имел место явно выраженный синергетический эффект, в результате которого объем расплавленного металла при Л+ПД сварке оказывался больше суммы соответствующих объемов при лазерной и плазменной сварке по отдельности. Благодаря этому авторам работы [36] удалось увеличить скорость сварки тонколистовых металлов в 2Е3 раза по сравнению с лазерной сваркой. Так стыковой шов с полным проплавлением на нержавеющей стали толщиной 0,6 мм был выполнен при мощности лазера Вт и токе дуги 50 А на скорости 2,5 м/мин, которая в 2,5 раза превышает скорость достигаемую при использовании одного лишь лазера той же мощности. Взаимосвязь между током плазменной дуги и скоростью комбинированной сварки нержавеющей стали указанной толщины может быть проиллюстрирована с помощью рис. 1.34. Швы с полным проплавлением при тех же значениях параметров режима сварки были успешно выполнены и на титановом сплаве Ti-6Al-4V толщиной 0,75 мм.
Метод Л+ПД сварки особенно отчетливо проявил свои достоинства при сварке алюминия. Авторами [36] получены качественные стыковые швы с полным проплавлением на неочищенном алюминии толщиной 0,6 мм при скорости сварки 0,5 м/мин и малых токах дуги (скорость сварки ограничивалась лишь мощностью имеющегося лазера). При этом анодное пятно дуги, сформировавшись в пределах зоны нагрева металла, создаваемой лазерным пучком, перемещалось вместе с ней, что обеспечивало непрерывность швов и й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Рис. 1.33. Области устойчивого и неустойчивого горения дуги при дуговой (ДНЭ) и лазерно-дуговой (Л+ДНЭ) сварке алюминия (мощность лазерного излучения 600 Вт, защитный газ - гелий) [54] Рис. 1.34. Оптимальное соотношение между скоростью сварки и током плаз менной дуги при лазерно-плазменной сварке нержавеющей стали толщиной 0,6 мм (мощность CO2-лазера 400 Вт) [36] й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, полное проплавление образца. Отметим, что попытки авторов рассматриваемой работы выполнить швы на алюминии с помощью плазменной либо лазерной сварки оказались безуспешными, в первом случае из-за блуждания анодного пятна дуги, во втором - из-за недостаточной мощности лазера.
Как преимущества Л+ПД сварки по сравнению с лазерной в работе [36] отмечаются более благоприятная с точки зрения прочности сварного соединения форма поперечного сечения швов и значительно более мягкие требования к точности сборки стыков и величине допустимого отклонения лазерного пучка от линии сплавления. Так, в отличие от лазерной сварки, где зазоры между стыкуемыми элементами не должны превышать 5Е10 % толщины металла, при комбинированной сварке допустимы зазоры вплоть до 25Е30 %.
Завершая обзор основных результатов работы [36], отметим, что проведенные исследования позволили ее авторам сделать вывод о более широких возможностях применения в промышленности Л+ПД сварки по сравнению с Л+ДНЭ сваркой и о необходимости дальнейшего изучения лазерно-плазменных процессов, в том числе реализуемых с помощью СО2 лазеров большей мощности или твердотельных ИАГ-лазеров. Отметим также актуальность поставленной авторами [36] задачи создания специализированных устройств для промышленной реализации Л+ПД процесса - интегрированных лазерных головок (лазерно-дуговых плазмотронов).
В более поздней работе [59] сотрудника того же университета, представлены результаты дальнейших исследований процесса Л+ПД сварки тонколистовых сталей и алюминиевых сплавов с использованием как СО2-, так и ИАГ- лазеров мощностью от 400 Вт до 6 кВт. В ходе этих исследований были получены хорошие результаты по комбинированной сварке стыковых соединений из разнотолщинных металлов, отмечено существенное снижение растрескивания шва вблизи основного металла по сравнению с лазерной сваркой алюминиевого сплава 6000 толщиной 2 мм, достигнуты скорости й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, сварки на 40 % превышающие соответствующие значения при лазерной сварке.
Так, например, при Л+ПД сварке тонколистовых сталей непрерывные швы с полным проплавлением были получены на скоростях до 60 м/мин, причем стабильность процесса сварки сохранялась вплоть до скоростей порядка м/мин. На основании полученных данных автор работы [59] делает вывод о том, что комбинированные лазерно-плазменные процессы позволяют преодолеть многие проблемы традиционной лазерной сварки и могут в ближайшем будущем существенно потеснить промышленные лазерные технологии.
Вопрос о расширении промышленного применения новых лазерно дуговых технологий, в частности, об использовании их при производстве автомобилей, впервые обсуждался на международной конференции IBEC-94 в Детройте [60]. В ходе представления гибридного лазерно-дугового способа сварки листовых сталей и алюминия, осуществляемого путем комбинированного воздействия на изделие излучения ИАГ-лазера и дуги с неплавящимся электродом, было подчеркнуто, что этот способ имеет ряд достоинств, особенно важных для автомобильной промышленности, а именно:
50 % уменьшение стоимости сварки;
такое же (50 %) увеличение производительности;
снижение затрат на подготовку кромок;
возможность контроля ширины шва и, наконец, сохранение первоначальной гибкости конструкции после сварки.
Анализируя в целом публикации последнего десятилетия, посвященные комбинированным лазерно-дуговым процессам, можно сделать вывод о том, что интерес к этим процессам не только не исчезает, но постепенно перемещается из сферы экспериментальных исследований в сферу промышленного производства. Вопрос о перспективах дальнейшего развития лазерно-дуговых технологий звучит и в названии уже упомянутой статьи [39], которое сформулировано автором следующим образом: Синергетический эффект совместного использования сварочной дуги и лазерного пучка - для й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, практического применения или только для научных исследований? Эта работа является по существу обзорной, обобщающей и анализирующей достижения ученых разных стран в области лазерно-дуговых процессов.
Автор [39] делает краткий экскурс в историю развития лазерно-дуговой сварки, описывает преимущества комбинированных процессов, которые неоднократно обсуждались выше, особо подчеркивает синергетический эффект совместного использования лазерного излучения и электрической дуги.
Отметив недостатки Л+ДНЭ сварки автор переходит к анализу работ по Л+ДПЭ, а также Л+ПД сварке и делает вывод, что последние способы являются более перспективными для практического применения с точки зрения диапазона толщин и типа свариваемых металлов. Что касается Л+ДНЭ процесса, то он, несмотря на определенные недостатки, также должен найти в будущем более широкое применение, в чем убеждает имеющийся положительный опыт его использования (в частности, с присадкой) для сварки сложных тонкостенных конструкций и в ряде других случаев.
Автор [39] считает, что лазерно-дуговые процессы представляют интерес и с точки зрения теоретических и экспериментальных исследований, поскольку существует еще много нерешенных вопросов, например, касающихся влияния длины волны и мощности лазерного излучения на степень ионизации дуговой плазмы при разных токах дуги. Тем самым он не противопоставляет вынесенные в заголовок статьи направления развития комбинированных процессов или не выбирает лишь одно из них, а видит перспективы и того и другого.
В более поздней обзорной работе немецких ученых [45], также посвященной перспективам развития лазерно-дуговой сварки, авторы отдельно рассматривают технологические возможности комбинирования лазерной и дуговой сварки (когда дуга и лазерный пучок воздействуют на изделие на некотором расстоянии друг от друга) и их объединения (когда оба источника тепла воздействуют на изделие в пределах общей сварочной ванны), называя й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, последние способы гибридными процессами сварки. Как пример комбинации лазерного и дугового процессов рассматривается сварка стыковых соединений из низколегированной стали толщиной 20 мм с Y-образной разделкой кромок, при этом лазерное излучение (СО2-лазер, мощность 6,3 кВт) используется для сварки корня шва (скорость сварки 0,6 м/мин), а следующая на определенном расстоянии за лазерным пучком ДПЭ (напряжение 35 В, ток дуги 530 А, скорость подачи проволоки 27,5 м/мин) используется для заполнения разделки.
Данная комбинация позволяет существенно снизить твердость металла корневого шва по сравнению с лазерной сваркой, причем наиболее однородное распределение твердости между основным металлом и металлом шва достигается при расстоянии между лазерным пучком и дугой равном 30 мм.
Переходя к рассмотрению известных способов объединения лазерного и дугового источников тепла в пределах общей сварочной ванны, таких как Л+ДНЭ, Л+ПД, Л+ДПЭ процессы, авторы [45] подробно описывают технологические возможности каждого из указанных способов применительно к сварке сталей и алюминиевых сплавов. Особое внимание уделяется Л+ДПЭ сварке, в том числе новому процессу, объединяющему лазерный пучок и две ДПЭ. По данным авторов такой процесс позволяет повысить скорость сварки на 33 % по сравнению с однодуговой Л+ДПЭ сваркой и на 800 % по сравнению со сваркой погруженной дугой. Как одно из достоинств процесса гибридной сварки с использованием двух дуг отмечается также существенное снижение погонной энергии, которое составляет 25 % по отношению к обычному Л+ДПЭ процессу и 83 % по отношению к процессу сварки погруженной дугой.
Подробный анализ преимуществ гибридной сварки (Л+ДПЭ) по сравнению с лазерной и дуговой сваркой плавящимся электродом, а также некоторые примеры практического использования указанного способа при сварке алюминиевых сплавов различного состава приведены в работах [61, 62].
Кроме того, авторами [62] проведен сравнительный анализ геометрии сварных швов, полученных лазерной (ИАГ-лазер), дуговой (ДПЭ) и гибридной сваркой й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, алюминия (параметры режимов выбирались таким образом, чтобы обеспечить одинаковую глубину проплавления металла при одной и той же скорости сварки). В частности, при лазерной сварке без присадочной проволоки поверхность шва несколько провисает (рис. 1.35, а), тогда как в случае дуговой сварки плавящимся электродом шов характеризуется значительным усилением и имеет существенно большую ширину при той же глубине проплавления (рис.
1.35, б). В аналогичных условиях гибридный процесс позволяет получить более узкий профиль проплавления при вдвое меньшем расходе электродной проволоки, уменьшив тем самым излишнее усиление шва (рис. 1.35, в).
В качестве основных преимуществ гибридного процесса по сравнению с лазерной сваркой авторы [61, 62] отмечают улучшение сплавляемости и снижение требований к сборке стыков;
увеличение глубины проплавления и скорости сварки;
повышение пластичности швов после сварки;
снижение капиталовложений. Что касается преимуществ Л+ДПЭ процесса по сравнению с дуговой сваркой плавящимся электродом, то здесь отмечается существенное повышение скорости сварки и глубины проплавления;
уменьшение ширины швов и снижение погонной энергии;
повышение прочности швов на растяжение и др.
Несмотря на то, что в рассмотренных выше публикациях мы не находим ссылок на работы ученых из стран СНГ, это не означает, что исследования лазерно-дуговых процессов там не проводились (первое упоминание об исследованиях, проведенных в бывшем СССР в области лазерно-дуговых способов металлообработки, относится к 1984 г. [63]). Обзор этих работ, посвященных изучению технологических возможностей комбинированных процессов металлообработки, следует начать с работы [64]. В ней, в частности, освещается опыт использования Л+ДНЭ сварки в трубосварочном производстве. Авторы сваривали прямошовные трубы диаметром 38 мм из стали 08Х18Н10Т толщиной 1,5 мм на скоростях от 2,5 до 3,5 м/мин. Излучение СO2-лазера (мощность 2,5 кВт) фокусировали в хвостовую часть сварочной й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, ванны, создаваемой дугой с неплавящимся электродом, горящей в аргоне на постоянном токе (50Е250 А). При лазерно-дуговой сварке отмечено улучшение формирования шва, особенно в его верхней части, по сравнению с лазерной сваркой, что позволяет снизить требования к подготовке кромок и сборке стыка.
Упомянутая ранее статья [35] посвящена комбинированной резке пластин из нержавеющей стали толщиной до 2 мм и примечательна тем, что в качестве составляющих источника тепла были применены сфокусированное излучение твердотельного лазера и дуга косвенного действия (Л+ПС процесс). Авторы использовали ИАГ-лазер непрерывного действия мощностью около 200 Вт, работающий на длине волны излучения 1,06 мкм, и плазмотрон мощностью до 1 кВт со сменным соплом - анодом дуги, горящей с вольфрамового электрода в потоке аргона. Лазерная головка, в сопло которой подавался воздух, устанавливалась над пластиной под углом 60о к ее поверхности, а плазмотрон - вертикально под пластиной.
В рассматриваемой работе приводятся результаты экспериментальных исследований влияния основных параметров режима Л+ПС резки на ее производительность. Эксперименты показали, что лазерно-плазменная резка позволяет значительно повысить скорость обработки по сравнению с лазерной резкой, не снижая качества реза. Так, при электрической мощности плазменной дуги 880 Вт (по оценке авторов это соответствует мощности, вкладываемой в изделие, 440 Вт) и мощности лазерного излучения 150 Вт скорость увеличивалась приблизительно вдвое (рис. 1.36), при этом ширина реза и размер зоны термического влияния оставались близкими к соответствующим значениям, характерным для лазерного процесса (ср. рис. 1.37, 1.38). Отмечая, что с увеличением мощности плазменной дуги выше указанного значения скорость комбинированной резки не возрастала, а параметры и качество реза становились типичными для плазменного процесса, авторы делают вывод о существовании некоторого оптимального соотношения мощностей, вкладываемых й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, а б в Рис. 1.35. Геометрия швов, полученных различными способами при одинаковой глубине проплавления и скорости сварки 1 м/мин: (а) - лазерная сварка (мощность лазера 2 кВт);
(б) - дуговая сварка плавящимся электродом (ток дуги 95 А, напряжение 20 В, скорость подачи проволоки 11 м/мин);
(в) - гибридная (Л+ДПЭ) сварка (мощность лазера 1,5 кВт, скорость подачи проволоки 5,5 м/мин) [62] Рис. 1.36. Максимальная скорость резки пластин из нержавеющей стали в зависимости от их толщины: 1 - Л+ПС резка (мощность лазера 150 Вт, диаметр сопла плазмотрона 1,5 мм, мощность, вводимая плазменной струей, 440 Вт);
2 - лазерная резка (мощность лазера 150 Вт, размер пятна фокусировки 0,5 мм) [35] й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Рис. 1.37. Зависимости ширины реза и размера зоны термического влияния от скорости лазерной резки нержавеющей стали толщиной 1,5 мм (расстояние лазерной головки от поверхности образца 1 мм, остальные параметры те же, что и на рис. 1.34): 1 и 3 - ширина реза со стороны лазерного пучка и с противоположной стороны;
2 - размер зоны термического влияния [35] Рис. 1.38. Размер зоны термического влияния и ширина реза в зависимости от скорости Л+ПС резки нержавеющей стали толщиной 1,5 мм (пара метры те же, что и на рис. 1.34, 1.35): 1 - ширина зоны термического влияния;
2 - ширина реза [35] й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, плазменной струей и лазерным пучком в обрабатываемый металл, и оценивают его как не превышающее 3:1. Однако при определении теплового вклада плазменной струи в изделие авторы учитывают лишь КПД нагрева металла плазмой, забывая, например, о потерях энергии на аноде плазмотрона. С учетом этих потерь мощность, вкладываемая в изделие плазменной струей, будет существенно меньше 440 Вт. Поэтому более точным будет следующий вывод:
для получения наилучшего эффекта при лазерно-плазменной резке мощности, вносимые в обрабатываемый металл плазменной струей и лазерным излучением, должны быть приблизительно равными. Это утверждение аналогично сделанному в работе [12] для комбинированной резки с использованием дуги прямого действия.
В работах [65-68] предпринята попытка оценить эффективность использования лазерно-дугового нагрева при осуществлении различных видов термообработки материалов, в том числе поверхностного упрочнения, наплавки, легирования и т.п. С этой целью вводится ряд количественных характеристик комбинированного процесса, в частности, коэффициент энерговклада Kla = Qa/Ql, где Qa, Ql - мощности дуги и лазерного пучка соответственно, и эффективность лазерно-дугового воздействия la = (lQl + aQa)/(Ql + Qa), где l - коэффициент поглощения лазерного излучения обрабатываемым металлом, a - коэффициент использования энергии дугового разряда. Для оценки эффективности процессов лазерно-дуговой металлообработки и их оптимизации авторы указанных работ предлагают исследовать зависимости величины la от коэффициента энерговклада Kla при различных, но фиксированных значениях коэффициентов l и a. Последнее допущение, однако, резко снижает достоверность результатов, получаемых в рамках такого подхода, т.к. не учитывает основной особенности лазерно дугового воздействия на изделие, а именно взаимовлияния лазерного пучка и электрической дуги, объединяемых в комбинированном процессе. Как указывалось выше, коэффициент использования энергии дугового разряда й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, увеличивается под влиянием лазерного излучения [10, 12], а дополнительный дуговой нагрев обрабатываемого металла повышает эффективность поглощения лазерного пучка [54]. Степень этого взаимовлияния зависит не только от соотношения, но и от абсолютных значений мощностей лазерного излучения и дуги, поэтому при количественной оценке эффективности лазерно дугового процесса металлообработки коэффициенты l и a нельзя считать постоянными при изменении величин Kla, а также Ql и Qa.
Завершая рассмотрение работ, посвященных энергетическим характеристикам и технологическим особенностям лазерно-дугового источника тепла, следует упомянуть книгу Дьюли (W. W. Duley) [69], в которой отражены достижения лазерной технологии за четверть века со времени появления первого лазера. Давая краткий анализ новых, лазерно-дуговых процессов сварки и резки, автор подчеркивает два главных момента: во-первых, то, что тепловой эффект комбинированного лазерно-дугового воздействия превышает сумму эффектов от каждого отдельно взятого источника тепла и, во-вторых, то, что максимальное увеличение производительности процесса достигается при соизмеримых значениях мощностей дуги и лазерного пучка, объединяемых в комбинированном источнике тепла. Отмечая высокую эффективность лазерно дуговых способов металлообработки, автор связывает с ними перспективы дальнейшего развития лазерных технологий.
Х Взаимное влияние лазерного пучка и электрической дуги в комбинированных процессах металлообработки Из обзора работ начального периода развития лазерно-дуговых способов соединения и обработки материалов видно, что наряду с проведением экспериментальных исследований эффектов комбинированного воздействия на изделие, ученые, начиная со Стина, предпринимали попытки объяснить наблюдаемые явления с точки зрения физики протекающих процессов.
Смещение акцента исследований в сторону развития физических представлений о механизме лазерно-дуговых процессов произошло во второй й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, половине 1980-х годов. В этом отношении показательны работы советских ученых, публикации которых начали появляться в печати, когда основные эффекты лазерно-дугового воздействия на обрабатываемое изделие были уже описаны в литературе. Очевидно, именно поэтому мы не находим в них подробных исследований характеристик плавления металла и технологических возможностей комбинированных способов обработки. В большей степени эти работы посвящены изучению взаимовлияния лазерного излучения и электродуговой плазмы с целью определения оптимальных условий их совместного воздействия на материалы.
В работах [70-72], например, основное внимание уделено вопросу о влиянии лазерного пучка на электрическую дугу, горящую с неплавящегося электрода в инертном газе. Так, в статье [70] представлены результаты экспериментальных исследований характеристик дуги постоянного тока прямой полярности при Л+ДНЭ сварке образцов из коррозионно-стойкой стали 08Х18Н10Т в атмосфере аргона. Эксперименты проводились с использованием СO2-лазера непрерывного действия мощностью 1 кВт и установки для аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом, при этом дуговая горелка располагалась впереди луча под углом 45о к поверхности изделия. По осциллограммам тока и напряжения на дуговом промежутке строились зависимости напряжения дуги от мощности лазерного излучения при различных значениях сварочного тока, а также ее вольт-амперные характеристики при дуговой и комбинированной сварке. Эксперименты показали, что во всем исследованном диапазоне токов напряжение на дуге при лазерно-дуговой сварке ниже, чем при дуговой (рис. 1. 39), причем эта разница становится наиболее существенной если мощность лазерного пучка превышает 500 Вт (рис. 1.40).
В дальнейшем авторы работы [70] расширили свои исследования влияния лазерного излучения на электрические параметры сварочной дуги, применив образцы из различных материалов [72]. Зависимости, подобные изображенным й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Рис. 1.39. Вольт-амперные характеристики дуги с неплавящимся электродом при сварке коррозионно-стойкой стали: 1 - аргонодуговая сварка;
2 - Л+ДНЭ сварка (мощность лазерного излучения 900 Вт) [70] Рис. 1.40. Зависимости напряжения на дуге от мощности лазерного излучения при Л+ДНЭ сварке коррозионно-стойкой стали : 1 - ток дуги 20 А;
2 - А;
3 - 75 А [70] й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, на рис. 1.40, были построены для титана, меди, алюминия, графита.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что для всех исследованных материалов напряжение на дуге при Л+ДНЭ сварке ниже, чем при дуговой (табл. 1.2). Повышение напряжения под воздействием лазерного излучения наблюдалось лишь для дуги, горящей на графитовый анод. Однако авторы объясняют этот факт увеличением действительной длины дуги в результате образования на поверхности графита узкой канавки глубиной 2Е3 мм.
Таблица 1. Электрические параметры дуги при дуговой и лазерно-дуговой сварке различных материалов [72] Дуговая сварка Лазерно-дуговая сварка Материал анода Напряжение Ток дуги, Напряжение Ток дуги, Мощность на дуге, В A на дуге, В A лазера, кВт Коррозионно - 26.6 20 20.2 20 0. стойкая сталь Медь 29.9 75 24.8 76 0. Титан 22.0 35 19.0 35 0. Алюминий 23.1 30 17.3 30 0. Графит 17.0 47 27.0 45 0. Снижение напряжения на дуге с металлическим анодом, происходящее под действием лазерного пучка при практически не изменяющемся токе (см.
табл. 1.2), указывает на увеличение проводимости дугового промежутка, что фактически означает повышение в нем концентрации заряженных частиц.
Основной причиной увеличения плотности заряженных частиц в дуговой плазме авторы работы [72] считают испарение материала анода лазерным й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, излучением и предполагают, что наблюдаемое снижение напряжения на дуге происходит в основном за счет уменьшения падения потенциала в анодной области. Соглашаясь с важной ролью испарительного механизма снижения напряжения на дуге при лазерно-дуговой сварке, следует отметить, что эффект увеличения проводимости плазмы и, как следствие, уменьшения напряжения на дуговом промежутке может быть вызван также дополнительным нагревом плазмы аргоновой дуги сфокусированным излучением СO2-лазера, и может проявляться даже при отсутствии в ней паров материала анода. Отмеченное авторами [72] снижение полного напряжения на дуге скорее всего является следствием уменьшения напряженности поля в разряде как за счет непосредственного взаимодействия лазерного излучения с дуговой плазмой, так и за счет появления в ней паров материала анода, имеющих более низкий потенциал ионизации, чем аргон.
Отдельную публикацию авторы рассматриваемых работ посвятили экспериментальному исследованию взаимовлияния лазерного пучка и электрической дуги как источников тепла, объединяемых в Л+ДНЭ процессе [73]. С этой целью проводилась лазерная, дуговая и лазерно-дуговая сварка образцов из нержавеющей стали в атмосфере гелия, а затем по площади поперечных сечений полученных швов оценивалось тепловложение в изделие для каждого из этих способов сварки. Существование взаимного влияния лазерного и дугового источников энергии в комбинированном процессе, на которое указывал еще Стин [10, 12], было экспериментально подтверждено тем фактом, что тепловложение в металл при лазерно-дуговой сварке оказалось выше суммы тепловых вкладов при дуговой и лазерной сварке в отдельности.
Для количественной оценки степени взаимовлияния составляющих комбинированного источника тепла вводился полный тепловой КПД лазерно дугового процесса tla, определяемый как отношение тепловой мощности, идущей на плавление металла шва, к суммарной мощности лазерного излучения и дугового разряда. Изучалась зависимость tla от взаимного й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, расположения лазерного пучка и дуги, а также от соотношения их мощностей.
Как видно из экспериментальных данных, представленных в табл. 1.3, эффективность Л+ДНЭ процесса выше в том случае, когда дуговая горелка расположена впереди лазерного пучка по ходу сварки (все рассматриваемые ниже результаты работы [73] относятся именно к этому случаю).
Таблица 1. Характеристики теплового воздействия на изделие при комбинированной сварке нержавеющей стали [73] Взаимное поло- Мощность Скорость Площадь Ток дуги, жение источни- лазерного сварки, проплавле- tla A ков тепла пучка, Вт мм/с ния, мм Дуга впереди 950 100 40 2.370 0. лазерного пучка Дуга позади 950 100 40 1.856 0. лазерного пучка Что касается влияния соотношения мощностей лазерного излучения и электрической дуги на эффективность комбинированного нагрева металла, то эксперименты показали, что при фиксированном значении тока дуги повышение мощности лазерного излучения от 100 до 1000 Вт вызывает увеличение полного теплового КПД процесса, подобно тому как это происходит при лазерной сварке. Наоборот, увеличение тока дуги от 15 до А при постоянной мощности лазерного излучения сначала (при малых токах) почти не сказывается на значении tla, а затем приводит даже к его снижению (рис. 1.41). Авторы объясняют это тем, что главную роль в уменьшении эффективности комбинированного нагрева при увеличении сварочного тока выше определенного предела начинает играть более низкая эффективность й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, дуговой составляющей источника тепла. Указанное обстоятельство, по всей вероятности, является также причиной наблюдаемого при повышении мощности дуги снижения производительности комбинированного процесса, которое иллюстрируется рис. 1.42 (кривая 1). На этом же рисунке приведена расчетная зависимость скорости лазерной сварки, обеспечивающей полное проплавление образца, от мощности лазерного излучения (кривая 2). Сравнение указанных кривых показывает, что пока мощность дуги меньше или приблизительно равна мощности лазерного излучения (Ql = 900 Вт), производительность лазерной и лазерно-дуговой сварки примерно одинакова.
При дальнейшем увеличении мощности дуги производительность Л+ДНЭ сварки уменьшается по отношению к производительности лазерной сварки, подобно тому как это происходит, например, в случае лазерно-дуговой резки (см. рис.1.4).
Работы [74, 75] выделяются среди публикаций других авторов достаточно широким спектром проведенных исследований лазерно-дугового воздействия на материалы, затрагивающих как теоретическую, так и прикладную стороны вопроса. В них предпринята попытка систематизировать и объяснить явления, происходящие при комбинированной сварке, резке и термообработке поверхности, выявить отличительные особенности этих процессов по сравнению с соответствующими лазерными технологиями, а также определить оптимальные условия совместного использования лазерного излучения и электрической дуги в процессах металлообработки.
Одной из задач исследований авторов работы [75] было определение роли полярности электродов дугового разряда в таком эффекте, как стабилизация опорного пятна дуги в зоне лазерного воздействия при Л+ДНЭ сварке. В экспериментах дуговой разряд зажигался между обрабатываемым металлом и неплавящимся электродом, расположенным с той же стороны изделия, что и лазерный луч, под углом 45о к направлению излучения. Источником лазерного излучения служил СO2-лазер непрерывного действия мощностью 700 Вт.
й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Рис. 1.41. Зависимость полного теплового КПД лазерно-дуговой (Л+ДНЭ) сварки от тока дуги (мощность лазерного излучения 900 Вт, скорость сварки 21,3 мм/с) [73] Рис. 1.42. Максимальная скорость сварки нержавеющей стали в зависимости от полной мощности используемого источника тепла: 1 - Л+ДНЭ сварка (мощность лазерного излучения 900 Вт);
2 - лазерная сварка [73] й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, На основании физических представлений о приэлектродных процессах в дуге, а также результатов экспериментов в работе [75] сделан вывод о существенном влиянии полярности электродов на эффект стабилизации опорного пятна дуги. По оценке авторов, если изделие является катодом, то для проявления указанного эффекта при достаточно больших токах дуги (десятки ампер) необходимы интенсивности излучения, требующие мощности лазера порядка нескольких киловатт. Параметры лазерного пучка, используемого в экспериментах (мощность 600 Вт, диаметр в фокусе 0,4 мм), не обеспечивали необходимой для стабилизации катодного пятна плотности мощности излучения, и эффект привязки не наблюдался - катодное пятно дуги уходило из зоны лазерного воздействия и двигалось независимо от пятна лазерного нагрева. Очевидно, что в данном случае нельзя говорить о комбинированном воздействии лазерного пучка и дуги на металл и рассматривать их как единый источник тепловой энергии.
Если изделие является анодом, то эффект стабилизации опорного пятна дуги также носит пороговый характер. Однако, как показали эксперименты, пороговое значение интенсивности лазерного излучения в этом случае оказывается существенно ниже и составляет 105Е106 Вт/см2. Поскольку это значение близко к критической интенсивности излучения, обеспечивающей режим глубокого проплавления при чисто лазерной сварке, авторы объясняют привязку анодного пятна формированием над зоной лазерного испарения металла плазменно-паровой струи с повышенной по сравнению с окружающей атмосферой проводимостью. Как уже отмечалось ранее, того же мнения о механизме стабилизации анодного пятна дуги в присутствии лазерного излучения придерживаются и другие исследователи (см., например, [12, 72]).
В поисках оптимальных условий лазерно-дугового воздействия на изделие (анод) авторы работы [75] исследовали энергетические характеристики комбинированного источника тепла и его составляющих. Сравнение площадей поперечных сечений швов, выполненных лазерной, дуговой и лазерно-дуговой й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, сваркой, позволило определить для каждого из этих способов скорость плавления металла и термический КПД процесса mla, определяемый как отношение мощности, затраченной на плавление металла, к мощности, поглощенной им. Значения скорости плавления образцов из стали 38ХМЮА и термического КПД для каждого источника тепла приведены в табл. 1.4. Как следует из таблицы, скорость плавления при Л+ДНЭ сварке почти вдвое выше, чем можно было бы ожидать при простом сложении мощностей обеих составляющих лазерно-дугового источника. Это свидетельствует о сильном взаимном влиянии лазерного пучка и дуги как источников тепла, объединяемых в комбинированном процессе.
Таблица 1. Характеристики теплового воздействия различных источников тепла на металл [75] Тип источника тепла Характеристики теплового воз CO2-лазер, мощ- ДНЭ, мощность Лазер + дуга, мощ действия ность 500 Вт 500 Вт ность 500 + 500 Вт Скорость плавления 0.80 6.00 14. металла, г/мин mla 0.05 0.18 0. В работе [75] затронут также вопрос о динамическом (силовом) воздействии лазерного пучка на поверхность сварочной ванны и его роли в изменении характеристик дугового источника тепла при комбинированной сварке. В отличие от свободногорящей электрической дуги, являющейся практически поверхностным источником тепла, сфокусированное лазерное излучение, мощность которого достаточна для интенсивного испарения металла, является, как известно, заглубленным источником. В й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, комбинированном процессе давление отдачи струи паров, образующейся в результате лазерного испарения металла, вызывает, также как и при лазерной сварке с глубоким проплавлением, прогиб поверхности сварочной ванны и соответственно заглубление дугового источника тепла в изделие. В результате лазерно-дуговой источник приобретает черты, присущие такому концентрированному источнику тепловой энергии, как лазерный пучок.
Высокая плотность мощности, вводимой в металл комбинированным источником тепла, позволила авторам работы [75] успешно применить лазерно дуговой нагрев для резки и поверхностного упрочнения различных материалов.
Например, при комбинированной термообработке поверхности конструкционных сталей и алюминиевых сплавов (как и в случае сварки, использовалась схема процесса с односторонним расположением источников тепла) удалось значительно увеличить глубину закаленного слоя по сравнению с лазерной обработкой, не увеличивая мощность лазера. В экспериментах по лазерно-дуговой резке тонколистовых жаропрочных сплавов и композиционнных материалов, которая осуществлялась по схеме с расположением лазерного пучка и дуги с разных сторон изделия, авторы пришли к результатам, аналогичным полученным в работах [12, 35]. В частности, наилучший эффект по производительности и качеству резания достигался в том случае, когда мощности, вкладываемые в металл каждой из составляющих комбинированного источника тепла, были примерно равны.
Таким образом, проведенные в работе [75] исследования продемонстрировали перспективность лазерно-дуговой резки и модификации поверхности как способов металлообработки, сочетающих в себе высокую эффективность технологических процессов с возможностью использования относительно маломощных лазерных установок.
Важному аспекту проблемы взаимодействия лазерного излучения с электрической дугой в комбинированных процессах металлообработки, а именно влиянию плазмы дугового разряда на распространяющийся в ней й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, лазерный пучок, посвящена работа [76]. Целью авторов было исследовать поглощение лазерного излучения различных длин волн плазмой электрической дуги, горящей в потоке аргона между вольфрамовым катодом и медным водоохлаждаемым анодом. В экспериментах использовалась как свободногорящая, так и сжатая потоком газа дуга (степень сжатия задавалась расходом аргона через сопло диаметром 2 мм). Ток дуги изменялся в диапазоне 40Е300 А. Авторы исследовали прохождение маломощных лазерных пучков с длиной волны излучения 10,6 мкм (СO2-лазер, мощность 3 Вт) и 0,63 мкм (He Ne лазер, мощность 1,5 мВт) сквозь столб дуги в направлении, перпендикулярном его оси.
На рис. 1.43 представлены результаты измерения коэффициента пропускания излучения СO2-лазера плазмой свободногорящей (кривая 1) и сжатой (кривая 2) электрической дуги в зависимости от тока. Как следует из рисунка, с ростом тока и степени сжатия дуги коэффициент пропускания лазерного излучения уменьшается, причем сжатие дуги оказывает более сильное влияние, чем увеличение тока. Полученные экспериментальные данные позволили авторам рассчитать полный коэффициент поглощения лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм плазмой столба дуги (необходимый для расчета поперечный размер столба, изменяющийся с током и расходом газа, оценивался визуально). Расчетные зависимости коэффициента поглощения от тока для свободногорящей и сжатой дуги представлены на рис.
1.44.
В работе [76] проводились также измерения распределения интенсивности зондирующего излучения СO2-лазера в поперечном сечении пучка в отсутствие дуги и при ее зажигании (в этих экспериментах использовался лазерный пучок, диаметр которого был соизмерим с поперечным размером столба дуги). Было установлено, что нормальное (гауссовское) распределение интенсивности по радиусу в исходном лазерном пучке приобретает после прохождения пучком дуговой плазмы провал в центре, ориентированный вдоль оси столба. Это й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Рис. 1.43. Коэффициент пропускания лазерного излучения с длиной волны 10, мкм плазмой столба аргоновой дуги в зависимости от тока (длина дуги 8 мм, расход аргона 5 л/мин): 1 - свободногорящая дуга (диаметр столба 7Е15 мм);
2 - сжатая дуга [76] Рис. 1.44. Коэффициент поглощения лазерного излучения с длиной волны 10, мкм плазмой столба аргоновой дуги в зависимости от тока: 1 - свободногорящая дуга;
2 - сжатая дуга [76] й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, свидетельствует об оптической неоднородности столба дуги по радиусу, связанной с более высокой вблизи оси концентрацией заряженных частиц, ответственных за поглощение лазерного излучения дуговой плазмой.
Относительно изменения оптических свойств плазмы по высоте столба дуги авторы отмечают, что коэффициент пропускания излучения остается практически постоянным, не упоминая, к сожалению, о поведении коэффициента поглощения.
Эксперименты с использованием излучения He-Ne-лазера показали, что дуга, как свободногорящая, так и сжатая, вплоть до токов 300 А не ослабляет (в пределах погрешности измерений) проходящий лазерный пучок. На основании этих данных, подтверждающих известную зависимость коэффициента поглощения плазмой электромагнитного излучения от его длины волны, авторы делают вывод о прозрачности плазмы аргоновой дуги и для излучения ИАГ-лазера с длиной волны 1,06 мкм.
Характеризуя работу [76] в целом, следует отметить, что полученные авторами результаты могут быть полезны для оценки степени воздействия дуговой плазмы на распространяющийся в ней лазерный пучок в зависимости от способа и условий реализации комбинированного процесса. Вместе с тем необходимо помнить, что малая мощность зондирующего излучения в экспериментах авторов практически исключала влияние лазерного пучка на характеристики дуговой плазмы. Результатом такого влияния в реальных лазерно-дуговых процессах, когда мощность, вносимая в дугу лазерным излучением, соизмерима с ее электрической мощностью, может стать существенное перераспределение оптических свойств плазмы, а следовательно, и изменение условий распространения в ней лазерного пучка по сравнению с невозмущенной дуговой плазмой. При определенных условиях это может привести к появлению новых оптических эффектов, связанных с самовоздействием мощного лазерного пучка в плазме комбинированного разряда [30].
й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, Работа [77] китайских ученых представляет собой довольно подробное экспериментальное исследование особенностей комбинированной сварки нержавеющей стали с использованием излучения СO2-лазера и аргоновой дуги с вольфрамовым электродом (основные результаты этого исследования можно найти также в кратком сообщении [78]). Наряду с вопросами технологического характера, такими как определение параметров проплавления металла, оценка эффективности и производительности процесса, в данной работе рассматривается широкий круг вопросов, касающихся взаимовлияния лазерного пучка и электрической дуги при их совместном использовании. Так, впервые (если не считать краткого упоминания об этом в работе [54]) исследованы особенности возбуждения дугового разряда в присутствии лазерного пучка. В этих экспериментах дуговая горелка устанавливалась под углом 45о к направлению излучения так, что рабочий конец неплавящегося электрода не доходил до оси пучка на 3Е5 мм, а до поверхности изделия на 2Е3 мм. К дуговому промежутку прикладывалось напряжение 160 В, после чего на изделие направлялось непрерывное лазерное излучение мощностью Вт. Киносъемка со скоростью 50 кадров/сек показала, что дуга возбуждалась в тот момент, когда лазерная плазма, расширяясь в процессе своего развития, достигала конца электрода, т.е. перекрывала весь разрядный промежуток. При увеличении мощности лазерного пучка надежность возбуждения дуги повышалась и заметно сокращался интервал времени от момента включения лазерного излучения до момента зажигания дугового разряда.
Достаточно большое внимание в работе [77] уделено экспериментальному изучению такого аспекта взаимовлияния электрической дуги и лазерного пучка, объединяемых в комбинированном процессе, как привязка анодной области дуги к факелу лазерной плазмы и соответственно изменение формы столба дугового разряда. Называя это явление эффектом притяжения дуги, авторы отмечают, что его проявление зависит от тока дуги, времени ее устойчивого горения до включения лазерного излучения, расстояния между рабочим концом й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, электрода и осью пучка, а также от мощности лазерного излучения. Чем больше ток, длительность устойчивого горения, удаленность дуги от оси лазерного пучка и меньше его мощность, тем слабее влияние плазменного факела на столб дуговой плазмы. В частности, при мощности лазерного излучения ниже 350 Вт, токе дуги более 30 А и расстоянии между электродом и осью пучка более 3 мм эффект притяжения вообще не наблюдался. Указанные закономерности поведения дуги отмечались как при неподвижном, так и при движущемся изделии, причем перемещение изделия усиливало эффект притяжения анодной области дугового разряда.
Стабилизация анодной области дуги в зоне лазерного нагрева металла как результат ее притяжения к факелу лазерной плазмы позволяет существенно увеличить скорость комбинированной сварки по сравнению с дуговой.
Например, в экспериментах авторов [77] дуга при токе 30 А и мощности лазерного излучения 500 Вт оставалась устойчивой вплоть до скорости сварки 10 м/мин, в то время как при обычной дуговой сварке неплавящимся электродом она теряла устойчивость уже при скорости 2 м/мин. Полученные в работе [77] экспериментальные зависимости между предельной скоростью перемещения изделия и током дуги при Л+ДНЭ и ДНЭ сварке аналогичны зависимостям, приведенным в статье [54].
На основании анализа результатов скоростной (3000 кадров/сек) киносъемки поведения дуги в комбинированном процессе авторы работы [77] выстраивают явления, происходящие при взаимодействии лазерного пучка с электрической дугой, в следующем порядке. После включения лазерного излучения над поверхностью изделия возникает облако паров металла и генерируется достаточно высокотемпературная лазерная плазма. Плазменный факел, расширяясь, притягивает к себе столб дуги, в результате чего тот искривляется и длина дуги увеличивается. Цвет прианодной зоны столба дуги изменяется (от красного при самостоятельном горении дугового разряда до голубого после объединения с факелом лазерной плазмы), что свидетельствует й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, о повышении температуры дуговой плазмы в области лазерно-дугового взаимодействия.
В работе [77] дается следующее физическое толкование наблюдаемых явлений. Увеличение температуры дуговой плазмы при ее объединении с более высокотемпературной лазерной плазмой приводит к возрастанию электропроводности и уменьшению напряженности электрического поля в этой области дуги. Поэтому в соответствии с принципом минимума энергии (принцип Штеенбека) столб дуги стремится сформироваться в пределах факела лазерной плазмы, а анодное пятно - привязаться к пятну лазерного нагрева металла. В свою очередь, это приводит к повышению температуры поверхности изделия (за счет дополнительного дугового нагрева) и увеличению поглощательной способности обрабатываемого металла в зоне лазерного воздействия. Здесь следует отметить, что такая трактовка процессов лазерно дугового взаимодействия в целом совпадает с предложенной другими исследователями в более ранних работах (см., например, [10, 54]).
Единственная новая гипотеза, которая выдвинута авторами работы [77] как еще одна возможная причина повышения эффективности лазерного нагрева изделия при комбинированной сварке, - это уменьшение плотности приповерхностной лазерной плазмы в результате ее объединения с плазмой слаботочной (менее А) дуги. Следствием снижения концентрации заряженных частиц в плазме, а, значит, и ее коэффициента поглощения, должно стать увеличение доли энергии лазерного пучка, доходящей до поверхности металла.
Экспериментальному подтверждению гипотезы о снижении плотности заряженных частиц в лазерно-дуговой плазме по сравнению с лазерной посвящена более поздняя работа [79], в которой методом Штарка (J. Stark) измерялась концентрация электронов в приповерхностной плазме при лазерном, дуговом и комбинированном воздействии на металл. В экспериментах использовали импульсный ИАГ-лазер с энергией импульса излучения 5 Дж и длительностью менее 2 мс, а также горелку для сварки й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, вольфрамовым электродом в инертных газах. Изделием служила алюминиевая пластина толщиной 0,8 мм.
Результаты измерений плотности электронов ne (лазерная плазма при энергии импульса излучения 5 Дж - ne = 1,51018 см-3;
дуговая плазма при токе 30 А - ne = 9,51016 см-3;
лазерно-дуговая плазма при тех же условиях - ne = 5,21017 см-3) формально подтверждают предположение, высказанное в работе [77], о снижении концентрации заряженных частиц в приповерхностной плазме, возникающей при объединении дуговой и лазерной плазмы, генерируемой сфокусированным излучением СO2-лазера. Однако, приведенные данные не могут служить прямым экспериментальным доказательством справедливости такого предположения, т.к. были получены в совершенно иных экспериментальных условиях, а именно, с использованием излучения импульсного ИАГ-лазера вместо СO2-лазера непрерывного действия. Кроме того не указано, в какой именно момент времени по отношению к началу лазерного импульса проводились измерения концентрации электронов. Между тем хорошо известно, что параметры приповерхностной плазмы в значительной мере зависят от длины волны лазерного излучения, а в случае использования импульсного лазера изменяются также и во времени [80]. Таким образом, вывод авторов работы [79] о снижении плотности приповерхностной плазмы в комбинированном процессе безотносительно к типу используемого лазера является спорным.
К работам, посвященным экспериментальному исследованию различных аспектов взаимовлияния лазерного пучка и дуги с неплавящимся электродом при комбинированной сварке, относится и работа [81]. В экспериментах использовалась схема процесса с расположением источников тепла по одну сторону изделия (горелка с вольфрамовым электродом устанавливалась под углом к нормально направленному на поверхность образца лазерному пучку).
Автор отмечает существенное повышение скорости сварки в лазерно-дуговом процессе, увеличение глубины проплавления и ее незначительную зависимость й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, от длины дуги и скорости перемещения изделия. Как и в других работах, подчеркивается, что суммарный тепловой эффект совместного использования лазерного пучка и дуги превышает сумму эффектов от каждого из источников тепла в отдельности. По результатам измерения параметров проплавления металла, наблюдения поведения дуги с помощью киносъемки и других экспериментов автор работы [81] делает вывод о том, что ключевую роль при взаимодействии лазерного пучка и электрической дуги в комбинированном процессе играет индуцированная лазерным излучением приповерхностная плазма. Она способствует возбуждению, пространственной стабилизации и контрагированию дуги, т.е. фактически делает ее управляемой лазерным пучком.
Как следует из обзора рассмотренных выше работ, знания о процессах, происходящих при взаимодействии сфокусированного лазерного излучения и плазмы электрической дуги между собой и с обрабатываемым металлом, с течением времени обогащались все новыми экспериментальными данными.
Накопление экспериментального материала потребовало изменения направления и методов исследований в сторону более глубокого проникновения в суть наблюдаемых явлений, их теоретического описания и математического моделирования.
Работы, специально посвященные теоретическому исследованию взаимодействия лазерного пучка с плазмой электрической дуги применительно к лазерно-дуговым и лазерно-плазменным технологическим процессам, начали появляться в печати в самом конце 1980-х годов. В частности, в работах [82, 83] представлены результаты численного исследования влияния пучка излучения СO2-лазера на характеристики плазмы дугового разряда, горящего в цилиндрическом канале с аксиальным потоком газа. Задача решалась в предположении, что плазма однородна по длине канала и слабо влияет на распространяющийся вдоль его оси параллельный лазерный пучок. Впервые было показано, что при определенных условиях в рассматриваемой системе й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, реализуется комбинированный лазерно-дуговой разряд, в котором радиальные распределения температуры, скорости плазмы и плотности тока существенно отличаются от распределений соответствующих характеристик плазмы для обычной дуги в канале. Здесь следует упомянуть и работу [84], в которой была предпринята попытка математического моделирования процессов, происходящих при комбинированной Л+ПД сварке. Для упрощения модели использовалось допущение об осесимметричности дуговой плазмы, основные характеристики которой, за исключением собственного магнитного поля тока и радиальной компоненты скорости плазмы, усреднялись по области дуги.
Предполагалось, что обмен энергией между лазерным пучком и дуговой плазмой осуществляется за счет обратного тормозного поглощения лазерного излучения в плазме. При этом энергия, вводимая лазерным пучком, также усреднялась по сечению плазменной дуги.
Построение упрощенных математических моделей комбинированных процессов на основе различных способов усреднения параметров дуговой плазмы и лазерного пучка позволило описать основные закономерности их взаимовлияния, например, повышение температуры и снижение напряженности электрического поля в дуге под действием излучения CO2-лазера, ослабление пучка за счет поглощения лазерного излучения в дуговой плазме и др. Для более детального изучения эффектов лазерно-дугового взаимодействия и особенностей комбинированного разряда требовалось привлечение математических моделей с распределенными параметрами, т.е. моделей, учитывающих пространственное распределение как характеристик дуговой плазмы, так и характеристик взаимодействующего с ней лазерного пучка.
Подобные исследования были выполнены в Институте электросварки им. Е. О.
Патона НАН Украины и опубликованы в работах [85-89] (см. также обзор [30]).
Работы [85-89] посвящены теоретическому описанию и математическому моделированию комбинированного разряда, возникающего при взаимодействии сфокусированного излучения СO2-лазера с плазмой столба й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, дуги, в лазерно-дуговом плазмотроне с аксиальным течением газа.
Математическое моделирование комбинированного разряда проводилось на основе системы МГД-уравнений в приближении осесимметричного пограничного слоя для плазмы и квазиоптического приближения для лазерного пучка, распространяющегося вдоль оси плазмоформирующего канала. С целью корректного задания начальных условий для плазмы вблизи катода лазерно дугового плазмотрона была разработана самосогласованная модель катодных процессов для трубчатого термоэмиссионного катода, подогреваемого лазерным излучением [88-90]. Характеристики плазмы, генерируемой таким плазмотроном, и взаимодействующего с ней сфокусированного лазерного пучка изучались как на участке разряда, стабилизированном стенками канала [85, 86, 89], так и на открытом участке разряда [87, 89]. Было установлено, что при определенных соотношениях между током дуги и мощностью лазерного излучения распределения температуры, плотности тока и скорости плазмы в лазерно-дуговом плазмотроне, существенным образом отличаются от соответствующих распределений для обычной плазменной дуги, а пучок излучения испытывает значительное поглощение и дополнительную фокусировку в плазме комбинированного разряда. Здесь следует отметить, что к аналогичным результатам пришли и авторы более поздней работы [91], посвященной численному моделированию осесимметричного лазерно-дугового разряда, горящего с трубчатого катода в потоке аргона, выполненному на основе полной системы МГД-уравнений для плазмы и скалярного волнового уравнения для поля гауссова пучка излучения СО2-лазера с учетом рефракции и поглощения пучка в плазме.
Проведенные теоретические исследования позволили не только уточнить представления о ранее известных закономерностях взаимного влияния лазерного пучка и дуговой плазмы, но и предсказать новые эффекты лазерно дугового взаимодействия, которые могут проявиться при реализации комбинированного разряда. В частности, было показано, что воздействуя й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, сфокусированным лазерным излучением на плазму электрической дуги, можно эффективно управлять ее характеристиками путем изменения мощности и условий фокусировки используемого лазерного пучка. С другой стороны, варьируя ток дуги, расход и состав плазмообразующего газа, можно влиять на фокусирующие свойства возникающей в такой системе плазменной линзы. Это позволяет сделать заключение об эффективности использования комбинированного разряда в качестве источника тепла, обладающего новыми возможностями управления концентрацией энергии, вводимой в обрабатываемый материал, и о перспективности создания на его основе лазерно-дуговых горелок и плазмотронов для комбинированных процессов сварки, резки, термической обработки материалов и нанесения покрытий [92].
й И.В. Кривцун, 2001 (ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Украина, 03680, г. Киев, ул. Боженко 11, Тел. (044) 261-5349, Факс: (044) 268-0486, krivtsun@i.com.ua, СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Патон Б. Е. Плазменные технологии на рубеже веков // Автоматическая сварка. - 2000. - № 12. - С. 3-5.
2. Коваленко В. С. Лазерна технологiя: новi досягнення // Вiстник НАНУ. - 2000. - № 1. - С. 11-22.
3. Коваленко В. С., Крiвцун I. В. Комбiнованi лазерно-дуговi процеси обробки матерiалiв (I) // Науковi вiстi НТУУ <КПI>. - 2001. - № 5 (в печати).
Pages: | 1 | 2 | Книги, научные публикации