Влияние присадочного материала на формирование металла шва при лазерной и гибридной сварке - Производство и технологии дипломная работа
Главная
Производство и технологии
Влияние присадочного материала на формирование металла шва при лазерной и гибридной сварке
Процесс лазерно-дуговой сварки с использованием дуги, горящей на плавящемся электроде. Экспериментальное исследование изменения металла при сварке и микроструктуры сварных швов. Сравнительная оценка экономической выгоды различных процессов сварки.
посмотреть текст работы
скачать работу можно здесь
полная информация о работе
весь список подобных работ
Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
«Влияние присадочного материала на формирование металла шва при лазерной и гибридной сварке»
Способы комбинирования лазерного излучения с дугой применительно к процессу сварки жести (тонких металлов) известны еще с конца 1970-х годов, однако долгое время данное направление практически не развивалось. В последние годы внимание исследователей снова привлечено к этому процессу и предпринята попытка объединить преимущества дуги с преимуществами лазера в рамках единого гибридного процесса сварки. При этом подразумевается, что лазерный луч и дуга совместно воздействуют на изделие в зоне сварки, оказывая взаимное влияние и поддерживая друг друга.
Успешное применение лазерной сварки требует не только лазерных установок высокой мощности, но и высокого качества лазерного пучка, необходимого для обеспечения желаемого эффекта глубокого проплавления. Более высокое качество пучка может быть использовано либо для получения меньшего диаметра пятна фокусировки, либо для применения более длиннофокусной оптики.
При сварке металлических изделий пучок Nd:YAG-лазера достигает плотности излучения около 106 Вт/см 2 . Когда пучок лазера попадает на поверхность материала, он нагревает ее до температуры кипения и в шве образуется канал вследствие выхода паров металла. Отличительной особенностью такого сварного шва является большое отношение глубины проплавления к ширине. Плотность потока энергии от свободногорящей дуги несколько выше 104 Вт/см 2 , что не позволяет производить сварку с глубоким проплавлением.
Лазерный пучок переносит тепло к металлу шва в верхней его части дополнительно к теплу, поступающему от дуги. В отличие от последовательного варианта, когда два процесса используются независимо (лазерный пучок и дуга действуют на некотором расстоянии друг от друга), гибридная сварка может рассматриваться как комбинация двух сварочных процессов, реализуемых одновременно как один процесс в одной и той же зоне. В зависимости от используемых видов дуги, лазера и технологических особенностей, эти процессы влияют друг на друга в разной степени и разными путями.
Рис. 1.1. Схема процесса лазер - МИГ сварки: 1 - лазерный пучок; 2 - электрод; 3 - дуга; 4 - зона сплавления; 5 - направление сварки; 6 - изделие; 7 - паровой канал; 8 - плазма; 9 - пары металла, образующиеся под действием лазерного излучения
Благодаря комбинации лазерного процесса с дуговым можно увеличить как глубину проплавления соединения, так и скорость сварки. Пары металла, истекающие из парового канала, оказывают действие на плазму дуги, в то же время поглощение излучения Nd:YAG-лазера в плазме остается незначительным. В зависимости от соотношения двух подводимых мощностей, характер общего процесса может быть определен в большей или меньшей степени, либо лазером, либо дугой .
На поглощение лазерного излучения существенно влияет температура поверхности изделия. Перед началом процесса лазерной сварки следует устранить исходное отражение, что особенно важно на алюминиевых поверхностях. Это можно сделать с помощью специальной программы начала сварки. После достижения температуры испарения образуется паровой канал и почти вся энергия излучения может передаваться изделию. Необходимый уровень ее определяется, таким образом, поглощением, зависящим от температуры, и количеством энергии, потерянной за счет теплопроводности в остальной части изделия. При лазер-МИГ сварке испарение имеет место не только с поверхности изделия, но и с присадочной проволоки. Это обеспечивает большее количество паров металла и предотвращает проседание шва.
Далее рассмотрим основные преимущества и недостатки гибридной сварки, микроструктурные изменения в металле, способы зашиты шва путем применения различных защитных газов, виды присадочных материалов и их влияние на структуру металла, а также перспективность и значимость гибридных технологии в современном мире.
1.1 Тенденции развития и перспективы использования гибридных технологий
К настоящему времени дуговой разряд, как один из самых распространенных и дешевых видов сварочных источников, наталкивается в своем дальнейшем развитии на существенные трудности, связанные с недостаточной концентрацией энергии в электродуговой плазме и неустойчивостью горения дуги при высоких скоростях сварки. В связи с этим дуговой разряд, как технологический инструмент для реализации процессов сварки и металлообработки, не удовлетворяет современным требованиям промышленности в отношении производительности и качества сварных соединений. Лазерная сварка также имеет определенные недостатки. Гибридная лазерно-дуговая сварка позволяет в значительной мере нивелировать недостатки, присущие каждому из указанных методов сварки [4].
Лазерно-дуговые способы сварки были разработаны во второй половине 1970-х гг. в Англии [5]. Исследования в этой области проводили специалисты многих научно-исследовательских институтов. Материалы, изложенные в работах различных авторов, дают представление о физических процессах, происходящих во время сварки указанными способами, и содержат ряд экспериментальных данных, на которых базировались авторы при попытке произвести оценку перспектив дальнейшего технологического развития комбинированных лазерно-дуговых процессов и выбор направлений собственных исследований. В литературе встречаются термины «гибридный» и «комбинированный» способы сварки. В дальнейшем под понятием гибридный будем подразумевать такой способ сварки, при котором лазерное излучение и электрическая дуга действуют совместно на одну точку и физическая сущность такого действия отличается от действия каждой из составляющих. Под понятием комбинированный будем понимать способ сварки, при котором лазерное излучение и дуга создают единый термический цикл процесса, однако физическая сущность действия каждой из составляющих остается неизменной.
С 1978 по 1981 гг. исследования проводили ученые научной школы профессора Стина. После того как их результаты стали достоянием мировой научной общественности, их подвергли критическому изучению. Затем наблюдается повышенный интерес к исследованиям в данной области (см. пики в 1983-1986 и 1988-1991 гг. на рисунке 1.2). После непродолжительной паузы в 1992-1993 гг. происходит постепенный подъем.
Рис. 1.2. Хронология интенсивности исследований лазерно-дуговых способов обработки материалов
Можно выделить пять основных направлений исследований: сварка тонколистовых металлов; сварка толстолистовых металлов; наплавка и термообработка; физические исследования; прочие (оригинальные оборудование и технологии сварки, резки и т.д.). Со времени появления лазерно-дуговых способов по 1985 г. наблюдалось доминирование экспериментальных исследований и рост интереса к патентованию всевозможных способов обработки и конструкций для их реализации. Затем после накопления достаточного фактического материала (1988-1991 гг.) произошла интенсификация исследований в области физики процесса. На этом фоне с 1978 по 1990 гг. вопросы сварки толсто- и тонколистовых металлов исследовались достаточно планомерно. Начиная с 1994 г. и по настоящее время установился паритет во всех направлениях научных исследований в указанной области. Это свидетельствует о системном подходе к решению возникающих проблем, а также о расширении круга исследований. Такая стабильность работ тематической направленности позволяет надеяться на то, что гибридные и комбинированные способы займут такое же место в науке и технике, как и их составляющие (лазерные и дуговые технологии). При относительно стабильном интересе исследователей к сварке тонко- и толстолистовых металлов, все же в 1984 и 1988 гг. акцент делался на сварку толстолистовых металлов, а в 1994 и 1996 гг. - на сварку тонколистовых.
Так называемый синергетический эффект от совместного использования лазерного излучения и электрической дуги (эффект нарушения аддитивности теплового воздействия на изделие лазерного пучка и дуговой плазмы) вызван переходом от теплопроводностного режима сварки к режиму кинжального (глубокого) проплавления. При использовании сравнительно маломощных лазерного и дугового источников в отдельности определено, что ни у одного из них не хватает плотности мощности для достижения сквозного проплавления металла (обычно тонколистового). В случае их комбинации дуга, согласно механизму, описанному в работе [6], «привязывается» и к месту действия лазерного излучения на изделие (анод). Дуга сжимается в пределах факела лазерной плазмы, при этом эффект блуждания анодного пятна устраняется. Благодаря дополнительному энерговкладу дуги, застабилизированной лазерным излучением, а также увеличению поглощательной способности перегретого металла режим проплавления от теплопроводностного переходит к кинжальному. При этом возникает характерный для лазерной сварки парогазовый канал, в который, следуя за лазерным излучением и образуемой им из паров металла плазмой, опускается анодная область столба сжатой дуги. Как только преодолевается порог между теплопроводностным и кинжальным режимами проплавления, объем переплавленного металла резко возрастает, что позволяет увеличить глубину провара или скорость сварки в 1,5…2,0 раза.
Преимуществом способа гибридной лазерно-дуговой сварки является переход к режиму глубокого проплавления. Поэтому использование этого способа оправдывает себя при сварке тонколистовых металлов, когда требуются сравнительно малые лазерные мощности (до 1,0…1,5 кВт для СО 2 -лазера или 300…1000 Вт для Nd:YAG-лазера) и дуга мощностью около 1 кВт, способная оказать воздействие, эквивалентное увеличению мощности лазерного излучения на 1 кВт. Важным моментом также является применение малых и средних токов дуги. Схема такой гибридной сварки аналогична показанной на рисунке 1.3.
При сварке металла большой толщины возможно применение разнообразных технологических приемов. Одним из способов может быть лазерно-дуговая сварка с использованием дуги, горящей на плавящимся электроде (рисунок 1.4). Разделка шва выполняется таким образом, чтобы с помощью лазерного излучения производилась заварка корневого шва и заполнение разделки металлом плавящегося электрода.
Рис. 1.3. Схема процесса лазерно-дуговой сварки при использовании дуги с неплавящимся электродом [10]: 1 - шов; 2 - лазерный пучок; 3 - неплавящийся электрод; 4 - сопло; 5 - дуга; 6 - изделие.
При этом, варьируя расстояние а между зонами действия лазерного излучения и дуги, можно подобрать такой общий сварочный термический цикл, при котором устраняются негативные последствия лазерной сварки. Так, например, при стыковой сварке листов стали толщиной 20 мм с V-образной разделкой кромок подобрали термический сварочный цикл, при котором происходила нормализация корневого шва, а распределение твердости между основным металлом и металлом шва было однородным. При этом использовали следующий режим сварки: мощность лазера - 6.3 кВт; мощность дуги - 18.55 кВт; скорость сварки - 0.6 м/мин; расстояние между лазерным и дуговым источниками - 30 мм.
Интересен вопрос о влиянии дуговой плазмы на лазерное излучение. В ходе проведенных исследований сварки излучением СО 2 -лазера, комбинированным с дугой неплавящегося вольфрамового электрода, наблюдалось проявление известного эффекта - экранирование лазерного излучения аргоновой плазмой. Он был устранен при замене плазмообразующего газа на гелий. Некоторыми исследователями [7, 8].было предложено применить дополнительное фокусирование лазерного излучения в плазме гибридного разряда при использовании специальных лазерно-дуговых плазмотронов, а также управление плазменной линзой, что должно способствовать повышению эффективности процессов сварки, резки, термообработки и нанесения покрытий.
Рис. 1.4. Схема процесса лазерно-дуговой сварки с использованием дуги, горящей на плавящемся электроде: 1 - изделие; 2 - разделка; 3 - защитный газ; 4 и 7 - сопла; 5 - лазерный пучок; 6 - электродная проволока; 8 - шов; а - расстояние между источниками тепла.
В настоящее время лазерная сварка тонколистовых металлов используется (например, при изготовлении заготовок для штамповки кузовных элементов автомобилей), не только для повышения производительности, но и для получения качественного узкого шва с минимальной ЗТВ. При гибридной и комбинированной сварке получаемые швы уже, чем при дуговой сварке, но шире, чем при лазерной. При этом их ЗТВ больше, чем в случае лазерной сварки. Небольшое «провисание» лазерных швов может быть устранено за счет подбора режимов сварки. Скоростные преимущества гибридных способов сварки весьма относительны, так как наращивание мощности излучения при лазерной сварке способствует линейному повышению скорости, а наращивание мощности лазера и дуги при лазерно-дуговой сварке может привести к прекращению устойчивости эффекта контрагирования анодной области дуги и, как следствие, к потере роста глубины провара или ухудшению качества реза при гибридной резке.
1 . 2 Особенность совместного воздействия лазерного излучения и дуги на металл
К настоящему времени дуговой разряд, как один из самых распространенных и дешевых видов сварочных источников, наталкивается в своем дальнейшем развитии на существенные трудности, связанные с недостаточной концентрацией энергии в электродуговой плазме и неустойчивостью горения дуги при высоких скоростях сварки. В связи с этим дуговой разряд, как технологический инструмент для реализации процессов сварки и металлообработки, не удовлетворяет современным требованиям промышленности в отношении производительности и качества сварных соединений. Лазерная сварка, как было сказано, также имеет определенные недостатки. Гибридная лазерно-дуговая сварка позволяет в значительной мере нивелировать вышеперечисленные недостатки, присущие каждому из указанных методов сварки.
Гибридная лазерно-дуговая сварка - это такой метод сварки, при котором формирование сварочной ванны происходит при одновременном действии лазерного излучения и сварочной дуги.
Процесс лазерно-дуговой сварки может осуществляться неплавящимся или плавящимся электродом. При использовании неплавящегося электрода дуга зажигается впереди по ходу сварки. Дуга подогревает металл и расплавляет его верхний слой, а лазерный луч осуществляет глубокое проплавление. В случае использования плавящегося электрода электрическую дугу зажигают позади сфокусированного лазерного излучения, которое проплавляет только соприкасающиеся части металла, например в V-образной разделке его кромки, а заплавление скоса кромок осуществляет электрическая дуга с расходуемым электродом.
Преимуществами гибридной лазерно-дуговой сварки являются возможность частичной замены мощности лазерного излучения мощностью дугового источника при сохранении геометрии швов; трансформация сварочного термического цикла, снижающая склонность к образованию закалочных структур в металле шва и околошовной зоны и пр. Первое из перечисленных преимуществ особенно интересно для промышленного внедрения лазерно-дуговой сварки, поскольку может способствовать снижению капитальных затрат на приобретение оборудования (учитывая его сравнительно невысокую стоимость для дуговой сварки).
Формирование геометрии проплавления при лазерно-дуговой сварке определяется энергетическим балансом энергии лазерного излучения и электрической дуги и их количественным соотношением между собой. При лазерной сварке с Wp Wкр формирование шва происходит в режиме кинжального проплавления, который характеризуется узким и глубоким швом с большим значением коэффициента формы шва.
Механизм формирования геометрии шва при дуговой сварке определяется механизмом теплопроводности и характеризуется низким значением коэффициента формы шва. Формирование геометрии проплавления при лазерно-дуговой сварке отвечает некоторому промежуточному соотношению глубины и ширины шва и может регулироваться относительным вкладом энергии каждого источника.
В зависимости от соотношения мощностей лазерного луча и дуги геометрия проплавления изменяется от типично лазерной до типично дуговой.
Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что если мощность лазерного излучения P?U Д I форма проплавления практически соответствует получаемой при лазерной сварке. Увеличение мощности дуги, при выполнении условия U Д I < Р, приводит к расширению литой зоны у поверхности. Если Р<Влияние присадочного материала на формирование металла шва при лазерной и гибридной сварке дипломная работа. Производство и технологии.
Дипломная Работа Безопасность
Принцип Автоматического Исполнения Программ В Эвм Реферат
Концепции Развития Науки Реферат
Сочинение Изменил Мою Жизнь
Реферат На Тему Гуманистическая Школа Управления
Реферат по теме Античная культура средиземноморья
Курсовая Работа На Тему Особенности Рисунка Ученика Специальной Коррекционной Школы
Праздник Моего Народа Сочинение
Тесты Диагностическая Контрольная Работа
Реферат: Функционирование Пенсионного фонда в системе социального обеспечения России
Контрольная Работа На Тему Гражданское Процессуальное Право
Реферат: Mrs Dalloway Essay Research Paper
Курсовая работа по теме Развитие экологического туризма в России на примере Псковской области
Охрана Биоразнообразия Реферат
Сила Сочинение 9.3 По Тексту Паустовского
Контрольная работа: Корпоративный имидж
Курсовая Работа По Дисциплине Управление Проектами
Источники Социального Обеспечения Курсовая
Реферат Про Швецию
Мини Сочинение Учитель Будущего
Дифференциальные операции в криволинейной системе координат - Математика контрольная работа
Разработка вычислительной системы 60 GFLOPS - Программирование, компьютеры и кибернетика контрольная работа
Использование новых информационных технологий в обучении английскому языку - Педагогика дипломная работа