3.6. Лазерно-дуговая сварка
В последнее время всё большее развитие получают гибридные и комбинированные технологические процессы, реализуемые путём совместного использования двух различных источников теплоты, в частности лазерного пучка и электрической дуги.
Первые исследования лазерно-дуговых процессов, выполненные во второй половине 1970-х г. в Англии, показали, что эти процессы обладают целым рядом особенностей, которые нельзя объяснить простой суперпозицией свойств используемых источников теплоты, взятых по отдельности. Так, установлено, что при этом способе воздействия на металл существенно увеличивается коэффициент использования энергии как лазерного, так и дугового источников теплоты, повышается стабильность движения пятна дуги по поверхности из-делия, что позволяет значительно увеличить глубину проплавления при использовании лазеров небольшой мощности, а также повысить стабильность и практически удвоить производительность соответствующего дугового процесса.
Существуют термины: «гибридный» и «комбинированный» способы сварки. Под понятием гибридная сварка подразумевают такой способ, при котором лазерное излучение и электрическая дуга действуют совместно на одну точку, и физическая сущность такого действия отличается от таковой для каждого из составляющих процессов сварки. Под понятием комбинированная сварка подразумевают способ сварки, при котором лазерное излучение и дуга создают единый термический цикл процесса, однако физическая сущность действия каждой из составляющих процесса остаётся самостоятельной.
При гибридной (рис. 3.33, а) сварке синергетический эффект от использования лазерного излучения и электрической дуги (эффект нарушения аддитивности теплового воздействия на изделие лазерного пучка и дуговой плазмы) вызван переходом от теплопроводного режима сварки к режиму глубокого (кинжального) проплавления. При этом применяют сравнительно маломощные лазерные и дуго-вые источники, ни у одного из которых в отдельности не хватает мощности для достижения сквозного проплавления металла (обычно тонколистового). В случае же их комбинации дуга «привязывается» к месту действия лазерного излучения на изделие (анод). Электрическая 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 теплопроводного переходит к кинжальному. При том возникает характерный
Направление сварки 6 а ] Направление сварки б
Рис. 3.33. Схема процессов лазерно-дуговой сварки: а-при использовании дуги с неплавящимсяэлектродом [/ -шов; 2-лазер-ный пучок; 3 - неплавящийся электрод; 4 - сопло; 5 - дуга; 6~ изделие]; б-при использовании дуги, горящей на плавящемся электроде [/ - изделие; 2 - разделка шва; 3 ~ защитный газ; 4 и 7 - сопла; 5 - лазерный пучок; 6 -электродная проволока; 8 - шов; Ь - расстояние между источниками теплоты]
для лазерной сварки пародинамический канал, в который, следуя за лазерным излучением и образуемой им из паров металла плазмой, опускается анодная область столба сжатой дуги. Как только преодо-левается порог между теплопроводным и кинжальным режимами проплавления, объём переплавленного метапла резко возрастает, что позволяет увеличить глубину провара и скорость сварки в 1,5-2,0 раза.
При сварке металлабольшой толщины возможно применение ком-бинированной сварки: лазерно-дуговой с использованием дуги, го-рящей между плавящимся электродом и изделием (рис. 3.33, 6). Раз-делка шва выполняется таким образом, чтобы с помощью лазерного излучения производилась заварка корня шва и заполнение его плавя-щимся электродом. При этом, варьируя расстояние Ъ между зонами действия лазерного излучения и дуги (см. рис. 3.33, б), можно подобрать такой общий сварочный термический цикл, при котором устраняются негативные последствия лазерной сварки. Например, при стыковой сварке листов стали толщиной 20 мм с У-образной раздел-кой кромок подобрали термический сварочный цикл, при котором происходила нормализация корневого шва, распределение твёрдости между основным металлом и металлом шва было однородным. При этом использовали следующий режим сварки: мощность лазера 6,3 кВт; мощность дуги 18,55 кВт.