Automatic Welding, 2015, №08



2015 №08 (03)

2015 №08 (05)

---

Журнал «Автоматическая сварка», № 8, 2015, с. 20-27
 

Современное состояние гибридной лазерно-плазменной сварки (Обзор)

А.И. Бушма

ИЭС им. Е.О. Патона НАН У. 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
 
Реферат
В работе описана краткая ретроспектива развития и современное состояние гибридной лазерно-плазменной сварки. Показано, что к основным задачам гибридной лазерно-плазменной сварки относится не только плазменно-дуговой подогрев металла изделия для повышения его поглощающей способности, но и модификация сварочного термического цикла для снижения скорости охлаждения после сварки. Это позволяет снизить содержание хрупких структур, склонных к разрушению при эксплуатации. Также, наличие плазменно-дуговой составляющей процесса позволяет снизить требования к качеству сборки свариваемых стыков, по сравнению с лазерной сваркой. Перспективы промышленного внедрения гибридной лазерно-плазменной сварки связаны с ее экономическими и технологическими преимуществами. Экономические преимущества заключаются в частичной (до 50 %) замене достаточно дорогой лазерной мощности значительно более дешевой дуговой, а также в снижении энергозатрат процесса за счет возможности замены присадочной проволоки соответствующим порошком или полного отказа от присадочного материала. Технологические преимущества заключаются в уменьшении остаточных термических деформаций, снижении требований к подготовке свариваемых кромок (включая возможность сварки кромок с зазором переменной ширины), получении возможности катодной очистки алюминиевых сплавов непосредственно в процессе сварки, увеличении глубины проплавления и повышении производительности процесса (в несколько раз по сравнению с плазменной сваркой и примерно на 40 % по сравнению с лазерной). Внедрение лазерно-плазменной сварки способно изменить существующие взгляды технологов на сварочный процесс и конструкторов на проектирование сварных конструкций. Промышленное применение лазерно-плазменной сварки, в первую очередь, связано с решением задач соединения титановых и алюминиевых сплавов, а также нержавеющих сталей, в диапазоне толщин 0,3…15,0 мм. Библиогр. 50, рис. 12.
 
Ключевые слова: гибридные технологии, синергетический эффект, лазерно-плазменная сварка, схема процесса, лазерное излучение, длина волны, плазма, катодная очистка, параметры режима, перспективы применения
 
Поступила в редакцию 23.03.2015
Подписано в печать 25.06.2015
 
1. Кривцун И.В. Комбинированные лазерно-дуговые процессы обработки материалов и устройства для их реализации. Автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.09.10 – Електротермические процессы и установки. – Киев: Ин-т электросварки им. Е.О. Патона НАН У, 2002. – 393 с.
2. Steen W.M., Eboo M. Arc augmented laser welding // Metal Construction. – 1979. – 11, № 7. – P. 332–335.
3. Steen W.M. Arc augmented laser processing of materials // J. of Applied Physics. – 1980. – 51, № 11. – P. 5636–5641.
4. Патент 1547172 Великобритания, МКИ В 23 К 26/00, 9/00. Methods and apparatus for cutting, welding, drilling and surface treating / W.M. Steen. – Опубл. 06.06.79.
5. Bagger C, Olsen F.O. Review of Laser Hybrid Welding // J. of Laser Applications. – 2005. – 17, № 1. – P. 2–14.
6. Progress in Laser-MAG hybrid welding of high strength steels up to 30 mm thickness / D. Petring, C. Fuhrmann, N. Wolf, R. Poprawe // Proc. of Intern. Congress of Applications of Laser and Electro-Optics, ICALEO, 2007, Orlando, Florida (USA) – Orlando: LIA, 2007.– P. 300–307.
7. Shibata K., Sakamoto H., Iwasa T. Laser-MIG hybrid welding of aluminium alloys // Welding in the World. – 2006. – 50, № 1/2. – P. 27–34.
8. Лазерная техника фирмы Trumpf // Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.trumpf-laser.com
9. Продукция ООО НТО «ИР Э-Полюс» // Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.ntoire-polus.ru
10. Пат. 5700989 США, МКИ B23K 26/00, 10/00. Combined laser and plasma arc welding torch / I.S. Dykhno, I.V. Krivtsun, G.N. Ignatchenko. – Опубл. 23.12.97.Пат.US6388227 B1 США. Combined laser and plasma-arc processing torch
and method. / I. Dykhno, G. Ignatchenko, Е. Bogachenkov. – Опубл. 14.05.2002.
11. Пат. US6388227 B1 США. Combined laser and plasma-arc processing torch and method / I. Dykhno, G. Ignatchenko, E. Bogachenkov. – Опубл. 14.05.2002.
12. Гибридная лазерно-плазменная сварка алюминиевых сплавов / И.В. Кривцун, В.Д. Шелягин, В.Ю. Хаскин и др. // Автомат. сварка. – 2007. – № 5. – С. 49–53.
13. Пат. 5866870 США, МКИ B23K 10/00, 26/00. Enhanced laser beam welding / R.P. Walduck. – Опубл. 02.02.99.
14. Kim C.H., Ahn Y.H., Kim J.H. CO2 Laser-micro plasma arc hybrid welding for galvanized steel sheets // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2011. – V.21, Supplement 1. – P. 47–53.
15. Кривцун И.В., Бушма А.И., Хаскин В.Ю. Гибридная лазерно-плазменная сварка нержавеющих сталей // Автомат. сварка. – 2013. – № 3. – С. 48–52.
16. Пат. WO2003089185 A1 США. Laser material machining using hybrid processes. / D. Petring. – Опубл. 30.10.2003.
17. Qualification of Nd:YAG and CO2 laser plasma hybrid welding with filler material powder / K. Stelling, M. Lammers, H. Schobbert et al. // Welding and Cutting. – 2006. – 5, № 6. – P. 330–334.
18. Микроплазменная сварка / Б.Е. Патон, В.С. Гвоздецкий, Д.А. Дудко и др. – Киев: Наук. думка, 1979. – 248 с.
19. Kexuan Ch., Heqi L., Chunxu L. Cathodic cleaning in variable polarity plasma arc welding of aluminum alloys // China Welding. – 2003. – № 2. – P. 168–170.
20. Bingkun Z. Study of processing parameters of CO2-laser welding on aluminum alloys / Z. Bingkun // Chinese Journal of Lasers. – 2000. – № 2. – P. 183–186.
21. Joint Performance of CO2 Laser beam welding 5083-h321 aluminum alloy / Q. Junfeng, Z. Dongyun, X. Rongshi et al. // China Welding. – 2007. – № 2. – P. 40–45.
22. CO2-Laser welding of 5a06 aluminum alloy plates with sifferent thicknesses / Y. Shu-rong, F. Ding, X. Jin-hui, C. Jianhong // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2006. – № 3. – P. 1407–1410.
23. Хаскин В.Ю. Развитие лазерной сварки алюминиевых сплавов в ИЭС им. Е.О. Патона (Обзор) // Автомат. сварка. –2013. – № 5. – С. 52–57.
24. Bagger C., Olsen F.O. Comparison of plasma, metal inactive gas (MIG) tungsten inactive gas (TIG) processes for laser hybrid welding // 22nd Intern. Congress on Applications of Laser and Electro-Optics, 13–16 Oct. 2003, Jacksonville, Florida, USA. –Jacksonville: LIA, 2003. – P. 11–20.
25. Characteristics comparison of laser-TIG arc interaction using high power CO2 and Yb:YAG Laser / W. Shikai, X. Rongshi, Y. Wuxiong, C. Kai // Chinese Journal of Lasers. – 2010. – № 10. – P. 2667–2671.
26. Shikai W., Rongshi X., Kai C. CO2-laser welding and co2 laser-tig hybrid welding of thin walled stainless steel butt joint from the base plate side // Electromachining & Mould. – 2009. – № 6. – P. 29-33.
27. Monitoring and phenomena observation during YAG laser lap welding of Zn-coated steel sheets / S. Katayama, M. Mizutani, T. Tarui, K. Mori // J. of Lanzhou University оf Technology. – 2004. – № 4. – P. 31–36.
28. Microstructure and mechanical properties of wrought magnesium alloy AZ31B Welded by Laser-TIG Hybrid / L. Liming, S. Gang, W. Jifeng, L. Guoli // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2004. – 14, № 3. – P. 550–555.
29. Microstructures and toughness of weld metal of ultrafine grained ferritic steel by laser welding / X. Zhang, W. Chen, C. Wang et al. // J. of Materials Science & Technology. – 2004. – № 6. – P.755–759.
30. Wenquan W., Daqian S., Chungyun K. Macrostructural and microstructural features of 1000 MPa Grade TRIP Steel Joint by CO2-Laser Welding // China Welding. – 2008. – № 2. – P. 1–7.
31. Test of residual stress in laser beam welding and TIG welding joints of aeronautical titanium alloy plate / H. Xiaodong, Z. Jianxun, P. Zuo, G. Shuili // Welding & Joining. – 2003. – № 10. – P. 26–29.
32. New development of mechanisms of laser-TIG arc hybrid welding / X. Yuan, S. Yonglun, H. Kunping, Y. Xiaohong // Welding & Joining. – 2008. – № 12. – P. 21.
33. Influence of shielding gas pressure on welding characteristics in CO2 laser-mig hybrid welding process / Y. Chen, Z. Lei, L. Li, L. Wu // Chinese Optics of Letters. – 2006. – № 1. – P. 33–35.
34. Laser-Arc hybrid welding of titanium alloy / C. Li, L. Xiaoyan, H. Dingyong, G. Changshi // Welding & Joining. – 2009. – № 7. – P. 60–64.
35. Zhen L., Guoliang Q., Shangyang L. Development of YAG laser-MIG/MAG arc hybrid welding technology // Welding & Joining. – 2005. – № 9. – P. 9–12.
36. Fuzuo W., Jianping H., Feng X. Study on stainless steel wire screen mesh welding using micro-plasma arc welding // Hot Working Technology. – 2010. – № 1. – P. 128–130, 133.
37. Xiaohui L., Su W., Caiyun X. 304 stainless steel rotarytwin-focus laser-TIG hybrid welding // J. of Beijing University of Aeronautics and Astronautics. – 2008. – № 4. – P. 431–434.
38. Gao Zh., Huang J., Li Y. Effect of relative position of laser beam and arc on formation of weld in laser-MIG hybrid welding // Transactions of the China Welding Institution. – 2008. – № 12. – P. 69–73.
39. Ishide T., Tsubota S., Watanabe M. Latest MIG, TIG arc-yag laser hybrid welding systems for various welding products // 1st. International Symposium High-Power Laser Macro. – Osaka: SPIE, 2002. – P. 347–352.
40. Process monitoring and macrostructure examination of low laser power hybrid gas metal arc welding on A36 steel / C. Roepke, S. Liu, S. Kelly, R. Martukanitz // IIW Doc. IV-1030-10, 2010.
41. Liu Z., Kutsuna M. Metallurgical study on laser-MAG hybrid welding of HSLA-590 Steel // Proc. of laser materials processing conference ICALEO, 2005, Miami, Florida, USA. – Miami: LIA, 2005. – P. 127–133.
42. Naito Y., Mizutani M., Katayama S. Observation of keyhole behavior and melt flows during laser-arc hybrid welding // Proc. of intern. congress of applications of laser and electrooptics, ICALEO, 2003, Jacksonville (USA). – Jacksonville: LIA, 2003. –Section A. – P. 159–167.
43. Optimization research on laser-MIG composite welding for rear axle steel plate / Y. Yuan, M. Wouters, J. Powell et al. // Automobile Technology. – 2008. – № 1. – P. 54–57.
44. Кривцун И.В., Чиженко М.И. Основы расчета лазерно-дуговых плазмотронов // Автомат. сварка. – 1997. – № 1. – С. 16–23.
45. Ках П., Салминен А., Мартикаинен Дж. Особенности применения гибридной лазерно-дуговой сварки (Обзор) // Автомат. сварка. – 2010. – № 6. – С. 38–47.
46. Кривцун И.В., Бушма А.И., Хаскин В.Ю. Лазерно-плазменная сварка нержавеющих сталей и алюминиевых сплавов // Доп. НАН України. – 2013. – № 3. – С. 76–82.
47. Сидорец В.Н., Бушма А.И., Хаскин В.Ю. Перспективы применения гибридной лазерно-плазменной сварки нержавеющих сталей в машиностроении // Вісник Донбас. держ. машинобудівної академії. – 2012. – № 3(28). – С. 244–246.
48. Технологические особенности лазерной, микроплазменной и гибридной лазерно-микроплазменной сварки алюминиевых сплавов / В.Д. Шелягин, А.М. Оришич, В.Ю. Хаскин и др. // Автомат. сварка. – 2014. – № 5. – С. 35–41.
49. Walduck R.P., Biffin J. Plasma arc augmented laser welding // Welding and Metal Fabrication. – 1994. – № 4. – P. 172–176.
50. Пауль К., Ридель Ф. Гибридная лазерная сварка – объединяя усилия // Фотоника. – 2009. – № 1. – С. 2–5.