сотрудник с 01.01.2019 по 01.01.2023
Оренбург, Оренбургская область, Россия
студент
Оренбург, Оренбургская область, Россия
сотрудник с 01.01.2016 по 01.01.2019
Оренбург, Оренбургская область, Россия
сотрудник с 01.01.2016 по 01.01.2019
Оренбург, Оренбургская область, Россия
УДК 621.791.03 Оборудование для сварки и пайки
ББК 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
Целью работы является изучение гибридного сварочного процесса на основе объединения двух способов: лазерного и плазменного. Сочетание двух различных видов сварки представляет из себя перспективный путь для обнаружения и последующей ликвидации недоработок каждого из них. Задача, решению которой посвящена статья, нацелена на выявление особенностей при совмещении отличных друг от друга подходов к созданию сварных неразъемных соединений. В статье лаконичным образом анализируется процесс гибридизации лазерной и плазменной сварок, приводится обобщённая информация по поводу их основных преимуществ и недостатков. Отличительной новизной данной работы является ранее не проводившийся сжатый и совокупный анализ затронутой проблемы. Результатом осуществленного изучения является обнародование отличительных особенностей гибридного сварочного процесса, объясняющих принципы рабочего процесса устройств. На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы: гибридизация лазерной и плазменной сварок компенсируют недостатки и увеличивают преимущества друг друга; в ходе исследования были обобщены главные достоинства и изъяны, проанализированы важные аспекты каждого из затронутых методик получения неразъемных соединений.
сварка, соединения, процесс, сталь, плазма
Введение
Исходя из потребностей современной промышленности, главным результатом общественного и научно-технического прогрессов в области сварки стала гибридизация путей создания прочных и надежных неразъёмных соединений металлических изделий способом сваривания. Совмещение нескольких видов сварки, является основополагающим способом получения неразъемного соединения, сформированного на принципах лазерной и дуговой, лазерной и плазменной, лазерной двухлучевой или лазерной сварки под действием светового луча [1].
Совмещение отличных друг от друга подходов, образующих полноценный технологический процесс, представляет собой практичный способ устранения недостатков используемых видов сварки с обоснованной целью - увеличение качества получаемого неразъемного соединения, выполненного сваркой [2].
Параллельное воздействие струи плазмы и лазерного луча представляет собой одно из главных достижений промышленности, открывающих, например, решение к задаче о соединении нержавеющих сталей (подробная информация о классификации марок нержавеющих сталей представлена в табл. 1) толщиной от 0,3 до 15,0 мм [3].
Таблица 1
Классификация марок нержавеющих сталей
Table 1
Classification of stainless steel grades
|
Маркировка стали |
Тип стали |
Сфера применения |
Химический состав, в % |
|
12Х18Н10Т |
хромоникелевые стали аустенитного класса |
для изготовления свариваемой аппаратуры в разных отраслях промышленности |
Cr: 17-19 |
|
08Х18Н10Т |
хромоникелевые стали аустенитного класса |
для изготовления сварных изделий, работающих в средах более высокой агрессивности, чем сталь марок 12Х18Н10Т и 12Х18Н9Т |
Cr: 17-19 Ti: до 0,7 |
|
08Х18Г8Н2Т |
хромомарганценикелевые стали аустенито-ферритного класса |
для изготовления свариваемой аппаратуры, работающей в агрессивных средах, в химической, пищевой и других отраслях промышленности |
Cr: 17-19 |
|
08Х17Н13М2, 08Х17Н13М2Т |
хромоникелевые молибденовые стали аустенитного класса |
для технологического оборудования химической промышленности |
Cr: 16-18 |
|
08Х22Н6Т |
хромоникельмолибденовые стали аустенитно-ферритного класса |
для изготовления свариваемой аппаратуры в химической, пищевой и других отраслях промышленности, работающей при температуре не более 300ºС |
Cr: 21-23 |
|
08Х18Н10 |
хромоникелевые стали аустенитного класса |
для изделий, подвергаемых термической обработке (закалке) |
Cr: 17-19 |
Необходимо обратить внимание на относительную безопасность и экономичность устройств плазменной (схема, которой представлена на рис.1) и твердотельной (активное тело устройства, установленное в осветительной камере, представляет из себя рубиновый стержень или неодим-примесное стекло, подвергнутое легированию [4]; накачивающая лампа, вызывающая сильные световые вспышки, применяется для изменения нейтрального состояния атомов активного тела на возбуждённое (рис. 2)) лазерной сварок в отличии от других сварочных систем, использующих баллоны с ацетиленом, пропаном и кислородом - минимизируется опасность причинения вреда здоровью специалиста во время выполнения работ [5].
Рис. 1. Схематичное представление плазменно-сварочных работ
Fig. 1. Schematic representation of plasma welding operations
Рис. 2. Схема твердотельного лазерного устройства
Fig. 2. Diagram of a solid-state laser device
Сильный нагрев металла струей плазмы (рис. 3) приводит к преобразованию оптических характеристик плоскости металла - меняется показатель поглощения, определяющий степень взаимодействия лазерного потока с поверхностью. Данное явление наиболее важно при работе с лазерными установками малых мощностей, эффективность которых непосредственно зависит от коэффициента поглощения лазерного излучения [6]. Нетрудно догадаться, что себестоимость сварочного аппарата будет напрямую исходить из полезной мощности устройства [7].
Рис. 3. Схема процесса последовательной лазерно-плазменной сварки
Fig. 3. The scheme of the process of sequential laser-plasma welding
Рассматриваемый способ гибридизации двух видов сварки имеет место быть не только в стальной промышленности, но и в сфере обработки алюминиевых сплавов.
Такие проблемы как: неустойчивость хода плазменной дуги при больших темпах движения сварочного аппарата; понижение эффективности лазерного излучения; образование окисной пленки в течение сварки - становятся устранимыми в условиях современной промышленности за счет принципиально новой методики сварки тонколистовых алюминиевых сплавов, в основу которой заложен принцип совмещенной работы маломощного лазерного луча и микроплазменной дуги инверсионной полярности (рис. 4) [8].
Рис. 4. Схема микроплазменной сварки на обратной полярности
(1 – электрод, 2 – сопло, 3 – плазменный факел, 4 - катод)
Fig. 4. Reverse polarity microplasma welding scheme
(1 – electrode, 2 – nozzle, 3 – plasma torch, 4 - cathode)
Например, при гибридной сварке сплава алюминия 0,35 мм толщиной при токе 22 Ампер и мощности пучка в 250 Вт становится возможным добиться темпов сварки в 9 метров в минуту с первоклассным очищением поверхности металла (ширина шва - от 1,0 до 1,2 мм) [9]. При этом таких результатов невозможно достигнуть, пользуясь только микроплазменной или лазерной сварками, которые априори не допускают возможность выполнять сварку на скоростях, близких к 3 метрам в минуту. Более подробно ознакомиться с преимуществами и недостатками каждого из способов можно в табл. 2 [10].
Таблица 2
Сравнительная характеристика сварок лазером и плазмой
Table 2
Comparative characteristics of laser and plasma welds
|
|
Лазерная сварка |
Плазменная сварка |
|
Точность сварки |
Взаимодействие с поверхностью металла невероятно точное, исключатся колебания и скачки лазерного пучка. Эти аспекты становятся актуальными, когда речь идёт о высоком уровне соответствия проекту |
Нестабильность дуги плазмы несёт в себе негативный характер: вырезы и углы получаются менее чёткими |
|
Скорость сварки |
Скорость соединения тонких металлов значительно выше, однако с увеличением толщины она падает в разы быстрее, чем при сварке плазмой |
Плазменный факел уступает лазеру в скорости сварки тонких металлов, но при увеличении толщины соединяемых изделий скорость падает значительно медленнее |
|
Природа свариваемых изделий |
- металлы - стекло - пластмассы - керамика |
- металлы |
|
Качество сварного шва |
Обеспечение минимальных деформаций в области вокруг шва за счёт отсутствия критического нагрева |
Относительно меньшая точность и качество сварного шва компенсируются экономичностью при работе с металлами шириной до 150 мм |
|
Стоимость оборудования |
От 1 млн. руб и выше |
От 100.000 рублей и выше |
Результаты
Данный способ сварки, основные нюансы которого были рассмотрены в статье, в условиях импортозамещения можно использовать в массовом производстве.
Уровень общественного прогресса и быстро растущая в сложившейся ситуации необходимость в точном оборудовании на частных и государственных предприятиях, являются главными мотиваторами к разнонаправленным исследованиям и их характерным совершенствованиям в области лазерно-плазменной сварки [11].
Заключение
Главные достоинства данного метода сварки заключаются в следующем:
- увеличение скорости сварки (речь идет об увеличении скорости, превосходящей обычное арифметическое сложение скоростей);
- отсутствие зависимости от оптических свойств поверхности;
- проводится очистка поверхности металлов алюминиевых сплавов от пленки окиси Al2O3;
- преобразование теплопроводного режима в режим глубокого проплавления обеспечивается понижением температуры поверхности ванны расплава [12].
На основании выполненного обзора определено, что на сегодняшний день данный метод соединения металлических изделий встречается намного реже как в теории, так и на практике ввиду своей узкой специализации на производстве. Научная новизна состоит в том, что в проделанной работе проводится систематизация имеющихся данных плазменной и лазерной сварок, поскольку существующие исследования практически не рассматривают их гибридизацию. Кроме того, в литературе почти что не встречаются труды, посвященные детальному анализу заявленной проблемы. Описанные в статье преимущества гибридной сварки являются убедительным аргументом для развития и последующего введения в широкую эксплуатацию сварочных систем, основанных на принципе совмещенного использования лазера и плазмы.
1. Забелин А.М., Оришин А.М., Чирков А.М. Лазерные технологии машиностроения. Новосибирск: НГУ, 2004. 142 с.
2. Классификация нержавеющих сталей. URL: https://nzmetallspb.ru/stanki/klassifikatsiya-nerzhaveyushhih-stalej-i-ih-markirovka.html.
3. Краснопевцев И.В. и др. Оценка технико-экономических показателей различных способов соединения деталей кузова автомобиля // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. - 2016. - № 3 (37). - С. 9-15.
4. Банов М.Д., Масаков В.В., Плюснина Н.П. Специальные способы сварки и резки. Москва: Издательский центр "Академия", 2009. 207 с.
5. Райзген, У. Гибридная лазерно-дуговая сварка под флюсом / У. Райзген, С. Ольшок // Автоматическая сварка: междунар. журн. - 2009. - № 4. - С. 46-51.
6. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Чирков А.М. Гибридные технологии лазерной сварки. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 52 с.
7. Соломатов В.Б. и др. Плазменная сварка алюминиевых сплавов. РИТМ: Ремонт. Инновации. Технологии. Модернизация. 2014;7(95):54-55.
8. Соснин Н.А. и др. Выбор параметров плазменной сварки. Инженерный журнал с приложением. 2013;12 (201):3-8.
9. Сварка. Резка. Контроль: справ.: в 2 т. / под общ. ред. Н.П. Алешина, Г.Г. Чернышева. - М.: Машиностроение, 2004. - Т. 1. - С. 133-151.
10. Шиганов И.Н., Шахов С.В., Тарасенко Л.В. Плохих А.И. Влияние скорости лазерной сварки на свойства и структуру алюминиевых сплавов, легированных литием и скандием // Технология машиностроения. 2005. № 10. - С. 23-28.
11. Пауль К., Ридель Ф. Гибридная лазерная сварка - объединяя усилия. Фотоника. 2009; 1:2-56.
12. Плазменная сварка. Наука и технологии. URL: http://neftegaz.ru/science/view/558-Plazmennaya-svarka.
