Гибридная лазерно-дуговая сварка сталей с импульсной модуляцией дуги плавящегося электрода

Хаскин Владислав Юрьевич

доктор технических наук, сотрудник Китайско-украинского института сварки им. Е. О.Патона (Гуандунский Генеральный Институт промышленных технологий (Гуанчжоусский научно-исследовательский

институт цветных металов)), КНР, старший научный сотрудник Института электросварки им. Е. О.Патона НАН Украины, Украина

Коржик Владимир Николаевич доктор технических наук, директор Китайско-украинского института сварки им. Е. О.Патона (Гуандунский Генеральный Институт промышленных технологий (Гуанчжоусский научно-исследовательский

институт цветных металов)), КНР, руководитель отдела Института электросварки им. Е.О.Патона НАН Украины, Украина

Жерносеков Анатолий Максимович кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института электросварки им. Е. О.Патона

НАН Украины, Украина Пелешенко Святослав Игоревич, инженер, сотрудник Южно-Китайского технологического университета, Китай

Ву Бой

инженер, научный сотрудник Китайско-украинского института сварки им. Е. О.Патона (Гуандунский Генеральный Институт промышленных технологий (Гуанчжоусский научно-исследовательский институт

цветных металлов)), Китай ГИБРИДНАЯ ЛАЗЕРНО-ДУГОВАЯ СВАРКА СТАЛЕЙ С ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ДУГИ

ПЛАВЯЩЕГОСЯ ЭЛЕКТРОДА

Аннотация. В работе показано, что при лазерно-дуговой сварке углеродистых и нержавеющих сталей для улучшения формирования верхнего валика усиления шва, минимизации коэффициента формы шва и повышения глубины проплавления целесообразно использовать одновременную импульсную модуляцию сварочной дуги и лазерного излучения с частотой, близкой к частоте собственных колебаний сварочной ванны при лазерной сварке. При этом частоты модуляции могут быть равными, либо кратными друг другу с превышением значений частоты подачи дуговых импульсов.

Ключевые слова: углеродистые и нержавеющие стали, лазерное излучение, гибридная сварка, дуга с плавящимся электродом, импульс, глубина проплавления, коэффициент формы шва, погонная энергия.

Khaskin Vladyslav Yuryiovich

doctor of sciences, an employee of the E.O.Paton Chinese-Ukrainian Institute of Welding (Guangdong General Research Institute of Industrial Technology (Guangzhou Research Institute of Non-ferrous Metals)), China, senior research staff, E.O.Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Science of Ukraine,

Ukraine

Korzhyk Volodymyr Mykolayovych

doctor of sciences, director of the E.O.Paton Chinese-Ukrainian Institute of Welding (Guangdong General Research Institute of Industrial Technology (Guangzhou Research Institute of Non-ferrous Metals)), China, head of the department of the E. O.Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Science of

Ukraine, Ukraine Jernosekov Anatolyi Maksimovich

philosophic doctor, senior research staff, E.O.Paton Electric Welding Institute of the National Academy of

Science of Ukraine, Ukraine

Peleshenko Sviatoslav Yhorevych, engineer, researcher, South China University of Technology, China

Wu Boyi

engineer, research staff, E.O. Paton Chinese-Ukrainian Institute of Welding of the Guangdong General Research Institute of Industrial technology (Guangzhou Research Institute of Non-ferrous metals),

China

HYBRID LASER-ARC WELDING OF STEELS WITH A PULSE WIDTH MODULATED ARC

CONSUMABLE ELECTRODE

Summary. It is shown that the laser-arc welding of carbon and stainless steels to improve the formation of the upper roller weld reinforcement, minimizing the shape factor of the seam and increasing the depth ofpenetration should be used for simultaneous pulse modulation of a welding arc and laser radiation with a frequency close to the natural frequency of the weld pool laser welding. This modulation frequency may be equal to or multiples of each other with the excess supply frequency values arc pulses.

Keywords: carbon and stainless steel, laser radiation, hybrid welding, arc with consumable electrode, the pulse, the depth of penetration, the shape factor weld heat input.

Постановка проблемы. Одним из наиболее многих сварных конструкциях, являются распространенных видов сталей, применяемых во углеродистые. Например, корпуса судового

транспорта различных типов (например, сухогрузов) и грузовые железнодорожные вагоны изготавливаются из сталей типа 09Г2С (ГОСТ 19281-89). В кораблестроении, согласно правилам классификации и постройки морских судов, для изготовления ответственных конструкций применяют

высокопрочные стали типа АН36, БИ36 [1,2]. Для уменьшения объемов, либо полного устранения операции финишной рихтовки этих конструкций, необходимо минимизировать термические деформации, возникающие после сварки.

Анализ последних исследований и публикаций. Одной из сварочных технологий, снижающих величину остаточных деформаций по сравнению с применяющейся на данный момент дуговой сваркой, является лазерная сварка. Однако, ее широкое внедрение сдерживается высокими требованиями к подготовке свариваемых кромок. Для снижения этих требований целесообразно использовать гибридную лазерно-дуговую сварку с использованием дуги плавящегося электрода [1-3].

К недостаткам лазерно-дуговой сварки (по сравнению с лазерной) можно отнести давление дуги на сварочную ванну, а также увеличение перегрева основного металла за счет возрастания поперечных размеров сварного шва [4]. Последний недостаток также может быть вызван некоторым повышением погонной энергии гибридной сварки по сравнению с лазерной [5]. Такое повышение обусловливается необходимостью достижения определенной проплавляющей способности гибридного теплового источника.

Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы. Одним из путей устранения указанных недостатков является применение импульсной дуги плавящегося электрода. Таким путем шли авторы работ [6,7], предложившие стабилизировать импульсную дугу непрерывным лазерным излучением. По мнению авторов данных работ, дальнейшее снижение погонной энергии гибридной сварки с одновременным сохранением проплавляющей способности может быть достигнуто за счет применения импульсной модуляции как дуги, так и лазерного излучения.

Цель статьи. Целью настоящей работы явилось изучение влияния импульсного лазерного излучения и импульсной дуги плавящегося электрода на проплавляющую способность гибридной лазерно -дуговой сварки углеродистых сталей.

Изложение основного материала. Для достижения поставленной цели лазерное излучение и сварочный ток дуги плавящегося электрода модулировали в диапазоне частот до 200 Гц с шагом 50 Гц. С различными сочетаниями этих частот выполняли наплавки на пластины из сталей 09Г2С (5=5 мм) и 08Х18Н10Т (5=6 мм). Затем делали поперечные сечения наплавленных валиков, шлифовали их и протравливали (образцы из углеродистой стали - при помощи хлорного железа, образцы из нержавеющей -смесью кислот 1ИС1+2ИМОз). По полученным макроструктурам определяли глубину проплавления и коэффициент формы шва (отношение ширины шва к его глубине). Для сравнения выполняли наплавки в

непрерывном режиме для обоих составляющих, а также для лазерной (дуговая составляющая оставалась в импульсном режиме). При этом погонные энергии оставались примерно одинаковыми за счет равенства средних мощностей импульсного и непрерывного режимов сварки.

При сварке стали 09Г2С электродную проволоку марки Св-08Г2С (01,2 мм) подавали спереди относительно перемещения головки. При сварке стали 08Х18Н10Т аналогичным способом подавали проволоку Св-Х18Н10Т (01,0 мм). В ходе экспериментов выполнялись наплавки на пластины размером 300*100*5 мм из стали 09Г2С в защите газовой смеси 82%Аг+18%СО2, подаваемой с расходом 20 л/мин (333 см3/мин). Сварка аналогичных пластин из стали 08Х18Н10Т выполнялась а чистом аргоне с тем же расходом. Форма сварочного тока была ступенчатой, как показано на рис.1, а лазерное излучение подавали прямоугольными импульсами с соотношением импульс-пауза 66%:34% (скважность 1,5). Для сравнения выполняли провары в непрерывном режиме горения дуги постоянного тока и генерации излучения при близкой погонной энергии. Скорость сварки стали 09Г2С во всех случаях была выбрана 90 м/ч (25 мм/с), а погонная энергия лежала в пределах 250...300 Дж/мм. Скорость сварки стали 08Х18Н10Т составляла 75 м/ч (20,83 мм/с), а погонная энергия - 310 и 370 Дж/мм (импульсный и непрерывный режимы сварки, соответсвенно). Соотношение мощностей дугового и лазерного источников энергии было близким к 1:1 (примерно по 3 кВт каждый). Основными критериями оценки получаемых результатов служили качество формирования валиков, коэффициент формы шва, а также глубина провара.

RIG0L STOP М  f О 0.00UU

а —т— fB<5Hz

- ИТигЙ=0.00ии

Е 1СигВ= 5 5  80U  80М

Е

Е

Е

Е

HUB 5.00U Time 1.000ms Q+129.9ms

Рис. 1. Осциллограммы сварочного тока импульсного источника питания дуги при гибридной лазерно-дуговой сварке со средним током 160А и частотой следования импульсов дуги 200 Гц.

Для проведения экспериментальных исследований был создан лабораторный стенд на базе №:УАв-лазера модели DY 044 фирмы Rofin (Германия) мощностью до 4,4 кВт и источника питания для импульсно-дуговой сварки, разработанного в ИЭС им. Е.О.Патона. Последний обеспечивает специальную форму импульса, которая позволила разделить процессы плавления и переноса электродного металла, обеспечивая режим «один

импульс - одна капля» [8] в широком диапазоне частот. Такой режим дал хорошие результаты при импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом алюминиевых сплавов различных систем легирования [8]. В этом источнике питания предусмотрена возможность плавной регулировки частоты импульсов в диапазоне 30...300 Гц. Гибридная сварочная головка была изготовлена таким образом, чтобы реализовать схему, описанную авторами в работе [9].

Результаты экспериментов, проведенных для частот 100 и 200 Гц следования импульсов дуги £д) и импульсов лазерного излучения (£1), а также средние значения сварочного тока и напряжения на дуге (1ср, иср) приведены в табл.1. Выбор этих значений частот обусловливался их близостью к собственным частотам сварочной ванны, наблюдаемых при лазерной сварке [10].

№ п/п

Режим

Iср, А

иСр, В

ъ,

Гц

Гц

Коэффициент формы шва

Макроструктура провара

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

2.

3.

4.

5.

импульсный

160

20.22

100

100

1,20

импульсный

160

20.22

100

200

1,33

импульсный

160

18.20

200

200

1,10

импульсный

160

18.20

200

100

0,85

непрерывный

180

24.25

1,83

Таблица 1. Результаты экспериментов по гибридной сварке стали 09Г2С (5=5 мм), проведенных при средней мощности лазерного излучения 3,0 кВт (пиковой - 4,4 кВт) на скорости 90 м/ч с заглублением фокуса 1 мм.

Эксперименты показали, что формирование верхнего валика во всех случаях можно считать удовлетворительным. Хорошее формирование валиков имеет место при равных частотах импульсов

дуги и импульсов излучения (например, по 100 Гц), а наилучшее - при превышении частоты импульсов дуги (^^=200:100). Повышение глубины провара наблюдалось при соотношении этих частот

^^=100:100, 200:200 и 200:100. Коэффициент формы шва был минимальным при соотношении частот ^^=200:100 (К=0,85). Для случаев ^£,=100:100 и 200:200 коэффициент формы шва можно считать приемлемым (1,2 и 1,1, соответственно). Отметим, что при гибридной сварке в непрерывном режиме (погонная энергия 300 Дж/мм) глубина провара уменьшилась на 30% относительно случаев гибридной сварки с импульсной дугой и импульсным лазерным излучением в соотношениях £,:£1=100:100 и 200:100 (погонная энергия 260 Дж/мм).

Тщательное изучение результатов проведенных экспериментов показало, что характерными дефектами гибридной лазерно-дуговой сварки является образование подрезов с одной или обеих сторон верхнего валика, провисание швов, а также возникновение внутренних пор. Одним из способов устранения первых двух дефектов является использование подкладок с формирующей канавкой.

Однако, такой способ нежелателен в случае затрудненного доступа к обратной стороне зоны сварки.

Другим способом устранения указанных дефектов может бать использование импульсной модуляции дуги плавящегося электрода при лазерно-дуговой сварке. Как показали исследования (рис.2,а,б и рис.3,а), этот способ в определенной мере позволяет устранять все три вышеназванных характерных дефекта. Однако, при его применении возникает новый характерный дефект - периодические изменения ширины верхнего валика (рис.2,а и б). Также, периодически могут возникать подрезы (рис.3,а). Для устранения этих недостатков использовали одновременную модуляцию лазерного излучения и дуги плавящегося электрода при лазерно-дуговой сварке (рис.2,в,г и рис.3,б). Такой подход дополнительно способствует сужению сварного шва (коэффициент формы шва составил 0,87).

а)Ж

6)1

в)\

г)\

Рис.2. Внешний вид проваров в стали 09Г2С (8=5 мм), выполненных гибридным способом: а), б) - частота импульсов дуги 100 Гц при непрерывном лазерном излучении; в), г) - частота импульсов дуги 100 Гц, лазерного

излучения 100 Гц.

6)1

Рис.3. Макроструктуры проваров, выполненных в стали 09Г2С (8=5 мм) гибридным способом со скоростью 90 м/ч.: а) частота импульсов дуги 100 Гц при непрерывном лазерном излучении; б) частота импульсов дуги 100

Гц, лазерного излучения 100 Гц.

Еще одним преимуществом гибридной сварки с случае модуляции одной дуговой составляющей

модуляцией обоих составляющих является гибридного процесса для сквозного проплавления

уменьшение погонной энергии, необходимой для пластины из стали 09Г2С толщиной 5 мм необходимо проплавления одной и той же толщины металла. Так, в

300 Дж/мм, а в случае модуляции обеих составляющих - 250 Дж/мм.

При исследовании структурных особенностей швов, полученных при гибридной лазерно-дуговой сварке стали 08Х18Н10Т установлено, что одновременное введение импульсной модуляции лазерного излучения (с частотой 50 Гц) и дуги плавящегося электрода (с той же частотой) способствует измельчению дендритов литой зоны шва

и уменьшению угла их наклона к вертикальной оси шва (рис.4). Такое расположение дендритов, в свою очередь, способствует повышению прочности полученных в импульсном режиме соединений. Кроме того, применение импульсной модуляции лазерного излучения с частотой 25 и 50 Гц в сочетании с непрерывным действием дуги плавящегося электрода позволяет полностью устранить чешуйчатость швов (рис.5).

Рис.4. Макроструктуры соединений стали 08Х18Н10Т (8=6 мм), полученных гибридной лазерно-дуговой

сваркой: а) - непрерывной; б) - импульсной 50 Гц.

Рис.5. Внешний вид верхнего валика шва, полученного на стали 08Х18Н10Т (8=6мм) лазерно-дуговой сваркой с модуляцией излучения частотой 25 Гц и непрерывным действием дуги плавящегося электрода (скорость

сварки 75 м/ч, погонная энергия 310 Дж/мм).

Выводы. Для улучшения формирования верхнего валика сварного шва, минимизации коэффициента формы шва, увеличения глубины проплавления, уменьшения теплового воздействия на свариваемый металл и измельчения дендритной структуры шва целесообразно одновременно использовать импульсную сварочную дугу и импульсное лазерное излучение с частотами, близкими к собственной частоте сварочной ванны при лазерной сварке. При этом частоты модуляции могут быть равными, либо кратными друг другу с превышением значений частоты следования дуговых импульсов.

Примечание. Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках программы иностранных экспертов в КНР No.WQ20124400119, проекта R&D инновационной группы провинции

Гуандун (KHP)No.201101C0104901263 и

международного проекта Министерства науки и техники KHPNo.2013DFR70160.

Список литературы:

1. First Application of Hybrid Laser-arc Welding to Commercial Ships / Hiroshi Koga, Hozumi Goda, Shin Terada, Kazuhiro Hirota, Shin Nakayama, Shuho Tsubota // Mitsubishi Heavy Industries Technical Review Vol. 47 No. 3 (September 2010) - P. 59-64.

2. Using Hybrid Laser-Arc Welding to Reduce Distortion in Ship Panels / S. M. Kelly, S. W. Brown, J. F. Tressler, R. P. Martukaniitz, M. J. Ludwiig // Welding Journal, March 2009. - P. 32-36.

3. Coaxial TIG-YAG and MIG-YAG welding methods / T. Ishide, M. Nayama, M. Watanabe, et al. // Journ. of the Japan Welding Society - 2001. - Vol. 70, No. 4. - P. 12-17.

4. Analysis of hybrid Nd:Yag laser-MAG arc welding processes / E. Le Guen, R. Fabbro, M. Carin, F. Coste, P. Le Masson // Optics & Laser Technology 43 (2011). - P. 1155-1166.

5. Определение областей энергетического воздействия, обеспечивающих стабильное протекание процесса гибридной лазерно-дуговой сварки / Хаскин В.Ю., Шелягин В.Д., Бернацкий А.В. и др. // Сварка и родственные технологии: материалы докладов Международного симпозиума, Минск, 12 апреля 2012 г. / Ред. Кол. А.Ф. Ильющенко [и др.]. - Минск, 2012. -161 с. С. 30-35.

6. Fundamental analysis of hybrid laser-mig welding / A. F. H. Kaplan, M. Wouters, K. Nilsson, J. Powell // Proceedings of the Conference EUROJOIN 5, Vienna (Austria), 10-14 June 2004. In: Marc Wouters. Hybrid Laser-MIG welding: An investigation of geometrical considerations, Lulea, November 2005, 59 p. - P. 26-35.

7. Control of Weld Bead Shape with the Hybrid Welding Process / B. W. Shinn, D. F. Farson, P. E. Denney // Science and Technology of Welding and Joining. -№10. - 2005. - Р. 475-480.

8. Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом алюминиевых сплавов с регулируемой формой импульсов / Т.М. Лабур, А.М Жерносеков, М.Р. Яворская, М.П. Пашуля // Сварочное производство. - 2013. - №11. - С.3-7.

9. El Rayes M., Walz C., Sepold G. The influence of various hybrid welding parameters on bead geometry // Supplement to the Welding Journal. - 2004. - No. 5. - P. 147-s-153-s.

10. Особенности сварки тонколистовых низкоуглеродистых сталей импульсно-периодическим излучением СО2-лазера / В.Ю. Хаскин, С.Ю. Павловский, В.П. Гаращук и др. // Автоматическая сварка. - 2001. - №2 - С.42-45.