01 Spawanie hybrydowe laserowo-łukowe grubych blach
Spawanie grubych blach (grubość ≥ 20 mm) odgrywa kluczową rolę w produkcji dużych urządzeń w ważnych dziedzinach, takich jak lotnictwo i kosmonautyka, nawigacja i przemysł stoczniowy, transport kolejowy itp. Elementy te charakteryzują się zazwyczaj dużą grubością, złożonymi formami połączeń i złożonymi warunkami eksploatacji. Jakość spawania ma bezpośredni wpływ na wydajność i żywotność urządzenia. Ze względu na niską prędkość spawania i poważne problemy z odpryskami, tradycyjna metoda spawania w osłonie gazów ochronnych napotyka na wyzwania, takie jak niska wydajność spawania, wysokie zużycie energii i duże naprężenia szczątkowe, co utrudnia spełnienie stale rosnących wymagań produkcyjnych. Jednak technologia hybrydowego spawania laserowo-łukowego różni się od tradycyjnej technologii spawania. Z powodzeniem łączy ona zaletyspawanie laserowei spawania łukowego, charakteryzującego się dużą głębokością penetracji, dużą prędkością spawania, wysoką wydajnością i lepszą jakością spoiny, jak pokazano na rysunku 1. Dlatego technologia ta zyskała szerokie zainteresowanie i zaczęła być stosowana w niektórych kluczowych obszarach.
Rysunek 1 Zasada hybrydowego spawania laserowo-łukowego
02Badania nad hybrydowym spawaniem laserowo-łukowym grubych blach
Norweski Instytut Technologii Przemysłowej i Uniwersytet Technologiczny w Lule w Szwecji badały jednorodność strukturalną kompozytowych złączy spawanych poniżej 15 kW dla mikrostopowej stali niskostopowej o grubości 45 mm. Uniwersytet w Osace i Centralny Instytut Badań Metalurgicznych w Egipcie wykorzystały laser światłowodowy o mocy 20 kW do przeprowadzenia badań nad hybrydowym procesem spawania laserowo-łukowego grubych blach (25 mm) w jednym przejściu, wykorzystując dolną wkładkę do rozwiązania problemu dolnego garbu. Duńska firma Force Technology Company wykorzystała dwa lasery dyskowe o mocy 16 kW połączone szeregowo do przeprowadzenia badań nad hybrydowym spawaniem blach stalowych o grubości 40 mm przy mocy 32 kW, co wskazuje, że spawanie laserowo-łukowe dużej mocy ma być stosowane w spawaniu podstaw wież morskich elektrowni wiatrowych, jak pokazano na rysunku 2. Harbin Welding Co., Ltd. jest pierwszą firmą w kraju, która opanowała podstawową technologię i technologię integracji sprzętu do hybrydowego spawania łukowego elektrodą o stałym źródle ciepła o dużej mocy. Po raz pierwszy w moim kraju udało się z powodzeniem zastosować hybrydową technologię spawania łukiem elektrycznym z wykorzystaniem lasera o dużej mocy i podwójnego drutu do produkcji sprzętu najwyższej klasy.
Rysunek 2. Schemat rozmieszczenia instalacji lasera
Zgodnie z obecnym stanem badań nad hybrydowym spawaniem laserowo-łukowym grubych blach w kraju i za granicą, można zauważyć, że połączenie hybrydowej metody spawania laserowo-łukowego z wąską szczeliną pozwala na spawanie grubych blach. Gdy moc lasera wzrośnie do ponad 10 000 watów, pod wpływem promieniowania lasera wysokoenergetycznego, zachowanie się materiału podczas parowania, proces interakcji między laserem a plazmą, stabilny stan przepływu jeziorka stopionego materiału, mechanizm wymiany ciepła i metalurgiczne właściwości spoiny będą się zmieniać w różnym stopniu. Wraz ze wzrostem mocy do ponad 10 000 watów, wzrost gęstości mocy nasili stopień parowania w obszarze w pobliżu małego otworu, a siła odrzutu będzie bezpośrednio wpływać na stabilność małego otworu i przepływ jeziorka stopionego materiału, wpływając tym samym na proces spawania. Zmiany te mają niebagatelny wpływ na wdrażanie laserów i ich kompozytowych procesów spawania. Te charakterystyczne zjawiska w procesie spawania bezpośrednio lub pośrednio odzwierciedlają stabilność procesu spawania w pewnym stopniu, a nawet mogą decydować o jakości spoiny. Efekt sprzężenia dwóch źródeł ciepła – lasera i łuku – może sprawić, że oba źródła ciepła w pełni wykorzystają swoje własne właściwości i uzyskają lepsze efekty spawania niż w przypadku pojedynczego spawania laserowego i spawania łukowego. W porównaniu z metodą autogenicznego spawania laserowego, ta metoda spawania ma zalety dużej adaptowalności szczeliny i dużej grubości spawanej powierzchni. W porównaniu z metodą spawania wąskoszczelinowego grubych blach, ma zalety wysokiej wydajności topienia drutu i dobrego efektu łączenia rowków. Ponadto, przyciąganie lasera do łuku zwiększa stabilność łuku, dzięki czemu hybrydowe spawanie laserowo-łukowe jest szybsze niż tradycyjne spawanie łukowe ispawanie laserowe drutem wypełniającym, przy stosunkowo wysokiej wydajności spawania.
03 Zastosowanie hybrydowego spawania laserowego o dużej mocy
Technologia hybrydowego spawania laserowo-łukowego dużej mocy jest szeroko stosowana w przemyśle stoczniowym. Stocznia Meyer w Niemczech uruchomiła linię produkcyjną do spawania hybrydowego laserowo-łukowego CO2 o mocy 12 kW do spawania płaskich płyt kadłuba i usztywnień, co pozwala na wykonanie 20-metrowych spoin pachwinowych w jednym cyklu i zmniejszenie stopnia odkształceń o 2/3. Firma GE opracowała hybrydowy system spawania laserowo-łukowego z wykorzystaniem światłowodu o maksymalnej mocy wyjściowej 20 kW do spawania lotniskowca USS Saratoga, oszczędzając 800 ton metalu spoiny i redukując roboczogodziny o 80%, jak pokazano na rysunku 3. W stoczni CSSC 725 zastosowano hybrydowy system spawania laserowo-łukowego o dużej mocy z wykorzystaniem światłowodu o mocy 20 kW, który pozwala zmniejszyć odkształcenia spawalnicze o 60% i zwiększyć wydajność spawania o 300%. Stocznia Shanghai Waigaoqiao wykorzystuje hybrydowy system spawania laserowo-łukowego o dużej mocy z wykorzystaniem światłowodu o mocy 16 kW. Linia produkcyjna wykorzystuje nową technologię hybrydowego spawania laserowego i MAG, umożliwiającą spawanie jednostronne w jednym przejściu oraz formowanie dwustronne blach stalowych o grubości 4-25 mm. Technologia hybrydowego spawania laserowo-łukowego dużej mocy jest szeroko stosowana w pojazdach opancerzonych. Jej cechy spawalnicze to: spawanie złożonych konstrukcji metalowych o dużej grubości, niski koszt i wysoka wydajność produkcji.
Rysunek 3. Lotniskowiec USS Sara Toga
Technologia hybrydowego spawania laserowo-łukowego dużej mocy została początkowo zastosowana w niektórych gałęziach przemysłu i stanie się ważnym sposobem wydajnej produkcji dużych konstrukcji o średniej i dużej grubości ścianek. Obecnie brakuje badań nad mechanizmem hybrydowego spawania laserowo-łukowego dużej mocy, który wymaga dalszego zgłębienia, takim jak interakcja między fotoplazmą a łukiem oraz między łukiem a jeziorkiem spawalniczym. Wciąż istnieje wiele nierozwiązanych problemów w procesie hybrydowego spawania laserowo-łukowego dużej mocy, takich jak wąskie okno procesowe, nierównomierne właściwości mechaniczne spoiny oraz skomplikowana kontrola jakości spawania. Wraz ze stopniowym wzrostem mocy wyjściowej laserów przemysłowych, technologia hybrydowego spawania laserowo-łukowego dużej mocy będzie się dynamicznie rozwijać, a wiele nowych technologii hybrydowego spawania laserowego będzie się nadal pojawiać. Lokalizacja, duża skala i inteligentyzacja będą ważnymi trendami w rozwoju urządzeń do spawania laserowego dużej mocy w przyszłości.
Czas publikacji: 24-04-2024
