Гибридная лазерная дуговая сварка: современный обзор

                          Департамент технологии производства, Технологический институт

Аннотация: Гибридная лазерно-дуговая сварка использует одновременно дуговую и лазерную сварку в общей зоне взаимодействия. Синергический эффект лазерного луча и эклектической дуги в одной и той же сварочной ванне приводит к увеличению скорости сварки и глубины провара, а также к повышению способности перекрывать зазоры и стабильности процесса. В данной статье представлен текущий статус этого гибридного метода с точки зрения исследований, разработок и приложений. Мы приложили усилия, чтобы представить всестороннее техническое ноу-хау об этом процессе путем систематического обзора исследовательских статей, промышленных каталогов, технических заметок и т. д. Во вводной части обзора представлен обзор гибридной лазерной дуговой сварки, в том числе принцип работы, требования к процессу, исторические разработки, преимущества и недостатки процесса.

Содержание (Структура рукописи)

 1. Введение

 2. Гибридные системы лазерной дуговой сварки

2.1 Гибридный лазерный процесс GMAW

2.2 Гибридный лазерный процесс GTAW

2.3 Гибридный лазерный процесс PAW

3. Параксиальное и коаксиальное расположение систем гибридной лазерной дуговой сварки

4. Параметры гибридной лазерной дуговой сварки 

4.1 Мощность лазера 

4.2 Скорость сварки 

4.3 Относительное расположение лазерного луча и электрода

4.4 Расстояние между лазером и электродом

4.5 Позиционирование фокуса 

4.6 Угол наклона электрода

4.7 Составы защитных газов 

4.8 Модуляция мощности системы дуговой сварки

4.9 Скорость подачи проволоки 

4.10 Совместный зазор

4.11 Конфигурация шва и подготовка кромки

5. Эксплуатационные характеристики и качество сварки

6. Промышленное применение

7. Заключение

1. Введение

В процессе гибридной лазерно-дуговой сварки лазерный луч и электрическая дуга взаимодействуют в общей сварочной ванне (рис. 1), и их синергетический эффект используется для получения глубокого и узкого шва с повышенной производительностью [1, 2]. Лазерная сварка завоевала репутацию благодаря своей способности создавать узкую и глубокую сварочную ванну, поскольку лазерный луч может быть сфокусирован на очень небольшой площади. Плотный фокус луча обеспечивает более высокую скорость сварки, что, в свою очередь, снижает погонную энергию и вероятность термической деформации свариваемых деталей [3]. Однако системы лазерной сварки дороже, а электрическая эффективность большинства лазерных систем, используемых для сварки, очень низкая. Лазерная сварка имеет плохую способность перекрывать зазоры и, следовательно, требует высокой прецессии при подгонке заготовки и подготовке кромок. Лазерная сварка также очень сложна для материалов с высокой отражающей способностью, таких как алюминий, медь, золото и т. д. В отличие от этого, процессы дуговой сварки обладают превосходной способностью перекрывать зазоры, высоким электрическим КПД и могут эффективно сваривать материалы с высокой отражательной способностью [4]. Установки дуговой сварки значительно дешевле установок лазерной сварки эквивалентной мощности [5]. Однако низкая плотность энергии при дуговой сварке замедляет процесс, что вызывает высокие тепловложения в зоне сварки и приводит к термической деформации свариваемой детали. При использовании лазерной и

дуговой сварки в одной сварочной ванне эффект гибридизации компенсирует недостатки обоих процессов и дополняет их преимущесва.

Существует два разных подхода к использованию лазера вместе с электрической дугой для сварки. Первый подход называется процессом дуговой сварки с помощью лазера, где лазер используется только для предварительного нагрева металлов, которые должны быть сварены в процессе дуговой сварки [7]. В этом процессе обычно используется маломощный лазерный источник для расширения процесса дуговой сварки, и, следовательно, улучшение проплавления сварного шва и скорости сварки не является значительным. Во втором подходе для выполнения сварки с глубоким проплавлением используется мощный лазерный луч. Это процесс сварки с проплавлением, характеризующийся образованием шпоночного отверстия в месте

соединения [8, 9]. В этом процессе для сварки используется синергетическое действие лазерного луча с высокой плотностью энергии и электрической дуги с высокой энергоэффективностью [10]. Этот процесс известен как процесс лазерной сварки с дуговым усилением, наиболее известный как гибридный процесс лазерной дуговой сварки [11]. Динамическое взаимодействие лазерного излучения, электрической дуги и капли наполнителя определяет формирование формы и размеров наплавленного валика и прочность сварного шва [12]. Гибридные сварные швы имеют две характерные зоны плавления, а именно верхнюю зону (дуга) и нижнюю зону (лазер)

[13, 14]. Геометрия валика верхней зоны напоминает форму полукруглой «чаши». Нижняя зона имеет вид «пальца», наглядно иллюстрирующий эффект лазерной замочной скважины (рис. 2) [15, 16]. В процессе гибридной лазерно-дуговой сварки лазерный луч используется в качестве первичного источника тепла, который взаимодействует в той же сварочной ванне, создаваемой вторичным источником тепла, т. е. дугой, генерируемой в процессе сварки по выбору дуги [17, 18]. Использование вторичного источника тепла компенсирует потребность в мощном лазерном источнике, что резко снижает стоимость установки [5, 19].

Процесс гибридной лазерно-дуговой сварки был представлен в конце 1970-х годов профессором В. М. Стином [11] и его соавторами, и этот процесс получил название «дуговая лазерная сварка». Результаты их исследований показали явные преимущества сочетания лазерного луча и электрической дуги для сварки. Эффект гибридизации показывает значительное увеличение скорости сварки, глубины провара и стабильности процесса. После успешной демонстрации этого метода дальнейшие исследования и разработки в области лазерно-дуговой гибридной сварки медленно развивались из-за отсутствия мощного, надежного лазерного источника, необходимых человеческих навыков и неполного знания процесса [20]. Разработка надежных промышленных лазеров высокой мощности в конце 1980-х годов [21] привлекла внимание исследователей из промышленности и академических кругов, чтобы заняться усовершенствованием процесса, чтобы сделать его жизнеспособным для промышленных приложений. Несколько недостатков личностипроцессы сварки устранены, в том числе такие проблемы, как способность перекрывать зазоры и отражательная способность материалов, больше не являются проблемой для выполнения успешной сварки [22-24]. В 1990-х годах гибридная лазерная дуговая сварка получила большее развитие благодаря наличию мощного CO2- лазера. Был проведен ряд исследований процессов гибридной лазерной дуговой сварки с акцентом на экономическую целесообразность процесса, положение сварки и подготовку кромок, минимизацию металлургических дефектов, оптимизацию параметров процесса и т. д. [25-28].

Однако после сообщения о нескольких преимуществах процесса его очень ограниченное промышленное применение было связано с высокой стоимостью оборудования и сложностью процесса из-за большого количества параметров управления, а также с отсутствием интегрированной коммерческой системы гибридной лазерной дуговой сварки. Первая промышленная гибридная лазерно-дуговая сварочная система была представлена в 2000 году компанией Fraunhofer ILT, Германия, для производства нефтяных резервуаров [29]. Эта система была установлена в различных отраслях промышленности, включая автомобилестроение, судостроение и производство труб для сварки металлических листов [29]. В настоящее время в продаже имеется ряд систем гибридной лазерной дуговой сварки [30-33]. Промышленное применение лазерно-дуговой гибридной сварки расширилось в этом столетии не только благодаря развитию коммерчески доступных интегрированных гибридных сварочных головок (рис. 3) [5], но и благодаря наличию более дешевых, надежных и эффективных высокомощных сварочных головок. лазерные комплексы с развитием контрольно-измерительных приборов, автоматики и управления.

Гибридный процесс лазерно-дуговой сварки предлагает несколько технологических преимуществ по сравнению с лазерной сваркой и процессами дуговой сварки, такие как: более высокая скорость сварки [34-36] и глубина провара

[37-39] с повышенной производительностью [19, 34], потребность в меньшем количестве проходов [40], узкий сварной шов с малыми зонами термического влияния (ЗТВ) [41, 42], лучшая способность перекрывать зазоры [5, 34, 43], повышенная

Ряд гибридных систем лазерной дуговой сварки был разработан на основе различных комбинаций систем лазерной и дуговой сварки. CO2 -лазеры и лазеры Nd:YAG являются наиболее часто используемыми лазерами, а GMAW (газовая дуговая сварка металлом), GTAW (газовая вольфрамовая дуговая сварка) и PAW (плазменная дуговая сварка) являются наиболее часто используемыми системами дуговой сварки, используемыми в процессах гибридной лазерной дуговой сварки. [5, 34, 43, 45-52]. Лазеры используются в качестве основного источника тепла при гибридной лазерно-дуговой сварке. CO2 -лазер является самым мощным лазером непрерывного действия, доступным на сегодняшний день. Выходная мощность СО2- лазера непрерывного действия может составлять от нескольких ватт до 50 киловатт и более, а в импульсном режиме

пиковая мощность может достигать миллионов ватт. Лазер Nd:YAG является наиболее широко используемым твердотельным лазером для обработки материалов. Максимально доступная мощность коммерчески доступного непрерывного лазера Nd: YAG находится в диапазоне нескольких киловатт. В режиме модуляции добротности пиковая мощность Nd:YAG-лазера

может быть достигнута в диапазоне гигаватт при длительности импульса в наносекундах. Основное различие между CO2- лазером и Nd:YAG-лазером заключается в их рабочих длинах волн. Лазер Nd:YAG имеет более короткую длину волны (1,064 мкм), а также лучшее качество луча по сравнению с CO2- лазером (10,6 мкм). Лазерный луч с более короткой длиной волны

используется для сварки отражающих металлов, таких как алюминий, нержавеющая сталь, медь, золото и т. д. Из-за более короткой длины волны лазера Nd:YAG лазерный луч может передаваться от источника к рабочей станции по оптоволоконным кабелям. Качество сварки сплавов алюминия и магния при Nd:YAG-лазерной сварке превосходит CO2- лазерную сварку, поскольку использование Nd:YAG-лазера снижает пороговое облучение, необходимое для сварки в замочную скважину, что, в свою очередь, обеспечивает более стабильную сварочную ванну [53]. .Nd:YAG- лазер имеет большую эффективность сварки, чем CO2- лазер [53, 54]. Электрооптический КПД, обычно известный как КПД как CO2 -лазера, так и Nd:YAG-лазера, очень низкий и находится в диапазоне всего 2-20%. Другими

потенциальными альтернативами CO2- и Nd:YAG-лазеров для гибридной лазерно-дуговой сварки являются дисковые и волоконные лазеры [14, 52, 55-60]. Преимуществами волоконных и дисковых лазеров являются их высокая выходная мощность, высокое оптическое качество, компактные размеры, высокая пиковая мощность, более

высокий КПД свечи (20-40%) и низкая стоимость за кВт по сравнению с CO2- и Nd:YAG-лазерами. Применение волоконных лазеров для гибридной лазерной дуговой сварки в последние годы набирает популярность благодаря увеличению выходной мощности и высокому качеству луча, способным сваривать алюминиевые сплавы [2, 55, 56] и титановые сплавы [57, 58], сварка которых затруднена. СО2 -лазеры. Диодные лазеры также можно использовать для сварки. Применение диодных лазеров в гибридной лазерно-дуговой сварке ограничено их неспособностью формировать замочную скважину из-за относительно низкой выходной мощности и плохого качества луча. Однако в [61] сообщалось об использовании диодного лазера высокой мощности для сварки с глубоким проплавлением.

В качестве вторичного источника тепла при гибридной лазерно-дуговой сварке используется электрическая дуга системы дуговой сварки. Наиболее часто используемой системой дуговой сварки при гибридной лазерно- дуговой сварке является GMAW [11, 34, 37, 43, 49, 62-65]. GTAW и PAW также широко используются в процессах гибридной лазерной дуговой сварки [19, 45-48, 66, 67]. Процесс дуговой сварки под флюсом (SAW) также может использоваться в процессах гибридной лазерной дуговой сварки [68].

2.1 Гибридный лазерный процесс GMAW

В гибридном лазерном процессе GMAW CO2- лазер, Nd:YAG-лазер или волоконный лазер используются в качестве основного источника тепла, а электрическая дуга, возникающая во время GMAW, широко известная как сварка MIG (металлический инертный газ), используется в качестве вторичного источника тепла. В этом процессе возникает дуга между расходуемым металлическим электродом и заготовкой. Электрод непрерывно подается с катушки.

Лазер создает замочную скважину в сварочной ванне, которая обеспечивает сварной шов с глубоким проплавлением, тогда как расплавленный присадочный материал, полученный во время GMAW, помогает заполнить корневой зазор

и позволяет сваривать детали с большими зазорами и проблемами с подгонкой [34]. Замечено, что стабильность дуги GMAW улучшается при ее сочетании с лазерным лучом [28]. Использование присадочных материалов улучшает химический состав сварного соединения за счет добавления легирующих элементов в сварочную ванну, а также улучшает механические свойства сварного соединения [69]. Больший объем ванны расплава, образующийся во время GMAW, делает этот процесс более эффективным для перекрытия сварочного зазора, чем GTAW и PAW. Защитные газы используются для защиты расплавленной сварочной ванны от атмосферного загрязнения. Инертные газы, такие как гелий, аргон или азот, или смесь этих газов в разных пропорциях обычно используются при сварке MIG (металлический инертный газ), тогда как активный газ, такой как CO2, O2 или смесь CO2 с инертными газами в разных пропорциях, используется во время MAG . (металлический активный газ) сварка, в качестве защитных газов [6, 12, 70-72]. Импульсный источник питания GMAW обычно используется в гибридном лазере GMAW, что позволяет лучше контролировать длину дуги, образование капли металла и режим ее переноса, стабильность дуги и образование брызг во время сварки [73]. Из-за высокой скорости охлаждения процесса гибридной лазерной дуговой сварки состав электродной проволоки, используемой в GMAW, может оказаться неприемлемым для процесса гибридной лазерной сварки GMAW. Сварочная ванна, образующаяся при гибридной лазерной сварке GMAW, имеет большую долю присадочного материала в верхней части и основной материал в нижней корневой части [9]. Небольшой зазор в стыке до 1 мм позволяет расплавленному наполнителю достигать корня шва и, таким образом, повышать степень однородности за счет улучшения растворения в сварочной ванне [34]. Из-за использования нескольких источников тепла в гибридном лазерном GMAW скорость сварки может быть увеличена еще больше, чем лазерная сварка стержнем и GMAW, без образования подрезов [74].

2.2 Гибридный лазерный процесс GTAW

В гибридном лазерном процессе GTAW электрическая дуга, образующаяся во время GTAW, широко известная как сварка TIG (вольфрам в среде инертного газа), используется в качестве вторичного источника тепла. Из-за использования неплавящегося вольфрамового электрода во время сварки могут потребоваться дополнительные присадочные материалы. Скорость осаждения металла во время гибридной лазерной GTAW намного меньше, чем при гибридной лазерной GMAW, потому что только часть тепла дуги используется для расплавления присадочной проволоки во время гибридного лазерного процесса GTAW. Поскольку присадочная проволока отделена от электрической цепи гибридной лазерной установки GTAW, сварочный ток и скорость наплавки металла в процессе сварки могут определяться независимо. Однако загрязнение электрода из-за паров горячего металла, эрозия кончика вольфрамового электрода из-за использования высокочастотного зажигания дуги и высокое сродство вольфрама к кислороду являются общими проблемами, связанными с процессом GTAW [75]. Защитный газ используется для защиты сварочной ванны, а также для защиты электрода от атмосферного загрязнения или образования оксида. Скорость плавления основного материала для гибридной лазерной GTAW почти в два раза превышает сумму скоростей плавления лазерной сварки и сварки TIG по отдельности [76]. Сообщается, что при

использовании дуги ВИГ с лазерным лучом в общей зоне взаимодействия поглощение лазерной энергии в основном

материале улучшается за счет предварительного нагрева основного материала ведущей дугой ВИГ [77].

С другой стороны, использование лазера в общей сварочной ванне стабилизирует дугу ВИГ [78]. Из-за высокой плотности мощности лазерного луча часть основного материала в зоне сварки плавится и испаряется, что обеспечивает токопроводящий путь для дуги [79]. Дуга ВИГ проходит по кратчайшему проводящему пути между электродом и металлом, таким образом, уходит корнями в зону взаимодействия с лазером. Корневание и сужение дуги к зоне лазерного взаимодействия увеличивает электропроводность вдоль столба дуги и стабилизирует дугу [64, 80, 81]. GTAW обычно используется для сварки трудносвариваемых металлов, таких как нержавеющая сталь, алюминиево-магниевые сплавы [82]. Гибридная лазерная сварка TIG подходит для сварки нержавеющей стали AISI304 благодаря высокой скорости сварки и превосходным механическим свойствам [83]. Гибридный лазерный процесс GTAW обычно используется для сварки тонких материалов. Способность гибридного лазера GTAW для стыковой сварки очень тонких листов аустенитной нержавеющей стали была продемонстрирована [67].

2.3 Гибридный лазерный процесс PAW

В гибридном лазерном процессе PAW в качестве вторичного источника тепла используется суженная плазменная дуга. Неплавящийся вольфрамовый электрод, используемый в PAW, утоплен в сварочной горелке. Внутри сварочной горелки используется сужающее сопло малого диаметра с водяным охлаждением для сжатия дуги, что увеличивает ее интенсивность, улучшает стабильность и форму дуги. Инертный газ, проходящий через сужающее сопло, известный как дроссельный газ, используется для производства плазмы. Защитный эффект дополнительно усиливается за счет использования другого защитного газа, который проходит через внешнее кольцо горелки. В PAW дуга устанавливается либо между электродом и сужающим соплом (дуга без переноса), либо между электродом и материалом заготовки (дуга с переносом). По сравнению с дугой TIG, плазменная дуга более стабильна и направлена, и плазменная дуга не отклоняется легко в ближайшей точке основного металла, потому что действие струи из-за сжатия дуги

дуговая плазма. Эффект гибридизации лазерной и плазменной дуги увеличивает скорость сварки и стабилизирует плазму дуги. Глубина проплавления больше для гибридного лазерного процесса PAW, чем для лазерной сварки при той же подводимой энергии на единицу длины сварного шва [46]. По сравнению с результатами гибридного лазерного ПАВ, тепловложение от дуги может быть снижено до 40% при использовании гибридного лазерного ПАВ [48].

3. Параксиальное и коаксиальное расположение гибридных систем лазерной дуговой сварки

При гибридной лазерно-дуговой сварке лазерный луч фокусируется на стыке, а сварочная горелка удерживается в подходящем положении таким образом, чтобы дуга была направлена на ту же зону взаимодействия. Параксиальное и коаксиальное расположение используются в гибридной лазерной дуговой сварке. При параксиальном расположении горелка для дуговой сварки может располагаться перед лазерным лучом (направление дуги) или сразу за лазерным лучом (направление лазера) таким образом, чтобы они шли по одной линии сварки и взаимодействовали в общей зоне сварки [2, 84]. При коаксиальном расположении лазерный луч проходит через коаксиально расположенный полый электрод для дуговой сварки (неплавящийся). Это позволяет проецировать лазерный луч на электрическую дугу, и лазерный луч, и электрическая дуга имеют общую центральную ось. В гибридном лазерном процессе GMAW всегда предпочтительнее параксиальное расположение лазерного луча и электрода [4, 45, 85] из-за использования расходуемого электрода. Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. разработала коаксиальную гибридную лазерную головку GMAW для сварки кузовов автомобилей [33]. Вместо полого электрода луч лазера разделяется зеркалами на две половины, и электрод располагается в пространстве, заданном между расщепленными полулучами. Это позволяет реализовать соосное расположение электрода и лазерного луча. В гибридном лазерном процессе GTAW используются как параксиальная, так и коаксиальная компоновки [78, 83]. При параксиальном расположении лазерный луч и дуга ВИГ могут располагаться либо на одной стороне заготовки, либо на противоположных сторонах заготовки. Сообщается об увеличении скорости на 300%, когда лазерный луч и дуга TIG размещаются на противоположных сторонах заготовки. Однако при сварке титана толщиной 0,8 мм и низкоуглеродистой стали толщиной 2 мм достигается увеличение скорости на 100 %, когда лазерный луч и дуга ВИГ располагаются на одной стороне заготовки при одинаковой настройке тока дуги. ]. При коаксиальном расположении изменение распределения плотности тока из-за использования полого электрода TIG делает точку фокусировки лазера еще меньше [86].

В этой конфигурации поглощение энергии лазера плазмой дуги более сильное, особенно для гибридного процесса GTAW с CO2-лазером. Таким образом, сварка с глубоким проплавлением толстых материалов невозможна. Однако использование лазера с высоким качеством луча, такого как Nd:YAG-лазер, улучшает проникновение при той же мощности лазера. В ходе сравнительного исследования коаксиальной и параксиальной конфигураций GTAW с гибридным CO2-лазером влияние сварочного тока на глубину проплавления и на гибридную дугу было обнаружено для коаксиального гибридного лазера GTAW. Однако максимальное проплавление достигается при параксиальной конфигурации, что примерно на 20 % больше, чем при коаксиальной конфигурации [66]. В гибридном лазерном PAW-процессе лазерный луч либо направлен перпендикулярно поверхности материала [47], либо лазерный луч наклонен под небольшим углом от

перпендикулярной оси [46]. Факел PAW обычно держат под углом 35   -45         от оси лазерного луча параксиально[46]. При коаксиальном расположении лазерный луч окружен плазменной дугой [47].

4. Параметры гибридной лазерной дуговой сварки

Гибридизация процессов сварки приводит к появлению некоторых новых параметров в дополнение к параметрам управления отдельными процессами. Таким образом, при гибридной лазерной дуге

при сварке требуется одновременное управление большим количеством параметров процесса. Оптимальные параметры процесса гибридной лазерной дуговой сварки нельзя просто определить из комбинации оптимальных параметров отдельных процессов сварки. Оптимальное значение параметров может измениться за счет эффекта взаимодействия лазерного луча с эклектической дугой.

Например, потребность в мощности лазера для гибридной лазерно-дуговой сварки меньше, чем для процесса автогенной лазерной сварки из-за использования вторичного источника тепла [87].

4.1 Мощность лазера

Мощность лазера является основным источником тепла при гибридной лазерно-дуговой сварке, которая формирует замочную скважину и обеспечивает сварку с глубоким проплавлением [10, 60, 88]. Из-за использования электрической дуги с лазером в одной сварочной ванне увеличивается поглощение лазерного излучения металлом [18] и циркуляция расплавленного металла в сварочной ванне [89]. Плотность мощности оказывает наибольшее влияние на сварку при сварке лазером. Проплавление сварного шва увеличивается с увеличением мощности лазера [71, 90]. При гибридной лазерной сварке MIG магниевых сплавов AZ31 наблюдается увеличение проплавления на 2–3 мм на киловатт мощности лазера по сравнению с увеличением на 0,5 мм на киловатт мощности дуги [52]. Результаты гибридного лазерного GMAW валика на пластине алюминиевых сплавов A5052 и SUS304 с использованием волоконного лазера с мощностью лазера в диапазоне от 2 кВт до 10 кВт показали увеличение проплавления сварного шва с мощностью лазера для обоих сплавов [56]. При гибридной лазерной GMAW медного сплава наблюдается увеличение ширины грани, ширины корневой части и высоты корневой арматуры, а также уменьшение высоты торцевой арматуры с увеличением мощности лазера [10]. Также

установлено, что поглощение лазера увеличивается при образовании замочной скважины в зоне сварки из-за приложения

высокой плотности мощности [56]. Сварные швы с более высокой прочностью соединения без явных дефектов могут быть получены при благоприятном диапазоне мощностей лазера [91].

4.2 Скорость сварки

Более высокая скорость сварки является характерной чертой гибридной лазерной дуговой сварки, что увеличивает производительность. Однако ширина шва и проплавление обратно пропорциональны скорости сварки [1, 4, 10, 92]. Чтобы компенсировать это, необходимо применять большую мощность лазера и увеличивать скорость подачи присадочной проволоки для поддержания постоянного объема сварочной ванны [92]. Соотношение скорости сварки и подачи присадочной проволоки является важным фактором стабильности замочной скважины и всего процесса [34]. Слишком высокая скорость сварки может привести к непровару или непровару шва, тогда как слишком низкая скорость сварки может создать большую сварочную ванну с глубоким проплавлением до предела прожога материала и вызвать

частичное разрушение [60]. Быстрый цикл нагрева и охлаждения из-за более высокой скорости сварки приводит к резкому градиенту температуры в зоне сварки [93], что может привести к металлургическим дефектам в сварном шве [10].

Однако увеличение скорости сварки может эффективно снизить концентрацию термических остаточных напряжений [16].

4.3 Относительное расположение лазерного луча и электрода

Лазерный луч обычно направляется перпендикулярно направлению сварки, чтобы получить максимально возможное проникновение в сварной шов. Во время процесса ведения дуги горелка располагается под углом сопротивления, а во время процесса лазерного ведения сварочная горелка располагается под углом толкания. Лазерная ведущая установка обеспечивает большую ширину зоны дуги, узкую ширину лазерной зоны, большую высоту армирования [94] и большую глубину проникновения [95]. Вид сверху на форму сварочной ванны в дуговом процессе наблюдается как «тыква», а в лазерном — как «пуля» [96]. Крест

Морфология сечения наплавленного валика для электродугового и лазерного подвода наблюдается как «конусообразная» и «коктейльно-чашеобразная» соответственно [97]. Наблюдается, что процесс опережения лазером дает более стабильную дугу, чем процесс опережения дуги, из-за более высокой стабильности замочной скважины [94, 96, 98]. Улучшение проплавления сварного шва на 10 % наблюдается, когда горелка MAG помещается за лучом CO2- лазера [43]. В отличие от этого, улучшение проплавления наблюдается при использовании конфигурации опережения дуги во время сварки нержавеющей стали типа 304 с использованием процесса лазерной гибридной сварки TIG с Nd:YAG-лазером мощностью 1,8 кВт [45]. Конфигурация опережения дуги при сварке быстрорежущей стали с использованием гибридного Nd:YAG- лазера в процессе сварки MAG приводит к повышению прочности на растяжение и более низкой ударной энергии сварных соединений, чем в процессе лазерного опережения [97].

4.4 Расстояние между лазером и электродом

Электрод дуги должен находиться в непосредственной близости от лазерного луча, чтобы обеспечить их синергетический эффект в общей сварочной ванне. Расстояние между лазером и дугой существенно влияет на характеристики дуги, режим переноса капель и геометрию валика сварного шва [2, 99]. Расстояние между лазером и электродом обычно составляет от 0 мм (при коаксиальном расположении) до 5 мм (при параксиальном расположении) в зависимости от параметров лазера, параметров дуговой сварки и

используемых материалов [23, 43, 62, 94, 100]. Увеличение зазора между лазерным лучом и электродом может привести к потере эффектов гибридизации [94]. Коаксиальное расположение или очень короткий зазор могут привести к проблеме поглощения лазерной энергии плазмой дуги, которая частично блокирует лазерный

луч, что приводит к меньшему проникновению. При использовании гибридной установки GTAW с Nd:YAG- лазером с коаксиальным расположением наблюдается меньший провар по сравнению с лазером и межэлектродным зазором 2 мм [5]. Расстояние от лазера до дуги влияет на морфологические характеристики сварочной ванны. Сварочные ванны становятся более асимметричными при увеличении бокового смещения горелки MIG от фиксированного лазерного источника [34]. Замечено, что увеличение расстояния между лазером и дугой изменяет геометрию валика сварного шва с «чаши для коктейля» на «конусообразную» [99].

4.5 Позиционирование фокуса

Максимальное проплавление обычно достигается, когда фокус лазерного луча находится ниже поверхности заготовки [15, 39, 102]. Фокус лазерного луча меняется, когда он проникает в расплавленную ванну. Объем сварочной ванны при гибридной лазерно-дуговой сварке значительно больше, чем при лазерной сварке. Наплавка чашеобразной формы при гибридной лазерно-дуговой сварке увеличивает кривизну верхней поверхности ванны расплава, что изменяет фокус взаимодействующего лазерного луча. Фокус лазерного

луча при гибридной сварке MIG с использованием CO2-лазера уменьшен на 0,7 мм по сравнению с автогенной лазерной сваркой [103]. Оптимальный фокус лазерного луча смещается от -2 мм до -4 мм при сварке листа из низкоуглеродистой стали гибридным CO2- лазером при сварке MAG со скоростью сварки 0,6 м/мин [104].

4.6 Угол электрода

Угол дугового электрода устанавливается таким образом, что защитный газ, выходящий из сопла горелки, эффективно отклоняет индуцированную лазером плазму от зоны сварки, увеличивая проникающую способность лазера в сварной шов. Угол электрода обычно устанавливается в пределах 45° - 65° [34, 87, 90, 100, 101] от поверхности заготовки, что уменьшает длину дуги. Лазерный луч обычно направляется перпендикулярно поверхности заготовки для лучшего проникновения [101]. Тем не менее, лазер

луч наклоняется под углом во время сварки материалов с высокой отражающей способностью, чтобы избежать повреждения лазерной головки из-за отраженного луча [41, 42, 85, 90, 105].

4.7 Составы защитных газов

Защитные газы в основном используются для защиты сварочной ванны от окружающей атмосферы. Использование защитных газов и их составов также влияет на характеристики дуги, формирование профиля шва и режим переноса металла [106]. Инертные газы, такие как гелий и аргон, являются преобладающими составляющими защитных газов, используемых в процессах гибридной лазерной дуговой сварки [17, 41, 85, 101, 107]. Азот, двуокись углерода, окись углерода (СО) также используются в качестве компонентов защитного газа в зависимости от выбора материалов, лазерного источника и параметров дуги [4, 15, 70, 99, 108, 109]. Поглощение лазерной энергии лазерно- индуцированной плазмой или газовым факелом во время CO2.

Процесс гибридной лазерной дуговой сварки является хорошо известной проблемой. Это снижает интенсивность лазерного излучения, достигающего сварочной ванны, что снижает глубину провара. Использование защитного газа с высоким потенциалом ионизации, такого как гелий, при сварке CO2 -лазером снижает эффект плазменного поглощения [15, 70]. Смесь аргона, гелия и CO2 также используется в процессах гибридной дуговой сварки с использованием CO2-лазера [34, 99, 107]. Использование гелия обеспечивает более глубокое проплавление, а

использование аргона повышает стабильность дуги. Встречается при сварке высокопрочной стали с использованием гибридного СО2 лазерный процесс GMAW, использующий содержание гелия менее 30% в защитном газе, требует дополнительного

источника гелия в качестве газа для подавления вторичного факела [62]. Установлено, что использование СО в защитном газе до 10 % во время процесса GMAW с использованием гибридного CO2-лазера стабилизирует дугу [62]. Использование небольшого процентного содержания кислорода (                                              5 %) в защитном газе снижает разбрызгивание

и улучшает перенос металла при сварке [15]. Использование CO2 в качестве защитного газа в значительной степени при гибридной лазерной дуговой сварке приводит к увеличению провара, снижению пористости и стоимости при одновременном увеличении количества брызг [110]. Поглощение лазера газовой плазмой при гибридной сварке несущественно для лазеров с относительно меньшей длиной волны [111]. Таким образом, выбор состава защитного газа при сварке с использованием Nd:YAG, волоконных и дисковых лазеров основывается главным образом на требованиях к защите и стабильности дуги. В некоторых случаях, например, при сварке реактивных металлов, таких как титан, используется дополнительное сопло/горелка для подачи защитного газа, который сопровождает дугу, чтобы избежать образования оксидов во время охлаждения [69].

4.8 Модуляция мощности системы дуговой сварки

Из-за динамического поведения дуги ток и напряжение постоянно изменяются во время дуговой сварки. Мощность дуги регулируется сварочным током и напряжением. Ток положительно влияет на скорость плавления расходуемого электрода, присадочного и основного материалов [112].

Напряжение влияет на длину дуги и сварочный ток [72]. Источник питания постоянного тока обычно используется для GTAW или PAW, тогда как источник питания постоянного напряжения используется для процесса GMAW. В GTAW или PAW ток предустановлен, и любые изменения сварочного тока из-за изменения длины дуги не критичны из-за использования неплавящегося электрода и отдельно используемого присадочного материала. В GMAW напряжение и скорость подачи проволоки задаются заранее, а сварочный ток регулируется скоростью подачи проволоки [72]. Изменение скорости подачи проволоки изменяет длину дуги и напряжение дуги, что, в свою очередь, изменяет ток дуги и скорость плавления электрода для поддержания равновесной длины дуги.

Обычный GTAW обычно выполняется с источником питания переменного тока, потому что он предотвращает перегрев электрода, удаляет оксиды во время положительной фазы и глубоко нагревает заготовку во время отрицательной фазы. Источник питания переменного тока также используется в гибридном лазере GTAW.

процесс [87, 112]. Использование источника питания постоянного тока в гибридном CO2- лазере GTAW приводит к более высокому потреблению энергии и увеличению срока службы электрода [56]. Источник питания постоянного тока с положительным электродом используется в обычном процессе GMAW, а также в гибридном лазерном процессе GMAW, который увеличивает скорость осаждения [113]. Использование импульсного режима как в гибридных лазерных процессах GTAW, так и в гибридных лазерных GMAW процессах уменьшает количество разбрызгивания и зоны термического влияния. Ширина и частота импульсов являются дополнительными параметрами, которые необходимо контролировать при использовании импульсного тока [70]. Ширина импульса определяет длительность импульса (пиковый ток), а также влияет на размер капли металла и ширину конуса дуги [114]. Частота импульсов регулирует общий подвод тепла к зоне сварки [34]. Импульсная дуговая сварка в сочетании с импульсным лазером также может использоваться для гибридной лазерной дуговой сварки [51].

Способ переноса металла является важным фактором, на который влияют мощность дуги, вылет и диаметр электрода, расстояние между лазером и дугой, состав и давление защитного газа [107, 39]. Существует три различных режима переноса металла, наблюдаемых во время дуговой сварки: выбрасываемый/распылительный перенос, гравитационный/шаровидный перенос и перенос короткого замыкания [12]. Величины и направления электромагнитной силы и силы сопротивления плазмы, действующие на каплю, влияют на поведение капель [115, 116]. Температурное

поле, схема течения жидкости и геометрия сварочной ванны сильно зависят от процесса удара капли из-за передачи массы, энергии и импульса в сварочную ванну [117]. Распылительный перенос предпочтительнее при гибридной лазерно-дуговой сварке для обеспечения глубокого проплавления из-за высокого подвода тепла на единицу длины при сохранении высокой скорости сварки [99]. Меньшая турбулентность сварочной ванны наблюдается при использовании струйного переноса металла за счет выброса мелких капель приполнителя в сварочную ванну [118]. Использование импульсного тока усиливает передачу режима распыления металла, поскольку использование пикового тока при малой длительности импульса и частоте импульсов влияет на образование капель металла и частое их отрыв, что снижает вероятность образования более крупных капель, что является характерной чертой гравитационного переноса. 70]. Глобулярный режим переноса металла наблюдается при малом расстоянии между лазером и электродом, тогда как режим распыления достигается при увеличении расстояния между лазером и электродом [119].

Отношение мощности лазера к мощности дуги также является важным фактором для гибридной лазерно- дуговой сварки, который влияет на геометрию шва, металлургические свойства шва, остаточное напряжение и характер деформации [9, 59, 84]. Это уравновешивает воздействие лазерного луча и дуги на общую сварочную ванну. Более высокий коэффициент энергии обеспечивает узкий и глубокий шов и увеличивает скорость сварки [84]. Размер валика сварного шва увеличивается с увеличением мощности дуги до тех пор, пока не будет достигнуто установившееся состояние. Однако очень высокая мощность дуги вызывает уменьшение глубины проплавления из-за изменения переноса моды металла с переноса распылением на перенос шариков.

4.9 Скорость подачи проволоки

Выбор скорости подачи проволоки имеет решающее значение, чтобы избежать отсутствия наплавки или подачи дополнительного материала [10, 120]. Более высокая скорость подачи проволоки позволяет оператору выполнять сварку с большим зазором, а также помогает увеличить скорость сварки [34]. При более высокой скорости подачи проволоки требуется более высокий ток для увеличения скорости наплавки [4]. При гибридной лазерной сварке GMAW увеличение скорости подачи проволоки вызывает увеличение тока [12]. Увеличение диаметра проволоки также требует более высокого тока для поддержания постоянной длины дуги. В установке GMAW с постоянным напряжением скорость подачи проволоки задана заранее.

4.10 Совместный зазор

Луч лазера может сваривать детали только с зазором до 0,2-0,25 мм, без видимых дефектов вроде подреза или неполного валика сварного шва. Однако зазор стыка в 1 мм можно легко сварить с помощью процесса гибридной лазерно-дуговой сварки [5, 34, 36, 74]. Соотношение энергии лазера и дуги, расстояние до лазерной дуги, скорость сварки и скорость подачи проволоки являются критическими параметрами, определяющими скорость осаждения присадочных материалов для заполнения зазора в стыке [120]. Наблюдается во время гибридного CO2

при лазерной сварке MIG высокопрочной углеродистой стали скорость подачи проволоки должна увеличиваться с увеличением зазора в стыке [34]. Результаты, представленные в работах [34, 43], показывают, что скорость сварки может быть увеличена при сварке деталей с зазором до 1 мм, так как малый зазор упрощает провар, так как больше присадочного материала достигает корня шва. . Однако увеличение зазора стыка более 1 мм требует снижения скорости сварки, а также правильного подбора параметров процесса [34]. Больший зазор в стыке может потребовать нескольких проходов сварки и использования опорной пластины.

4.11 Конфигурация шва и подготовка кромки

Стыковые, угловые, кромочные, нахлестные и тавровые соединения являются основными конфигурациями соединений, используемых при сварке. Все эти конфигурации соединения также используются в процессе гибридной лазерно-дуговой сварки. Из-за малого диаметра пятна лазерного луча для сварки используются квадратные кромки, тогда как при дуговой сварке на стыках делаются канавки, особенно для толстых профилей. Одновременное действие по заполнению шва напылением с помощью дуговой сварки и глубокого проплавления лазером требует иной конструкции шва для гибридной лазерно-дуговой сварки [40]. Тонкие металлические листы или металлические пластины толщиной менее 6-8 мм не требуют подготовки кромок под сварку гибридной лазерно-дуговой сваркой. Для материала толщиной более 6-8 мм требуется подготовка кромок. V-образная или Y- образная канавка, используемая для лазерно-дуговой гибридной сварки, напоминает форму «винного бокала» или «воронки» [1, 16, 105, 121]. Разделки, используемые в деталях для лазерно-дуговой гибридной сварки, как правило, имеют меньший угол включения, узкое корневое отверстие и большую толщину режущей кромки по сравнению с разделками, используемыми при дуговой сварке [40, 98, 122]. Установлено, что двойная Y-образная канавка может обеспечить оптимальные условия стабильности дуги и лазера [98]. Для деталей разной толщины канавка выполняется таким образом, чтобы толщина площадки обеих деталей была одинаковой в месте соединения, а перепад высот компенсировался на крышке. Большая сварочная ванна на крышке имеет лучшую устойчивость к геометрическому несоответствию.

5. Эксплуатационные характеристики и качество сварки

Сварочные характеристики гибридной лазерной дуговой сварки измеряются с точки зрения увеличения скорости сварки, провара и способности перекрывать зазоры при одновременном снижении стоимости. Качество сварного шва, достигаемое при гибридной лазерно-дуговой сварке, можно оценить по улучшению механических свойств

и морфологических характеристик при уменьшении или устранении дефектов сварки.

Гибридный лазерный процесс GMAW на 50% быстрее, чем автогенная лазерная сварка [34].

Увеличение скорости сварки до 300 % зафиксировано при гибридном лазерном процессе GTAW, когда лазерный луч и дуга TIG располагаются на противоположных сторонах заготовки. При использовании лазерного луча и дуги TIG на одной стороне заготовки увеличение скорости на 100 % достигается при одинаковом значении тока дуги при сварке титана толщиной 0,8 мм и низкоуглеродистой стали толщиной 2 мм [80, 35]. Использование плазменной дуги с CO2- лазером приводит к увеличению скорости сварки на 50% -100 % и увеличение проплавления до 20 % по сравнению с лазерной сваркой [36].

Используя процесс гибридной лазерной дуговой сварки, тонкие листы стали и алюминия можно сваривать при высоких скоростях сварки в диапазоне от 4 м/мин до 14 м/мин [123, 124]. Эммельманн и др. [46] сообщили об увеличении скорости сварки до 100 % при сварке листов стали S235JR толщиной 2 и 4 мм с помощью системы гибридной плазменно-дуговой сварки мощностью 300 Вт с лазером и 4500 Вт. Куцуна и Чен [104] сравнили гибридную сварку МИГ углеродистых сталей с использованием CO2-лазера с лазерной сваркой и обнаружили увеличение скорости сварки до 30% при гибридной сварке. Результаты, представленные Нильсеном и др. [43], показывают, что скорость сварки увеличивается в диапазоне от 30% до 100% при использовании гибридного CO2.

лазерная сварка MAG стали C/Mn по сравнению с лазерной сваркой с использованием холодной присадочной проволоки. Скорость может быть дополнительно увеличена до 200 % при сохранении зазора 0,6 мм между сопрягаемыми деталями. Результаты, полученные Пекарской и Кубяком [44] посредством численного моделирования, показывают, что использование гибридной лазерной дуговой сварки позволяет увеличить скорость сварки более чем в два раза (т. е. 2,6

м/мин) по сравнению со скоростью сварки лазерным лучом (т. е. 1,2 м/мин). м/мин) при одинаковых параметрах лазерного луча. Ти– Листы из титанового сплава Al–Zr–Fe толщиной 4 мм свариваются с высокой скоростью 1,8 м/мин и мощностью 8 кВт гибридной лазерной сваркой MIG без дефектов, таких как поверхностное окисление, пористость, трещины и непровары в сварочный шов [69]. В дополнение к этому, технология гибридной сварки позволяет получать соединения с более высокой прочностью и пластичностью, чем лазерная сварка, благодаря использованию присадочной проволоки.

Гибридная лазерная дуговая сварка используется для сварки как толстых, так и тонких материалов. Для сварки толстых листов, как правило, используется до такой толщины, которая может быть сварена за один проход. Гибридная лазерно-дуговая сварка обеспечивает более высокое проплавление из-за более высокого выделения энергии из-за использования лазера и дуги и лучшего поглощения энергии лазера основными материалами, когда дуга взаимодействует в одной и той же сварочной ванне. Стальной лист толщиной до 25 мм успешно сваривается с помощью гибридной системы лазерной сварки MAG мощностью 20 кВт за один проход со скоростью сварки 1 м/мин.

Стальные листы толщиной 30 мм также свариваются в два прохода с использованием гибридной лазерной двойной системы MAG, в которой две горелки MAG размещаются с двух разных сторон листа [63]. Листы большей толщины также можно сваривать при благоприятных условиях сварки, используя несколько проходов и оптимальный зазор в стыке. Мацудата и др. [38] сообщили, что проплавление сварного шва, полученное с использованием гибридной системы сварки TIG мощностью 5 кВт CO2-лазера и мощностью 5 кВт, в 1,3–2 раза глубже, чем при использовании только лазерной сварки. Суонсон и др. [37] выполнили сварку валиком пластины из низкоуглеродистой стали толщиной 6 мм с использованием гибридной лазерной плазменно-дуговой сварки и добились увеличения скорости сварки на 100% для сварки с полным проплавлением или увеличения глубины проплавления на 25–100 мм. % по сравнению с одним лазером.

Гибридная лазерная дуговая сварка может перекрыть зазор в стыке до нескольких миллиметров в зависимости от выбранной толщины материала, мощности лазера, скорости сварки и скорости подачи присадочной проволоки. Ши [65] сравнил возможность перекрытия зазора гибридным коаксиальным процессом сварки MAG с использованием CO2- лазера с автогенной лазерной сваркой и лазерной сваркой холодной проволокой. Стыковые швы выполнены из стали C/ Mn толщиной 8 мм. Гибридная сварка обладает гораздо большей способностью перекрывать зазоры, чем автогенная лазерная сварка или лазерная сварка холодной проволокой. Зазоры стыков до 1,4 мм свариваются гибридной сваркой без регулировки параметров сварки. Более широкие зазоры до 1,6 мм также свариваются путем регулирования скорости подачи проволоки или скорости сварки при сохранении остальных параметров постоянными.

Работа, представленная Nilsson et al. [34], показывает, что малый зазор в соединении выгоден для гибридной сварки, а максимальная скорость сварки 1,6 м/мин достигается при зазоре 1 мм при сварке стальных листов толщиной 6 мм с использованием CO2- лазера . Гибридный процесс сварки MIG. Стыковые соединения с зазорами до 2 мм реализованы за счет снижения скорости сварки и увеличения скорости подачи проволоки. Также сообщается об улучшении скорости сварки из-за наличия стыкового зазора.

сварка листа из алюминиевого сплава толщиной 5 мм с использованием гибридной сварки MIG лазером Nd:YAG. По сравнению с нулевым зазором скорость сварки может быть увеличена в два раза при сварке с зазором 0,6 мм, а также значительно уменьшено количество пор [43]. Листы из стали C/Mn толщиной 2,13 мм с зазором 0,6 мм могут быть успешно сварены с использованием гибридной сварки MIG с использованием CO2-лазера со скоростью сварки 3,5 м/мин [36]. Т-образные соединения с зазором между деталями 1 мм в листах из мягкой стали толщиной 2 мм свариваются с использованием гибридной сварки MIG с использованием Nd:YAG-лазера со скоростью сварки 3 м/мин. При гибридной MIG-сварке Nd:YAG-лазером алюминиевого сплава толщиной 2 мм в угловом соединении с зазором между деталями 0,6 мм реализуется скорость сварки до 7 м/мин [5].

Использование процесса гибридной лазерной дуговой сварки позволяет снизить стоимость сварки и, следовательно, себестоимость производства свариваемых деталей. Использование вторичного источника тепла снижает потребность в мощности лазера и, следовательно, снижает прямые затраты. Высокая скорость сварки, лучшее качество шва, необходимость меньшего количества проходов за счет глубокого проплавления также делают этот процесс экономичным по сравнению с автогенной лазерной сваркой. Байер и др. [19] подсчитали, что использование лазера Nd:YAG мощностью 2 кВт вместе со сварочной установкой TIG мощностью 2 кВт может снизить стоимость до 50 % и повысить производительность до 50 %, а также свести к минимуму усилия, необходимые для подготовки кромок и сварки. контроль ширин Снижение потребности в мощности лазера на 1 кВт примерно снижает потребление электроэнергии порядка 35 кВА

[125]. Установлено, что при использовании гибридной системы сварки MIG с лазером Nd:YAG для сварки низкоуглеродистой стали толщиной 1–4 мм, нержавеющей стали и алюминиевых листов требуемая мощность лазера может быть снижена на 1 кВт по сравнению с чистой лазерной сваркой. . Экономия мощности лазера на 1 кВт стоит около 100 000 евро. Однако дополнительные затраты на установку MIG составляют около 40 000 евро [5]. Ройцль и др. [126] сообщили, что использование гибридного лазерного процесса GMAW приводит к сокращению человеко-часов на 93 %, расхода электродов на 83 %, других расходных материалов, таких как газовые защитные колпачки и контактные наконечники, на 10 % по сравнению с обычными процессами GMAW. Вдобавок к этому при использовании гибридной системы уменьшается объем вредных паров. Капитальные затраты на лазерную систему кажутся незначительными по сравнению с экономией текущих затрат на процесс GMAW. Применение гибридной лазерной сварки МИГ для листов сплава инвар36 толщиной 19,05 мм приводит к сокращению времени сварки в 8 раз, расхода присадочного материала в 4 раза и пиковой величины деформации в 3 раза по сравнению со сваркой МИГ [40].

Гибридная лазерная дуговая сварка способна соединять широкий спектр металлов, включая металлы с высокой отражающей способностью, такие как алюминий, нержавеющая сталь, никель и т. д., и химически активные металлы,такие как титан. Во всех случаях получается высококачественный шов с вполне приемлемыми механическими свойствами. Адекватные механические свойства с повышенной усталостной прочностью достигаются при гибридной сварке MIG СО2- лазером алюминиевого сплава АА6013 [49]. При гибридной волоконной лазерной сварке титановых листов методом МИГ получаются детали с лучшим сочетанием прочности и пластичности по сравнению с деталями, сваренными волоконным лазером [58]. Использование гибридного процесса сварки MAG с CO2-лазером для сварки листов из алюминиевого сплава приводит к значительному уменьшению пор по сравнению со сваркой с помощью CO2-лазера даже при зазорах между деталями 0,6 мм [43]. Сварка сплава AA5083-H111 с использованием гибридной лазерной сварки MIG показала более высокую усталостную прочность, чем сварка MIG. Усталостная прочность соединения при гибридной сварке может достигать 84,6 % от усталостной прочности основного металла [41]. Гибридная сварка TIG с использованием CO2-лазера разнородных материалов между Ti–22Al–

Сплавы 27Nb и ТА15 успешно выполняются без явных трещин и пор. Гибридно-сварные детали показали хорошие механические свойства, и разрушение, произошедшее во время испытаний на сдвиг, наблюдается в основном материале ТА15, а не в сварном шве [101]. Полученная усталостная прочность составляет около 120 МПа при многоцикловых усталостных испытаниях гибридной лазерно-дуговой сварки листов из сплава АА6082 толщиной 8 мм, что намного превосходит соответствующие показатели лазерной или дуговой сварки [127]. При гибридной сварке MAG-лазером Nd:YAG оцинкованных стальных листов в конфигурации соединения внахлестку создается пузыри значительно сдерживаются, чем лазерная сварка, даже при нулевом зазоре мм, что обеспечивает прочный шов [64]. Приемлемые соединения сплавов Mg со сталью с цинковым покрытием получаются с помощью гибридной лазерной сварки TIG без видимых дефектов, что невозможно реализовать с помощью только лазерной или дуговой сварки [18]. Сварка стали AISI 304 с использованием гибридного Nd:YAG-лазерного метода TIG приводит к значительному уменьшению количества пор [45]. Чжан и др. [128] использовали гибридную лазерно-дуговую сварку алюминиевого сплава AA6082-T6 толщиной 8 мм и получили сварной шов первого класса с пористостью менее 0,5%. Наблюдается, что пористость уменьшается с увеличением тока дуги и мощности лазера при снижении скорости сварки. По сравнению со сваркой Nd:YAG-лазером алюминиевого сплава А6061 толщиной 10 мм, использование гибридной сварки TIG с Nd:YAG-лазером приводит к более глубокому проплавлению и полному устранению трещин [129]. Сварной валик, сформированный с использованием гибридной лазерной дуги, имеет лучшую пластичность, чем сварной шов, сформированный с помощью лазерной сварки [44]. По сравнению с автогенной лазерной сваркой использование гибридного лазерного процесса PAW и гибридного лазерного MIG для сварки стали C/Mn приводит к снижению значения твердости на 27 % и 23 % соответственно [50]. Экспериментальные исследования гибридной лазерной сварки TIG магниевого сплава показывают, что металл шва проявляет лучшую коррозионную стойкость из-за использования высокой плотности энергии и быстрой скорости охлаждения (по сравнению с сваркой TIG) во время гибридной сварки, что значительно влияет на измельчение зерна в зоне термического влияния. 130]. Численные результаты, представленные Конгом и Ковачевичем [131], показывают, что концентрация остаточных напряжений в гибридных лазерных сварных швах TIG ниже, чем в сварных швах, полученных с помощью лазерной сварки или сварки TIG. Более высокая скорость нагрева-охлаждения и меньший объем расплава при гибридной сварке обеспечивают меньшее остаточное напряжение и деформацию сварного шва, чем процесс TIG [125].

6. Промышленное применение

Благодаря нескольким технологическим преимуществам гибридной лазерно-дуговой сварки, таким как: более высокая производительность и лучшее качество сварки по сравнению с лазерной или дуговой сваркой, она является привлекательной альтернативой для различных отраслей промышленности. Капитальные затраты на сварочную систему можно компенсировать

за счет обеспечения более высокой скорости сварки и более глубокого проплавления, что снижает стоимость единицы длины сварного шва. Гибридную лазерно-дуговую сварку можно использовать для сварки самых разных металлов, от черных металлов, таких как

стали, нержавеющие стали, до цветных металлов, таких как алюминий, магний, никель, титан и их сплавы и т. д. [6, 9, 10, 14]. , 84, 90, 91, 101, 112, 114, 132]. Это может сваривать тонкие листы металла, а также толстые металлические пластины. Высокая скорость сварки и глубокий провар позволяют сваривать толстые листы за меньшее количество проходов, что снижает деформацию сварного шва.

Первая промышленная гибридная лазерно-дуговая система была развернута компанией Fraunhofer ILT на предприятии по производству нефтяных резервуаров в 2000 году. Она вызвала интерес в отраслях, использующих сварку в больших объемах, что привело к установке ряда систем лазерно-дуговой гибридной сварки в автомобилестроении, судостроении. и трубной промышленности в последующие годы [29]. Гибридная лазерно-дуговая сварка также нашла свое применение в аэрокосмической промышленности, производстве подвижного состава и контейнеров, оффшорной промышленности, строительстве, производстве трубопроводов, тяжелом машиностроении, энергетике и т. д. Различные аспекты, такие как потенциал автоматизации гибридной лазерной дуговой сварки, снижение стоимость на единицу длины шва, свариваемость материалов исследуются несколькими исследователями для различных промышленных применений, таких как судостроение, трубопроводы, морская промышленность и т. д. [126, 133, 134]. В основном гибридная лазерная дуговая сварка применяется в автомобильной и судостроительной промышленности, где сваривается большое количество металлических компонентов для создания легких или тяжелых транспортных средств и кораблей.

Способность перекрывать зазоры с более быстрой обработкой процесса гибридной лазерной дуговой сварки делает его подходящей альтернативой для автомобильной промышленности. Основные автомобильные отрасли, такие как Volkswagen и Audi внедрили на своих производственных линиях гибридную лазерно-дуговую сварку [135].

Всего в каждом автомобиле Volkswagen Phaeton выполняется 48 гибридных сварных швов для получения высококачественных угловых и стыковых соединений прессованных профилей, отливок и алюминиевых листов. Каркас крыши и различные его части автомобиля Audi A8 сварены с помощью гибридной лазерно-дуговой сварки. Технология гибридной сварки также используется Daimler для производства осей. Использование гибридной сварки Daimler приводит к увеличению производительности за счет увеличения скорости сварки и эффективности проволоки при сохранении хорошего провара и улучшенных металлургических свойств [123]. Лазерная дуговая сварка высокопрочной стали TRIP (пластичность, вызванная трансформацией) для автомобильной промышленности исследована с использованием лазера Nd:YAG мощностью 2 кВт и системы сварки MIG на 350 А, и сообщается об улучшенном переносе металла и глубоком проплавлении [136].

Немецкая судостроительная компания Meyer-Werft GmbH внедрила гибридный лазерный процесс GMAW на своей производственной линии для сварки стальных панелей и элементов жесткости, используемых для изготовления кораблей. С помощью CO2 -лазера мощностью 12 кВт с установкой GMAW на 450 А успешно производятся угловые соединения толщиной 12 мм со сварными швами длиной 20 метров. Использование гибридной технологии сварки уменьшило

деформацию сварного шва и, таким образом, в значительной степени устраняет доработку, необходимую для выравнивания деталей. Также сообщалось об увеличении скорости сварки и снижении потребности в присадочном материале. Характеристики сварных профилей характеризуются испытаниями на растяжение, испытания на твердость, испытания на удар, испытания на изгиб и испытания на усталость и дают удовлетворительные результаты [137].

Итальянская судостроительная компания Fincantieri также внедрила гибридную лазерно-дуговую сварку с использованием лазера Nd:YAG и метода сварки MAG, что позволяет им эффективно решать такие проблемы, как деформация сварного шва и перекрытие зазора в стыке [138]. Система гибридной лазерно-дуговой сварки с использованием волоконного лазера также разработана для судостроения [139]. В работе, опубликованной в [140], сообщается о применении автоматизированной гибридной установки GMAW мощностью 25 кВт CO2-лазера и 6 кВт GMAW в судостроении и других отраслях промышленности. Установка интегрирована с порталом и управляется в режиме реального времени с помощью отслеживания шва, монитора качества сварки и программного обеспечения для управления технологическим процессом. Такие материалы, как сталь ASTM A 36, высокопрочная легированная сталь (HLSA 65) и супераустенитная нержавеющая сталь (AL6-XN) толщиной до 12 мм успешно свариваются с полным проплавлением при скорости сварки от 1,9 м/мин до 2,5 м/мин. . Гибридная лазерная сварка TIG листов из стали 10CrNiMnMoV толщиной 16 мм успешно выполняется [1], при этом достигаются соединения с хорошими переходными свойствами по микроструктуре и размеру кристаллического зерна, а также лучшими механическими характеристиками, которые выше, чем CCS (Китайское классификационное общество) морские стандартные требования для удовлетворения потребностей отрасли. Листы судостроительной стали AH36 толщиной 8 мм успешно свариваются гибридной волоконной лазерной сваркой MAG в перевернутой Т-образной конфигурации [120].

В аэрокосмической промышленности используются материалы с высоким соотношением веса и прочности. Такие материалы, как алюминий, магний, титан и их сплавы, используются в авиастроении. Конструкция самолета в основном испытывается на прочность и сопротивление усталости, поскольку они являются ключевыми эксплуатационными характеристиками. Удовлетворительные механические свойства с повышенной усталостной прочностью достигаются при гибридной сварке MIG СО2-лазером алюминиевого сплава АА6013 [49].

Пластины из алюминиевого сплава толщиной 12,7 мм успешно свариваются с использованием гибридной сварки MIG с использованием гибридного лазера Nd:YAG и гибридной сварки MIG с волоконным лазером [55]. Лист технически чистого титана толщиной 1,5 мм сваривали со скоростью сварки до 9 м/мин гибридной волоконно-лазерной сваркой MIG. Сварные детали с лучшим сочетанием прочности и пластичности достигаются при гибридной сварке по сравнению с деталями, сваренными волоконным лазером [58]. Сварка с полным проплавлением пластин толщиной 12,6 мм из разнородных материалов, алюминиевого сплава AA6061 и усовершенствованной высокопрочной стали, в конфигурации Т-образного соединения с пазами достигается с использованием гибридного лазерного процесса GMAW [141].

В европейском проекте под названием «Экономичная и безопасная лазерная гибридная сварка конструкционной стали» (HYBLAS) использовалась гибридная лазерная сварка MAG для сварки стальных листов толщиной 25 мм за один проход при мощности лазера 20 кВт и скорости сварки 1 м/мин. Толстые стальные профили толщиной до 30 мм и угловые швы толщиной до 20 мм были успешно сварены с использованием двухпроходной гибридной лазерной сварки MAG, при которой обе стороны пластин свариваются одновременно двумя источниками MAG.

Лазерный луч и сварочная горелка MAG размещаются на одной стороне пластин, а другая горелка MAG размещается на противоположной стороне пластин, ориентируясь на одну и ту же линию сварки. Свариваемость сталей с пределом текучести от 180 МПа до 690 МПа исследуется с помощью гибридной лазерной системы сварки MAG, и получаются бездефектные соединения для всех конструкционных применений с хорошими механическими свойствами и лучшими усталостными свойствами [63]. Fraunhofer ILT расширил существующий уровень техники гибридной лазерной MAG-сварки высокопрочных конструкционных сталей в отношении сварки толстых деталей, перекрытия зазоров в соединениях, предотвращения образования горячих трещин и улучшения усталостных свойств.

Также разработана физическая модель для исследования важнейших параметров сварки толстых профилей с зазором без сквозного пропадания. Очень хорошее качество сварного шва с отличными механическими свойствами достигается за счет благоприятных условий сварки с очень узкой V-образной или Y-образной разделкой кромок. При использовании CO2 -лазера мощностью 20 кВт и Nd:YAG-лазера мощностью до 7,2 кВт с установкой для сварки MAG было продемонстрировано очень глубокое проплавление сварного шва с особыми возможностями формирования шва [122].

Чен и др. [13] применили процесс двухсторонней гибридной волоконной лазерной дуговой сварки для соединения высокопрочной стали толщиной 30 мм и получили сварной шов с полным проплавлением за четыре сварочных прохода, что меньше тринадцати проходов, необходимых для процесса двусторонней дуговой сварки.

Гибридная лазерно-дуговая сварка используется в энергетике для сварки герметичных стеновых панелей и ребристых труб котлов. Технология гибридной лазерной сварки MAG была принята компанией Energoinstal SA для изготовления стеновых панелей и ребристых труб котлов благодаря стабильности процесса, более высокому допуску зазора в соединении, глубокому проплавлению и более высокой эффективности метода гибридной сварки [142]. Промышленное применение гибридной системы GMAW с лазером CO2 для сварки телескопического подъемника описано в [143]. Основной причиной использования этой системы на производстве была ее способность эффективно перекрывать зазоры в стыках. Сплав АА6005-Т5 используется в кузовах высокоскоростных железнодорожных транспортных средств. Использование гибридной лазерной сварки МИГ сплава АА6005-Т5 приводит к меньшей ширине ЗТВ и большей прочности соединения на растяжение, чем у сварного соединения МИГ [42].

7. Заключение

Этот эффект гибридизации приводит к ряду преимуществ процесса по сравнению с лазерной сваркой и дуговой сваркой, таких как более высокая скорость сварки, более глубокое проплавление, повышенная производительность, превосходная способность перекрывать зазоры, лучшая стабильность процесса, более высокая эффективность процесса и т. д. Этот процесс был продемонстрирован давно. в конце 1970-х годов, но привлекли к себе большое внимание только в этом столетии.

Гибридизация процессов требует определения новых параметров в дополнение к параметрам управления отдельной лазерной сваркой и дуговой сваркой. Желаемые преимущества могут быть достигнуты только при правильном сочетании процессов лазерной и дуговой сварки и оптимизации параметров. Мощность лазера является основным источником тепла при гибридной лазерно-дуговой сварке, которая создает замочную скважину и обеспечивает сварку с глубоким проплавлением. Расстояние между лазером и электродом существенно влияет на характеристики дуги, режим переноса капель и геометрию сварочного валика. Соотношение скорости сварки и подачи присадочной проволоки является важным фактором стабильности замочной скважины и всего процесса. Применение защитных газов и их составов также влияет на характеристики дуги, формирование профиля шва и режим переноса металла. Зазор в несколько миллиметров может быть сварен с помощью гибридной лазерной дуговой сварки, в зависимости от

толщина материалов и выбор подходящих настроек параметров сварки, включая соотношение энергии лазера и дуги, расстояние между лазером и электродом, скорость сварки и скорость подачи проволоки.

Канавки, используемые в толстых металлических пластинах для гибридной лазерной дуговой сварки, обычно имеют меньший угол включения, узкое корневое отверстие и большую толщину контактной поверхности по сравнению с канавками, используемыми при дуговой сварке. Гибридная лазерная дуговая сварка способна соединять широкий спектр металлов, включая металлы с высокой отражающей способностью, такие как алюминий, нержавеющая сталь, никель и т. д., и химически активные металлы, такие как титан.

Процесс гибридной лазерной дуговой сварки на 50–100 % быстрее, чем автогенная лазерная сварка. Отмечено, что малый зазор стыка выгоден для гибридной сварки, а максимальная скорость сварки достигается при зазоре 0,6 - 1 мм. Стальные листы толщиной 25 мм успешно свариваются за один проход гибридной лазерно-дуговой сваркой со скоростью 1 м/мин.

Листы большей толщины также можно сваривать при благоприятных условиях сварки с использованием нескольких проходов. Применение гибридной лазерно-дуговой сварки может снизить стоимость до 50% и повысить производительность до 50%, а также свести к минимуму усилия, необходимые для подготовки кромок и контроля ширины шва. Высокая скорость сварки, лучшее качество шва, необходимость меньшего количества проходов за счет глубокого проплавления также делают этот процесс экономичным по сравнению с автогенной лазерной сваркой. При лазерно-дуговой гибридной сварке получаются высококачественные сварные швы с идеально приемлемыми механическими свойствами и улучшенными усталостными свойствами. Использование процесса гибридной лазерно-дуговой сварки приводит к значительному уменьшению пор, трещин и других дефектов в сварных швах. Сварной валик, сформированный с использованием гибридных методов лазерной дуги, имеет лучшую пластичность, чем сварной шов, сформированный с помощью лазерной сварки.

Растущее число промышленных применений доказало потенциал этого процесса для коммерческого использования. В основном лазерно-дуговая гибридная сварка применяется в автомобильной и судостроительной промышленности. Лазерно-дуговая гибридная сварка также нашла свое применение в аэрокосмической промышленности, производстве подвижного состава и контейнеров, от шельфовой промышленности до строительства, производства трубопроводов, тяжелого машиностроения, энергетики и т.д.

Несмотря на широкое распространение гибридной лазерной дуговой сварки в промышленности и наличие большого количества исследовательских статей, существует множество направлений дальнейших исследований для изучения некоторых аспектов этого процесса, которые остаются без ответа. Хотя для изучения используется ряд различных типов материалов, таких как медь, которую трудно сваривать с использованием CO2.

лазерная сварка может быть примером гибридной сварки. Точно так же исследовательская работа может быть распространена на другие материалы, сплавы и т. д., которые не исследуются. Гибридная лазерно-дуговая сварка включает в себя большое количество параметров процесса, и, таким образом, существует огромный объем изучения влияния этих параметров и их взаимодействий, что может вызвать ряд тем для исследований. Оптимизация этих параметров также является сложной задачей. В большинстве исследований изучается лишь несколько конкретных условий. Для лучшего понимания процесса, особенно образования и схлопывания замочной скважины, взаимодействия лазера и дуги в общей сварочной ванне, термического цикла, скорости охлаждения, разбавления и т. д., необходимо провести всесторонние испытания, а также теоретическое моделирование и симуляцию процесса. в этом районе. Эти данные могут помочь спрогнозировать и избежать образования пористости, трещин, деформации и т. д., а также могут помочь спрогнозировать благоприятные условия сварки и выбрать соответствующую настройку параметров. Также необходимо провести исследования по модуляции мощности дуги (GMAW) при гибридной сварке тонких металлов, так как GMAW подходит для сварки толстых металлов. Точно так же должны быть проведены исследовательские работы по применению лазерных источников, отличных от CO2, Nd:YAG и волоконных лазеров. Также необходимо изучить использование лазерных систем с коротким и ультракоротким импульсом при гибридной сварке и их сравнительные преимущества или недостатки при гибридной сварке. Для гибридной сварки различных металлов и сплавов необходимо проводить характеристику сварки и систематический анализ затрат.