ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ИЗЛУЧЕНИЕМ ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРОВ

Разработка новейших волоконных лазеров большой мощности с высоким КПД преобразования, значительным ресурсом (более 100 тысяч часов) и передачей излучения по оптическому кабелю создала новые возможности для использования лазерного излучения как источника сварочной энергии [1]. Высокий КПД (25%) и качество излучения, а также уникальные возможности доставки излучения к сварочной головке позволяют реализовать эффективный и конкурентоспособный сварочный процесс.

Тем не менее, эти потенциальные возможности пока еще малоизучены и имеется ограниченное количество сообщений, в основном зарубежных, о положительных результатах сварки волоконными лазерами (например, [2-3]).

Предлагаемые результаты получены в рамках работ по созданию опытной установки для сварки изделий труба-трубная доска из титановых сплавов. В рамках этих работ решался целый комплекс технических и технологических вопросов, начиная от конструктивного исполнения робототехнического манипулятора и конструкции сварочной головки до технологических исследований по самому процессу лазерной сварки. Технологические тесты проводились в несколько этапов параллельно процессу разработки оборудования.

Во всех тестах использовались лазеры производства НТО «ИРЭ-Полюс» мощностью 700..1000 Вт в маломодовом исполнении (транспортное волокно 50 мкм, параметр качества излучения около ВРР =2.4 мм*мрад). Первые тесты были проведены с использованием резательной головки, модернизированной под сварку путем увеличения отверстия в сопловой насадке до 4 мм и дополненной внешним соплом для окутывающей защиты сварного шва. Головка была собрана из головки фирмы OptoSkand c фокусным расстоянием двухлинзового коллиматора 80 мм и фокусным расстоянием  фокусирующей части 120 мм. Минимальный диаметр пятна фокусировки с учетом некоторых аберраций коллиматора составлял, по нашим оценкам,  величину 0.1..0.15 мм, что соответствовало минимальной ширине следа на наклонной пластине. 

Образцы титановых сплавов толщиной 1 и 1.5 мм из сплава ВТ1-0 (технически чистый титан с нормированным содержанием примесей) и из двухфазного (α+β) сплава ВТ-23 (Ti-5Al-4,5V-2Mo-1Cr-0,6Fe) обрабатывались как напроплав, так и сваркой пластин встык. Пластины размещались на специально разработанном стапеле с подачей аргона в нижнюю часть пластин для защиты корня шва. Во внешнее сопло внутренним диаметром около 30 мм также подавался аргон для защиты хвостовой части шва, во внутреннее сопло подавался аргон с добавкой гелия для подавления возможного плазмообразования. Первые же тесты показали, что без добавки гелия образуется довольно мощный факел лазерной плазмы, почти полностью блокирующий процесс сварки. При подборе оптимального процентного содержания гелия плазму удается контролировать и получать качественные валики проплавления.

На пластинах изготавливали как линейные проплавы, так и кольцевые швы, а иногда и те и другие вместе. Тесты показали, что скорости, обеспечивающие сквозное проплавление металла довольно высокие – 30..50 мм/с. На фотографиях видно, что для этих скоростей сварки внешнее сопло уже не обеспечивает качественной защиты хвостовой части шва – если кольцевой шов имеет чистый неокисленный валик, то на линейных проплавах верхняя поверхность валика окисляется до сине-фиолетового цвета.

Формирование сварных швов в основном хорошее на всех режимах, валики ровные и без подрезов. При сварке пластин встык также получено в основном качественное формирование даже при наличии зазоров и небольших перекосов свариваемых кромок.

Полученные образцы были подвергнуты разрезке и разнообразным испытаниям сварных соединений. В основном твердость металла шва равна или несколько превышает прочность основного металла, а твердость металла ЗТВ оказывается ниже твердости основного металла только при снижении скорости сварки ниже 25 мм/с.

Испытания на загиб также показали, что для двух разных классов титанового сплава пластичность основного металла и сварного шва совпадают. То есть, показано, что лазерная сварка титановых сплавов волоконными лазерами позволяет обеспечить требования равнопрочности и пластичности сварных соединений.

На основании этих предварительных исследований была спроектирована и изготовлена новая сварочная головка VF001W собственной конструкции. Головка была спроектирована на основе вариосистемы с переменным фокусным расстоянием, позволяющей без замены оптики перестраивать относительное фокусное расстояние системы в 2.5 раза, то есть фактически изменять минимальный диаметр лазерного пучка и длину перетяжки. Предполагалось, что за счет этого свойства технолог получит возможность эффективно управлять формой проплавления и свойствами сварного соединения.

Головка VF001W также была снабжена более сложной сопловой насадкой – диаметр внешнего сопла увеличен до 45 мм и введены элементы для ламинаризации потока защитного газа. Кроме того, для защиты оптики введена шторная газодинамичекая защита на основе щелевого сопла. Для автоматического поддержания заданного расстояния  до поверхности изделия головка содержит специально спроектированный индуктивный датчик расстояния, так как использовать стандартный емкостной датчик в условиях наличия лазерной плазмы проблематично.

Функционально лазерный комплекс содержал координатную систему с ходом в вертикальной плоскости 1200 х 800 мм и ходом по горизонтали (по оси лазерного луча) – 200 мм. Сварочная головка перемещалась этой системой по трем координатам с контурной скоростью до 150 мм/с, что позволяло выполнять наведение на центр свариваемой трубки. Для автоматического наведения использовался видеосенсор на основе промышленной телекамеры с алгоритмом обработки изображения для вычисления центра трубки.

С помощью этого комплекса оборудования выполнялись опытные сварки соединений трубки, вставленной в цилиндрический имитатор трубной доски. Сваривались образцы из стали 08X18H10T и из титанового сплава ПТ-1В.

Тесты показали, что оборудование обеспечивает формирование качественного сварного шва, причем за счет варьирования параметров режима (фокусного расстояния, положения фокуса, скорости сварки и диаметра ведения луча) можно в значительной степени управлять формой сварного валика и характером оплавления трубки. Характерные скорости сварки составляли 20..40 мм/с, то есть вварка трубки диаметром 10 мм занимает время около 1 с.

Качественное завершение сварного шва обеспечивается несколькими технологическими приемами, которые может применять технолог – регулированием зоны перекрытия, плавным снижением мощности лазерного пучка, переводом лазера в частотный режим с увеличивающейся скважностью. 

ВЫВОДЫ:

1.     Показано в серии различных технологических экспериментов, что волоконные лазеры мощностью 700..1000 Вт обеспечивают возможность качественной сварки титановых сплавов толщиной 1…1.5 мм со скоростями выше 30 мм/с (100 м/ч).

2.     Полученные сварные соединения обладают высокими прочностными свойствами с высокой пластичностью металла шва и характеризуются великолепным формированием сварного шва.

3.     Создана лазерная сварочная головка, обеспечивающая полностью автоматизированную вварку трубок в трубные доски из нержавеющих и титановых  сплавов с характерным временем варки трубки порядка 1 с.  

4.     Разработан прототип серийной установки для сварки изделий класса труба-трубная доска излучением волоконного лазера.

Литература:

1.     Смирнов В.Н., Скрипченко А.И., Штернин Л.А. Новая «лазерная» революция. – Мир металлов, №6, 2005, с.48-49.

2.     Bill Shiner. High-powerfiberlasersimpactmaterialprocessing- IndustrialLaserSolutionsFebruary, 2003  -  http://ils.pennnet.com/archives/issue_archives.cfm

3.     M. Grupp   T. Seefeld   F. Vollertsen. Industrializing fiber lasers - Industrial Laser Solutions March, 2004 -  http://ils.pennnet.com/archives/issue_archives.cfm