Перспективные промышленные технологии лазерной обработки

И. Н. Шиганов











                ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ





Учебное пособие


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.7
ББК 34.441
     Ш55

Рецензенты: доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой материаловедения Московского политехнического университета Овчинников Виктор Васильевич; доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Института проблем лазерных и информационных технологий РАН Васильцов Виктор Владимирович


     Шиганов, И. Н.
Ш55 Перспективные промышленные технологии лазерной обработки : учебное пособие / И. Н. Шиганов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 284 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1229-2

     Представлены современные промышленные технологии лазерной обработки материалов мощными волоконными лазерными источниками. Рассмотрены технологии сварки больших толщин сталей и сплавов лазерами мощностью до 30 кВт, исследования их структур, механических свойств и областей применения. Особое внимание уделено сварке различных марок алюминиевых сплавов, разнородных материалов и гибридным технологиям. Даны общие представления и конкретные технологии аддитивных производств лазерного сплавления порошков и лазерной объемной порошковой наплавки. Приведены конкретные технологии и оборудование. Рассмотрены современные процессы лазерного легирования и очистки поверхностей. Даны представления о лазерной безопасности и средствах защиты при использовании лазерных технологий.
     Для студентов машиностроительных специальностей. Может быть полезно инженерам-технологам, конструкторам и специалистам по использованию лазерных технологий в промышленности.
УДК 621.7
ББК 34.441







ISBN 978-5-9729-1229-2

     © Шиганов И. Н., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                ОГЛАВЛЕНИЕ





ВВЕДЕНИЕ............................................................6

ГЛАВА 1. ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА МЕТАЛЛОВ БОЛЬШИХ ТОЛЩИН................8
 1.1. Технологические особенности лазерной сварки металлов больших толщин.............................................................8
 1.2. Применение лазерной сварки металлов больших толщин...........13
 1.3. Особенности лазерной сварки в вакууме........................20
 Список литературы к главе 1.......................................31

ГЛАВА 2. ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА СОВРЕМЕННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ
СПЛАВОВ............................................................34
 2.1. Перспективные алюминиевые сплавы, применяемые в сварных конструкциях......................................................34
 2.2. Преимущества лазерной сварки алюминиевых сплавов.............40
 2.3. Дефекты, возникающие при лазерной сварке алюминиевых сплавов.44
 2.4. Технологические особенности лазерной сварки алюминиевых сплавов ... 47
 2.5. Механические свойства и микроструктура сварных соединений алюминиевых сплавов, полученных лазерным излучением...............54
 Список литературы к главе 2.......................................64

ГЛАВА 3. ГИБРИДНЫЕ ПРОЦЕССЫ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ........................68
 3.1. Гибридная лазерно-дуговая сварка..........................68
 3.2. Гибридная лазерная сварка с наложением ультразвука..........102
 3.3. Совмещение лазерного излучения с индукционным нагревом....112
 Список литературы к главе 3......................................117

ГЛАВА 4. ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ...................120
 4.1. Особенности сварки плавлением разнородных материалов........120
 4.2. Технологические особенности сварки разнородных материалов.122
 4.3. Лазерная сварка алюминиевых сплавов со сталью...............124
 4.4. Сварка алюминиевых сплавов с титаном........................128
 4.5. Сварка алюминиевых сплавов с медью..........................131

3

 4.6. Сварка титана с магниевыми сплавами..........................133
 4.7. Сварка стали с медью.........................................136
 Список литературы к главе 4.......................................138

ГЛАВА 5. ЛАЗЕРНОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КЕРАМИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ.............................142
 5.1. Методылазерноголегирования...................................142
 5.2. Лазерное легирование стали частицами карбида титана (TiC).147
 5.3. Лазерное легирование сталей частицами диборида титана (TiB2).151
 5.4. Лазерное легирование частицами карбида вольфрама (WC)........152
 5.5. Лазерное легирование сталей и алюминиевых сплавов частицами карбида кремния (SiC).............................................159
 Список литературы к главе 5.......................................168

ГЛАВА 6. АДДИТИВНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХДЕТАЛЕЙ...............................................171
 6.1. Общие положения принципов аддитивных процессов...............171
 6.2. Метод селективного лазерного плавления.......................173
 6.3. Метод прямого лазерного осаждения порошковых материалов...195
 Список литературы к главе 6.......................................222

ГЛАВА 7. ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ.............................224
 7.1. Физические основы лазерной очистки поверхностей..............224
 7.2. Применение технологий лазерной очистки.......................230
 7.3. Оборудование для лазерной очистки поверхностей...............237
 Список литературы к главе 7.......................................242

ГЛАВА 8. ОБРАБОТКА КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ..................................243
 8.1. Свойства керамики............................................243
 8.2. Соединение керамических материалов........................245
 8.3. Соединение керамики с металлами..............................249
 8.4. Выращивание деталей из порошковой керамики................253
 Список литературы к главе 8....................................257

4

ГЛАВА 9. ЛАЗЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ...............259
  9.1. Опасные производственные факторы при лазерной обработке.259
  9.2. Степени опасности лазерных источников излучения...........262
  9.3. Виды опасностей при эксплуатации лазерных технологических установок......................................................264
  9.4. Техника безопасности при лазерных технологиях обработки материалов.....................................................266
  9.5. Средства защиты кабины лазерной технологической установки.268
  9.6. Индивидуальные средства защиты от лазерного излучения.....270
  9.7. Маркировкалазерных устройств и технологических установок..272
  9.8. Требования к персоналу....................................275
  Список литературы к главе 9....................................278

5

                ВВЕДЕНИЕ





     Лазерные технологии обработки материалов уже давно нашли свое применение в различных отраслях промышленности. Такие процессы, как лазерная резка, сварка, термообработка, наплавка и некоторые другие, применяются для изготовления корпусов и отдельных деталей автомобилей, морских судов, авиационных и космических изделий, деталей атомных реакторов и многих других изделий. Большинство этих технологий связано с применением оборудования, в котором использовались газовые СО2-лазеры различной мощности. Создано множество различных элементов оптических систем, оснастки, систем перемещения, учитывающих использование именно излучения с длиной волны 10,6 мкм, которое создается СО2-лазерами.
     В начале 21 века начали внедряться в промышленности принципиально новые лазерные источники, получившие название «волоконные лазеры». Они относятся к твердотельным источникам и имеют ряд преимуществ перед газовыми лазерами. Отличия волоконного и СО2 лазеров состоят в принципе работы, устройстве, использовании разных материалов и коэффициенте полезного действия. Основа волоконного лазера - оптически активное волокно, лазера СО2 - смесь газов, главным из которых является углекислый. Длина волны лазеров отличается в десять раз. Для газового она составляет 10,6 мкм, а для волоконного - 1,07 мкм. Меньший размер длины луча обеспечивает более высокую точность и скорость обработки металлов. Однако, при обработке неметаллов, предпочтение лучше отдать СО2 лазерам.
     Отсутствие необходимости использования сложной оптической системы зеркал для передачи излучения делает использование волоконного лазера более простым по сравнению с СО2 лазером. Еще один плюс волоконного лазера - это его компактная конструкция, которая может устанавливаться в любом станке с маленьким корпусом или сварочном аппарате. Благодаря простому монтажу его можно использовать в небольших промышленных центрах. КПД волоконного лазера - около 50 %, для газового лазера этот показатель почти вдвое ниже.
     Другие преимущества волоконного лазера - его универсальность и простота в обслуживании. Он в меньшей степени зависит от уровня влажности или температуры воздуха, поэтому может использоваться везде - от небольшой мастерской до промышленного помещения. Чистка волоконному лазеру не требуется. Кроме того, в любой момент волоконный лазер можно модернизировать и подключить на другой технологический процесс. Он не требует юстировки и сложных пусконаладочных работ.
     Исследованиям технологических процессов лазерной обработки посвящено множество работ, патентов и монографий, часть из которых используется в соответствующих разделах данной книги.
     В представленном учебном пособии проведено обобщение самых последних достижений в технологии лазерной сварки, легирования, аддитивных процессов и очистки поверхности с применением волоконных лазеров различной

6

мощности для промышленного применения. Рассмотрены образцы оборудования для этих процессов и достигаемые характеристики. Пособие может использоваться как дополнение к основным курсам обучения студентов и аспирантов для расширения их знаний в области лазерных технологий.
      В книге использованы авторские материалы, а также результаты современных работ российских и зарубежных исследований. Каждая глава сопровождается значительным количеством ссылок на использованные источники.

7

                ГЛАВА1.ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА МЕТАЛЛОВ БОЛЬШИХ ТОЛЩИН




1.1. Технологические особенности лазерной сварки металлов больших толщин


     Сварное соединение материалов толщиной более 8-10 мм характеризуется как - сварка материалов больших толщин [1]. Соединение таких материалов используется во многих отраслях промышленности. Основные трудности сварки больших толщин связаны с обязательной разделкой кромок значительного размера и использования методов многопроходной дуговой сварки как в ручном, так и в автоматическом режиме. Это приводит к значительным затратам как материалов, так времени на изготовление изделий.
     Отличительной особенностью сварки мощными концентрированными лазерным излучением является получение так называемого «кинжального» проплавления, характеризующегося высокими значениями коэффициента формы шва (рис. 1.1).


Рисунок 1.1. Характерная форма проплавления металла большой толщины

      Основой лазерной сварки с глубоким проникновением является формирование канала проплавления. Изменения, происходящие в канале проплавления весьма сложны и многообразны, поэтому понимание и контроль их имеют большое теоретическое и практическое значение. Установлено [2, 3], что давление отдачи и многократное отражение являются важными факторами для образования с существования канала проплавления. Однако влияние потока расплавленного металла и причины нестабильности канала проплавления до конца не изучены. Проводилась визуализация динамики образования и видоизменения канала проплавления непосредственно в процессе сварки [4]. В результате съемок получены изображения, показанные на рисунке 1.2.


8

Рисунок 1.2. Кадры съемки канала проплавления: мощность лазера 10 кВм, скорость сварки 1,2 м/мин, положение фокуса 5 мм [4]

     Подобная форма проплавления характеризуется весьма нестационарным поведением расплава в сварочной ванне и неустойчивостью канала проплавления. В связи с этим качество получаемых соединений в значительной степени зависит от оптимизации соотношения многочисленных параметров сварки. Установлено [5], что при лазерной сварке волоконными лазерами большой толщины за один проход существует очень узкий коридор режимов, в которых получаются качественные швы. Часто встречающимися дефектами сварки с глубоким проплавлением являются поры, трещины и провисания в корне шва [6, 7].
     Одним из эффективных методов получения качественных сварных соединений при лазерной сварки больших толщин является многослойная лазерная сварка в узкую разделку с присадочной проволокой [8, 9].
     Снижение объема сварочной ванны позволяет уменьшить площадь разделки кромок и тем самым снизить расход свариваемого металла. Применяя для лазерной сварки длиннофокусную оптику, имеющую малый угол фокусировки, можно минимизировать угол скоса разделки свариваемых кромок до нескольких градусов, можно уменьшить ширину разделки кромок и получить так называемую «узкощелевую» разделку стыка свариваемых кромок, которую можно применять для сварки металлов больших толщин. Геометрия такой разделки показананарисунке 1.3 [8].


Рисунок 1.3. Геометрия разделки кромок для многопроходной лазерной сварки 9

     Оптимизация геометрии разделки свариваемых кромок определяется толщиной свариваемого металла, мощностью луча лазера, геометрическим параметрами сфокусированного луча лазера, диаметром сварочной проволоки, амплитудой осцилляции луча лазера [10].
     Данная разделка заполняется сварными швами, полученными лазерным излучением с применением присадочной проволоки. Схема расположения различных зон комбинированного сварного соединения показана на рисунке 1.4.


Рисунок 1.4. Схема комбинированного многопроходного шва, получаемого лазерной сваркой с присадочной проволокой

     Как видно на схеме, комбинированный шов состоит из трех зон: 1 - зона корневого прохода; 2 - зона заполняющих проходов; 3 - зона облицовочного прохода. Для каждой из этих зон необходимо определить оптимальные схемы ведения процесса и выбрать параметры процесса, обеспечивающие наилучшее формирование, отсутствие дефектов, высокие механические свойства.
     Первым проходом осуществляется заварка корня шва в режиме глубокого проплавления. Макроструктура корневого шва показана на рисунке 1.5.


Рисунок 1.5. Макроструктура корневого шва узкощелевой разделки [10]

10

      После этого последовательно в несколько проходов производится заполнение металлом разделки кромок (рис. 1.6) лазерной сваркой с присадочной проволокой в режиме теплопроводности.


Рисунок 1.6. Заполнение присадочным металлом разделки свариваемых кромок

     Основная цель при выполнении заполняющих проходов заключается в получении шва большего объема с минимальным подплавлением предыдущего слоя и обязательным заполнением всей ширины разделки. Так как диаметр проволоки, используемой для сварки, составляет 1,0 мм, а ширина разделки, которую необходимо было заполнить, равна 4,0 мм, ширина сварочной ванны должна быть не менее 4,5 мм. Для обеспечения этого и для более равномерного заполнения разделки было предложено использовать колебания лазерного луча. Колебания осуществляли с помощью специальной фокусирующей головки.
     Колебания луча в сварочной ванне дает дополнительные возможности влиять на процесс сварки и формирование шва. Основной эффект от развертки в изменении мгновенного и усредненного по периоду распределения плотности мощности лазерного луча. При этом меняется характер гидродинамических процессов и конфигурация сварочной ванны, что позволяет расширить диаметр канала проплавления и изменить форму сварного шва. При этом, изменяется характер формирования первичной структуры. Таким образом, колебания луча могут быть использованы для управления кристаллизацией и формированием первичной структуры металла шва в процессе сварки. Наиболее эффективными являются крестообразные колебания, которые выравнивают ширину верхней и нижней частей проплавления, что позволяет, при определенных условиях, получать проплавление с практически параллельными стенками.
     Помимо формы колебаний на характер проплавления существенное влияние оказывают частота и амплитуда колебаний. Лучшие результаты достигаются при частоте крестообразных колебаний 200 Гц и амплитуде 2,5 мм.
     Для выполнения основной цели заполнения разделки, указанной выше, необходимо оптимизировать режимы сварки и подачи присадочной проволоки с тем, чтобы обеспечить минимальное количество проходов в следующих диапазонах: Р - 5,0-5,5 кВт, V - 0,6 м/мин и Упр - 4,0-5,0 м/мин. Применив выбранные режимы сварки и колебаний луча, были получены сварные соединения с заполняющими проходами на толщине стали 16 мм, как показано на рисунке 1.7.


11

Рисунок 1.7. Макроструктура сварного соединения стали толщиной 16 мм, полученного лазерным излучением многопроходной сваркой с присадочной проволокой в щелевую разделку [8]


      Так как процесс сварки предусматривает заполнение разделки несколькими слоями расплавленной лазерным лучом проволоки, было исследовано влияние нагрева этих слоев на зону термического влияния [11]. На рисунке 1.8, показаны полученные термические циклы.


Время, с

Рисунок 1.8. Термический цикл многократного нагрева и охлаждения металла зоны термического влияния при сварке, полученный при выполнении:
1 - корневого шва; 2 - первого заполняющего прохода;
3 - второго заполняющего прохода; 4 - третьего заполняющего прохода [10]

12

     Исследование нагрева при наложении слоев в процессе лазерной сварки показало, что каждый последующий слой не приводит к перегреву металла шва и зоны термического влияния предыдущего. В результате этого, в отличие от дуговой технологии, многослойность лазерной сварки не оказывает существенного влияния на структурные изменения в шве ЗТВ предыдущих слоев [11].
     Применение узкощелевой разделки свариваемых кромок открывает возможность сварки больших толщин лазерами мощностью в несколько кВт. Необходимо отметить, что лазеры большой мощности имеют высокую стоимость, которая существенно повышает технологическую себестоимость сварки одного погонного метра шва и, кроме того, сварка лазерами высокой мощности в режиме глубокого проплавления за один проход сопровождается рядом негативных физических эффектов, которые не всегда удается устранить и которые могут привести к дефектообразованию в сварном соединении.

1.2. Применение лазерной сварки металлов больших толщин

     Применение лазерной технологии в области производства и монтажа толстостенных труб большого диаметра, применяемых для газонефтепроводов, в полной мере позволяет использовать особенности лазерной сварки.
     Основными технологиями сварки при строительстве магистральных газопроводов являются [12, 13]: 1) технология ручной дуговой сварки покрытыми электродами; 2) технологии механизированной сварки; 3) технологии автоматической сварки. Эти методы автоматизированной дуговой сварки орбитальных швов на толстостенных трубах большого диаметра являются достаточно отработанными, производительными и отвечают требованиям к качеству сварных швов. Однако, все эти технологии связаны с введением большого количества тепла и высокой погонной энергией. Швы имеют большой объем наплавленного металла, который по составу может отличатся от основного. Необходимость выполнения большого количества проходов для заполнения разделки снижает производительность. Требуется достаточно большой размер разделки и большое количество проволоки для ее заполнения, что увеличивает расходы на материалы.
     Помимо этого, большое тепловложение и высокая погонная энергия приводят к формированию микроструктур в шве и околошовной зоне, которые могут способствовать образованию горячих и холодных трещин, а также к снижению ударной вязкости [14].
     Для устранения и предупреждения указанных недостатков в настоящее время перспективными являются методы лазерной сварки толстостенных труб большого диаметра. Основные результаты по разработке технологий лазерной сварки труб отражены в работах [15-18].
     В России была разработана и изготовлена установка для многослойной лазерной сварки неповоротных стыков труб большого диаметра толщиной 16 мм для магистральных трубопроводов в [8, 9]. На рисунке 1.9 показан внешний вид этой установки.


13