Автоматическая сварка vs сварка с присадкой проволокой vs гибридная: выбор стратегии присадочного материала для лазерной сварки

Спросите у двух инженеров по лазерной сварке, почему соединение вышло бракованным, и вы часто получите два разных ответа, поскольку они оптимизируют разные переменные. Один стремится к глубине провара, другой — к допуску по зазору. Эти две цели тянут в противоположных направлениях, и рычаг, балансирующий между ними, — это стратегия присадки: свариваете ли вы без присадочного материала, подаёте ли проволоку или применяете дугу совместно с лучом.

В этом руководстве изложены три стратегии на основе опубликованных данных испытаний и производственных результатов производителя оборудования для лазерной сварки, включая измеренную глубину провара на трёх уровнях мощности, допустимые толщины, следующие из этих измерений, и результаты испытаний на растяжение от гибридной установки лазер-дуга. Цель состоит в том, чтобы дать вам компромиссы в цифрах, а не в прилагательных.

Три стратегии применения присадочного материала

Сварка без присадочного материала осуществляется без использования присадки: два базовых кромки соединяются только лучом. Это самый быстрый и самый чистый метод, и он обеспечивает наибольшую глубину провара при заданной мощности, поскольку ни часть энергии луча не расходуется на плавление добавляемого материала. Его слабость — в подготовке шва: без присадки для перекрытия зазора кромки шва должны точно соприкасаться вдоль всей линии шва.

Лазерная сварка с подачей проволоки вносит присадочную проволоку в жидкую ванну. Это уменьшает глубину провара — энергия тратится на плавление проволоки — и позволяет компенсировать допуски, потому что deposited металл заполняет зазоры и позволяет корректировать профиль сварочного валика и металлурическую структуру соединения.

Гибридная сварка лазером и дугой объединяет MIG-дуговой и лазерный луч в одной ванне. Лазер обеспечивает глубокую проварку и скорость; дуга обеспечивает перекрытие зазоров, более медленное охлаждение и коррекцию металлурической структуры. Это наиболее устойчивая к допускам из трёх стратегий и наиболее сложная в настройке.

Начните с ЛКД: Мощность, Скорость и Бюджет провара

Опубликованная отправная точка — это соотношение, определяющее все три стратегии:

ЛКД (Дж/мм) = Мощность лазера (Вт) / Скорость сварки (мм/с)

Прежде всего, однако, стоит назвать ограничение, которое на самом деле определяет выбор. Если ваши детали приходят на пост сварки с такой подготовкой шва, которую можно удержать, сварка без присадочного материала почти всегда будет более быстрым и дешёвым решением. Если это не так — а собранные, сварные или длинноразмерные сборочные изделия часто таковы — тогда часть энергии лазера должна быть направлена на перекрытие этого зазора, и единственный вопрос состоит в том, что более эффективно отводит эту энергию — проволока или дуга.

Всё остальное следует из этого. При постоянной скорости повышение мощности увеличивает ЛКД и плавляет больше металла, обеспечивая бо́льшую глубину провара. При постоянной мощности повышение скорости уменьшает ЛКД и снижает глубину провара. Это и есть весь бюджет, и именно поэтому класс мощности и скорость движения нельзя указывать независимо.

Опубливанное металлургическое испытание производителя делает эту связь конкретной. Используя лазерную сварку с подачей проволоки на углеродистой стали толщиной 10 мм со скоростью подачи проволоки 20 мм/с, срезанные и сопоставленные поперечные сечения:

Наряду с этими цифрами публикуются две оговорки, и обе имеют значение. Во-первых, данные получены из сварки с присадочной проволокой тестов; указывается, что при автогенной сварке без подачи проволоки провар превышает представленные значения. Во-вторых, производитель называет рекомендации по толщине консервативной оценкой и явно заявляет, что при наличии у заказчика требований к герметичности по воздуху, воде или давлению, требования заказчика имеют приоритет.

Что на самом деле означают рекомендации по толщине

Руководство по соотношению мощности и толщины является наиболее полезной информацией на странице для любого, кто определяет параметры ячейки, поскольку оно переводит рейтинг в киловаттах в диапазон задач. Опубликовано как заявлено: 2 кВт для толщины, не превышающей 3–4 мм, 3 кВт для не более 5–6 мм, и 6 кВт для не более 8 мм. Производитель добавляет честное наблюдение о том, что лазер мощностью 2 кВт может сваривать плиту толщиной 10 мм, но глубина провара недостаточна для того, чтобы соединение было прочным, — что является различием между “приварилось” и “держится”.”

Та же граница в 8 мм независимо появляется в производственных данных для волоконной лазерной системы 3000 Вт, которая публикуется как способная сваривать нержавеющую сталь и углеродистую сталь толщиной до 8 мм с полным проваром в один проход, заменяя многослойную дуговую сварку. Описанный механизм — это эффект ключевой ванны: луч создает паровую полость, которая мгновенно доставляет энергию к корню шва, создавая соотношение глубины к ширине, часто превышающее 10:1, и скорости движения, превышающие 1,5 метра в минуту.

Инженерное примечание, приложенное к этой системе, стоит процитировать, поскольку оно разрешает кажущееся противоречие: при переходе с 1500 Вт на 3000 Вт, фокусом является не только мощность, но и качество луча, а для провара толстостенных заготовок рекомендуется конфигуацию виброголовки, , который осциллирует луч, чтобы перекрыть большие допуски приладки без потери глубокого провара волоконного источника. Осцилляция, в противном случае, приобретает часть допуска, который иначе пришлось бы «покупать» присадкой.

Подача проволоки: почему она стоит провара и дает допуск

Этот компромисс измерим. В той же серии тестов явное опубликованное заключение состоит в том, что автогенная сварка без подачи проволоки обеспечивает больший провар, чем значения для сварки с проволокой. Проволока потребляет энергию, которая иначе пошла бы на основную деталь.

То, что дает проволока, также конкретно: перекрытие зазоров, контроль профиля валика и способность влиять на металлургию сварного шва через состав присадки. Для соединений, где приладка не может быть удержана плотно — длинные швы, заготовленные детали, все, что имеет накопленный допуск от вышестоящих операций, — это обычно стоит той жертвы в проваре, которую вы приносите.

Есть также следствие для скорости, и это то, что удивляет покупателей. Опубликованное руководство гласит, что скорости лазерной сварки могут достигать 100 мм/с или более, но эти скорости подходят только дляinline-сварки; для общей сварки, особенно лазерной сварки с подавлением проволоки, рекомендуемая скорость составляет 20–30 мм/с. Клетка, заявленная на 100 мм/с и работающая с подачей проволоки, не будет выполнять обещанное время цикла, и в этом нет вины лазера.

Скорость, брызги и подрезы: верхний предел технологического окна

Увеличение скорости при использовании того же источника мощностью 6 кВт показывает, где технологическое окно замыкается. Опубликованные наблюдения при мощности 6 кВт со скоростями подаعي проволоки 35 мм/с и 50 мм/с: по мере увеличения скорости сварки глубина провара уменьшается, и появляются проблемы с качеством в виде увеличенного количества брызг и подрезов.

Это практический предел, и он имеет диагностическую ценность. Появление брызг и подрезов на шве, который ранее варился чисто, обычно указывает на проблему со скоростью перед тем, как на проблеме с мощностью, — проверьте, не превышает ли целевое время цикла скорость подачи точку, за которой ключевая полость перестаёт быть стабильной.

Гибридная лазерно-дуговая сварка: там, где дуга оправдывает своё применение

Гибридная лазерно-дуговая сварка MIG — это решение, когда ограничивающим фактором является допуск на стыковку, а не провар. Опубликованные преимущества конкретны: значительно улучшенный допуск на подготовку стыка — в режиме адаптивного управления в реальном времени в несколько раз лучше, чем при чисто лазерной сварке —, исключение горячих трещин, значительное увеличение глубины провара и скорости сварки в один проход, а также отсутствие необходимости в подготовке перед сваркой, что облегчает автоматизацию.

Опубликованные механические результаты для гибридной установки дают полезный ориентир для того, как выглядит “допустимый” уровень:

Коэффициенты использования прочности в диапазоне 95–98 для стали 1ТП7Т (базового материала), другими словами, они достигаются на участках, где чисто лазерная сварка одного процесса потребовала бы гораздо более строгой подготовки стыка. Опубликованная возможность — это односторонняя сварка с двусторонним формированием в один проход для листов средней толщины 6–20 мм, а также для сверхтолстых листов выше 20 мм — диапазон, который значительно превышает область применения чисто лазерной сварки.

Перечисленные области применения этому соответствуют: мосты, судостроение, производство контейнеров, автомобилестроение, рельсовый транспорт и нефтепроводы. В судостроении и рельсовом транспорте опубликованное сравнение ведётся с сваркой в среде защитного газа и под флюсом, где указано, что гибридный процесс обеспечивает меньший ввод тепла и меньшую деформацию, устраняя необходимость в исправлении деформаций и переделке. Полное описание процесса дано в статье производителя о гибридной лазерно-дуговой сварке MIG листов средней толщины.

Промышленные результаты со стороны чистой лазерной сварки показывают другую половину картины. В опубликованном внедрении в автомобильной промышленности лазерный сварочный аппарат мощностью 3000 Вт для продольных швов заменил линию плазменной сварки для выпускных систем; зона термического влияния была минимизирована за счёт оптимизации динамики потока защитного газа и фокусировки, использовалась роботизированная лазерная сварочная система FANUC, время цикла на изделие снизилось на 65%, и клиент сообщил о 90-процентном снижении необходимости в послесварочной правке. Это и есть выгода от того, чтобы держать допуск на стыковку достаточно плотно, чтобы варить без присадки.

Часто задаваемые вопросы

Что даёт более глубокий провар — с присадочной проволокой или без?

Без присадки. Опубликованный вывод из тестов с подачей проволоки заключается в том, что самосварка без подачи проволоки обеспечивает большее проплаживание, чем данные с подачей проволоки, поскольку ни одна часть энергии луча не расходуется на расплавку при добавляемом материале. Подача проволоки приобретается для допустимых зазоров и контроля валика, а не для глубины.

Какая мощность лазера мне нужна для стали 8 мм?

Опубликованная рекомендация составляет 6 кВт для толщины не более 8 мм, и система волоконного лазера 3000 Вт опубликована как способная сваривать нержавеющую и углеродистую сталь толщиной до 8 мм с полным проплаживанием в один проход. Обратите внимание, что показатель 6 кВт исходит из тестов с подачей проволоки; самосварка проникает глубже.

Насколько быстро может реально выполняться лазерная сварка?

Скорости 100 мм/с или выше достижимы, но публикуются как пригодные только для поточной сварки. Для общей сварки, и особенно лазерной сварки с подачей проволоки, рекомендация составляет 20–30 мм/с. Выше стабильного окна — опубликованные примеры: 35 мм/с и 50 мм/с при 6 кВт — проплаживание уменьшается, появляются брызги и подрез.

Когда мне следует выбирать гибридную лазерно-дуговую сварку MIG?

Когда допуск сборки является ограничивающим фактором, а сечение толстое. Гибридная работа публикуется как обеспечивающая допуск сборки в несколько раз больше, чем у лазера при адаптивном управлении, и одноступенчатая сварка с двухсторонним формированием в один проход для листов 6–20 мм и сверхтолстых листов более 20 мм.

Какую эффективность соединения я должен ожидать от гибридного шва?

Опубликованные результаты на разрыв для одной установки составляют 427 МПа для основного материала против 406, 420 и 405 МПа для трех сварных швов — примерно 95–9890% от прочности основного материала. Используйте это как эталон для того, что дает хорошо отлаженный гибридный процесс, а не как замену собственным квалификационным испытаниям.

заключение

Стратегия заполнения — это решение, определяющее все последующее. Самосварка обеспечивает самое глубокое проплаживание и самый быстрый цикл и требует самой строгой сборки. Подача проволоки жертвует глубиной ради допуска и замедляет процесс до диапазона 20–30 мм/с. Гибридная лазерно-дуговая сварка расширяет допуск и переводит соединение в диапазон 6–20 мм и более 20 мм с эффективностью соединения от середины до высоких 90-х годов.

Опубликованные данные дают вам способ выбрать между ними без догадок: линейная энергия задает бюджет проплаживания, таблица мощность/толщина переводит размер вашего сечения в класс киловатт, а окно скорости говорит вам, реалистична ли ваша цель времени цикла для выбранной вами стратегии. Укажите все три вместе, и вопрос о заполнении перестанет быть делом мнения — это также причина, по которой производитель анализ факторов глубины проплаживания.