Гибридная лазерно-дуговая сварка: что это и где применяется

Что такое гибридная лазерная сварка

У лазера и дуги разные сильные стороны. Лазер даёт узкий и глубокий шов с небольшой зоной термического влияния, но плохо переносит зазор и разброс кромок. Дуга MIG/MAG заполняет разделку и закрывает несовпадения, но нагревает деталь широко и идёт медленно. В гибриде их ставят близко друг к другу, чтобы плавили одну ванну.

По обзору Wang и соавторов, о гибридной сварке впервые написал Стин около 1980 года. Плотность мощности у лазера выше 1 МВт/см², у дуги чуть больше 100 кВт/см². Поэтому за глубину отвечает луч, а за форму и заполнение дуга. Об остальных видах сварки читайте в статье о видах сварки металлов.

Как устроен процесс

По обзору Климпеля, в корне шва лазерный луч образует канал в ванне, а капли проволоки из дуги переносятся в эту же ванну и растекаются с ней. Луч определяет глубокий провар без зазора в корне, а MAG определяет ширину и глубину верхнего валика.

Головки ставят в двух порядках.

• Лазер впереди. По Климпелю, при такой схеме площадь плазмы шире, процесс идёт стабильнее, а канал глубже, чем при дуге впереди.
• Дуга впереди. Канал получается мельче, шов выходит иной формы, и такую схему выбирают осознанно под конкретную деталь.

Расстояние между точкой лазера и проволокой в описанных опытах составляло 2–3 мм. Фокус часто заглубляют в металл: на стали 12 мм в обзоре Климпеля фокус стоял на 8 мм ниже поверхности, а на трубе 9,5 мм на 2 мм ниже.

Режимы из опубликованных опытов

Таблица собрана из открытых работ и показывает порядок величин. Это не рекомендация для вашей установки, потому что результат зависит от источника, головки и разделки.

Скорость на толстой стали в этих опытах около 1,5 м/мин, то есть 25 мм/с, а подача проволоки 9–10 м/мин. Эти числа нужны для расчёта ниже.

Расчёт: сколько проволоки нужно

Берём первую строку таблицы, сталь 12 мм.

1. Сечение проволоки диаметром 1,2 мм: π × 0,6² ≈ 1,131 мм².
2. Объём проволоки в минуту при подаче 9 м/мин: 1,131 × 9000 ≈ 10 180 мм³.
3. Сечение наплавленного металла при скорости 1500 мм/мин: 10 180 / 1500 ≈ 6,8 мм². Для режима 10 м/мин при 1,3 м/мин получается 11 310 / 1300 ≈ 8,7 мм².
4. Энергия лазера на миллиметр шва: 8000 Вт / 25 мм/с = 320 Дж/мм. Теплом дуги здесь не считаем, нужен ток и напряжение из паспорта режима.

Теперь возьмём стык стали 6 мм с зазором 1,0 мм, как в опытах Qian. Не хватает металла 6 × 1,0 = 6 мм² на каждый миллиметр шва. Скорость 20 мм/с, значит в секунду нужно добавить 6 × 20 = 120 мм³. Проволока 1,2 мм даёт 120 / 1,131 ≈ 106 мм/с, то есть около 6,4 м/мин. Это примерно нижняя граница диапазона 6,5–9,0 м/мин из примера с трубой, и запас на усиление шва остаётся небольшим. Для зазора 1,6 мм получается уже около 10 м/мин, выше диапазона из таблицы. Порядок совпадает с пределом около 1,6 мм из работы Qian, но это арифметика, а не гарантия: ваш предел определяют режим и проволока.

Допуск на зазор и смещение

В работе Qian и соавторов построена модель лазерно-MIG сварки стали 10CrNiCu толщиной 6 мм, проверенная экспериментом. С ростом зазора тепло распределяется шире, канал мельчает, а возможность проволоки закрыть зазор падает. Предельный зазор при токе 210–250 А составил около 1,61–1,65 мм. Допустимое смещение кромок при росте тока снижалось с 3,00 до 1,82 мм, потому что раньше появлялись поры. Для сравнения, Климпель советует для стыка сталей Y-образную разделку с притуплением 2–10 мм, зазором 0–1 мм, углом скоса 20–40° и глубиной скоса 20–30 % толщины.

Важно, что эти цифры получены на конкретных сталях и режимах. Для другой толщины и другого состава проволоки предел будет другим, поэтому допуски проверяют на образцах из вашей партии, а в паспорт процесса вносят измеренные значения.

Где применяют

В публикациях гибрид чаще всего связан с судостроением и морскими конструкциями: работы по стали EH36, AH36 и 10CrNiCu посвящены судовым панелям, тавровым соединениям и толстым листам. В обзоре Климпеля сказано, что процесс применяют в основном в заводском производстве конструкций, а по сварке стыков труб в полевых условиях документации нет. Там же его называют подходящим для высокопрочных сталей и алюминиевых сплавов.

Сравнивать гибрид стоит не только с дугой. Лазер с присадочной проволокой в узкую разделку тоже варит толстый металл. В работе Hou и соавторов со ссылкой на Bunaziv сказано, что гибрид может снизить затраты по сравнению с такой сваркой, но рискует дать неудачную микроструктуру. Выбор зависит от стали и требований к ударной вязкости.

Когда гибрид не нужен

Гибрид не нужен на листе до 3–4 мм, где хватает лазера или ручного аппарата, на единичных деталях и ремонте, где вложения в оснастку не вернутся. Для тонкой нержавейки лучше посмотреть статью про ручной лазерный аппарат, а для автоматической сварки с проволокой на листе портал или линию. Какую толщину берёт лазер определённой мощности, показывает статья про максимальную толщину лазерной сварки.

Как внедряют