Воблинг при лазерной сварке: частота, амплитуда и фигуры колебания

Что делает колебание

Без колебания луч идёт по шву пятном диаметром порядка десятых долей миллиметра. Лист нагревается узкой полосой, а ванна плавится и застывает в таком же узком канале. Это даёт глубокий провар, но шов чувствителен к зазору: пятно «проваливается» между кромками, а поры и газ из ванны выходят хуже, потому что канал узкий и нестабильный.

Колебание заставляет луч быстро пересекать шов поперёк, пока пистолет медленно идёт вдоль. Из него получаются три эффекта, и каждый подтверждён открытыми исследованиями.

Шов шире. В работе по сварке инвара Invar36 толщиной 5 мм (мощность 4500 Вт, скорость 1,2 м/мин, круговое колебание) при частоте 100 Гц и амплитуде 1,0 мм ширина шва выросла с 4,06 до 5,39 мм. При амплитуде 2,0 мм она достигла 5,89 мм, но глубина провара упала до 3,72 мм, то есть до 74,4 % толщины пластины. В опытах с медью (импульсный лазер, 0,4 и 1 мм) ширина шва при частоте 100 Гц выросла с 300 до 870 мкм, когда амплитуду подняли с 0,2 до 0,8 мм. Авторы заключают, что ширина управляется главным образом амплитудой, а глубина с её ростом уменьшается.

Нагрев мягче. В опытах с инваром рост амплитуды с 0,5 до 2,0 мм снизил пиковую температуру на 28,1 % и поперечный градиент температуры на 55,4 %. Остаточные напряжения при амплитуде 2,0 мм оказались на 20,8 % ниже, чем без колебания, а прочность на растяжение выросла на 15 %. Это даёт меньший риск поводки и трещин на деталях, которые сильно нагреваются.

Меньше пор и брызг. В работе по нахлёсточному соединению меди колебание уменьшило число выбросов расплава и пустот по сравнению с неподвижным лучом. Авторы объясняют это тем, что колебание увеличивает перекрытие следов, один и тот же участок многократно проходит под лучом, и ванна ведёт себя спокойнее. В исследовании сварки-пайки Ti6Al4V с алюминием AA6061 при амплитуде 2 мм и скорости 1 м/мин оптимальной оказалась частота 28 Гц: поры почти исчезли, а на более высоких частотах их было больше. Значит, у колебания есть оптимум, а не «чем выше, тем лучше».

Эти исследования выполнены на других материалах, мощностях и скоростях, чем ручной аппарат на 1,5 кВт. Они показывают, куда меняется шов при росте ширины и частоты, а числа для режима надо брать из документации аппарата и пробного шва.

Два числа и шаг

На экране ручного аппарата стоят ширина колебания (в миллиметрах) и частота (в герцах). Третий параметр задаёт шов не меньше: шаг вперёд на один цикл.

Шаг, мм = скорость сварки, мм/с ÷ частота, Гц.

Пример для листа нержавейки 2 мм: мощность 2000 Вт, скорость 25 мм/с, частота 50 Гц, ширина колебания 2 мм, линия поперёк шва.

1. Шаг. 25 / 50 = 0,5 мм за полный цикл. Луч пересекает шов в каждую половину цикла, поэтому следы на шве расположены через 0,25 мм.
2. Скорость луча поперёк. При линии треугольной формы луч проходит 2 × 2 мм = 4 мм за цикл, то есть 4 × 50 = 200 мм/с, в 8 раз быстрее скорости сварки. Для синусоидального закона пиковая скорость выше, около 314 мм/с.
3. Энергия на площадь дорожки. Без колебания пятно 0,2 мм (допущение, диаметр пятна смотрите в паспорте) даёт 2000 / (25 × 0,2) = 400 Дж/мм² площади, по которой прошёл луч. С колебанием шириной 2 мм площадь дорожки в 10 раз больше и плотность падает до 2000 / (25 × 2) = 40 Дж/мм². Поэтому провар становится мельче, а шов шире, и это надо компенсировать мощностью, скоростью или дефокусом.
4. Перекрытие. Следы через 0,25 мм при пятне 0,2 мм почти сливаются в сплошную полосу. При частоте 20 Гц на той же скорости шаг 1,25 мм, следы идут отдельными дорожками, шов получается ребристым, а ванна не успевает выровняться между проходами.

Это не точная модель ванны, а способ быстро понять, в какую сторону сдвинется режим при изменении числа на экране.

Шаг при разных скоростях и частотах

Шаг в мм за один цикл. В исследованиях на листе и пластине шаг получается 0,2–0,8 мм: в опытах с инваром 0,2–0,8 мм (20 мм/с при 25–100 Гц), в сварке Ti/Al около 0,6 мм (16,7 мм/с при 28 Гц), в алюминиевом сплаве 5182 толщиной 3 мм (5300 Вт, 5,4 м/мин, 1,6 мм, 120 Гц) 0,75 мм. В ручных режимах скорость доходит до 50 мм/с при частоте от 25 Гц, и шаг получается от 0,3 до 2 мм: верхний край заметно крупнее, чем в лабораторных опытах. Ориентир из практики настройки: шаг до 0,5–0,7 мм даёт ровный шов, больше 1 мм уже виден по рисунку шва. Это не граница стандарта, проверьте на образце.

Фигуры колебания

Фигура задаёт, как луч распределяет тепло по ширине. В характеристиках ручных аппаратов Wattsan заявлены семь фигур: линия, окружность, закрашенный круг, песочные часы, восьмёрка, треугольник и три круга. Однозеркальная головка (серия G1) даёт только линию, двухзеркальная (серия G2 и G2 Pro) все семь. По данным производителя, ширина колебания регулируется в диапазоне 0–5 мм, а с двойной подачей проволоки до 8 мм.

Третья колонка обобщает практику настройки ручных аппаратов, а не документацию, и на конкретной модели результат может отличаться. Производитель описывает назначение фигур в общем виде: двухзеркальная схема даёт возможность «тонко настраивать глубину и ширину провара», а однозеркальная подходит для наружных углов, стыковых швов и сварки с проволокой.

Начинать стоит с линии. Остальные фигуры добавляют, когда линией не получается закрыть зазор или поправить форму шва.

Как подбирать частоту и ширину

Диапазоны частот по металлам и толщинам из документации производителя ручного аппарата приведены в статье о режимах и подготовке кромок: для стали 1–3 мм это 25–65 Гц, для нержавейки 1–3 мм 30–70 Гц, для алюминия 20–60 Гц, для меди 20–50 Гц, а на толстом металле частоты 35–100 Гц. Скорость в документации падает с толщиной, а частота растёт, и это согласуется с формулой шага: на толстом металле сварщик идёт медленнее, и частоту поднимают, чтобы сохранить плотность следов.

Алюминий, нержавейка, медь

На алюминии колебание полезно не только шириной. Оксидная плёнка и водород дают поры, а перемешиваемая ванна, по распространённому объяснению, легче отдаёт газ до затвердевания. Исследование Ti/Al подтверждает, что поры зависят от частоты и есть оптимум, поэтому на алюминии пробуют несколько частот на одном образце: 20, 30, 45 Гц. Кромку зачищают непосредственно перед сваркой, подробности в статье про алюминий, нержавейку, медь и оцинковку.

На нержавейке ширину ограничивают шириной зоны, где допустим нагрев: чем шире колебание, тем больше цветов побежалости и тем больше нужно газа. На меди высокая теплопроводность растаскивает тепло по листу, поэтому там ширину не раздувают: у производителя частоты ниже, а мощность выше, чем на стали.

Что менять по виду шва

Если шаг и ширина подобраны, а поры остались, дело чаще всего в кромке и газе: защитные газы и присадочная проволока.

Ручной воблинг и автоматический

У ручного аппарата сканер вводит колебание, а ведёт шов человек, и скорость идёт неравномерно: на ускорении шаг растёт, на замедлении падает. Поэтому в ручных режимах частоту берут с запасом и не опираются на точные значения шага, которые подходят для автоматики. Когда шов нужно повторять без вариаций, рассматривают автоматическую лазерную сварку, где скорость задаёт ЧПУ, а колебание описано в программе.