В статье представлены результаты исследования сварных швов алюминиевых сплавов толщиной 2 и 3 мм, выполненных аппаратом ручной лазерной сварки LightWELD 1500. Изучены структура стыковых, угловых, торцевых и тавровых швов и количество дефектов в зависимости от режима сварки. Исследовано влияние различных параметров на качество соединения. Показано, что ручная лазерная сварка может эффективно применяться для соединения алюминиевых сплавов, представляя альтернативу традиционной аргонодуговой сварке.

 

 

Введение

 

 

В последние годы различные лазерные технологии получили широкое применение в промышленности, в том числе разнообразные методы лазерной сварки для соединения материалов в широком диапазоне толщин, вот некоторые из них [1, 2]:
• Лазерная сварка в среде защитного газа (базовая технология).
• Лазерная сварка с колебаниями лазерного луча.
• Лазерная сварка с холодной/горячей подачей присадочной проволоки.
• Гибридная и комбинированная лазерно-­дуговая  сварка.
• Лазерная сварка в вакууме (общем или местном)  и другие.

 

Разнообразие методов лазерной сварки стало возможным благодаря уникальной возможности фокусировки лазерного излучения в диаметр пятна от 30 до 500 микрометров, при этом плотность мощности лазерного излучения в этом пятне находится в диапазоне от 10⁶ до 10⁹ Вт/см² [3]. Этот широкий диапазон энергетических параметров позволяет гибко регулировать объем ванны расплава и получать сварные швы с различной геометрией: от узкого и глубокого «кинжального» проплава до широкого с небольшой глубиной проникновения. При этом скорость сварки может варьироваться от 0,3 до 30 м/мин.

 

Лазерная сварка отличается высокой скоростью физических процессов, поэтому она в основном реализуется с помощью автоматизированных систем перемещения оптической головки с ЧПУ: портальных/консольных станков или роботизированных комплексов [4]. Такое оборудование позволяет серийно, по заданной программе выполнять сварку как небольших, так и крупногабаритных изделий с протяженными швами. Оно обеспечивает точное наведение сфокусированного лазерного луча на стык и его движение на заданной скорости вдоль свариваемых кромок.

 

При отсутствии крупносерийного производства или при работе со сложными трехмерными формами инвестиции в дорогостоящую автоматизацию могут оказаться экономически неоправданными. В таких ситуациях подойдет недавно появившаяся на рынке ручная лазерная сварка.

 

Еще недавно возможность использования лазерной сварки в ручном режиме работы была ограничена рядом факторов:
1. Требованиями СН 5804‑91 и СанПиН 2.2.4.3359‑2016, согласно которым ручные системы относятся к 4 классу опасности, что исключает присутствие персонала в зоне воздействия лазерного луча и накладывает необходимость дистанционного управления [5].
2. Технологическими ограничениями: конструкции оптических головок не адаптированы для работы в ручном режиме.
3. Сложностью контроля параметров сварки: скорости, точности наведения на стык, угла наклона головки.

 

Однако потребности рынка в ручных лазерных технологиях стали стимулом для компании НТО «ИРЭ-Полюс» провести исследования по оценке воздействия лазерного излучения на человека при выполнении ручной лазерной сварки.

 

Результаты исследований показали, что вредное воздействие на человека при ручной лазерной сварке на мощности 1,5 кВт превышает предельно допустимые уровни (ПДУ) облученности от лазерного излучения, но его можно предотвратить с помощью средств индивидуальной защиты (СИЗ): специализированных защитных очков и сварочной маски, специализированных перчаток и одежды.

 

Поскольку упомянутые СанПиНы были отменены, а также вступил в силу ГОСТ Р 71028‑2023, который устанавливает требования безопасности при разработке лазерных ручных систем и допускает использование СИЗ при ручной лазерной сварке, прошедших соответствующую оценку соответствия требованиям ТР ТС 019/2011 «О безопасности средств индивидуальной защиты», проблема п. 1 была устранена.

 

Убедившись в безопасности технологии ручной лазерной сварки для оператора-­сварщика, в 2023 году компания НТО «ИРЭ-Полюс» разработала и анонсировала новый продукт — аппарат ручной лазерной сварки 
LightWELD 1500 (рис. 1) [6], который является компактным и мобильным устройством, оснащенным эргономичной сверхлегкой оптической головкой — пистолетом для удобной работы оператора-­сварщика, тем самым была решена проблема п. 2.

 

Рис. 1. Внешний вид аппарата LightWELD 1500

 

 

Технические характеристики аппарата LightWELD 1500 представлены в таблице 1.

 

 

Для решения п. 3 был разработан сварочный пистолет, в который была встроена функция колебания лазерного луча в поперечном направлении относительно направления сварки. Диапазон регулировки частоты колебаний составляет от 0 до 300 Гц, а амплитуды — от 0 до 5 мм. 

 

Схема применяемых колебаний и результат сварки показаны на рис. 2.

 

        а)                     б)
Рис. 2. Схема сварки с применением воблера: а) сварка без колебаний; б) сварка с колебаниями лазерного луча

 

Данная функция позволяет контролировать процесс сварки и позволяет обеспечить требуемую ширину сварного шва [7]. Применение колебаний сфокусированного лазерного луча нивелирует неравномерности движения руки оператора-­сварщика.

 

Кроме того, аппарат оснащен набором предустановленных программ для сварки различных материалов, включая алюминиевые сплавы, нержавеющие стали, углеродистые стали и медные сплавы. Эти программы позволяют оператору быстро выбирать оптимальные параметры сварки в зависимости от типа и толщины свариваемого материала, что значительно упрощает процесс настройки и повышает качество сварных соединений.

 

Итак, технология ручной лазерной сварки стала доступной для промышленности, открывая новые возможности для соединения различных изделий. Однако для широкого применения этого метода в промышленности, особенно для высокоответственных деталей, необходимо тщательно исследовать качество получаемых сварных соединений.

 

Цель данной работы — оценить технологические возможности и эффективность ручной лазерной сварки применительно к соединению тонкостенных конструкций из алюминиевых сплавов.

 

 

Экспериментальная часть

 

Экспериментальные исследования по отработке технологии ручной лазерной сварки проводились с использованием аппарата LightWELD 1500 на алюминиевых сплавах АМг2М и АМг3М толщиной 2 и 3 мм, широко применяемых в сварных конструкциях [8]. Объектом исследования служили плоские пластины, свариваемые встык.

 

Эксперименты включали два основных направления:
1. Сварка без присадочной проволоки.
2. Сварка с применением присадочной проволоки.

 

При сварке с присадкой использовалась алюминиевая проволока АМг5 диаметром 1 мм. Скорость подачи проволоки варьировалась в широком диапазоне от 0,5 до 1,5 м/мин, что позволило исследовать влияние этого параметра на качество сварного соединения. Применение присадочной проволоки при лазерной сварке обеспечивает ряд преимуществ, включая увеличение сечения шва и возможность компенсации зазора между свариваемыми деталями [9].

 

Одним из критически важных элементов технологии сварки алюминиевых сплавов является подготовка кромок, существенно влияющая на качество сварного соединения. В рамках данного исследования были рассмотрены и экспериментально проверены четыре метода подготовки кромок: фрезеровка, лазерная резка, химическое травление и лазерная очистка. Фрезеровка обеспечивает высокую точность и чистоту обработки поверхности. Лазерная резка позволяет получить высокую точность и минимальную зону термического влияния. Химическое травление эффективно удаляет оксидную пленку и загрязнения с поверхности алюминия. Лазерная очистка представляет собой инновационный метод, обеспечивающий удаление загрязнений и оксидов без использования химических веществ. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и ограничения, влияющие на качество последующей сварки. Сравнительный анализ эффективности различных методов подготовки кромок позволил определить оптимальный подход для достижения высокого качества сварных соединений при ручной лазерной сварке алюминиевых сплавов [10].

 

Для обеспечения защиты сварочной ванны от окисления в качестве защитного газа использовался аргон высшего сорта [12]. Подача газа осуществлялась комплексно: с лицевой стороны шва через сопло сварочного пистолета и со стороны корня шва посредством специального подкладного устройства, что обеспечивало полную защиту зоны сварки. Перед сваркой сборка пластин с использованием прихваток, при этом особое внимание уделялось минимизации зазора между свариваемыми кромками. Максимальная величина зазора строго контролировалась и не превышала 0,1 мм, что критично для получения качественного сварного соединения.

 

Для проведения экспериментов на сварочном аппарате LightWELD 1500 использовался ручной режим, позволяющий оператору самостоятельно настраивать параметры сварки. В список настраиваемых параметров входили следующие параметры: мощность лазерного излучения, частота и амплитуда колебаний лазерного луча. Диапазоны изменения этих параметров для различных режимов сварки представлены в таблице 2.

 

При отработке технологии сварки проводилась комплексная оценка качества сварных соединений, включающая два основных метода контроля: визуальный и измерительный контроль (ВИК) качества формирования поверхности и корня шва в соответствии с требованиями ГОСТ Р ИСО 17637‑2014 [11], и радиографический контроль для оценки влияния параметров режимов сварки на образование внутренних дефектов (пористости). Исследование проводилось на современной рентгено-­телевизионной установке «Колан‑4», обеспечивающей высокую чувствительность и разрешающую способность при выявлении объемных дефектов в сварных соединениях.

 

Диапазон варьирования скоростей сварки без присадочной проволоки в зависимости от толщины свариваемых листов составляли:
• для листов толщиной 2 мм: от 0,5 до 0,7 м/мин.;
• для листов толщиной 3 мм: от 0,3 до 0,5 м/мин.

 

Мощность лазерного излучения для каждого режима выбиралась в зависимости от параметров колебаний лазерного луча (частоты и амплитуды) согласно данным, представленным в таблице 2.

 

Перед сваркой устанавливали требуемое положение фокуса путем регулировки вылета удлинительной трубки сварочного пистолета. Рабочее расстояние, при котором фокус располагался на поверхности обрабатываемой детали, составляло 119,5 мм. В ходе экспериментов варьировали положение фокуса от 0 до +10 мм относительно поверхности свариваемого материала.

 

Макроструктура сечения швов при оптимальных режимах ручной лазерной сварки представлена на рис. 3. Анализ внешнего формирования сварных соединений выявил некоторые несовершенства: наблюдается неравномерность шва по ширине и высоте, присутствуют микропоры, а также местами отмечается занижение шва относительно основного металла. Несмотря на эти незначительные дефекты, общее качество сварного соединения при оптимальных параметрах процесса остается на приемлемом уровне.

 

 

     

    а)                                                             б)
Рис. 3. Макроструктура сечения швов алюминиевого сплава, полученных ручной лазерной сваркой без присадки на оптимальных режимах: а) толщина 2,0 мм; б) толщина 3,0 мм

По результатам серии экспериментов установлено, что оптимальное формирование сварного шва достигается при использовании режима сварки с колебанием лазерного луча с частотой 200 Гц и амплитудой 1,5 мм.

 

Влияние параметров сварки и методов подготовки поверхности стыков на качество сварных соединений оценивали путем анализа рентген-­снимков всех сваренных образцов. На рис. 4 представлены результаты измерений количеств образовавшихся пор в зависимости от погонной энергии сварки и способов очистки торцевой поверхности.

 

Рис. 4. Зависимость количества образования пор от погонной энергии сварки и способа очистки поверхности

 

Анализ полученных результатов показывает, что с уменьшением погонной энергии количество пор уменьшается. Примечательно, что при максимальной погонной энергии эффективность химического травления и лазерной очистки практически одинакова. Данный факт указывает на возможность осуществления очистки поверхности от оксидных пленок непосредственно перед ручной сваркой тем же аппаратом в режиме очистки. Такой подход позволяет сократить трудозатраты, снизить применение химических реагентов и улучшить экологические показатели технологического процесса.

 

На рис. 5 представлено количество дефектов в виде пор в зависимости от режимов колебаний лазерного луча и способа подготовки торцов кромок стыковых соединений для толщин 2 и 3 мм.

 

а) 

б) 

Рис. 5. Зависимость образования количества дефектов от способа подготовки торцов кромок стыковых соединений: 
а) толщина 2 мм; б) толщина 3 мм
 

Анализ представленных гистограмм показывает, что применение колебаний лазерного луча с частотой 200 Гц и амплитудой 1,5 мм значительно снижает образование пор, доводя их количество до минимальных значений. Наиболее выраженный эффект наблюдается для стыковых соединений, торцы которых были подготовлены методом фрезерования.

 

С целью расширения технологических возможностей процесса ручной лазерной сварки была применена подача присадочной проволоки. Это позволяет компенсировать недостаток материала при сварке с зазорами, а также обеспечивает возможность улучшения прочностных свой­ств сварного шва за счет легирования.

 

Эксперименты по лазерной сварке с подачей присадочной проволоки проводили при следующих условиях:
Присадочный материал: алюминиевая проволока марки АМг5 диаметром 1 мм.
Скорость подачи присадочной проволоки: от 1,0 до 1,5 м/мин.
Мощность лазерного излучения: выросла до 1300–1500 Вт вследствие воздействия присадки.
Скорость сварки: определялась от 0,8 до 1,3 м/мин.
Параметры колебаний лазерного луча: частота: до 300 Гц, амплитуда: 0,5–1,5 мм.
Подготовка образцов перед сваркой методом фрезерования торцов и химического травления поверхности свариваемых пластин.

 

Макроструктура соединений, полученных ручной лазерной сваркой с присадочной проволокой, показаны на рис. 6.

 

 

            а)                                                                       б)
Рис. 6. Макроструктура соединений толщиной 2,0 мм, полученных ручной лазерной сваркой с присадочной проволокой: 
а) погонная энергия 96,7 Вт с/мм, скорость подачи проволоки 1,0 м/мин, частота колебаний 300 Гц, амплитуда 0,5 мм; 
б) погонная энергия 71,6 Вт с/мм, скорость подачи проволоки 1,5 м/мин, частота колебаний 300 Гц, амплитуда 0,5 мм

 

Внешнее формирование шва при сварке с применением присадочного материала значительно улучшается по сравнению со сваркой без присадки. В частности, наблюдается уменьшение неравномерности шва, исчезают поверхностные раковины, а также устраняется эффект занижения шва относительно основного металла.

 

Аналогично процессу сварки без присадочного материала при сварке с присадкой наблюдается зависимость количества пор от параметров колебаний лазерного луча (рис. 7).

 

Рис. 7. Зависимость появления пор при ручной лазерной сварке с присадочной проволокой при погонной энергии сварки 71,6 Вт с/мм и амплитуде колебаний 0,5 мм
 

 

График на рис. 7 наглядно демонстрирует, что с увеличением частоты колебаний происходит значительное снижение количества пор в сварном шве. Особенно заметное улучшение качества шва наблюдается при достижении частоты колебаний 300 Гц, где количество пор резко уменьшается.

 

 

Обсуждение результатов

 

Проведенные исследования выявили существенное влияние параметров сварки на качество сварного соединения при ручной лазерной сварке алюминиевых сплавов. Установлено, что увеличение частоты колебаний лазерного луча до 200 Гц при сварке без присадки и до 300 Гц с присадкой приводит к значительному снижению количества пор в сварном шве.

 

Применение присадочной проволоки заметно улучшает внешнее формирование шва. Среди методов подготовки поверхности фрезерование кромок показало наилучшие результаты по минимизации пористости, однако лазерная очистка продемонстрировала также эффективность, сравнимую с химическим травлением, что открывает перспективы для более экологичного и менее трудоемкого процесса подготовки.

 

Выявлена обратная зависимость между погонной энергией сварки и количеством образующихся пор: с уменьшением погонной энергии количество пор уменьшается. Анализ макроструктуры швов показал, что, несмотря на некоторые несовершенства в виде неравномерности и микропор, общее качество сварных соединений при оптимальных параметрах остается на достаточно высоком уровне.

 

Ручная лазерная сварка демонстрирует значительный потенциал для широкого спектра применений в сварке деталей из различных материалов. Этот метод обеспечивает высокую скорость и эффективность при работе с разнообразными конструкциями и материалами, открывая новые возможности в производстве и ремонте сложных изделий.

 

В заключительной части исследования продемонстрированы практические возможности аппарата ручной лазерной сварки LightWELD 1500 на примере изготовления сложной корпусной конструкции из алюминиевого сплава АМг3 толщиной 3 мм (рис. 8а). Данное изделие состоит из пяти пластин размером 100×200 мм, соединенных комбинацией угловых, торцевых и тавровых швов, что подчеркивает универсальность метода. Для обеспечения высокого качества сварных соединений была проведена тщательная подготовка поверхностей пластин методом химического травления до достижения матового оттенка.

 

    а)                                                  б)
Рис. 8. Конструкция из алюминиевого сплава, сваренная ручной лазерной сваркой на аппарате LightWELD 1500
 

 

Для предотвращения образования дефектов применялся режим сварки № 1.3 с высокой частотой колебания лазерного луча (таблица 3).

 

 

В результате полученные швы демонстрируют высокое качество: они герметичны и не имеют видимых внешних и внутренних дефектов, что подтверждается результатами исследований микрошлифов и рентген-­съемкой (рис. 8б).

 

Успешная сварка корпусной детали наглядно иллюстрирует потенциал ручной лазерной сварки для производства тонкостенных конструкций из алюминиевых сплавов и не только.

 

Рис. 9. Линейка ручных лазерных аппаратов LightWeld компании НТО «ИРЭ-Полюс»

 

 

Компания продолжает совершенствовать и расширять функционал аппаратов ручной сварки серии LightWELD (рис. 9). Появились технологии ручной наплавки порошком и проволокой, очистки поверхности перед и после сварки, резки металлов. Для заполнения разделки, зазоров и создания катетов разработан метод сварки с подачей двух проволок. Под каждую технологию разрабатывается оснастка и технологические режимы, которые записываются в памяти аппарата.

 

 

Выводы

 

1. Подготовка кромок свариваемых деталей для ручной лазерной сварки может выполняться различными методами, включая как фрезеровку, так и лазерную резку с последующим химическим травлением или лазерной очисткой.
2. Применение поперечных колебаний сфокусированного лазерного луча на поверхности свариваемых кромок детали с частотой 200–300 Гц и амплитудой 1–1,5 мм способствует качественному формированию сварного шва и минимизирует количество пор, что улучшает общую прочность сварного шва.
3. Для достижения плотных и прочных сварных швов рекомендуется применять присадочную проволоку, что позволяет улучшить механические свой­ства сварного соединения.
4. Ручная лазерная сварка алюминиевых сплавов показала высокую эффективность и может быть рекомендована для широкого внедрения в различных отраслях промышленности, особенно при изготовлении малогабаритных и среднегабаритных конструкций сложной формы.

 

 

Литература

1. Катояма С. Справочник по лазерной сварке / С. Катояма. М: Техносфера. 2015.  
2. Грезев Н. В., Шамов Е. М., Маркушов Ю. В. Сварка волоконными лазерами // Ритм машиностроения.  2016.  № 7.  С. 34–40.
3. Suder W. J. Investigation of the effects of basic laser material interaction parameters in laser welding / W. J. Suder, S. W. Williams // Journal of Laser Applications.  2012.  Vol. 24, No. 3.  P. 032009‑1‑032009‑8.  DOI: 10.2351/1.4728136
4. Григорьянц А.Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Оборудование для лазерной обработки // М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2022. 
5. А.В. Толкачёва, О. А. Крючина, И. Э. Садовников. Лазерная безопасность. Решение есть! Новый стандарт. Передовые концепции // Лазер-­Информ. 2024.  № 4 (763).  С. 6–9.
6. IPG Photonics. Портативные лазерные сварочные системы [Электронный ресурс] / IPG Photonics.  Электрон. дан.  [Б. м.], 2023.  URL: https://lasersystems.ipgphotonics.com/ru-­RU/Products/Handheld-­Systems/Handheld-­Laser-­Welding-­System (дата обращения: 06.09.2024).
7. G. Barbieri, F. Cognini, M. Moncada, A. Rinaldi, and G. Lapi. Welding of automotive aluminum alloys by laser wobbling processing. Mater. Sci. Forum 879, 1057‑1062 (2017).
8. Николаев Г.А., Фридляндер И. Н., Арбузов Ю. П. Свариваемые алюминиевые сплавы. М.: Металлургия. 1990. 256 с.
9. Шиганов И.Н., Холопов А. А., Йода Е. Н. Лазерная сварка высокопрочных алюминий-литиевых сплавов с присадочной проволокой. Сварочное производство. 2016. № 6. С. 44–50.
10. Шиганов И.Н., Курилов М. В. Подготовка алюминиевых сплавов под сварку лазерной очисткой. Вестник МГТУ. 2012. № 5. С. 62–68.
11. Редчиц В.В., Фролов В. А., Казаков В. А., Лукин В. И. Пористость при сварке цветных металлов. М. : Технология машиностроения, 2002. 
12. ГОСТ 10157‑2016 Аргон газообразный и жидкий. Технические условия.  М.: Стандартинформ, 2016.

 

 

Авторы: М.А. Мишин, Н.В. Грезев, М.А. Мурзаков, А.В. Вечернин
ООО НТО «ИРЭ-Полюс», г. Москва
E-mail: mMishin@ntoire-polus.ru

 

Источник  журнал "РИТМ машиностроения" № 5-2024