Лазерная сварка тонколистовой нержавеющей стали

Обновлено: 20.09.2024

Лазерная сварка (ЛС) позволяет решить эту проблему, в виду высокой концентрации луча, который уменьшает зону термического влияния (ЗТВ). Высокая точность и концентрация позволяют сваривать детали малых толщин намного качественней, чем при традиционных видах, а также не использовать присадочный материал, повышая экономический показатель при производстве.

К таким особенностям относятся [1, 2, 3]:

– концентрация в зоне воздействия лазерного луча высоких плотностей мощности, что позволяет реализовать механизм «кинжального

проплавления», обеспечивающий минимизацию размеров зоны термического влияния;

– высокий энергетический КПД процесса сварки;

– высокий уровень физико-механических свойств сварного шва;

– возможность точного дозированного подвода энергии в зону сварки.

Особенностью лазерной обработки материалов является локальный характер теплового воздействия, минимальная термическая деформация, широкий диапазон регулирования энергетических характеристик лазерного луча, обеспечивающих жесткий термический режим с высокими скоростями нагрева и охлаждения, возможность получения качественных сварных швов и высокопрочных поверхностных слоев [4].

Цель данной работы заключается получение сварного соединения тонкостенных листового металла из нержавеющей стали 12Х18Н10Т при помощи иттербиевой лазерной сварки (модели ЛС-2) установленный на роботе манипуляторе (модели KUKA KR 60-3).

Нержавеющая сталь применяется во всех отраслях промышленности, а особенное распространение в пищевой, фармацевтической,

нефтехимической промышленности, а также в судостроение, машиностроении, авиастроении.

Исходя из литературного обзора можно сделать выводы, что лазерная сварка нержавеющей стали широко применяется благодаря преимуществам, которые выделяют ее на фоне остальных способов получения неразъемных соединений: Обеспечивается высокая точность соединения; качество соединения становится более высоким; ЛС металлов является очень производительным процессом; лазер не загрязняет окружающую среду; тепловому воздействию подвергается только тот металл, который находится под лучом лазера, тогда как близлежащая область остается неподверженной теплу.

К недостаткам неразъемных соединений, выполненных ЛС, усложняющим её широкое применение относятся: Большая цена используемого оборудования; низкий коэффициент полезного действия, что создает высокие затраты энергии, поэтому применяется ЛС преимущественно для листового металла не большой толщины.

Для апробации технологии лазерной сварки сталей марки 12Х18Н10Т подготавливались следующим образом, цельную пластину размечали на образцы с размерами 80×50×1,5 мм и производили механическую резку при помощи гильотинных ножниц, далее полученные образцы закреплялись в стык без зазора на сварочный и при помощи установки для ЛС выполняли прихватки (мощность лазера составляла 420 Вт., фокусное расстояние в 236 мм. и время выдержки луча одна секунда).

Для получения неразъёмного соединения из стали марки 12Х18Н10Т подготовленные пластины сваривались при помощи иттербиевой волоконной лазерной сварки на режимах, представленных в таблице 1.

Вывод: Проведенные эксперименты показали возможность получения полного формирования сварного соединения сталей марки 12Х18Н10Т при помощи иттербиевого волоконного лазера за один проход. Необходимы проведение дальнейших исследований влияния ЛС непосредственно на качество сварного соединения и определение механических свойств, полученных данным способом сварки. А также составление справочных материалов для определения оптимальных параметров лазерной сварки постоянного действия для разных толщин свариваемых деталей.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Технологические процессы лазерной обработки: учеб. пособие для вузов / А. Г. Григорьянц; под ред. А. Г. Григорьянца. – М.: МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2006. – 667 с.

2. LIA Handbook of Laser Materials Processing / J. F. Ready [et al.]. – Orlando: Laser Institute of America, 2001. – 704 p.

3. Ф.И. Пантелеенко лазерная сварка на медно-никелевой основе/ Ф.И. Пантелеенко, О.Г. Девойно, А.С. Лапковский, Н.И. Луцко // Особенности процесса лазерной сварки разнородных материалов на железной и медно- никелевой основе: сб. науч. тр. / Белорусский национально технический университет РАН. : 2014 – С. 7

4. С.Ф. Гнюсов лазерная сварка нержавеющей стали и титановых сплавов / С.Ф. Гнюсов, А.М. Оришич // структурно_фазовое состояние и механические свойства сварных соединений при лазерной сварке титана и нержавеющей стали: сб. науч. тр. / Известия Томского политехнического университета. отд-ния СО РАН. – Новосибирск: 2011. – С. 94

Лазерная сварка нержавейки

Лазерная сварки нержавейки является рабочим процессом, во время которого происходит нагревание определенных участков металла, а также его расплавление, за счет узконаправленного лазерного луча. Одной из отличительных особенностей данного способа является то, что шов получается небольшим по ширине, но достаточно глубоким. В отличие от обыкновенной сварки нержавейки температурное воздействие является узкоограниченным по своей площади. Скорость обработки здесь намного выше, но при всем этом образуется мощное излучение.

Процесс лазерной сварки нержавейки

Технологически данный процесс должен осуществляться согласно ГОСТ 19521-74. Он относит лазерную сварку к термическому процессу, который подразумевает использование плавления и тепловой энергии для получения итогового результата. Особенности проведения процедур зависят от того, какие характеристики имеет луч, так как тут играет роль его когерентность, монохроматичность и направленность. Это позволяет осуществлять точечную концентрацию и совершать обработки небольших участков. Данный метод применяется, в основном, для автомобильного производства, а также прочих высокоточных сфер, в которых работают с тонкими поверхностями.

Преимущества лазерной сварки нержавейки

Себестоимость лазерной сварки сопоставима с обыкновенными способами, при использовании дуговой сварки и электродов;
Она имеет очень высокую точность, которая исчисляется десятыми долями миллиметра;
Ею можно использовать в автоматическом режиме и с дистанционным управлением;
В отличие от сварки электронными лучами, для эффективной работы не нужно создавать специальную вакуумную среду;
Данная сварка имеет высокую скорость выполнения процедур, что очень полезно в производстве;
Можно делать швы практически любой геометрии;
Отлично подходит для работы не только с нержавейкой, а также алюминием и другими проблемными металлами.
Качество скрепления позволяет создавать герметичные соединения.

Недостатки лазерной сварки нержавейки

Для проведения процедур здесь необходимо наличие специального оборудования;
Высока стоимость техники для совершения сварочных процедур;
Низкий коэффициент полезного действия, около 1-2%;
Невозможно осуществлять широкие соединения, которые просто делаются в обыкновенных режимах;
Необходимо тонко настраивать оборудование для каждой процедуры.

Разновидности аппаратов

Существуют две основные разновидности газовый и твердотельный. В твердотельном, в отличие от газового, имеется совершенно другая длина волны, так как они короче, благодаря этому, мощность аппарата становится меньше. Чаще всего здесь применяется импульсный режим при работе техники. Реже он становится непрерывным, что уже зависит от особенностей работы. В данном случае лазерная сварка нержавеющей стали осуществляется за счет наличие активного элемента. Лазерное излучение выходит из стеклянного стержня, которым выступает твердотельный активный элемент.

Конструкция твердотельного лазера для сварки нержавейки

Аппарат на газовом принципе действия может работать как в импульсном режиме, так и в непрерывном. Мощность такой техники выше, чем у предыдущей. При использовании аппарата с поперечным типом прокачки, можно сэкономить в размерах, так как сама техника является компактной. При этом максимальная толщина свариваемых металлов составляет около 2 см. Активным элементом в данном случае являются горящие газы.

Конструкция газового лазера для сварки

Импульсные и непрерывные лазеры

Сварка импульсного типа соответствует требованиям, которые заданы ГОСТ 28915-91. Она используется чаще как непрерывная, так как точечное воздействие дает максимально качественный эффект. Данная технология заключается в скоплении большого количества энергии, которая потом воздействует на предмет на относительно короткий промежуток времени. Это помогает улучшить сварку металлов, которые сильно подвергаются деформации. Воздействие лазера происходит так, что поверхность металла нагревается только на верхних слоях. Благодаря этому уменьшается вероятность появления сквозных отверстий.

Благодаря использованию непрерывного лазера можно создать сплошной шов, причем мощностью аппарата регулируется его глубина. При использовании этой технологии образуется парогазовый канал и ширина канала обработки остается достаточно узкой.

Непрерывная лазерная сварка

Режимы лазерной сварки нержавейки

Материал	Толщина, мм	Мощность, кВт	Скорость прохождения, м/ч
Нержавеющая сталь	2	2,1	20
	3	2,5	100
	4	3,1	90

Технология сварки нержавейки

Особенности сварки нержавейки предполагают использование специальной аппаратуры. В первую очередь следует подготовить поверхность свариваемого металла для операции. Для этого ее нужно обезжирить, убрать частички мусора и прочих лишних вещей, ликвидировать любой налет и ржавчину, если таковые имеются.

Процесс обезжиривания нержавейки

«Важно!
Если луч постоянный, то он может испортить заготовку при слишком длительном воздействии.»

Для заделки трещин и прочих мелких процедур можно пользоваться только лучом для соединения частей, в иных случаях пригодится использование присадочной проволоки. После окончания, следует дать остыть без применения дополнительных средств для остужения.

Контроль качества сварного шва

Когда проводится лазерная сварка нержавейки своими руками для домашних целей, то контроль качества не всегда требуется. Но если предстоит использование в промышленных условиях, то следует провести одну или несколько из следующих процедур, которые соответствуют ГОСТ 18442-80:

Капиллярная дефектоскопия;
Ультразвуковая дефектоскопия;
Радиационная дефектоскопия;
Контроль магнитный;
Контроль на проницаемость;
Визуальный осмотр.

«Важно!
Для контроля используются только исправные приборы, прошедшие проверку, которая должна проходить не реже раза в год.»

Меры безопасности

Во время работы с лазером следует не допускать, чтобы на его пути попадались лишние предметы, так как он с легкостью перерезает или воспламеняет посторонние предметы. Следует четко выполнять инструкцию эксплуатации оборудования, чтобы не навредить здоровью. Чтобы уберечь металл от прожога, что касается преимущественно тонких листов, следует правильно придерживаться режима сварки.

Лазерная сварка нержавеющей стали

Нержавейка сложно поддается сварке, так как у нее очень высокий уровень текучести. При использовании стандартных методов, данный металл очень плохо формирует швы, так как они быстро растекаются. Помимо этого, сварочная ванна оказывается сильно подверженной негативным влияниям внешней среды. Лазерная сварка нержавейки является отличным способом, который решает множество проблем, связанных с использованием высоколегированных сталей. Здесь используется иной принцип расплавления металла, хотя все основы полностью соответствуют требованиям, чтобы это называлось сваркой.

Лазерная сварка нержавейки проходит по большей части в специализированных мастерских или на предприятиях, где это действительно востребовано и мощности производства могут позволить себе это. Ведь установки для сваривания обладают достаточно высокой стоимостью. Уникальность технологии состоит в том, что здесь применяются настоящие лазеры, у которых луч обладает высокой температурой. Здесь не возникают те условия, которые портят состояние наплавленного валика шва, так как сварочная ванна здесь занимает относительно небольшую площадь и здесь не происходит перемешивание. Успех процедуры, в основном, зависит от того, насколько правильно были выстроены настройки.

Область применения

Лазерная сварка металлов, в частности нержавеющих сталей, применяется на крупных производствах. Из-за своей сложности, технология оказывается не самой востребованной в широком применении. Но когда нужно работать с тонкими листами и прочими сложными вещами, то здесь лазерная установка будет весьма кстати. Лазерная сварка нержавейки применяется практически для всех марок данного металла и его сплавов. Уникальная методика обеспечивает хорошее качество даже при соединении его с другими разновидностями. Производство нержавеющих корпусов, мелких деталей и прочих вещей нередко использует лазерные установки для сварки.

Преимущества

Лазерная сварка нержавеющей стали стала популярной в своей сфере благодаря некоторым преимуществам, которые выделяют ее на фоне остальных способов соединения:

Здесь обеспечивается высокая точность соединения, причем можно выполнять сложные геометрические рисунки;
Работа со сложно свариваемыми металлами становится не такой проблемной, а качество соединения становится более высоким;
Здесь не столь высокие требования к механической подготовке и предварительной обработке металлов;
Лазерная сварка металлов является очень производительным процессом;
Лазер не загрязняет окружающую среду, не создает опасность взрыва, не выпускает удушливые газы и так далее;
Тепловому воздействию подвергается только тот металл, который находится под лучом лазера, тогда как близлежащая область остается неподверженной теплу.

Недостатки

Но одними преимуществами технология не ограничивается, так как тут представлен ряд недостатков, усложняющий широкое распространение во многих сферах:

Высокая себестоимость процесса и большая цена используемого оборудования;
Низкий коэффициент полезного действия, что создает высокие затраты энергии, так как эффективно используется только около 2% от всей энергии луча лазера;
Применяется преимущественно для листового металла;
Большая толщина не всегда эффективно проваривается.

Технология сварки

Лазерная сварка металлов всегда начинается с подготовительного этапа. Для данной технологии он является одним из наиболее важных. Сначала идет подготовка поверхности заготовок. Их нужно очистить от грязи, пыли, масла и прочих посторонних вещей, которые будут мешать нормальному свариванию. Подготовка флюсами и прочими дополнительными средствами здесь не требуется.

Далее идет выставление стыков, чтобы соединение получилось максимально крепким. Здесь не рекомендуется делать соединение внахлест, так как не будет нормального сваривания, результаты которого смогли бы выдержать высокие нагрузки. Стыковое соединение с обработанными кромками будет лучшим решением. Если идет лазерная сварка нержавейки 0,3 мм, то обработка кромок при такой толщине не требуется.

Лазерная сварка стыковым соединением

Следующим шагом является закрепление заготовок. Они должны быть точно выставлены, чтобы края не съезжали. Вручную поправлять что-то во время процесса не будет возможности. Создаются специальные каркасы. Если толщина металла позволяет, то стоит сделать прихватки для более надежной фиксации. Они создаются, как правило, в верхней и нижней части.

«Важно!
Слишком большой слой прихватки не рекомендуется делать, так как это может привести к деформации листов.»

После того, как все уже установлено, следует выставить соответствующий режим сваривания. Далее включается установки и происходит сваривание. Луч направляется на соответствующее место, после чего проходит весь участок соединения. Чаще всего лазер проходит участок снизу вверх. После завершения процедуры не требуется никакой дополнительной обработки. Сварка в последнее время осуществляется на автоматических установках.

Стандарты

Лазерная сварка металлов проводится согласно ГОСТ 19521-74. Здесь собрана полная классификация всех методов соединения, а также особенности их проведения. Выполнение стандартов обеспечивает точность выполнения шва и его высокое качество.

Техника безопасности

Сварка нержавеющей стали лазером является не самым опасным методом. Большинство неприятностей здесь связано с неаккуратностью. Главное, чтобы во время процесс на пути лазера не попадалось ничего лишнего, так как это приведет к разрушению данного предмета.

Заключение

Сварка таких металлов, как нержавеющая сталь, благодаря использованию лазера становится намного более качественной и надежной. Сложность обработки такого рода становится окупаемой для некоторых сфер применения.

Сварка тонкой нержавейки

Сварка тонкой нержавейки является одним из самых сложных сварочных процессов. Нержавейка достаточно проблематична в сваривании, так как у нее весьма низкая температура плавления, а металл в сварочной ванной ведет себе не так как стандартный, тягучий и податливый, а подобно воде. Металл быстро растекается во все стороны и не может образовать плотный валик. Чтобы это хоть как-то смягчить этот эффект, стараются использовать пониженный ток.

Сварка тонкой нержавеющей стали

При работе с тонкими деталями все эти негативные факторы только усиливаются, так что возникает вероятность образования прожига, который потом будет проблематично заварить все по тем же причинам. Тонкие листы больше подвергаются деформации, поэтому, аккуратность проведения процедуры должна быть максимальной. Чтобы сварка тонколистовой нержавейки прошла максимально качественно, мастер должен обладать достаточным опытом. Здесь используются исключительно тонкие электроды и сварочная проволока.

Способы сварки тонкой нержавейки

Самым простым способом является использование стандартных сварочных аппаратов и электродов из нержавеющей стали с соответствующим защитным покрытием. Преимущество данного способа состоит в том, что для него не требуется большого количества дополнительных процедур и инструментов. Но это весьма опасный метод, так как его качество оставляет желать лучшего, а вероятность появления дефектов только увеличивается.

Сварка тонкой нержавейки аргоном является более безопасным способом. Аргон позволяет защитить от влияния кислорода, что помогает избежать брака, а также обеспечивает нормальный подогрев области сваривания для снятия напряжения. Это более качественный способ, но он же имеет более высокую себестоимость, что усложняет его применение для домашних условий.

Что нужно учитывать при сварке тонколистовой нержавейки

Сварка толстостенной нержавейки проходит по обыкновенным условиям, но для тонкостенной следует применять щадящие режимы, которые минимизируют риск прожига. В данном случае, если сварщик замедлится на секунду, то может образоваться дыра. Это же может случиться из-за неправильного растекания материала по поверхности, и из-за свойств самой нержавеющей стали. По причине небольшой толщины подогреву областей нужно уделять особое внимание, так как напряжения могут привести к появлению трещин и разрывов, а большие перепады температур к деформации листа. Внимание нужно обратить и на фиксацию заготовок, чтобы, они не сдвинулись во время процесса соединения.

Появление трещины при сварке тонкой нержавейки

Выбор способа

Если требуется сварить что-то быстро в домашних условиях, то можно использовать и обыкновенные нержавеющие электроды. Для этого нужно подбирать минимальные режимы сварки, но с учетом того, что ответственность работы является небольшой, то даже незначительные дефекты не сыграют большой роли.

Сварка тонкой нержавеющей стали электродами

В случае, если материал будет применяться при нагрузках и должен соответствовать каким-либо стандартам качества, то сварка тонкостенной нержавейки должна проводится в среде защитных газов. Это может быть как газовая сварка, которая даже предпочтительнее, благодаря своей относительно низкой скорости, или аргонно-дуговая, которая дает более высокое качество соединения, но оказывается более трудоемкой. «Обратите внимание! Вне зависимости от способа, температурные режимы могут быть одинаковыми.»

Режимы сварки тонкой нержавейки

Для каждой толщины металла следует подбирать свои параметры настройки оборудования, а также расходных материалов. Чтобы результат порадовал своим качеством, следует придерживаться следующих параметров:

Толщина металла, мм	Ток	Сила тока, А	Величина напряжения, В	Диаметр электрода, мм	Скорость прохождения, см/мин	Количество аргона, л/мин
1	Постоянный	30…60	11	1	12/28	2,5
1,5	Постоянный	40…70	12	1	9-19	2,7
2	Переменный	50…80	13	2	14-13	2,9
2,5	Постоянный	60…90	14	2	–	3

Технология сварки тонкой нержавейки

Перед тем как будет происходить сварка листов нержавейки, следует подготовить материал к этому процессу. Листы нужно очистить, пока на них не появится металлических блеск. Помимо того, что на них не должно быть мусора, следует позаботиться об отсутствии налета, жировых пленок и прочего. Все это можно очистить при помощи щетки по металлу, что уберет все лишнее, а потом можно пройтись ацетоном или другим растворителем, чтобы обезжирить место соединения.

Обработка ацетоном нержавейки перед сваркой

«Обратите внимание!
При работе с очень тонкими листами, не следует счищать слишком толстый слой металла щеткой.»

После подготовки поверхности на нее следует выложить флюс, который улучшит свойства сваривания. Затем нужно подогревать металлическую заготовку до температуры, примерно, в 250 градусов Цельсия, пока поверхность не начнет менять цвет. Это не только сделает процесс сваривания более удобным, но и убережет от образования напряжений.

Разогрев нержавейки перед сваркой

После этого уже можно приступать к непосредственному свариванию. Аккуратными движениями электрод подается на заготовку. Действовать следует достаточно быстро и четко, чтобы не прожечь поверхность металла. Постепенно и равномерной требуется пройти всю длину шва, чтобы не получилось неравномерных деформаций. Как только шов будет закончен, необходимо принудительно быстро остудить его, так как в ином случае будет вероятность появления ржавчины в этих местах. После остывания его можно зачистить и придать более эстетический вид.

Вне зависимости от того, какие виды сварки нержавейки стали применялись, следует проконтролировать результат. Все это проводится по ГОСТ 15467-79. Существует несколько основных методов, которые помогают сделать проверку без разрушения:

Амиак. Принцип данного способа основан на различной окраске индикаторов, когда на них начинает действовать данное вещество;
Керосин. Здесь применяется принцип капиллярного проникновения вещества сквозь материал шва;
Гидравлическое давление. Помогает не только определить герметичность, но и качество прочности сделанного соединения.

«Важно!
За счет использования тонких листов, метод с разрушением не стоит применять.»

При разогревании металла горелкой нужно следить, чтобы поблизости не было легковоспламеняющихся предметов. Также нужно выставлять баллон с газом на безопасное расстояние от открытых источников огня и следить за его герметичностью. При использовании электро-дуговой сварки нужно следит за соблюдением электробезопасности. Здесь часто идет работа с горячими предметами, так что спецодежда и защитные перчатки также не будут лишними.

Читайте также: