Сучасні способи автоматичного зварювання великих тонкостінних виробів з алюмінієвих сплавів

Наши партнеры ArtmMisto

© 2016 А.М. Тупіцин * **, Е.А. Гладков **, А.В. Чернов ***

* ТОВ «СВАРБІ», Москва, Росія

** Московський державний технічний університет ім. Н. Е. Баумана, Москва, Росія

*** Волгодонский інженерно - технічний інститут - філія Національного дослідницького ядерного університету «МІФІ», Волгодонськ, Ростовська обл., Росія

У статті проведено аналіз технологічних можливостей сучасних способів автоматичного зварювання великогабаритних тонкостінних виробів відповідального призначення з алюмінієвих сплавів.

Розглянуто види, переваги і недоліки, типи дефектів, які виникають під час використання дугових, фрикційних, лазерних і гібридних методів.

За результатами аналізу обраний найбільш оптимальний і раціональний спосіб зварювання.

Ключові слова: автоматичне зварювання, зварювання алюмінію, зварювання великогабаритних тонкостінних виробів, дугова зварка, фрикційна зварювання, лазерне зварювання, гібридна зварювання.

Надійшла до редакції 02.02.2016 р

ВСТУП

Алюмінієві сплави відносяться до важкозварювальних матеріалами. Висока теплопровідність, теплоємність і швидкість охолодження, схильність до утворення пір і гарячих тріщин [1], наявність оксидної плівки ускладнюють процес отримання якісних з'єднань.

Проте, алюмінієві сплави застосовуються в багатьох галузях промисловості: авіаційної, авіакосмічній, транспортній та ін., Так як мають дуже малу щільність, практично можна порівняти по питомій міцності з іншими конструкційними сталями і сплавами, мають високу корозійну стійкість і жароміцність [2].

При виготовленні відповідальних конструкцій з алюмінієвих сплавів (особливо великогабаритних) важливо приділити увагу до вибору оптимального способу зварювання, здатного компенсувати негативні властивості алюмінієвих сплавів, а також забезпечити отримання міцного бездефектного з'єднання зі збереженням геометрії конструкції.

Крім цього, необхідно оцінити можливість і простоту механізації і автоматизації процесу, так як забезпечення високої продуктивності в більшості випадків є важливим критерієм при виборі способу, а зниження впливу людського фактора в зварювальному процесі дозволить зменшити ймовірність появи дефектів.

Вивчення літературних джерел показало, що існує безліч способів зварювання алюмінієвих сплавів: дугові, фрикційні (тертям), лазерні, гібридні, які можуть бути використані при зварюванні різних конструкцій з алюмінієвих сплавів (Рис. 1).

Мал. 1. - Способи зварювання алюмінію

1. фрикційні СПОСОБИ

Фрикційне зварювання - це зварювання за рахунок виділення тепла при терті робочого інструмента і деталі.

1.1 Види

Різновидом фрикційних способів є зварювання тертям з перемішуванням СТП (Friction Stir Welding) .Сварка відбувається за рахунок нагріву швидко обертового шпинделя зі штирем в центрі, який занурюється в стик двох деталей і рухається уздовж лінії стику.

Крім стандартної СТП існують модернізовані способи [3,4], які дозволяють компенсувати деякі недоліки:

СТП з двома шпинделями (Self-reacting або SR-FSW). Це спосіб, в якому замість жорстко фіксованою підкладки використовується ще один шпиндель, що знаходиться на протилежному боці від робочого шпінделя.Способ дозволяє отримати більш симетричний шов [4], а осьове зусилля, що виникає в звичайній СТП, відсутня, що дозволяє зменшити розмір і складність пристосувань .

СТП з підігрівом (Assisted FCW). В даному способі здійснюється прогрів вироби за допомогою TIG зварювання, лазерного зварювання або системи індукційного нагріву [3]. Відбувається зниження напруги в шпинделі, що призводить до зменшення зносу інструменту.

СТП з імпульсним обертанням шпинделя (Pulsed FCW). В даному способі використовується імпульсно змінюється швидкість обертання і / або переміщення. Шпиндель обертається в режимі повного реверсу. Експерименти дозволили отримати симетричну мікроструктуру в зоні зварювального шва. При цьому шви мали більш високу межу міцності і відносне подовження [3].

1.2 Переваги і недоліки

СТП легко автоматизувати, тепловкладення мінімально, так як відсутній розплавлення зварювальної ванни, немає вигоряння легуючих елементів, не потрібна додаткова термічна обробка шва, спосіб дозволяє забезпечити високу продуктивність зварювання, що особливо актуально при зварюванні великогабаритних конструкцій.

Процес не вимагає використання дротів, прутків, флюсів, захисних газів, що значно знижує собівартість конструкції.

При використанні СТП виникає необхідність двосторонньої жорсткої фіксації виробів, що призводить до неможливості використання методу для зварювання складних просторових конструкцій. Недоліком способу також є висока вартість обладнання.

СТП є відносно новим способом, тому ще однією проблемою є недостатня «вивченість» процесу, важко знайти у відкритих джерелах технологію і режими зварювання.

1.3 Дефектність

Відсутність зварювальної ванни вирішує основні проблеми при зварюванні алюмінію: освіта пористості, кристалізаційних тріщин, вигоряння легуючих елементів [5].

Основним дефектом при зварюванні тертям з перемішуванням є несплавление в корені шва. При виконанні СТП в місці виходу робочого інструмента з стику в кінці шва залишається отвір. Характерними дефектами є увігнутість, можливість появи твердих включень: осколки робочого інструмента, залишки бруду, масла, жиру [6].

1.4 Чутливість до аномалій складання і зварювання

За допомогою СТП можливо зварювати в будь-якому просторовому положенні. Для забезпечення якісного зварного з'єднання потрібно забезпечити високу точність зборки конструкції.

2. ЛАЗЕРНІ СПОСОБИ

Лазерне зварювання - це зварювання з'єднань висококонцентрованим джерелом нагріву.

2.1 Види

Лазерне зварювання алюмінієвих сплавів виконується або традиційними СО2-лазерами, або більш сучасними і прогресивними волоконними лазерами.

Лазери бувають як періодичного (імпульсного), так і безперервної дії [7].

Як джерело випромінювання рекомендується застосовувати волоконні лазери, так як рівень потужності, який необхідний для початку проплавления в 2 рази менше, ніж у CO2-лазера [8], а ККД в 1,5-2 рази вище ККД CO2-лазера (30% проти 15-20%) [9]. При цьому з'єднання, отримані випромінюванням СО2 і волоконного лазера, практично не відрізняються за зовнішнім виглядом і макроструктуру [8].

2.2 Переваги і недоліки

Перевагами лазерного зварювання є мінімальні тепловкладення, висока концентрація нагріву: обсяг зварювальної ванни в кілька разів менше, ніж при дугового зварювання [8,9], мінімальна деформація: в 3-5 разів нижче, ніж при дугового зварювання [7], висока продуктивність за рахунок швидкості зварювання: 50-200 м / ч і більш [7,9], низький ступінь викривлення і деформації деталей [8].

Недоліками способу є висока вартість обладнання, зниження міцності з'єднання через провисання зварювальної ванни [9], для зварювання в автоматизованому режимі потрібно ретельно вибудувати весь виробничий цикл.

2.3 Дефектність

При лазерної зварюванні, через швидке охолодження розплаву, алюмінієві сплави схильні до утворення тріщин, спостерігається виникнення лускатий зварного шва [8], при використанні CO2 лазера виникає велика кількість пор [10].

2.4 Чутливість до аномалій складання і зварювання

Даним способом можливо проводити роботи в різних просторових положеннях.

Лазерні способи чутливі до величини зазору між кромками, що істотно збільшує трудомісткість складання конструкцій, так як виникає необхідність забезпечення високої точності складання (Таблиця 1) [7,11].

Таблиця 1. - Залежність величини зазору від швидкості зварювання і товщини металу

Товщина металу, мм

Швидкість зварювання, мм / сек

максимально допустима

величина зазору (b), мм

0,8 - 1,5

5,5-22,2

0,12

22,2-33,3

0,10

1,5 - 3,0

5,5-22,2

0,15

22,2-33,3

0,12

3. дугового СПОСОБИ

Дугове зварювання - це зварювання з'єднань, в якій використовується електрична дуга для нагріву і розплавлення металу.

3.1 Види

Дугові способи зварювання алюмінію поділяються на дві великі групи: з використанням плавиться вольфрамового електрода (TIG) і з використанням плавиться електрода-дроту (MIG).

TIG. Найбільш популярними технологіями TIG зварювання є способи з застосуванням динамічних дуг, наприклад, coldArc від компанії EWM [12], що дозволяє регулювати параметри зварювання так, щоб при зміні відстані між електродом і виробом, що подається енергія зберігала постійну складову [12].

Для збільшення розплавленого металу і швидкості зварювання застосовують додаткову присадні дріт: холодну або гарячу (рис. 2).

MIG. Способи MIG зварювання алюмінієвих сплавів, в основному, поділяються на імпульсні і «холодні» процеси.

«Холодні» способи дозволяють зменшити кількість введеного тепла в основний метал за рахунок різкого зниження зварювального струму при короткому замиканні. Відрив краплі відбувається за рахунок гравітаційних сил. В процесі CMT компанії Fronius, відрив краплі відбувається ще й за допомогою зворотного руху сварочнойпроволокі [13]. Подібні технології розроблені і іншими виробниками: ColdArc (EWM,) ColdMIG (Merkle), WiseThin (Kemppi), PrecisionPulse (Lincoln Electric).

Мал. 2. - Схема TIG зварювання з присадкою

Імпульсні способи дозволяють збільшити швидкість зварювання за рахунок імпульсного збільшення струму.

Зварювання алюмінієвих виробів із застосуванням імпульсної технології можна проводити за допомогою процесів Syncro Pulse, PMC (Fronius), Pulse-On-Pulse (Lincoln

Electric), SpeedPulse (Lorch) і ін.

У процесах Pulse-On-Pulse і SpeedPulse використовуються високо- і малопотужні імпульси. Дане рішення дозволило полегшити процес виконання зварювальних з'єднань, поліпшити зовнішній вигляд швів, збільшити глибину проплавлення і швидкість зварювання [14].

Процес PMC (Pulse MultiControl) за рахунок високочастотної складової дозволяє оцінювати стан краплі з подальшою зміною зварювальних параметрів, домогтися плавного перетікання краплі в ванну. Процес дозволяє автоматично підтримувати мінімальну дугу, що призводить до зменшення розбризкування (рис. 3).

Мал. 3. - Процес "перетікання" краплі в зварювальну ванну

Для збільшення швидкості зварювання використовуються тандеми (зварювання ведеться відразу двома і більше дротами) .Наприклад, два дроти використовуються в процесі

Tandem MIG від компанії Lincoln Electric.

3.2 Переваги і недоліки

Основною перевагою дугових способів є економічність процесу в порівнянні з іншими перерахованими способами, легкість автоматизації, відсутність спеціалізованої оснастки.

Недоліками способу є більш низька продуктивність зварювального,

необхідність застосовувати велику кількість матеріалів, відносно низька концентрація енергії в дузі, нестійкість горіння дуги при високих швидкостях [11].

3.3 Дефектність

Велика кількість тепла, що вводиться під час зварювання, може привести до деформації виробу. Застосування раціональної конструкції і імпульсних або холодних процесів дозволить знизити тепловкладення, отже, деформацію конструкцію.

При зварюванні алюмінієвих сплавів є ймовірність появи пір і підрізів. Ретельна підготовка поверхні перед зварюванням і дотримання технології дозволить уникнути утворення пір, а правильний підбір режиму зварювання запобіжить утворенню підрізів.

3.4 Чутливість до аномалій складання і зварювання

Даним способом можна виконувати якісні зварні з'єднання у всіх просторових положеннях.

Серед перерахованих у статті способів, дугова зварка є найменш чутливими до аномалій вироби та збірки: нерівномірною ширині стику, можливості зварювання великих повітряних зазорів.

3.5 Гібридні способи

Дані способи поєднують в собі два і більше процесу, що дозволяє використовувати переваги кожного і нівелювати їх недоліки.

Гібридний спосіб лазер - дуга. Зварювання алюмінію здійснюється лазером в поєднанні c плавиться або плавкими електродами [11].

Спосіб використовують в тому випадку, коли необхідно зварити листи в автоматичному режимі з великою швидкістю, низьким тепловкладенням і високою якістю зварних з'єднань.

Перевагами є зниження вимог до точності складання деталей [11], висока стабільність при високих швидкостях зварювання (понад 60 м / ч [15]), зниження потужності променя, зниження споживання енергії, збільшення ефективності обладнання (в 1.5-2 рази в порівнянні з лазерною [11]), зниження витрат на витратні матеріали (в 2 рази [16]).

Недоліками є схильність до формування підрізів, ерозія не плавиться [10], висока вартість обладнання.

Гібридна лазерно - плазмова зварювання. Важливою перевагою плазмового зварювання є катодна очищення поверхні виробу [11,17].

Мікроплазмове складова дозволяє значно знизити собівартість обладнання і збільшити стабільність горіння дуги [11].

Недоліком методу є провисання швів, утворення підрізів і внутрішніх пор [15], неможливість досягти стабільного процесу при високих швидкостях зварювання [11].

Поєднавши мікроплазмове і лазерну зварювання, можна отримати високоякісний процес з підвищеним якістю зварних з'єднань [18], стабілізувати процес при високих швидкостях, знизити залежність процесу від оптичних властивостей поверхні. При зварюванні відбувається очищення поверхні від оксидної плівки [11].

Двопроменева лазерне зварювання. Це спосіб, в якому зварювальний ванна формується за рахунок впливу двох променів лазера.

В даний час дана технологія недостатньо вивчена, тому практично не застосовується в промисловості [19].

Перевагами даного способу є усунення прожогов, зменшення пороутворення [11], можливість зварювання разнотолщинних деталей і видалення оксидної плівки одним з лазерів.

ВИСНОВОК

У статті були розглянуті різні способи зварювання великогабаритних тонкостінних конструкцій відповідального призначення з алюмінієвих сплавів.

Незважаючи на високу продуктивність і можливість зварювання з малим введенням тепла, лазерні способи проблематично використовувати при зварюванні, так як необхідно забезпечити високу точність складання і максимальну ( «аптечну») чистоту виробництва. Через високу вартість обладнання, застосування даних способів доцільно тільки при масовому виробництві конструкцій.

Зварювання тертям з перемішуванням також важко застосовувати в даних конструкціях, так як спосіб актуальний тільки для з'єднання простих за формою виробів, при зварюванні яких можливо забезпечити жорстке двостороннє закріплення.

Актуально застосування гібридних способів зварювання, але, через малу кількість інформації у відкритих джерелах, виникає проблема підбору режиму зварювання і оцінка цих процесів за критерієм - "ціна-якість" Високі вартість обладнання також звужує сферу застосування даних способів.

Спосіб дугового зварювання MIG, за рахунок застосування імпульсних або «холодних» процесів, дозволить вирішити проблему високого тепловкладення при зварюванні алюмінієвих сплавів. Знижена чутливість способу до аномалій збірки стикового з'єднання, в порівнянні з лазерним зварюванням, значно знижує трудомісткість виготовлення складної просторової конструкції, а застосування адаптивних алгоритмів керування процесом дозволить розширити технологічні можливості процесу і перейти від ручного та механізованого зварювання до автоматизованої зі збереженням високого показника за критерієм " ціна якість".

Крім цього, за рахунок автоматизації та механізації процесу можливе значне збільшення продуктивності зварювання і підвищення стабільності процесу. Відносно низька вартість обладнання та простота реалізації технологічного процесу зварювання на базі швидкодіючих інверторних джерел живлення, також є серйозною перевагою при виборі даного способу [20].

На основі ідентифікації процесу зварювання як об'єкта управління, авторами заплановані роботи по розробці і впровадженню автоматизованого комплексу для автоматичного зварювання згаданих в статті відповідальних виробів з алюмінієвих сплавів з вирішенням завдань геометричній та технологічної адаптації процесу зварювання до технологічних збурень різної фізичної природи.

Провівши аналіз технологічних можливостей розглянутих вище сучасних способів зварювання, автори прийшли до висновку, що для поставлених завдань найбільш раціональними і оптимальними способами являютсяMIG / TIG способи зварювання із застосуванням імпульсних технологій. У своїх подальших дослідженнях автори приділять увагу вдосконаленню цих способів на базі розробки і впровадження автоматизованого обладнання з використанням засобів цифрового контролю і управління процесом, а також застосування автоматизованих головок з швидкодіючими джерелами живлення і адаптивних роботів.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Mathers G. The Welding of Aluminium and its Alloys. Cambridge: Pub. Woodhead Publishing, Ltd, 2002 242 p.

2. Макаров, Е. Л. та ін. Теорія зварюваності сталей і сплавів [Текст] / Е. Л. Макаров, Б.Ф. Якушин. - М .: МГТУ ім. Н.е. Баумана, 2014. - 487 с.

3. Dawes CJ Friction stir welding. TALAT. 1999 року, p. 13. Available at: http://mitpublications.org/yellow_images/1361513532_logo_File%204.pdf

4. Thomas WM, Norris IM, Staines DG, Watts ER Friction stir welding - process developments and variant techniques. SME Summit. Oconomowoc, 3-4 August 2005, Milwaukee, USA. pp. 1-21. Available at: http://hegesztesportal.hu/tudastar/wt_fsw.pdf

5. Threadgill PL, Leonard AJ, Shercliff HR, Withers PJ Friction stir welding of aluminium alloys. International Materials Reviews. 2009 Vol. 54, Issue 2, ISSN 0950-6608, DOI: 10.1179 / 174328009X411136, pp. 49-93.

6. Gibson BT, Lammleinb DH, Praterc TJ, Longhurstd WR, Coxa CD, Balluna MC, Dharmaraja KJ, Cooka GE, Straussa AM Friction stir welding: Process, automation, and control. Journal of Manufacturing Processes. 2014 року, Vol. 16, Issue 1, ISSN 1526-6125, DOI: 10.1016 / j.jmapro.2013.04.002, pp. 56-73.

7. Ігнатов, А. Лазерне зварювання сталей потужними CO2-лазерами. Частина 1 [Текст] / А. Ігнатов // Фотоніка. - 2008. - №6. - С. 8.

8. шигані, І. Н. та ін. Лазерне зварювання алюмінієвих сплавів [Текст] / І.М. Шигані, А.А.

Холопов // Фотоніка. - 2010. - №3.- С. 6-10.

9. шигані, І. Н. та ін. Лазерне зварювання алюмінієвих сплавів авіаційного призначення [Текст] / І.М. Шигані, С.В. Шахов, А.А. Холопов // Інженерний журнал: наука та інновації. - 2012. - №6 (6). - С. 34-50.

10. Bagger C., Olsen FO Review of laser hybrid welding. Journal of Laser Applications. 2005, Vol. 17, №1, DOI 10.2351 / 1.1848532, p. 13.

11. Григорьянц, А. Г. та ін. Гібридні технології лазерного зварювання [Текст] / А.Г. Григорьянц, І.М. Шигані, А.М. Чирков. - М.: Видавництво МГТУ ім. Н.е. Баумана, 2004. - 49 с.

12. Інноваційні процеси зварювання TIG / плазмового зварювання від компанії EWM [Текст]. - [Б. м], 2014. - С. 24.

13. Гладков, Е. А. та ін. Автоматизація зварювальних процесів [Текст] / Е.А.Гладков, В.Н. Бродягін, Р.А. Перковський. - М .: МГТУ ім.Н.Е. Баумана, 2014. - 421 с.

14. Lincoln Electric. Pulse-On-Pulse GMAW (MIG). 2006, p. 4.

15. Шелягіна, В. А. та ін. Технологічні особливості лазерної, микроплазменной і гібридної лазерної-микроплазменной зварювання алюмінієвих сплавів [Текст] / В.А. Шелягіна, А.М. Орішіч і ін. // Автоматическая сварка. - 2014. - Т. №5 (734). - С. 35-42.

16. Пауль, До. та ін. Гібридна лазерне зварювання [Текст] / К. Пауль, Ф. Рідель // Фотоніка. - 2009. - №1. - С. 2-5.

17. Патон, Б. Е. та ін. Мікроплазмове зварювання [Текст] / Б.Є. Патон та ін. - Київ: Наукова думка, 1979. - 248 с.

18. Патон, Б. Е. та ін. Гібридна лазерно-мікроплазмове зварювання металів малої товщини [Текст] / Б.Є. Патон та ін. // Автоматическая сварка. - 2002. - №3. - С. 5-9.

19. мрій, Н. В. Розробка способу двопроменевий лазерного зварювання конструкційних низьколегованих трубних сталей: Автореф.дисс. канд. техн. наук [Текст] / Н.В. Грязев. -

М., 2010. - 18 с.

20. Гладков, Е. А. Управління процесами і устаткуванням при зварюванні [Текст] Е.А. Гладков - М: Центр «Академія», 2006. - 432 с.

ЕЛЕКТРОННІ РЕСУРСИ

Науково-практичний журнал «Глобальна ядерна безпека» http://gns.mephi.ru/ru .