Лазер+плазма: поиск новых возможностей в наплавке

Cтатья: Авторы - Сом А.И., Кривцун И.В.
Журнал "Автоматическая сварка". - 2000. - №12. - стр. 36-41.

В последнее время в научно-технической литературе появляется все больше публикаций о применении комбинированных процессов сварки, основанных на совместном использовании лазерного излучения и электрической, в том числе плазменной дуги [1-7]. Такая комбинация приводит к улучшению пространственной стабилизации пятна дуги на поверхности свариваемого металла и повышению устойчивости ее горения при малых токах и больших скоростях перемещения относительно изделия. Одновременно увеличивается коэффициент поглощения лазерного излучения поверхностью металла, что особенно важно при использовании лазеров небольшой мощности. Все это позволяет, с одной стороны, значительно увеличить производительность и стабильность дуговой (плазменной) сварки, а с другой - повысить эффективность и снизить себестоимость лазерной сварки.

Цель настоящей работы - проведение теоретических и экспериментальных исследований влияния лазерного пучка на процесс плазменно-порошковой наплавки (ППН) и выявление новых технологических возможностей комбинированного способа - лазерно-плазменной порошковой наплавки (ЛППН). Наиболее рациональной, на наш взгляд, схемой реализации такого комбинированного процесса является соосное объединение лазерного пучка и плазменной дуги при распределенной подаче присадочного порошка в плазму разряда. Поскольку в этом случае лазерный пучок должен проходить определенное расстояние в дуговой плазме, при разработке рассматриваемого способа наплавки необходимо учитывать не только плазменное и лазерное воздействие на присадочный материал и обрабатываемую поверхность, но и непосредственное взаимодействие сфокусированного лазерного пучка с плазмой сжатой дуги.

Известно, что такое взаимодействие может приводить к возникновению особого типа газового разряда - комбинированного лазерно-дугового разряда [5]. Необходимым условием его возникновения является соизмеримость энергии, вкладываемой в дуговую плазму лазерным излучением, с энергией, выделяющейся в плазме за счет протекания электрического тока. При выполнении этого условия происходит значительное изменение энергетического баланса дугового разряда, в результате чего как интегральные, так и локальные характеристики плазмы комбинированного разряда существенным образом отличаются от соответствующих характеристик исходной дуговой плазмы. Что касается характеристик лазерного пучка, то и они претерпевают при этом значительные изменения за счет поглощения пучка и его дополнительного фокусирования в плазме лазерно-дугового разряда.

К сожалению, применить традиционные дуговые плазмотроны для создания комбинированного разряда и его использования для ЛППН по описанной выше схеме практически невозможно. Соосное объединение лазерного пучка с плазменной дугой требует создания специальных устройств - лазерно-дуговых плазмотронов [8-10]. Основной особенностью этих устройств является конструкция катодного узла (тугоплавкий трубчатый катод или система расположенных по окружности штыревых катодов), позволяющая вводить сфокусированный лазерный пучок в дуговую плазму вдоль оси плазмоформирующего канала.

Для практической реализации процесса ЛППН и выявления технологических возможностей совместного использования плазменной дуги и лазерного излучения был спроектирован и создан опытный образец специализированного лазерно-дугового плазмотрона ЛПП-22 (рис. 1). При его разработке использованы большой опыт фирмы "Плазма-Мастер Лтд" по созданию плазмотронов для ППН [11], а также результаты теоретических исследований комбинированного лазерно-дугового разряда и устройств для его реализации, выполненных в ИЭС им. Е. О. Патона [5, 9].

В данном плазмотроне (рис. 1, б) дуга постоянного тока горит в аксиальном потоке плазмообразующего газа (аргон) между тугоплавким (вольфрамовым) трубчатым катодом 1 и наплавляемым изделием (анодом) 2. На начальном участке разряд стабилизируется стенкой соосного с катодом плазмоформирующего сопла 3. Сопло 4 служит для распределенной подачи в разряд присадочного порошка. Оба сопла выполнены из меди и охлаждаются водой 5. Через отверстие катода в разряд вводится сфокусированный оптической системой пучок 6 излучения СO₂-лазера непрерывного действия, распространяющийся вдоль оси плазмотрона. Плазмообразующий газ 7, 8 подается в плазмоформирующий канал как через отверстие катода, так и в зазор между катодом и стенкой сопла 3, причем расход одного газа может варьироваться независимо от другого. Присадочный порошок подается потоком транспортирующего газа 9 (аргон) в зазор между соплами 3 и 4. Зона наплавки защищается потоком аргона. Для защиты фокусирующей системы лазера в плазмотроне ЛПП-22 предусмотрен дополнительно газовый затвор, а для обеспечения соосности лазерного пучка и плазменной дуги - соответствующие корректоры положения катода относительно оси пучка.

Плазмотрон проектировался для работы на токе дуги 100 А <= I <= 300 А с использованием лазерного пучка, имеющего моду TEM 2.0, мощность Qo <= 5 кВт и угол фокусировки пучка = 0,053. Для определения оптимальных режимов работы плазмотрона ЛПП-22, характеристик генерируемой плазмы и взаимодействующего с ней лазерного пучка было проведено детальное компьютерное моделирование комбинированного разряда, создаваемого данным плазмотроном, без учета подачи присадочного порошка. При этом использовались следующие размеры сопла 3 (рис. 1, б): длина цилиндрического канала 4,5 мм (Lc1 = 5,5 мм), радиус Rc1 = 3,0 мм. Соответственно для сопла 4 длина выходного канала равна 2,5 мм (Lc2 = 10,0 мм), радиус Rc1 = 5,0 мм. Расход плазмообразующего газа, подаваемого через отверстие катода, G1 = 0,5 л/мин, а между катодом и стенкой канала G2 = 2,5 л/мин. Расход транспортирующего газа составлял 5,0 л/мин, а его исходная температура принималась равной температуре водоохлаждаемых стенок каналов (300 К). Расстояние f от среза катода до фокуса исходного пучка (рис. 1, б) варьировалось в диапазоне 14... 22 мм, а длина d открытого участка разряда - 4...12 мм.

Расчеты характеристик плазмы и взаимодействующего с ней лазерного пучка проводились на основе модели комбинированного разряда в лазерно-дуговом плазмотроне, подробно описанной в [9]. Частично результаты численного моделирования рассматриваемого разряда для различных режимов работы плазмотрона представлены на рис. 2-4. Так, на рис.2 изображены пространственные распределения температуры Т плазмы, а на рис. 3 - газодинамического давления ее потока pu*u/2 (р - плотность, кг/м*м*м, и - скорость, м/с). Согласно кривым, приведенным на рис. 2, поглощение лазерного излучения дуговой плазмой приводит к существенному повышению температуры ее центральных областей, причем максимально достижимые значения Т увеличиваются с ростом мощности пучка Qо. Отмеченный рост температуры плазмы способствует повышению ее электропроводности и, как следствие, - увеличению плотности тока в приосевой зоне разряда. Таким образом, разряд, генерируемый лазерно-дуговым плазмотроном, характеризуется повышенной концентрацией тепловой и электрической энергии в той области плазмы, которая подвергается воздействию лазерного пучка и жестко связана с его осью, а также высокой пространственной стабильностью этой области.

Описанное изменение теплового режима горения плазменной дуги под воздействием лазерного излучения вызывает существенное перераспределение газодинамических характеристик потока плазмы при увеличении Qо. Одной из основных причин этого является снижение вязкости аргоновой плазмы при повышении температуры. Другой причиной является упомянутое выше перераспределение плотности тока в разряде, усиливающее роль электромагнитных сил в ускорении плазменного потока [5]. В результате аксиальная компонента скорости плазмы на оси разряда заметно увеличивается. Несмотря на возрастание скорости, снижение плотности плазмы при повышении температуры приводит к тому, что газодинамическое давление плазменного потока pu*u/2 в приосевой зоне комбинированного разряда несколько уменьшается (рис. 3). Следует отметить, что это снижение, вызывающее уменьшение динамического воздействия на поверхность расплавленного металла, важно для процесса наплавки с использованием лазерно-дугового плазмотрона [12].

Происходящее в рассматриваемом плазмотроне взаимодействие лазерного излучения с дуговой плазмой приводит к перераспределению не только ее характеристик, но и самого лазерного пучка (за счет поглощения и рефракции в плазме разряда). Так, например, поглощение лазерного излучения приводит к тому, что на расстоянии 20 мм от среза катода мощность пучка для рассматриваемых условий составляет всего около 30 % от его исходной мощности Qo, тогда как интенсивность излучения на его оси возрастает при этом более чем в два раза (рис. 4).

Таким образом, взаимодействие лазерного пучка с плазмой комбинированного разряда вызывает его дополнительное фокусирование, усиливающееся с ростом I и Qо. Следовательно, варьируя этими двумя параметрами, можно эффективно управлять фокусированием пучка в плазме комбинированного разряда, создаваемого с помощью ла-зерно-дугового плазмотрона, что важно при использовании подобных устройств для сварки и резки.

Экспериментальные исследования плазмотрона ЛПП-22 проводили в Фраунгоферовом институте производственных технологий (Германия) с использованием СО2-лазера RS-5000 и источника питания плазменной дуги Messer Griesheim Unitig GW 30. К фокусирующей системе лазера плазмотрон крепился посредством специального адаптера, позволяющего совмещать ось лазерного пучка с осью плазмотрона. Перемещение обрабатываемой детали относительно плазмотрона осуществляли с помощью программируемого сварочного манипулятора.

Эксперименты проводили в два этапа. Сначала изучали особенности горения комбинированного разряда без подачи присадочного порошка, а затем выполняли лазерно-плазменную наплавку стальных образцов на различных режимах. При проведении всех экспериментов ток дуги варьировался в диапазоне 100... 280 А, мощность лазерного пучка - 0...4 кВт. Расстояние f изменяли в пределах 14...22 мм, a d (от среза плазмотрона до поверхности анода-детали) устанавливали равным 4, 8 или 12 мм. Расходы плазмообразующего и транспортирующего газа были постоянными и соответствовали указанным выше значениям.

Проведенные эксперименты показали, что во всем исследуемом диапазоне значений тока дуги и мощности лазерного пучка плазмотрон ЛПП-22 работал устойчиво, с высокой пространственно-временной стабильностью параметров генерируемой плазмы. Были измерены вольт-амперные характеристики разряда с использованием медного водоохлаждаемого анода при различных значениях Qo и I (рис. 5). Полученные экспериментальные данные подтверждают теоретические результаты [5]: под воздействием лазерного пучка напряжение на дуге уменьшается, причем, как следует из рис. 5, а (сплошные кривые), основное его падение происходит при мощности лазера Qo < 2,5 кВт. Приведенная там же расчетная зависимость (штриховая кривая) полного напряжения разряда от мощности пучка демонстрирует вполне удовлетворительное ее совпадение с экспериментально наблюдаемыми. Что касается самой плазменной дуги, то под воздействием лазерного излучения она несколько сжимается, что можно наблюдать визуально или по возрастающим вольт-амперным характеристикам разряда (рис. 5, б).

Исследование технологических возможностей плазмотрона ЛПП-22 проводили способом ЛППН плоских образцов из низкоуглеродистой стали толщиной 20 мм. В качестве присадочных материалов использовали порошковые сплавы марок Hastelloy С и Stellite 6 фракции 20... 63 мкм. Эти исследования показали, что соосное объединение плазменной дуги с лазерным пучком в лазерно-дуговом плазмотроне дает возможность за счет улучшения пространственной стабильности горения дуги повысить скорость наплавки одиночных валиков в 2...3 раза по сравнению с обычной ППН. Это равносильно увеличению производительности наплавочных работ для таких деталей, как шнеки экструдеров, плоские и дисковые ножи, фрезы и др. Одновременно проплавление у основного металла при наплавке одиночных валиков было на уровне 5... 10 %. Такое малое его значение стало возможным за счет указанного выше снижения динамического воздействия потока плазмы на поверхность расплава.

Кроме того, отмеченное выше уменьшение напряжения на дуге в комбинированном процессе снижает опасность двойного дугообразования, что особенно важно при работе на больших токах (более 300 А). Это является хорошей предпосылкой для повышения производительности процесса наплавки за счет увеличения тока дуги. К сожалению, реализовать эту возможность в данной серии экспериментов не удалось, поскольку имеющийся источник питания не позволял работать на токах более 300 А.

На рис. 6 представлены два примера широкослойной ЛППН, выполненной при Qo = 2 кВт, полном расходе газа (аргон) 18 л/мин и расходе порошка (Hastelloy С) 2,7 кг/ч. В одном случае наплавку производили с поперечными колебаниями изделия относительно плазмотрона (рис. 6, б), а во втором - продольными валиками с перекрытием (рис. 6, в). В обоих случаях обеспечивалось хорошее формирование наплавленного слоя при минимальном проплавлении основного металла у < 5 %. Такой способ наплавки открывает возможность плакирования больших поверхностей изделий износо- и коррозионностойкими сплавами с высокой производительностью и качеством, например, в производстве биметаллов. Для сравнения отметим, что такая производительность наплавки (2,7 кг/ч) в случае использования только лазерного излучения может быть достигнута при мощности пучка не менее 10 кВт.

В работе исследовали также влияние скорости ЛППН (рис. 7) и мощности лазерного пучка (рис. 8) на формирование одиночных валиков, а также на проплавление у основного металла. В экспериментах при увеличении скорости наплавки сечение валиков старались поддерживать постоянным за счет соответствующего увеличения расхода порошка.

Как следует из внешнего вида валиков и макрошлифов их поперечного сечения, хорошее формирование валиков обеспечивается в широком диапазоне скоростей наплавки (от 10 до 50 м/ч). При этом характер и уровень проплавления основного металла зависит как от суммарной мощности лазерного пучка и плазменной дуги, так и от их соотношения. С увеличением мощности лазерного пучка максимум проплавления основного металла смещается от краев валика к его оси (рис. 8). Структура металла, наплав ленного способом ЛППН (рис. 9), аналогична структуре, получаемой при обычной ППН.

Таким образом, совместное использование лазерного пучка и плазменной дуги открывает новые возможности в наплавке, заключающиеся в увеличении скорости, стабильности и воспроизводимости результатов процесса, снижении его себестоимости, а также повышении эффективности использования лазерной энергии. Вместе с тем авторы осознают, что приведенные в данной статье результаты являются предварительными.

Для практической реализации комбинированного процесса наплавки требуется проведение дальнейших исследований как с точки зрения оптимизации параметров процесса, так и выбора рациональных областей его применения.