Aplicación da tecnoloxía de soldadura híbrida láser-arco de alta potencia en varios campos clave

01 Soldadura híbrida láser-arco de placa grosa

A soldadura de chapa grosa (grosor ≥ 20 mm) xoga un papel fundamental na fabricación de equipos de gran tamaño en campos importantes como a aeroespacial, a navegación e a construción naval, o transporte ferroviario, etc. Estes compoñentes adoitan caracterizarse por un gran grosor, formas de unión complexas e entornos de servizo complexos. A calidade da soldadura ten un impacto directo no rendemento e na vida útil do equipo. Debido á lenta velocidade de soldadura e aos graves problemas de salpicaduras, o método tradicional de soldadura con protección gasosa enfróntase a desafíos como a baixa eficiencia de soldadura, o alto consumo de enerxía e a gran tensión residual, o que dificulta o cumprimento dos crecentes requisitos de fabricación. Non obstante, a tecnoloxía de soldadura híbrida láser-arco é diferente da tecnoloxía de soldadura tradicional. Combina con éxito as vantaxes desoldadura lásere soldadura por arco, e ten as características de gran profundidade de penetración, velocidade de soldadura rápida, alta eficiencia e mellor calidade de soldadura, como se mostra na Figura 1. Polo tanto, esta tecnoloxía atraeu unha atención xeneralizada e comezou a aplicarse nalgunhas áreas clave.

Figura 1 Principio da soldadura híbrida por arco láser

02Investigación sobre soldadura híbrida por arco láser de placas grosas

O Instituto Noruegués de Tecnoloxía Industrial e a Universidade Tecnolóxica de Lule, en Suecia, estudaron a uniformidade estrutural de unións soldadas compostas de menos de 15 kW para aceiro de baixa aliaxe de alta resistencia microaleado de 45 mm de espesor. A Universidade de Osaca e o Instituto Central de Investigación Metalúrxica de Exipto empregaron un láser de fibra de 20 kW para levar a cabo unha investigación sobre o proceso de soldadura híbrida por arco láser dunha soa pasada de placas grosas (25 mm), utilizando un revestimento inferior para resolver o problema da xiba inferior. A empresa Danish Force Technology Company empregou dous láseres de disco de 16 kW en serie para levar a cabo unha investigación sobre a soldadura híbrida de placas de aceiro de 40 mm de espesor a 32 kW, o que indica que se espera que a soldadura por arco láser de alta potencia se utilice na soldadura de bases de torres de enerxía eólica mariña, como se mostra na Figura 2. Harbin Welding Co., Ltd. é a primeira empresa do país en dominar a tecnoloxía básica e a tecnoloxía de integración de equipos de soldadura por fonte de calor híbrida por arco de eléctrodo de fusión láser sólido de alta potencia. É a primeira vez que aplico con éxito tecnoloxía e equipos de soldadura híbrida por arco de eléctrodo de fusión de dobre fío por láser sólido de alta potencia a equipos de fabricación de alta gama no meu país.

Figura 2. Diagrama de deseño da instalación láser

Segundo o estado actual da investigación da soldadura híbrida láser-arco de placas grosas no país e no estranxeiro, pódese observar que a combinación do método de soldadura híbrida láser-arco e a ranura de fenda estreita pode lograr a soldadura de placas grosas. Cando a potencia do láser aumenta a máis de 10.000 vatios, baixo a irradiación dun láser de alta enerxía, o comportamento de vaporización do material, o proceso de interacción entre o láser e o plasma, o estado estable do fluxo da piscina fundida, o mecanismo de transferencia de calor e o comportamento metalúrxico da soldadura produciranse cambios en distintos graos. A medida que a potencia aumenta a máis de 10.000 vatios, o aumento da densidade de potencia intensificará o grao de vaporización na área preto do pequeno burato, e a forza de retroceso afectará directamente á estabilidade do pequeno burato e ao fluxo da piscina fundida, afectando así ao proceso de soldadura. Os cambios teñen un impacto non desprezable na implementación do láser e os seus procesos de soldadura compostos. Estes fenómenos característicos no proceso de soldadura reflicten directa ou indirectamente a estabilidade do proceso de soldadura ata certo punto e poden incluso determinar a calidade da soldadura. O efecto de acoplamento das dúas fontes de calor, láser e arco, pode facer que as dúas fontes de calor dean pleno xogo ás súas propias características e obteñan mellores efectos de soldadura que a soldadura láser simple e a soldadura por arco. En comparación co método de soldadura autóxena láser, este método de soldadura ten as vantaxes dunha forte adaptabilidade á fenda e dun gran grosor soldable. En comparación co método de soldadura de recheo de fío láser con fenda estreita en placas grosas, ten as vantaxes dunha alta eficiencia de fusión do fío e un bo efecto de fusión de ranuras. Ademais, a atracción do láser ao arco mellora a estabilidade do arco, facendo que a soldadura híbrida láser-arco sexa máis rápida que a soldadura por arco tradicional esoldadura con fío de recheo láser, cunha eficiencia de soldadura relativamente alta.

03 Aplicación de soldadura híbrida láser-arco de alta potencia

A tecnoloxía de soldadura híbrida por arco láser de alta potencia úsase amplamente na industria da construción naval. O estaleiro Meyer de Alemaña estableceu unha liña de produción de soldadura híbrida por arco láser de CO2 de 12 kW para soldar placas planas e rigidizadores do casco para lograr a formación de soldaduras de filete de 20 m de longo dunha soa vez e reducir o grao de deformación en 2/3. GE desenvolveu un sistema de soldadura híbrida por arco láser de fibra cunha potencia de saída máxima de 20 kW para soldar o portaavións USS Saratoga, aforrando 800 toneladas de metal de soldadura e reducindo as horas de traballo nun 80 %, como se mostra na Figura 3. O CSSC 725 adopta un sistema de soldadura híbrida por arco láser de fibra de alta potencia de 20 kW, que pode reducir a deformación da soldadura nun 60 % e aumentar a eficiencia da soldadura nun 300 %. O estaleiro Waigaoqiao de Shanghai utiliza un sistema de soldadura híbrida por arco láser de fibra de alta potencia de 16 kW. A liña de produción adopta unha nova tecnoloxía de proceso de soldadura híbrida láser + soldadura MAG para lograr a soldadura dunha soa pasada por unha soa cara e a conformación por dúas caras de chapas de aceiro de 4-25 mm de espesor. A tecnoloxía de soldadura híbrida por arco láser de alta potencia úsase amplamente en vehículos blindados. As súas características de soldadura son: soldadura de estruturas metálicas complexas de gran espesor, baixo custo e fabricación de alta eficiencia.

Figura 3. Portaavións USS Sara Toga

A tecnoloxía de soldadura híbrida láser-arco de alta potencia aplicouse inicialmente nalgúns campos industriais e converterase nun medio importante para a fabricación eficiente de grandes estruturas con espesores de parede medios e grandes. Na actualidade, hai unha falta de investigación sobre o mecanismo da soldadura híbrida láser-arco de alta potencia, que necesita ser reforzado aínda máis, como a interacción entre o fotoplasma e o arco e a interacción entre o arco e o baño fundido. Aínda hai moitos problemas sen resolver no proceso de soldadura híbrida láser-arco de alta potencia, como unha xanela de proceso estreita, propiedades mecánicas desiguais da estrutura da soldadura e un control de calidade da soldadura complicado. A medida que a potencia de saída dos láseres de grao industrial aumenta gradualmente, a tecnoloxía de soldadura híbrida láser-arco de alta potencia desenvolverase rapidamente e seguirá xurdindo unha variedade de novas tecnoloxías de soldadura híbrida láser. A localización, a grande escala e a intelixencia serán tendencias importantes no desenvolvemento de equipos de soldadura láser de alta potencia no futuro.