01 Saldatura ibrida laser-arco di lamiere spesse
La saldatura di lamiere spesse (spessore ≥ 20 mm) svolge un ruolo chiave nella produzione di grandi apparecchiature in settori importanti come quello aerospaziale, navale, della costruzione navale, del trasporto ferroviario, ecc. Questi componenti sono solitamente caratterizzati da grande spessore, forme di giunzione complesse e ambienti di servizio complessi. La qualità della saldatura ha un impatto diretto sulle prestazioni e sulla durata dell'apparecchiatura. A causa della bassa velocità di saldatura e dei gravi problemi di spruzzi, il metodo tradizionale di saldatura a gas protetto presenta sfide quali bassa efficienza di saldatura, elevato consumo energetico e grandi tensioni residue, rendendo difficile soddisfare i requisiti di produzione sempre crescenti. Tuttavia, la tecnologia di saldatura ibrida laser-arco è diversa dalla tecnologia di saldatura tradizionale. Essa combina con successo i vantaggi disaldatura lasere la saldatura ad arco, e presenta le caratteristiche di elevata profondità di penetrazione, velocità di saldatura elevata, alta efficienza e migliore qualità della saldatura, come mostrato nella Figura 1. Pertanto, questa tecnologia ha attirato un'ampia attenzione e ha iniziato ad essere applicata in alcuni settori chiave.
Figura 1 Principio della saldatura ibrida laser-arco
02Ricerca sulla saldatura ibrida laser-arco di lamiere spesse
L'Istituto norvegese di tecnologia industriale e l'Università di tecnologia di Lule, in Svezia, hanno studiato l'uniformità strutturale di giunti saldati compositi a 15 kW per acciaio microlegato ad alta resistenza e bassa lega di 45 mm di spessore. L'Università di Osaka e l'Istituto centrale di ricerca metallurgica egiziano hanno utilizzato un laser a fibra da 20 kW per condurre ricerche sul processo di saldatura ibrida laser-arco a singolo passaggio di lamiere spesse (25 mm), utilizzando un rivestimento inferiore per risolvere il problema della gobba sul fondo. La società danese Force Technology ha utilizzato due laser a disco da 16 kW in serie per condurre ricerche sulla saldatura ibrida di lamiere di acciaio di 40 mm di spessore a 32 kW, indicando che la saldatura laser-arco ad alta potenza dovrebbe essere utilizzata nella saldatura della base delle torri eoliche offshore, come mostrato in Figura 2. Harbin Welding Co., Ltd. è la prima nel paese ad aver padroneggiato la tecnologia di base e la tecnologia di integrazione delle apparecchiature per la saldatura ibrida laser a stato solido-arco a fusione ad alta potenza. È la prima volta che la tecnologia e le apparecchiature di saldatura ibrida laser solido ad alta potenza con doppio filo e elettrodo fuso vengono applicate con successo alla produzione di apparecchiature di fascia alta nel mio paese.
Figura 2. Schema di installazione del laser.
Secondo lo stato attuale della ricerca sulla saldatura ibrida laser-arco di lamiere spesse, sia a livello nazionale che internazionale, si può osservare che la combinazione del metodo di saldatura ibrida laser-arco con una scanalatura a fessura stretta consente la saldatura di lamiere spesse. Quando la potenza del laser supera i 10.000 watt, sotto l'irradiazione di un laser ad alta energia, si verificano cambiamenti di diversa entità nel comportamento di vaporizzazione del materiale, nel processo di interazione tra laser e plasma, nello stato di stabilità del flusso del bagno fuso, nel meccanismo di trasferimento del calore e nel comportamento metallurgico della saldatura. Con l'aumento della potenza oltre i 10.000 watt, l'incremento della densità di potenza intensifica il grado di vaporizzazione nell'area in prossimità del piccolo foro e la forza di rinculo influenza direttamente la stabilità del piccolo foro e il flusso del bagno fuso, con conseguenti ripercussioni sul processo di saldatura. Tali cambiamenti hanno un impatto non trascurabile sull'implementazione dei processi di saldatura laser e dei relativi processi compositi. Questi fenomeni caratteristici nel processo di saldatura riflettono direttamente o indirettamente la stabilità del processo di saldatura in una certa misura e possono persino determinare la qualità della saldatura. L'effetto di accoppiamento delle due sorgenti di calore del laser e dell'arco può far sì che le due sorgenti di calore sfruttino appieno le proprie caratteristiche e ottengano effetti di saldatura migliori rispetto alla saldatura laser singola e alla saldatura ad arco. Rispetto al metodo di saldatura autogena laser, questo metodo di saldatura presenta i vantaggi di una forte adattabilità del gap e di un grande spessore saldabile. Rispetto al metodo di saldatura a filo laser a gap stretto di lamiere spesse, presenta i vantaggi di un'elevata efficienza di fusione del filo e di un buon effetto di fusione della scanalatura. Inoltre, l'attrazione del laser sull'arco migliora la stabilità dell'arco, rendendo la saldatura ibrida laser-arco più veloce della saldatura ad arco tradizionale esaldatura a filo d'apporto laser, con un'efficienza di saldatura relativamente elevata.
03 Applicazione di saldatura ibrida laser-arco ad alta potenza
La tecnologia di saldatura ibrida laser-arco ad alta potenza è ampiamente utilizzata nell'industria navale. Il cantiere navale Meyer in Germania ha installato una linea di produzione di saldatura ibrida laser-arco a CO2 da 12 kW per la saldatura di lamiere piane e rinforzi dello scafo, consentendo la realizzazione di saldature d'angolo lunghe 20 m in un'unica passata e riducendo il grado di deformazione di 2/3. GE ha sviluppato un sistema di saldatura ibrida laser-arco a fibra con una potenza massima di 20 kW per la saldatura della portaerei USS Saratoga, risparmiando 800 tonnellate di materiale d'apporto e riducendo le ore di lavoro dell'80%, come mostrato in Figura 3. CSSC 725 adotta un sistema di saldatura ibrida laser-arco ad alta potenza a fibra da 20 kW, in grado di ridurre la deformazione di saldatura del 60% e aumentare l'efficienza di saldatura del 300%. Il cantiere navale Shanghai Waigaoqiao utilizza un sistema di saldatura ibrida laser-arco ad alta potenza a fibra da 16 kW. La linea di produzione adotta una nuova tecnologia di processo che combina la saldatura ibrida laser e la saldatura MAG per ottenere la saldatura monofacciale in un'unica passata e la formatura bifacciale di lamiere d'acciaio di spessore compreso tra 4 e 25 mm. La tecnologia di saldatura ibrida laser-arco ad alta potenza è ampiamente utilizzata nei veicoli blindati. Le sue caratteristiche di saldatura sono: saldatura di strutture metalliche complesse di grande spessore, basso costo ed elevata efficienza produttiva.
Figura 3. Portaerei USS Sara Toga
La tecnologia di saldatura ibrida laser-arco ad alta potenza è stata inizialmente applicata in alcuni settori industriali e diventerà un mezzo importante per la produzione efficiente di grandi strutture con spessori di parete medi e grandi. Attualmente, la ricerca sul meccanismo di saldatura ibrida laser-arco ad alta potenza è carente e necessita di ulteriori approfondimenti, come l'interazione tra fotoplasma e arco e l'interazione tra arco e bagno di fusione. Rimangono ancora molti problemi irrisolti nel processo di saldatura ibrida laser-arco ad alta potenza, come la ristretta finestra di processo, le proprietà meccaniche non uniformi della struttura saldata e la complessità del controllo di qualità della saldatura. Con il graduale aumento della potenza di uscita dei laser di livello industriale, la tecnologia di saldatura ibrida laser-arco ad alta potenza si svilupperà rapidamente e continueranno a emergere diverse nuove tecnologie di saldatura ibrida laser. Localizzazione, produzione su larga scala e intelligenza artificiale saranno tendenze importanti nello sviluppo futuro delle apparecchiature di saldatura laser ad alta potenza.
Data di pubblicazione: 24 aprile 2024
