Современные информационные технологии/1. Компьютерная инженерия

к.т.н. Лукашенко А.Г., магистр  Лукашенко В.А.,
д.т.н., профессор Лукашенко В.М., к.т.н. Уткина Т.Ю.,
аспирант Лукашенко Д.А., магистрант Лихолай А.С.

Черкасский государственный технологический университет, Украина

Методы прогрессивных технологий, обеспечивающих мелкозернистую структуру сварочного шва

Мелкозернистая структура металла шва является одним из основных показателей, влияющих на свойства сварного соединения [1, 3, 5].

В настоящее время выделяют два основных метода получения мелкозернистой структуры шва: металлургический и технологический.

Из них одним из важнейших направлений развития промышленности является применение лазерной технологии для соединения сложных конструкций. Современный технологический процесс лазерной сварки обладает высокой производительностью, но при этом наиболее актуальной задачей является обеспечение показателей качества сварного соединения.

Целью работы является обеспечение мелкозернистой структуры сварочного соединения на основе лазерной технологии.

Для выполнения поставленной цели необходимо на основе анализа существующих зарубежных и отечественных литературных и патентных источников решить следующую проблемную задачу:

– определить конфигурацию лазерного излучения, обеспечивающую получение мелкозернистой структуры сварного шва и высокое качество сварки.

Решение проблемной задачи

На основе анализа методов влияния на кристаллизацию металла по результатам исследования, которые подробно описаны в работах [1-6] целесообразно разработана классификационная схема методов модифицирования структуры сварного соединения (рис. 1). Она позволяет систематизировать способы воздействия на формирование микроструктуры сварного шва, облегчить их изучение и значительно сократить время на этапе подготовки сварочного производства.

Из предложенной классификации видно, что одним из методов получения мелкозернистой структуры шва является внешнее тепловое воздействие на сварочную ванну с помощью лазерного излучения.

Кроме того, воздействие лазерным излучением может быть представлено в виде одиночного импульса, импульсов специальной формы, а также виде импульсно-периодического воздействия.

Термический цикл воздействия является основой для управления параметрами режима сварки и, тем самым, влияет на изменение структуры в свариваемом металле. Пример зависимости плотности мощности лазерного излучения от времени его воздействия в процессе сварки для основных стадий процесса сварки [1, 5 ,6] показан на рис. 2.

Рисунок 2 – Обобщенный график зависимости плотности мощности
лазерного излучения от времени воздействия на свариваемый металл:

τ₁-τ₂ – время испарения окисной пленки с поверхности металла;
τ₂-τ₃ – время плавления метала;
τ₃-τ₄ – время плавления по толщине;
τ₄-τ₅ – время кристаллизации свариваемого метала;
τ₅-τ₆ – время термообработки (отжиг, нормализация).

Зависимость плотности мощности лазерного излучения от времени его воздействия на свариваемый металл (рис. 1) показывает, что для управления параметрами режима сварки необходимо изменять конфигурацию импульса.

Энергетические затраты на основных стадиях технологического процесса различны при получении сварочного соединения различных металлов при одной и той же толщине (2 мм) с высоким качеством показаны в табл. 1.

Таблица 1

Энергетические затраты при сварке различных металлов
толщиной в 2 мм на основных стадиях процесса

№ п/п	Вид сварки стадии процесса сварки и мощность Р, Вт/см^2	Точечная сварка алюминия	Шовная сварка алюминиевого сплава АК-8	Шовная сварка титана	Шовная сварка сплава титана ВТ-1	Точечная сварка низко углеродистой стали
1	испарение окисной плёнки, Р	1,5·10^8	2,0·10^8	3,0·10^8	5,0·10^8	2,5·10^5
2	плавление, Р	1,3·10^6	2,5·10^6	1,0·10^7	1,5·10^7	8,2·10^4
3	термо обработка, Р	1,2·10^3	1,5·10^3	0,5·10^4	1,0·10^4	0,5·10^4

Из табл. 1 видно, что плотность мощности термического цикла для соответствующей стадии технологического процесса сварки различна.

Тенденция уменьшения необходимой плотности мощности сохраняется сверху вниз для всех свариваемых металлов и имеет индивидуальное конкретное значение. Отсюда, следует вывод, что для получения качественного соединения лазерным излучением необходимо на этапе подготовки процесса сварки: выбрать соответствующий материал для соединения лазерным излучением и определить конфигурацию модулированного лазерного излучения. Для компьютерного моделирования предлагается математическая модель сложного импульса:

(1)

Форма импульса имела крутой передний фронт и плавно ниспадающий задний, который содержал два участка: плавящийся и кристаллизационный. Первый (0; t1) обеспечивает плавление материала без интенсивного испарения, а второй участок (t1; t2) имеет наклон, изменение угла которого позволяет изменять скорость кристаллизации, при этом длительность участка определяет оптимальную степень переохлаждения свариваемого металла.

Анализ результатов компьютерного и физического моделирований, проведенных в ИЭС им. Е. О. Патона [5], для образцов тонколистовой аустенитной стали типа 18-10, подтвердил оптимальность конфигурации лазерного излучения по предложенной модели (1).

Таким образом, появилась возможность регулировать степенью переохлаждения свариваемого металла. Под воздействием лазерного излучения, с предложной конфигурацией, обеспечивалось изменение температуры сварочной ванны в области зоны фазовых переходов «liquidus - solidus». Экспериментальные исследования подтвердили, что оптимальная мелкозернистая структура (рис. 3) получена при частоте следования
импульсов 2000 Гц.

Рисунок 3 – Микроструктура сварочного соединения, полученная
при частоте модуляции лазерного излучения 2000 Гц

Выводы:

1. На основе анализа литературных и патентных источников предложена классификационная схема для методов модификации структуры шва сварного соединения.

2. Представлен обобщенный график зависимости плотности мощности лазерного излучения от времени воздействия на свариваемый металл при различных стадиях процесса сварки.

3. Проведен анализ энергетических затрат при сварке различных металлов толщиной в 2 мм на основных стадиях процесса.

4. Предложена математическая модель импульса для модуляции лазерного излучения.

5. Выявлено, что импульсно-периодическое воздействие лазерного излучения на ванну сваривания позволяет целенаправленно (путем выбора оптимального периода следования сложного импульса) регулировать скорость нагрева, время пребывания свариваемого металла при высоких температурах, и скорость охлаждения.

Литература:

1. Bruncko J. Laserove mikrozvaranie kovovych materialov / J. Bruncko // Zvaranie-svarovani. – 2010. – № 9/10. – S. 219–222.

2. Celen S. Effect of laser welding parameters on fusion zone morphological, mechanical and microstructural characteristics of AISI 304 stainless steel / S. Celen, S. Karadeniz, H. Ozden // Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. – 2008. – № 39.

3. Григорьянц А. Г. Технологические процессы лазерной обработки : уч. пос. для Вузов / А. Г. Григорьянц, И. Н. Шиганов, А. И. Мисюров ; Под ред. А. Г. Григорьянца. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. – 664 с.

4. Левин Ю. Ю. Физико-технологические условия получения бездефектных соединений при импульсной лазерной сварке / Ю. Ю. Левин, В. А. Ерофеев, В. А. Судник // Свароч. Пр-во. – 2008. – № 4. – С. 20–24.

5. Лукашенко А. Г. Лазерная сварка тонколистовой нержавеющей стали модулированным излучением / А. Г. Лукашенко, Т. В. Мельниченко, Д. А. Лукашенко // Автоматическая сварка. – 2012. – № 4. – С. 19–23.

6. Пат. 2120364 РФ, МКИ В 23 К26/00. Способ импульсной лазерной сварки и установка для его осуществления / С. В. Каюков, А. А. Гусев, Г. В. Самарцев, А. Н. Канавин ; Заявл. 27.09.96; Опубл. 20.10.98, Бюл. № 28, 2002.