Лазерная сварка тонколистовой нержавеющей стали модулированным излучением
Исследовано влияние частоты модуляции мощности и формы импульсов лазерного излучения на формирование структуры металла шва при сварке аустенитной стали типа 18-10. Показано, что импульсное лазерное воздействие может оказывать влияние на кристаллизацию металла шва и формирование мелкозернистой структ...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101154 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Лазерная сварка тонколистовой нержавеющей стали модулированным излучением / А.Г. Лукашенко, Т.В. Мельниченко, Д.А. Лукашенко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 4 (708). — С. 19-23. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860039383037509632 |
|---|---|
| author | Лукашенко, А.Г. Мельниченко, Т.В. Лукашенко, Д.А. |
| author_facet | Лукашенко, А.Г. Мельниченко, Т.В. Лукашенко, Д.А. |
| citation_txt | Лазерная сварка тонколистовой нержавеющей стали модулированным излучением / А.Г. Лукашенко, Т.В. Мельниченко, Д.А. Лукашенко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 4 (708). — С. 19-23. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Исследовано влияние частоты модуляции мощности и формы импульсов лазерного излучения на формирование структуры металла шва при сварке аустенитной стали типа 18-10. Показано, что импульсное лазерное воздействие может оказывать влияние на кристаллизацию металла шва и формирование мелкозернистой структуры в нем. Определен оптимальный диапазон частоты модуляции.
The effect of power modulation frequency and shape of laser radiation pulses on formation of structure of the weld metal in welding of austenitic steel of the 18-10 type was investigated. It is shown that the pulse laser radiation can affect solidification of the weld metal and formation of the fine-grained structure in it. The optimal range of the modulation frequency was determined
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:55:37Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.72:621.375.826
ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА ТОНКОЛИСТОВОЙ
НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ МОДУЛИРОВАННЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
А. Г. ЛУКАШЕНКО, Т. В. МЕЛЬНИЧЕНКО, кандидаты техн. наук, Д. А. ЛУКАШЕНКО, инж.
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Исследовано влияние частоты модуляции мощности и формы импульсов лазерного излучения на формирование
структуры металла шва при сварке аустенитной стали типа 18-10. Показано, что импульсное лазерное воздействие
может оказывать влияние на кристаллизацию металла шва и формирование мелкозернистой структуры в нем.
Определен оптимальный диапазон частоты модуляции.
К л ю ч е в ы е с л о в а : лазерная сварка, тонкий лист, нер-
жавеющая сталь, кристаллизация, сварной шов, модулиро-
ванное излучение, параметры лазерной сварки, микро-
структура
В сварочном производстве эффективное исполь-
зование энергетических и материальных ресурсов
может быть достигнуто путем внедрения принци-
пиально новых энергосберегающих технологий и
оборудования.
Известны различные методы влияния на про-
цесс кристаллизации. При этом ставится задача
модифицирования структуры шва, в частности,
получение мелкозернистой структуры, что в боль-
шинстве случаев существенно улучшает свойства
сварного соединения. Выделяют два основных
способа воздействия на формирование структуры
шва: металлургический и технологический [1].
Металлургический основан на модифицировании
сварочной ванны химическими элементами с по-
мощью как присадочных материалов, подаваемых
в зону сварки, так и предварительной подготовкой
металла перед сваркой (нагартовка, наклеп, при-
менение технологических вставок) [2]. Техноло-
гический способ, помимо оптимизации режимов
сварки, предусматривает внешнее воздействие на
сварочную ванну (механическое, тепловое, элек-
тромагнитное).
В последнее время большое распространение
получил метод внешнего импульсно-периодичес-
кого воздействия с применением в качестве ис-
точника тепла лазерного излучения [3–8]. Изуче-
ние физических процессов, протекающих в сва-
рочной ванне при таком воздействии, крайне
сложно [9]. Отсутствие строгих математических
моделей процесса, быстротечность тепловых про-
цессов обусловливают проведение исследований
на основе комплексного подхода путем сочетания
качественных оценок, экспериментов, локального
моделирования с теоретическим обоснованием.
Получение высоких технологической прочнос-
ти и механических характеристик сварных сое-
динений является одной из основных задач при
лазерной сварке тонкостенных конструкций.
При этом для предотвращения горячих и хо-
лодных трещин в металле шва при сварке тонких
металлов важное значение приобретает возмож-
ность получения в нем мелкозернистой первич-
ной структуры [10–12].
В данной работе исследовано влияние пара-
метров импульсно-периодического лазерного воз-
действия, формы импульсов лазерного излучения
и частоты их следования на формирование струк-
туры шва при сварке аустенитной стали при пос-
тоянной средней мощности энерговложения.
Согласно статистическим представлениям тер-
модинамики [13] при кристаллизации металла ве-
роятность образования зародышей w1 можно
представить как
w1 = M1 exp(–ΔGk
⁄ (kBT)), (1)
где kB — постоянная Больцмана; T — темпера-
тура; ΔGk — критическое или максимальное зна-
чение свободной энергии.
При этом
ΔGk =
16πs3Tпл
2
3ΔT2Q2 , (2)
где s — поверхностное натяжение; Tпл — тем-
пература плавления металла; Q — скрытая теп-
лота кристаллизации.
Однако с увеличением переохлаждения про-
цесс диффузии тормозится, замедляя подход но-
вых атомов из жидкости к кристаллу. При этом
вероятность перехода из жидкой фазы в твердую
при образовании зародыша
w2 = M2 exp(–U ⁄ (kBT)), (3)
где U — энергия активации самодиффузии.
Вероятность w, определяющая количество цен-
тров кристаллизации n, равна произведению ве-
роятностей составляющих процессов:
© А. Г. Лукашенко, Т. В. Мельниченко, Д. А. Лукашенко, 2012
4/2012 19
w = w1w2 = M3 exp(–(ΔGk + U) ⁄ (kBT)), (4)
где М1–М3 — постоянные коэффициенты, зави-
сящие от свойств металла.
После подстановки выражения (2) в (4) полу-
чим зависимость количества центров кристалли-
зации от температуры:
w = M3 exp
⎛
⎜
⎝
–
⎛
⎜
⎝
16πs3Tпл
2
3ΔT2Q2 + U
⎞
⎟
⎠
⁄ (kBT)
⎞
⎟
⎠
. (5)
Зависимость вероятности появления зароды-
шей от степени переохлаждения приведена на
рис. 1.
Таким образом, под влиянием двух противо-
положных тенденций существует значение пере-
охлаждения, обеспечивающее оптимальные усло-
вия для образования максимального количества
зародышей.
На образующуюся структуру шва существен-
ное влияние оказывает также скорость кристал-
лизации. Так, линейная скорость роста грани
кристалла определяется как
w = M4 exp
⎛
⎜
⎝
–
⎛
⎜
⎝
πs3αTпл
ΔTQ
+ U1
⎞
⎟
⎠
⁄ (kBT)
⎞
⎟
⎠
. (6)
Увеличение количества центров кристалли-
зации и замедление скорости роста кристаллов
способствует измельчению кристаллитов.
Для определения технологических параметров,
обеспечивающих оптимальные условия создания
мелкозернистой структуры металла шва, лазер-
ную сварку осуществляли модулированным из-
лучением сложной формы (рис. 2). Форма им-
пульсов имела крутой передний фронт и плавно
ниспадающий задний, который содержал два
участка: плавящийся и кристаллизационный. Пер-
вый (0; t1) обеспечивает плавление материала без
интенсивного испарения, а второй участок (t1; t2)
имеет наклон, изменение угла которого позволяет
изменять скорость кристаллизации, при этом дли-
тельность участка определяет оптимальную сте-
пень переохлаждения свариваемого металла.
Использовав в качестве модели процесса теп-
лопередачи движущийся линейный сосредоточен-
ный источник в пластине с применением метода
источников, получим квазиустановившийся тем-
пературный процесс (рис. 3).
Задачей моделирования является выбор формы
и частоты следования лазерных импульсов, при
которых обеспечивается изменение температуры
сварочной ванны в области зоны фазовых пере-
ходов ликвидус–солидус, а также получение рас-
четных значений степени переохлаждения свари-
ваемого металла.
Материалы и аппаратура. Применяли ленту
толщиной 0,2 мм из стали 1.4541 согласно DIN
EN 10028-7:2000, являющуюся аналогом стали
08Х18Н10Т.
Образцы проваривали на трехкоординатном
лазерном сварочном комплексе «АРМА-100М»
(производитель — ИЭС им. Е. О. Патона), осна-
щенном иттербиевым волоконным одномодовым
лазером типа YLR-100-AC с мощностью излуче-
ния 100 Вт (производитель — IPG Laser, Герма-
ния), генерирующая сердцевина которого имеет
диаметр 10 мкм [14]. Лазерное излучение фоку-
сировалось на металл в пучок диаметром 40 мкм.
В качестве защитного газа сверху и снизу ис-
пользовали аргон. Проплавление изучали по це-
лому листу металла.
Рис. 1. Влияние степени переохлаждения на условия образо-
вания зародышей [13]
Рис. 2. Импульсно-периодический закон изменения мощнос-
ти лазерного излучения
Рис. 3. Квазиустановившийся процесс изменения температу-
ры сварочной ванны
20 4/2012
Методика эксперимента. Образцы ленты нер-
жавеющей стали (химический состав, мас. %: 0,72
Si; 0,25 Ti; 18,8 Cr; 1,68 Mn; 69,65 Fe; 8,9 Ni)
были проварены непрерывным лазерным излуче-
нием мощностью 57 Вт и модулированным ла-
зерным излучением. Форма модулированного им-
пульса соответствовала приведенному на рис. 2.
Амплитуда импульсов 100 Вт, частота модуляции
100, 1000, 2000, 3000, 5000, 10000 Гц, расчетные
значения степени переохлаждения соответственно
151, 143, 136, 125, 106, 82 К. Среднее значение
вкладываемой мощности 57 Вт, скорость сварки
0,33 см/с. Образцы для металлографического ана-
лиза в виде шлифов поперечных сечений сварных
соединений готовили по стандартной методике с
использованием шлифовально-полировального
станка фирмы «Struers». Микроструктуру и хи-
мический состав основного металла и сварных
соединений анализировали с помощью оптичес-
кого микроскопа «Reichert Polyvar Met» и ска-
нирующего микроскопа «СamScan», оснащенного
энергодисперсионной системой локального ана-
лиза «Energy 200». Микротвердость сварных со-
единений в поперечном сечении шва измеряли
индентором Виккерса на микроскопе «Reichert Po-
lyvar Met» при нагрузке 0,2 Н с шагом 50 мкм.
Результаты и их обсуждение. Макроструктура
сварного соединения образцов нержавеющей стали,
полученных при различных типах лазерного излу-
чения, распределение основных компонентов в зоне
шва и характер изменения микротвердости в зоне
соединения приведены на рис. 4.
Результаты исследования показывают, что
предложенный способ сварки лазерным лучом
обеспечивает химический состав зоны шва по ос-
новным элементам на уровне основного металла
как непрерывным, так и циклическим воздейс-
твием лазерного излучения. Следует отметить не-
которое обеднение зоны расплавления по марган-
цу примерно до 1,2 мас. %. При всех режимах
Частота
модуляции, Гц Макроструктура шва, ×100 Распределение основных
компонентов в сварном шве
Распределение микротвердости в
сварном шве
Непрерывное
излучение
100
1000
2000
Рис. 4. Макроструктура шва, распределение основных компонентов и микротвердости в поперечном сечении сварных соеди-
нений, полученных при различных частотах модуляции лазерного излучения
4/2012 21
сварки трещины отсутствуют как в зоне шва, так
и в металле ЗТВ.
При воздействии непрерывным излучением в
сварном шве формируется дендритная аустенит-
ная структура (рис. 5), характерная для высокой
скорости кристаллизации при лазерной сварке. В
зоне, примыкающей к линии сплавления, форми-
руются крупные равноосные зерна аустенита раз-
мером до 10 мкм.
Лазерная обработка нержавеющей стали мо-
дулированным излучением с частотой модуляции
100 Гц приводит к формированию сварочных ли-
ний в структуре шва, что существенно ухудшает
его качество. Структура шва неоднородна в ре-
зультате смешанной формы кристаллизации, что
вызывает формирование крупных кристаллитов с
участками видманштеттовой структуры. Из-за
структурной неоднородности микротвердость раз-
Частота модуляции,
Гц Микроструктура шва, ×300 Микроструктура околошовной зоны, ×600
Непрерывное
излучение
100
1000
2000
3000
5000
10000
Рис. 6. Микроструктуры шва и околошовной зоны в сварных соединениях, полученных при различных частотах модуляции
лазерного излучения
22 4/2012
личных участков шва отличается (см. рис. 4), что
может привести к ухудшению механических
свойств сварного соединения.
При частоте модуляции лазерного излучения
1000 Гц однородность структуры не улучшилась,
однако появились участки с ячеистой формой
кристаллизации (см. рис. 5). При этом микрот-
вердость шва выровнялась. Увеличение частоты
модуляции лазерного воздействия до 2000 Гц
обеспечивает преимущественно ячеистую форму
кристаллизации и формирование мелких аусте-
нитных зерен размером около 3 мкм с феррит-
ными выделениями по границам. При данном ре-
жиме сварки формируется структурно-однород-
ный шов, микротвердость различных зон которого
одинакова.
Аналогичная однородная микроструктура наб-
людалась также при частоте модуляции 3000 Гц.
Характеристики распределения основных компо-
нентов и микротвердости практически не отли-
чались от предыдущего эксперимента. Следует от-
метить, что в этих случаях линия сплавления ста-
новится более тонкой, а аустенитное зерно более
мелким, что положительно влияет на механичес-
кие свойства околошовной зоны.
Дальнейшее повышение частоты импульсов до
5000 и 10000 Гц привело к ухудшению однород-
ности формирования структуры шва и ее огруб-
лению.
Данный способ лазерной сварки был применен
при разработке технологии изготовления мелких
серий прямошовных тонкостенных сварных труб
различного диаметра из нержавеющих сталей, ис-
пользуемых для изготовления сильфонов и силь-
фонных сборок.
Выводы
1. Использование модулированного лазерного
воздействия при сварке образцов нержавеющей
стали влияет на морфологические особенности
кристаллизации структурных составляющих свар-
ного соединения.
2. Повышение частоты модуляции способству-
ет увеличению количества центров кристалли-
зации и формированию мелкозернистой ячеистой
аустенитной структуры.
3. Применение наклонной формы заднего
фронта импульса лазерного излучения обеспечи-
вает замедление роста кристаллитов, что также
приводит к формированию мелкозернистой яче-
истой структуры шва.
4. Влияние частоты модуляции на структуру
сварного шва имеет предельный характер. Опре-
делены оптимальные параметры модулируемого
импульса на структуру металла шва. Формирование
структурно-однородного шва с минимальным раз-
мером аустенитного зерна около 3 мкм происходит
при частоте модуляции 2…3 кГц. При этом рас-
четные значения оптимальной степени переохлаж-
дения находятся в пределах 125…136 К.
1. Морозов В. П. Влияние колебательного механизма крис-
таллизации на процесс измельчения первичной структу-
ры металла шва и зоны термического влияния // Наука и
образование. — 2010. — № 9. — С. 1–18.
2. Технология электрической сварки металлов и сплавов
плавлением / Под ред. Б. Е. Патона. — М.: Машиностро-
ение, 1974. — 768 с.
3. Левин Ю. Ю., Ерофеев В. А., Судник В. А. Физико-техно-
логические условия получения бездефектных соедине-
ний при импульсной лазерной сварке // Свароч. пр-во. —
2008. — № 4. — С. 20–24.
4. Пат. 2120364 РФ, МКИ В 23 К26/00. Способ импуль-
сной лазерной сварки и установка для его осуществле-
ния / С. В. Каюков, А. А. Гусев, Г. В. Самарцев, А. Н.
Канавин. — Заявл. 27.09.96; Опубл. 20.10.98, Бюл. № 28,
2002.
5. Пат. 2186667 РФ, МКИ В 23 К26/20. Способ лазерной
сварки металлов и сплавов / Т. Т. Басиев, А. В. Федин,
Е. А. Чащин, И. В. Шилов. — Заявл.10.01.2000; Опубл.
10.08.02.
6. Пат. 2269401 РФ, МКИ B 23 K26/20. Способ лазерной
сварки металлов / В. Н. Мышковец, А. В. Максименко,
С. В. Шалупаев и др. — Заявл. 27.08.04; Опубл.10.02.06.
7. Bruncko J. Laserove mikrozvaranie kovovych materialov //
Zvaranie-svarovani. — 2010. — № 9/10. — S. 219–222.
8. Celen S., Karadeniz S., Ozden H. Effect of laser welding pa-
rameters on fusion zone morphological, mechanical and mic-
rostructural characteristics of AISI 304 stainless steel // Ma-
terialwissenschaft und Werkstofftechnik. — 2008. — 39,
№ 11. — S. 845–850.
9. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Техно-
логические процессы лазерной обработки: Уч. пос. для
вузов / Под ред. А. Г. Григорьянца. — М.: Изд-во МГТУ
им. Н. Э. Баумана, 2006. — 664 с.
10. Назарчук А. Т., Снисарь В. В., Демченко Э. Л. Получение
равнопрочных сварных соединений закаливающихся
сталей без подогрева и термической обработки // Авто-
мат. сварка. — 2005. — № 5. — С. 41–46.
11. Раямяки П., Кархин В. А., Хомич П. Н. Определение ос-
новных характеристик температурного поля для оценки
типа затвердевания металла шва при сварке плавлением
// Свароч. пр-во. — 2007. — № 2. — С. 3–7.
12. Силлен Р. Введение в термический анализ металлов //
Литье Украины. — 2005. — № 5. — С. 6–8.
13. Теория сварочных процессов: Учеб. пособие для вузов /
В. Н. Волченко, В. М. Ямпольский и др.; под ред. В. В.
Фролова. — М.: Высш. шк., 1988. — 559 с.
14. YLR-100-AC. Ytterbium fiber laser: User’s guide. — IPG
Laser GmbH, 2009.
The effect of power modulation frequency and shape of laser radiation pulses on formation of structure of the weld
metal in welding of austenitic steel of the 18-10 type was investigated. It is shown that the pulse laser radiation can
affect solidification of the weld metal and formation of the fine-grained structure in it. The optimal range of the modulation
frequency was determined.
Поступила в редакцию 10.11.2011
4/2012 23
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101154 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:55:37Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Лукашенко, А.Г. Мельниченко, Т.В. Лукашенко, Д.А. 2016-05-31T15:40:49Z 2016-05-31T15:40:49Z 2012 Лазерная сварка тонколистовой нержавеющей стали модулированным излучением / А.Г. Лукашенко, Т.В. Мельниченко, Д.А. Лукашенко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 4 (708). — С. 19-23. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101154 621.791.72:621.375.826 Исследовано влияние частоты модуляции мощности и формы импульсов лазерного излучения на формирование структуры металла шва при сварке аустенитной стали типа 18-10. Показано, что импульсное лазерное воздействие может оказывать влияние на кристаллизацию металла шва и формирование мелкозернистой структуры в нем. Определен оптимальный диапазон частоты модуляции. The effect of power modulation frequency and shape of laser radiation pulses on formation of structure of the weld metal in welding of austenitic steel of the 18-10 type was investigated. It is shown that the pulse laser radiation can affect solidification of the weld metal and formation of the fine-grained structure in it. The optimal range of the modulation frequency was determined ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Лазерная сварка тонколистовой нержавеющей стали модулированным излучением Laser welding of thin-sheet stainless steel using modulated radiation Article published earlier |
| spellingShingle | Лазерная сварка тонколистовой нержавеющей стали модулированным излучением Лукашенко, А.Г. Мельниченко, Т.В. Лукашенко, Д.А. Научно-технический раздел |
| title | Лазерная сварка тонколистовой нержавеющей стали модулированным излучением |
| title_alt | Laser welding of thin-sheet stainless steel using modulated radiation |
| title_full | Лазерная сварка тонколистовой нержавеющей стали модулированным излучением |
| title_fullStr | Лазерная сварка тонколистовой нержавеющей стали модулированным излучением |
| title_full_unstemmed | Лазерная сварка тонколистовой нержавеющей стали модулированным излучением |
| title_short | Лазерная сварка тонколистовой нержавеющей стали модулированным излучением |
| title_sort | лазерная сварка тонколистовой нержавеющей стали модулированным излучением |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101154 |
| work_keys_str_mv | AT lukašenkoag lazernaâsvarkatonkolistovoineržaveûŝeistalimodulirovannymizlučeniem AT melʹničenkotv lazernaâsvarkatonkolistovoineržaveûŝeistalimodulirovannymizlučeniem AT lukašenkoda lazernaâsvarkatonkolistovoineržaveûŝeistalimodulirovannymizlučeniem AT lukašenkoag laserweldingofthinsheetstainlesssteelusingmodulatedradiation AT melʹničenkotv laserweldingofthinsheetstainlesssteelusingmodulatedradiation AT lukašenkoda laserweldingofthinsheetstainlesssteelusingmodulatedradiation |