Лучевая сварка нержавеющих аустенитных сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лучевая сварка нержавеющих аустенитных сталей

Кудинов В.С.

Попова М.И.

Аннотация

сварка нержавеющий аустенитный сталь

В данной статье проведен анализ новых зарубежных научных работ, связанных с применением лазерного лучевого метода сварки нержавеющих аустенитных сталей. В первой работе рассмотрены комплексное изучение процессов лазерной сварки с учетом эффекта низкотемпературного превращения и его влияния на микроструктуру и свойства сварных соединений. В другом исследовании рассмотрено применение лазерной сварки с неполным проплавлением соединения внахлест с целью изучения образующихся деформаций листа. В последнем исследовании рассмотрено исследование сварки зеленым лазерным лучом относительно новой технологии, позволяющей создавать более узкие сварные соединения шириной менее 100 мкм.

Ключевые слова: лазерная сварка, нержавеющая сталь, аустенитная сталь, лазерный луч.

Abstract

This article analyzes new foreign scientific articles related to the laser beam welding of stainless austenitic steels. In the first work, a comprehensive study of laser welding processes is considered, taking into account the effect of low - temperature transformation (LTT) and its effect on the microstructure and properties of welded joints. In another article, the use of laser welding with incomplete penetration of the lap joint was considered in order to study the resulting deformations of the sheet. The last article examines the study of green laser beam welding with a relatively new technology that allows you to create narrower welded joints with a width of less than 100 microns.

Keywords: laser welding, stainless steel, austenitic steel, laser beam.

Лазерная сварка -- это технологический процесс соединения металлических деталей с использованием лазерного излучения. Лазерный луч фокусируется при помощи линз, с созданием необходимой длиной волны, которой настраивается глубина и ширина проплавления металла. Важными преимуществами данного метода являются высокая точность лазерного луча, малые деформации металла в следствие низкого теплового воздействия, что позволяет применять данный метод сварке тонколистовых металлов, высокая скорость сварки и, как следствие, практическое отсутствие окислов.

Исходя из своих преимуществ, применение данного метода рекомендуется при сварке нержавеющих аустенитных сталей, подверженных тепловой деформации ввиду высокого коэффициента линейного расширения, а коррозионная стойкость - основное и важное свойство данных сплавов, снижается при окислении хрома при температурах, выше рабочих.

В работе Кришна Мурти К.Р. [1] была предложена эволюция объемных долей при сварке лазерным лучом нержавеющей стали с особым упором на учет эффекта низкотемпературного превращения (LTT) с использованием дилатометра. Эффект LTT относится к фазовым превращениям, которые происходят при более низких температурах и приводят к образованию мартенситной микроструктуры, которая будет существенно влиять на остаточные напряжения и деформацию сварных соединений. В этом исследовании условия низкой температуры превращения достигаются изменением содержания Cr и Ni в сварном шве, полученных в результате изменения параметров сварки, включая мощность лазера, скорость сварки и скорость подачи присадочной проволоки. Для моделирования тепловых условий, возникающих при сварке с помощью дилатометра, используется аналитическая технология дилатометрии. Подвергая образцы из нержавеющей стали контролируемым циклам нагрева и охлаждения, можно измерить кинетику объемных соотношений, используя правило рычага и эмпирический метод (КОП и Ли). Модель фазового превращения рассчитывается путем интегрирования термических и металлургических эффектов для прогнозирования объемных фракций в соединениях лазерной сварки и была проверена с использованием дилатометрии.

Это исследование сфокусировано на изучении кинетики фазовых превращений в сварных швах низкотемпературного превращения с измененным химическим составом. Для этого использовались численное моделирование, включая как эмпирический, так и графический подходы. Была проведена аналитика процесса образования мартенсита при различных химических составах высоколегированного сплава 1.4301 с использованием низколегированной присадочной проволоки G3Sil, изменяя содержание хрома на 13%, 14% и 15%. Выходная мощность 6 кВт, 5.8 кВт и 5.8 кВт соответственно, скорость сварки - 0.8 м/мин, скорость подачи проволоки 6.9 м/мин, 3.4 м/мин и 3.4 м/мин соответственно, кромка шва - 1.4x1.4 мм, 1.6x1.0 мм и 1.4х1.0 мм соответственно. Температура начала образования мартенсита была определена как 400.86 К, 373.8 К, 304.3 К соответственно.

Для расчета температуры фазового превращения в мартенсит называется соответствующего изменения длины для всех химических составов был проведен дилатометрический эксперимент, Результаты указывают на уменьшение температуры мартенситного превращения с увеличением содержания хрома, что подтверждает эффект LTT, Образование мартенсита сопровождается увеличением объема, и использованием эмпирического подхода позволяет более точно рассчитать объемную долю по сравнению с графическим методом.

Вместо прямого преобразования данных дилагометрии в объемную долю, вычисление объемной доли на основе параметров решетки повышает точность. Имитационная модель объемной доли была откалибрована по экспериментальным данным для точного прогнозировання и показала хорошее соответствие (более 90% для эмпирических и модельных значений) с экспериментальными данными.

Зная объемные доли, можно рассчитать соответствующие деформации, что помогает предсказать уменьшение деформации благодаря эффекту LTT, Фазовые превращения и их зависимость от параметров лазерного воздействия предоставляют ценную информацию о поведении нержавеюшей стали с эффектом LTT во время лазерной сварки. Увеличение объема из -за образования мартенситной фазы в сварном шве за счет эффекта LTT приводит к возникновению сжимающих напряжений. Прогнозирование объемных долей с использованием моделирования играет ключевую роль в понимании и предсказании механического поведения (деформаций и остаточных напряжений) после сварки.

В работе Ч. Яо [2] были проведены эксперименты по лазерной сварке внахлестку без проплавления пластин из оцинкованной аустенитной стали SUS304 с использованием оптоволоконного лазера, чтобы исследовать механизм образования выпуклостей. Был проведен сравнительный эксперимент лазерной сварки внахлестку оцинкованной стали DC01 и углеродистой стали Q235, профиль прогиба и деформации частично прорезанной стороны листов был измерен с помощью бесконтактного лазерного интерферометра. Кроме того, холоднокатаный SUS304 после гибки подвергался термической обработке при различных температурах и закалке в воде, чтобы охарактеризовать его микроструктуру при растяжении и сжатии.

Результаты показывают, что на стадии нагрева в термическом цикле лазерной сварки внахлестку сторона частичного проплавления стального листа SUS304 создает сжимающее напряжение, которое выталкивает материал в зоне термического воздействия наружу с обратной стороны стального листа SUS304, образуя, таким образом, выпуклость. Результаты этих экспериментов могут иметь большое значение для контроля деформации стороны с частичным проплавлением листа аустенитной нержавеющей стали при лазерной сварке внахлест без проплавления.

В работе Э. Хаддада [3] были проведены эксперименты с однорежимным источником лазерного луча, излучающим в видимом зеленом диапазоне длин волн (532 нм), которым производилась сварка тонколистового материала из нержавеющей стали, аналогичного материалам, используемым в биполярных пластинах. Биполярные пластины представляют собой структурированные тонкие металлические листы и, наряду с мембранно-электродным узлом, являются одним из основных компонентов топливных элементов с полимерно-электролитической мембраной. При создании биполярных пластин одним из этапов является соединение между собой двух составных частей, что возможно выполнить при помощи лазерной сварки. В данном исследовании был применен недавно разработанный зеленый источник лазера квазинепрерывного диапазона (QCW) с более высоким качеством луча, позволяющий оценить влияние длины волны и диаметра пятна на сварку материалов из нержавеющей стали. При использовании различных фокусирующих линз были достигнуты различные диаметры луча менее 20 мкм и было проанализировано их влияние на конечный результат сварки, в частности, на ширину шва.

При использовании линзы f50 (do=4,06 мкм) достигается глубина проплавления > 0,2 мм при максимальной скорости сварки 300 мм/с и выходной мощности 300 Вт. Максимальная скорость сварки 200 мм/с при выходной мощности 200 Вт также позволяет достичь требуемой цели. При выходной мощности 100 Вт этот критерий не соблюдается. Из -за того, что глубина сварки при использовании этого объектива значительно ниже ожидаемой, более высокие скорости сварки в данной конфигурации (режим f50 и APC) не рассматриваются.

При использовании линзы f100 (d₀=8,12 мкм) параметр окна больше: при минимальной выходной мощности 200 Вт и при скорости сварки 600 мм/с достигается глубина сварного шва >0,2 мм. При максимальной установленной выходной мощности 500 Вт этот критерий соблюдается при максимальной скорости сварки 1800 мм/с.

При использовании линзы f200 (do=16,24 мкм) достигается самая высокая скорость сварки среди всех применяемых (2000 мм/с) и выходная мощность 300 Вт, что обеспечивает требуемую глубину сварки.

Рассмотренные работы позволяют приобрести новые знания в данной области и дают возможность развития лазерной сварки в будущем. Как и было изложено ранее, данные исследования позволят предсказывать и предотвращать деформации т остаточные напряжения после сварки нержавеющих сталей. Помимо этого, они раскрывают информацию о нововведениях и их влиянии на свариваемые соединения.

К сожалению, на изучение данной темы в России уделяется меньше внимания. Лазерная сварка имеет большие перспективы среди всех термических методов сварки, и за счет подобных исследований можно повысить энтузиазм и интенсивность исследований в этой области в нашей стране.

Список литературы

1. Krishna Murthy K.R. et al. Modelling the Evolution of Phases during Laser Beam Welding of Stainless Steel with Low Transformation Temperature Combining Dilatometry Study and FEM //Journal of Manufacturing and Materials Processing. - 2024. - Т. 8. - № 2. - С. 50. DOI: 10.3390/jmmp8020050.

2. Yao C. et al. Bulging Distortion of Austenitic Stainless Steel Sheet on the Partially Penetrated Side of Non-Penetration Lap Laser Welding Joint //Chinese Journal of Mechanical Engineering. - 2024. - Т. 37. - № 1. - С. 7. DOI: 10.1186/s10033-023-00987-2.

3. Haddad E. et al. Welding of thin stainless-steel sheets using a QCW green laser source //Scientific Reports. - 2024. - Т. 14. - № 1. - С. 1-12. DOI: 10.1038/s41598-024-54305-4.

Размещено на Allbest.ru