Научно-техническая деятельность

Сфокусированное лазерное излучение, превышает интенсивность энергии электронного луча. Это позволяет использовать лазерное излучение в технологических процессах сварки, резки, наплавки, термоупрочнении металлов, маркировки металлов и неметаллов, огромные возможности лазерное излучение имеет в медицине  и т.д. 
 
Из перечисленных технологических процессов наиболее сложным является лазерная сварка. Без понимания физики взаимодействия лазерного излучения с металлом,  металлургических процессов происходящих в расплавленном металле, специалисты сталкиваются с трудностями, которые возникают сразу же при  формировании сварочной ванны и образовании сварного шва с показателями  технологической прочности сварного соединения, механическими и эксплуатационными свойствми не отвечающими показателям регламентирующих документам на сварную конструкцию.
 
Однако анализ их публикаций показывает следующее: 1.  При гибридной сварке с подачей присадочной проволоки формирование сварного шва с лицевой стороны происходит не качественно с подрезами (рис.2,а). С корневой части сварного соединения наблюдается неравномерное формирование шва с наплывами и пустотами (рис.2,б). Наблюдается в процессе гибридной сварке активное плазмообразование с активным разбрызгиванием жидкого металла (рис.3,а), что приводит к прилипанию капель металла к основному металлу на лицевой части свариваемой конструкции (рис.3,б), что является неприемлемым в ответственных конструкциях.
 
а
 
 
б
 
Рис.1.  Гибридная (лазерно -дуговоя) сварка: а- схема процесса; б- фото процесса.
 
 
а
 
 
б
 
Рис.2. Формирование сварного соединения при гибридной сварке: а-вид подрезов; б-вид наплывов.
 
 
а
 
 
б
 
Рис.3. Процесс разбрызгивания жидкого металла при гибридной сварке: а- наблюдаемое разбрызгивание в процессе сварки; б- прилипшие капли с лицевой поверхности конструкции.
 
Образующие подрезы, наплывы являются неприемлимыми при любой сварке. Конструкции с такими дефектами, как правило бракуются в ответственных конструкциях или же там где это допускается устраняются путем подварки, что увеличивает трудоемкость и снижает экономические показатели производства. Удаление прилипших капель с лицевой поверхности конструкции является очень трудоемким процессом, а использование специальных паст наносимых на поверхность изделия удоражает данную технологию.
 
Огромная по размерам плазма приводит к перегреву фокусирующих лазерное излучение систем, к ее быстрому выходу из строя, т.е. в промышленном применение при таких размерах плазмы гибридная сварка без принятия каких - то мер неприемлема.
 
Другим наиболее серьезным недостатком гибридной технологии является невозможность сварки по зазору в свариваемом стыке более 0,3 мм на сталях толщиной более 8 мм. Так как вне поле плавления металла дугой наблюдается такое же по характеру проплавление, что и при обычной лазерной сварке, т.е. кинжальное проплавление с шириной шва с размерами около 1 мм. Но еще более неприемлемым является высокая твердость металла шва и ЗТВ, которая превосходит в несколько раз твердость основного металла и регламентированные значения (НV 260), например для углеродистых низколегированных сталей применяемых в изготовлении газонефтепроводных труб  (рис.4 а,б). Высокая твердость приводит к снижению пластических свойств сварных соединений, что наглядно представленно  фирмой BAM при испытание образцов  на ударную вязкость (рис. 4.б.).
 
 Снижение пластических свойств сварных соединений выполненных гибридной сваркой стало одной из причин не удачного применения фирмой IMG (Германия) поставленного оборудования на судостроительные верфи, в частности,  Finrantieri (Италия) и «STX Europe» («Aker Yards») (Финляндия). Поставленное оборудование с гибридной технологией не прошел сортификацию сварных соединений для толщины металла даже 8 мм.
 
 
 
а
 
 
б
 
 
в
 
Рис.4. Свойства сварных соединений при гибридной сварке: а и б - распределение твердости в сварном соединении; в - ударная вязкость в различных зонах сварного соединения.
 
Гибридной технологии наши специалисты в 1988 - 89 г.г. провели цикл работ, который недал также положительных результатов. Работы по гибридной технологии  проводились по причине отсутствия лазеров мощностью свыше 5 кВт и главной задачей в то время было достичь увеличение глубины проплавления используя для этого два тепловых источника лазер + дугу. Другая причина заключалась  в том, что специалисты занимающие традиционно много десятилетий дуговыми способами сварки видели возможности расширения потенциала дуговых методов сварки путем использования дополнительного источника тепла, каким является лазерный луч.   Рассматривая объективно соединения двух данных методов сварки в единый процесс  пока не видно предпоылок, что существующие проблеммы свойственные лазерной сварке удалось решить с помощью дуговых процессов . Работы по гибридной технологии нами были прекращены. Хотя по своему объему и практическим результатам они превосходили все, что опубликовано за последние годы в России и за рубежом.
 
Нельзя не отметить к сказаному выше еще ряд недостатков гибридной технологии -   необходимость выполнения разделки кромок на металле большой толщины с помощью механической обработки и, как следствие, это приводит увеличению трудоемкости, к повышенному расходу присадочной проволоки.
 
Следует также отметить, что теряется главное преимущество лазерной сварки - это возможность вести процесс на больших скоростях. Результаты исследований [12,13] показывают, что гибридная сварка выполняется на скоростях дуговой сварки, т.е. в среднем 2 м/мин. Попытки увеличить скорость сварки приводит к образованию различного рода дефектов, свойственных дуговой сварки.
 
Основной акцент в своих работах был направлен на раскрытие потенциальных возможностей лазерной сварке и раскрытия ее преимуществ, которые представленны ниже.
 
Лазерная сварка ее достоинства и практическое применение. 
 
Высокая концентрация сфокусированного лазерного излучения, как известно [1,2,3] позволяет получать сварное соединение с кинжальной формой проплавления (рис. 9).

Рис. 9. Характер проплавления стали толщиной 10 мм на оптоволоконном лазере IPG:
 
-мощность излучения 10 кВт;
 
- скорость сварки 2 м/мин.
 
Это позволило широко применять лазерную сварку при изготовлении изделий различного назначения. Например, разработанная технология и оборудование сварки из пищевой белой жести консервных банок с толщиной стенки 0,15 мм и аэрозольных балонов, что позволило обеспечить высочайшую скорость сварки 60 м/мин при механических свойствах сварного соединения на уровне основного металла (рис.10).
 
 
а
 
 
б
 
Рис.10. Корпуса консервной банки (а) и аэрозольного балона (б).
 
Разработанны и внедрены технологии лазерной сварки прецизионных изделий в автомобилестроении, например, приварка синхронизатора к телу шестерни коробки передач. Шестерня и синхронизатор изготавливается из низколегированных сталей подвергнутых закалки с последующим отпуском. Синхронизатор с нулевым зазором насаживается на  шестерню и по стыку проваривается на скорости 2 м/мин лучом лазера. Сварное соединение обладает прочностью не уступающей основному металлу и пластичностью отвечающей всем эксплуатационным требованиям на изделие [4,5]. Другим примером может служить лазерная сварка труб из нержавеющих сталей аустенитного класса, где лазерная сварка выполняется по беззазорному стыку на скоростях до 30 м/мин. Сварной шов и околошовная зона (ОШЗ) сохраняют аустенитную структуру во всем диапазоне температурного охлаждения от кристаллизации до отрицательных температур. Прочность и пластичность сварного соединения близка к показателям основного металла [6].
 
Однако сборка сварного стыка на больших толщинах (>5 мм) в судостроении, в трубной промышленности сопряжено с большими трудностями и обеспечить стык с зазором 0 – 0,3 мм проблематично. В данных отраслях обычно после тщательной подготовки кромок  зазор в свариваемом стыке обеспечивается  в пределах 1,0 – 1,5 мм.
 
Другим сдерживающим фактором применения лазерной сварки является жесткий термический цикл охлаждения сварочной ванны при ее кристаллизации и в процессе распада аустенита. В металлургии, судостроение, энергетических отраслях используются листовой прокат из стали 09Г2С, 10Г2БТЮ, 17Г2СУ, 06ГФБАА, Ст 30, А32 – А40, E40, 16ГНМ, 22К и др., который при термических циклах свойственных лазерной сварке имеют прочность сварного соединения σв на уровне основного металла, а твердость металла шва, ОШЗ (таблица 1) находятся на недопустимо высоком уровне (превышает регламентируемые значения НV≤260), а пластические свойства ан на довольно низком уровне (рис. 12). Проведенная киносъемка сварочной ванны при лазерной сварке (рис. 13) показывает, что ее геометрические размеры очень малы и скорость охлаждения  в температурном интервале хрупкости (ТИХ) (рис. 8) [7] может достигать или превышать на больших толщинах металла 2000оС/с.
 
а б в
 
Рис. 3. Вид сварочной ванны при лазерной сварке :
 
Сталь 17Г1СУ, толщиной 10 мм, Ризл.= 10 кВт, Vсв.= 1 м/мин:
 
а –обычной, ; б –при увеличенных ее размерах; в - при увеличенных ее размерах и Ризл. =12 кВт.
 
 
Таблица 1
Распределение твердости (HV) по сечению сварных соединений, выполненных  лазерной сваркой на стали 09Г2СФ (δ=5,7 мм, Р = 7,2 кВт)
 
Номер шва,(Vсв)
Место замера
Твердость металла, НV
Шов 3TB
Шов 1 (1,8 м/мин)
Л(0,4-0,6) 402, 402 411, 371, 386, 386
Л (1,24) 402, 402 402,402, 402, 402, 356, 356, 330, 296, 258, 217, 203, 189, 189, 203, 203←
К(0,4-0,6) 371, 371 371, 371, 404, 371
Примечание. В графе «место замера» обозначение «Л» указывает, что замеры твердости проводили с лицевой стороны шва, а обозначение «К» – со стороны корня шва. Цифры в скобках показывают расстояние от соответствующей поверхности образца.

Рис. 4. Влияние способов и режимов сварки на скорость охлаждения металла шва в ТИХ (  ): ----- – аргонодуговая сварка; —— – лазерная сварка; 1 – 18ХГТ; 2 – 12Х2Н4А.

Рис. 5. Влияние способа и скорости сварки на скорость охлаждения металла шва в интервале температур (600–500оС).
 
---- – аргонодуговая сварка, — - — электронно-лучевая сварка,
 
 —— – лазерная сварка. 
 
В интервале температур распада аустенита скорость охлаждения находится в интервале 450 – 600оС/с  (рис. 14). Исследования на технологическую прочность (рис.15,16) [8,9] показывают, что лазерная сварка сталей с большими скоростями охлаждения металла шва в ТИХ, т.е. металла находящим в твердожидком состоянии благоприятно сказывается на стойкость сварных соединений против образования кристаллизационных (горячих) трещин. Чем выше скорость сварки, тем вероятность образования горячих трещин ниже. Это связано с первичной структурой (рис.12,13), которая с увеличением скорости сварки становится более дисперсной, а следовательно, более стойкой против возникновения горячих трещин [10].
 
 
Рис. 6. Влияние способов и режимов сварки на суммарную длину трещин в шве (L): 1 − лазерная сварка (защита − Не); 11−лазерная сварка (защита – СО2) 2 − электронно-лучевая сварка; 3 − аргонодуговая сварка;
 
—— −12Х2Н4А; ----- − Ст.35
 
 
Рис. 7. Склонность к образованию трещин: 1 – аргонодуговая сварка; 2,3 – лазерная сварка при Р, равной 1.5 и 5 кВт, соответственно.
 
Двойственная ситуация возникает на разных марках сталей по сопротивляемости сварных соединений образованию холодным трещинам. На сталях типа 12Х2Н4А, 18ХГТ применяемых для изготовления шестерен при достаточно жестком термическом цикле охлаждения в температурном интервале распада аустенита образуется мелкодисперсная вторичная структура, обладающая высокими пластическими свойствами и высокой сопротивляемостью холодным трещинам (рис.20).
 
а в
б г
Рис. 8. Первичная структура металла шва: сталь 12Х2Н4А, аргонодуговая сварка (а) сталь 12Х2Н4А, (в) Ст.35- Vcв = 0,33 м/мин; лазерная сварка (б) сталь 12Х2Н4А, (г) Ст.35- Vcв = 2,0 м/мин (х100).

Рис. 9. Дисперсность первичной структуры стали 08Х18Н9Т: 1-3 – размер частиц, 5–10, 5–25 и 30–40 мкм.

Это связано с тем, что на данных сталях жесткий термический цикл охлаждения металла шва приводит к измельчению аустенитной структуры сварного шва и ОШЗ (рис.21). Соответственно в мелкой аустенитной структуре образуется дисперсная вторичная структура (так называемый без структурный мартенсит) [9], которая обладает высокими пластическими свойствами (рис.22).
 
На углеродистых сталях Ст 3, 30, 35, бейнитных сталях 09Г2С 10Г2БТЮ, 17Г2СУ, 06ГФБАА, А32 – А40, существенного измельчения аустенитной структуры не происходит (рис.23), а высокие скорости охлаждения в температурном интервале распада аустенита приводит к образованию грубой мартенситной структуры (рис 24), обладающей низкими пластическими свойствами, высокой твердостью и пониженной сопротивляемостью образования металла шва и ОШЗ холодным трещинам (см. рис. 17).

Рис. 10. Влияние способа и скорости сварки на показатель сопротивляемости холодным трещинам (s).
 
1 – 12Х2Н4А, 2 – 18ХГТ, 3 – 12Х2Н4А + 18ХГТ, 4 – Ст-10, 5 – Ст-35,
 
6 – Ст-35 + Ст-10. ---- – аргонодуговая сварка, — - — – электроннолучевая сварка,  —— – лазерная сварка.
 
а б
в г
Рис. 11. Характер аустенитной структуры металла шва стали 12Х2Н4А:   аргонодуговая сварка а - Vсв.= 0,33 м/мин;  лазерная сварка б - Vсв.= 1,32 м/мин, в - Vсв.= 2,0 м/мин , г - Vсв.= 3,3 м/мин  (х100).

 

Другим важным фактором, сдерживающим применение лазерной сварки больших толщин (от 5 до 60 мм), является высокие требования к сборке свариваемого стыка, который должен быть таким, чтобы обеспечить достаточное и равномерное расплавление свариваемых кромок по всей свариваемой толщине металла и на всем протяжении свариваемого стыка. Практика работ с металлургами и судостроителями показывает, что при сборке стальных листов на длине стыка протяженностью 10 - 30 м, металла толщиной от 8 до 30 мм обеспечить  зазор в свариваемом стыке меньше 1 мм  оказалось трудоемким и технически невыполнимым мероприятием. Это сдерживает более широкое применение лазерной сварки.
 
В связи, с изложенным актуальным является найти пути, которые позволили бы на более широком диапазоне сталей и больших толщинах металла сохранить достоинства лазерной сварки:
 
- кинжальное проплавление металла;
 
- качественное формирование лазерного сварного шва при зазоре в стыке 1-3 мм при сварке металла толщиной 5 – 50 мм;
 
-высокую скорость сварки (1 – 10 м/мин);
 
-прочность сварных соединений близкую к основному металлу;
 
-пластические свойства сварных швов и ЗТВ на уровне, регламентируемых значений.
 
- низкие остаточные деформации конструкции.
 
Наиболее оптимальным является способ лазерной сварки, позволяющий увеличить объемные размеры сварочной ванны, т.е. как видно из (рис. 10,13) увеличить ее ширину и длину (сравните с рис.10,а), что привело к уменьшению скорости охлаждения металла сварного шва в температурном интервале распада аустенита до 120 – 200оС/с. Это привело к снижению твердости  сварного шва и ОШЗ до уровня близкого к твердости основного металла (таблица 2), прочность и ударная вязкость также близки к показателям основного металла (таблица 3).
 
Таблица 2
 
Исследование твердости (HV10)
Номер шлифа Сварной шов ЗТВ Основной металл
08ГФБА
14
15
16
среднее
249, 245, 240
249, 247, 243
249, 247, 243
246
 
222, 219
221, 221
216, 215
219
 
202,  198
198, 201
201, 203
201
 
09Г2СУ
1
2
среднее
226   221    217
204    228    212
218
 
203   204
202   205
204
 
197   200
198   195
197
 

Таблица 3

Сопоставление механических свойств лазерных сварных соединений с показателями основного металла.

Основной металл: Фактические значение Требуемые значения
Предел прочности
s0,2, Н/мм2
510–520
515
490–588
Ударная вязкость, Дж/см2:    
КСU-60
147–169
154
29,4
КСV-20
144–151
147
39,2
Сварное соединение: Фактические значение Требуемые значения
Предел прочности
s0,2, Н/мм2
608–628
618
≥588
Ударная вязкость с надрезом по центру шва, Дж/см2    
КСU-40
147–169
154
≥39,2
КСU-60
144–151
147
-
КСV-40
144–151
147
-
КСV-30
144–151
147
-
Увеличенный объем сварочной ванны позволил снизить требования к точности сборки свариваемого стыка. 
 
Так при сварке газонефтепроводных труб с толщиной стенки 8 мм лазерную сварку выполняли по зазору в стыке 0,5 - 0,7 мм, а на некоторых участках свариваемого стыка зазор достигал 1,0 мм. Для обеспечения усиления шва при лазерной сварке подавалась присадочная проволока диаметром 1,2 мм со скоростью 1,2 м/мин. Внешний вид сварного шва представлен на рис. 21,а. На стальных образцах с толщиной стенки 12 мм качественное сварное соединение обеспечивается при зазоре в стыке до 1,2 мм; 16 мм – до 1,5 мм; 30 мм – до 1,8 мм и 50 мм – 2,8 мм рис.21,б.
 
Заваренные трубы прошли полный цикл испытаний, результаты представлены в таблице 4.
 
Таблица 4
 
Результаты натурных испытаний внутренним гидравлическим давлением до разрушения труб, сваренных лазерным лучем.
 
Характеристики Труба
  №1 №2
Фактические параметры трубы:
 
наружный диаметр, мм
 
толщина стенки, мм
 
нормативные значения временного сопротивления разрыву σв, Н/мм2
 
Параметры разрушения:
 
максимальное давление в трубе Рmax, МПа
 
длина разрыва по околошовной зоне, мм
 
общая длина разрыва, мм
 
характер разрушения
 
Деформации в очаге разрушения, %:
 
    в кольцевом направлении ε
 
   в осевом направлении εх
 
   по толщине кромки εz
 
   в зоне равномерных деформаций εр
 
Кольцевые разрушающие напряжения σк, Н/мм2
 
Коэффициент конструктивной прочности металла Кп = σк/ σв
526,0
 
8,5
 
588
 
20
 
190
 
585
 
Вязкий
 
6,0
 
2,6
 
-25
 
4,5
 
608
 
1,04
526,5
 
8,3
 
588
 
20
 
225
 
575
 
Вязкий
 
6,6
 
4,4
 
-32
 
5,3
 
622
 
1,06
Результаты испытаний свидетельствуют о стабильности свойств металла и лазерных сварных соединений труб в условиях двухосного нагружения.
 
Также, исследования показывают, что появилась реальная возможность расширить возможность управления свойствами сварного соединения посредством увеличения вкладываемой мощности лазерного излучения и скорости сварки. Так, в частности, при постоянной вкладываемой мощности лазерных лучей изменяя скорость сварки, в сторону ее увеличения происходит  уменьшение параметров сварного соединения (рис. 10 б). При этом длинна и ширина сварочной ванны уменьшается, а это влечет за собой уменьшение ширины сварного шва и ЗТВ, изменяются параметры структуры, твердость металла шва и ЗТВ растет, прочность возрастает, а ударная вязкость снижается.  В случае уменьшения скорости сварки наблюдается обратная зависимость, а именно увеличивается ширина и длинна сварочной ванны (рис. 10 в), что влечет за собой увеличение ширины сварного шва и ЗТВ, структура в них укрупняется, твердость заметно снижается, ударная вязкость повышается при сохранении прочности практически  на уровне основного металла.
 
а б
в г
Рис.12. Структура металла шва стали 12Х2Н4А:
 
аргонодуговая сварка а - Vсв.= 0,33 м/мин;  лазерная сварка б - Vсв.= 1,32 м/мин, в - Vсв.= 2,0 м/мин , г - Vсв.= 3,3 м/мин (х2000).
а б
Рис. 13. Характер аустенитной структуры металла шва стали Ст.35: аргонодуговая сварка а - Vсв.= 0,33 м/мин;  лазерная сварка б - Vсв.= 1,32 м/мин, в - Vсв.= 2,0 м/мин  (х100).

 

а б
в г
Рис. 14. Структура металла шва (а,в) и околошовной зоны (б,г) стали Ст.35 
 
при аргонодуговой сварке (а,б) со скоростью 0,56 м/мин и при лазерной сварке (в,г) со скоростью 3,0 м/мин (х500).

 

а б
 
Рис.17. Внешний вид сварных швов выполненных лазерной сваркой:
 
а – сталь 08Г1НФБ толщиной 8 мм, скорость сварки 1 м/мин, мощность излучения 10 кВт;
 
б – сталь АК толщиной 50 мм, скорость сварки 1 м/мин, интегральная мощность излучения 56 кВт.
 
Большое внимание в своих исследованиях было обращено на изучение физики взаимодействия лазерного излучения с веществом. Было установлено, что плазма при качественной лазерной сварке делится на приповерхностную - эрозионный факел, с температурой до 4 000 К и плазму каверны с температурой свыше 15 000 К (рис.2 и 3). При этом были проведены замеры плотности и состава плазмы, скорость распространения плазмы. Определено энергетическое состояния плазмы при котором лазерная сварка выполняется эффективно и качественно, когда эффективность снижается и когда проплавление металла практически прекращается и наблюдается активное испарение металла и его разбрызгивание (рис.4). Установлено, что плазму можно переводить в более низкое энергетическое состояние и тем самым обеспечивать эффективное проплавление металла, с образованием качественного формирования сварного шва. 
 
Также были исследованны  металлургические процессы протекающих в сварочной каверне, изученны процессы формирования сварочной ванны и кристаллизации сварного шва. Нами установлено, что при правильно подобранных параметрах лазерной сварке, образующая сварочная каверна при полном проплавлении металла сохраняется полой в процессе всей сварке. Жидкий металл в сварочной каверне вращается вокруг нее против часовой стрелки и с определенной частотой выбрасывается в сварочную ванну. Скорость и частота перемещения жидкого металла зависят от скорости сварки, толщины металла и его химсостава.  Важно, чтобы металлургические процессы были полными и завершенными, что способствует качественному бездифектному формированию сварного шва и формированию равномерной структуры сварного соединения во всех температурных интервалах кристаллизации.
 
Экспериментально определены возможности лазерной сварки в различных пространственных положениях. Найдены условия при которых формируется качественный сварной шов и определены направления автоматического управления поддержания параметров сварного шва не зависимо от его пространственного положения. Создано экспериментальное оборудование и апробировано при проведение лазерной сварки в лаборатории предприятия и в промышленных условиях.
 
С появлением оптоволоконных лазеров, имеющих длину волны лазерного излучения 1,07 мКм, также начаты исследования физики взаимодействия лазерного излучения с веществом. Установлено, что плазменные процессы протекают при лазерной сварке на оптоволоконных лазерах иначе чем при лазерной сварке на СО2- лазерах.  Экранирующего влияния, рассеивания лазерного излучения при первых экспериментах явно не обнаружили.  В тоже время, процесс формирования сварного шва имеет некоторые отличия в сопоставлении с СО2-лазерами. Наблюдается более узкое формирования сварного шва, наличие пор, трещин (рис.).   По всем показателям процесс сварки на данных лазерах не оптимизирован. 
 
Оптимизация процесса лазерной наплавки, также проводится нашими специалистами. Особое внимание нами обращено на процессы кристаллизации наплавленных слоев, объяснению причин образования трещин при наплавке. Исследованиям износостойкости наплавленного металла и обоснованию выбора присадочного металла для различных условий эксплуатации наплавленных деталей. Нахождению способов подачи присадочного металла. Проведенные исследования позволили разработать высокоэффективное оборудование, которое успешно работает на ряде предприятий. России и за рубежом.
 
В наших работах уделено достаточное внимание исследованиям по лазерному поверхностному упрочнению металлов: сталей, чугунов, алюминиевых сплавов и т.д., что позволило разработать ряд производственных линий по упрочнению стальных деталей и деталей из алюминиевых сплавов.
 
Из всех технологических процессов наиболее простым по уровню исследований является лазерная резка. В настоящее врем освоена лазерная резка углеродистых сталей толщиной до 26 мм, нержавеющих сталей - 10 мм, алюминиевых сплавов - 8 мм, т.е. практически все запросы со стороны машиностроительных предприятий были удовлетворены. Однако, потенциальные возможности лазерной резки в полной мере не исчерпаны. Например, реально можно резать углеродистую сталь толщиной 50 мм (рис. ?)и выше.