Лазерный мир

Морозов В.В., Гусева Д.В. // Журнал «Наука Плюс», №1, 2020 г.

Быстрое развитие промышленности требует новых, более качественных методов изготовления и обработки материалов и изделий. В связи с этим, проводится большое количество исследований для улучшения уже существующих методов и разработки новых. Лазерная сварка является одной из перспективных, востребованных
методов обработки материалов в современной промышленности. Поэтому проводятся многочисленные исследования, направленные на улучшение процесса сварки лазером. В данной статье рассмотрен метод лазерной сварки с дополнительным воздействием ультразвука в целях улучшения качества сварного соединения и оптимизации процесса.

Современные отрасли производства, такие как машиностроение, судостроение, приборостроение и др. [1, с. 36-47, 2, с. 139-141, 3, с. 73-75], а также мелкосерийное производство с каждым разом предъявляют все более высокие требования к качеству потребляемого оборудования и продукции производства. Лазерные технологии обработки материалов и изделий являются одним из перспективных методов и все больше внедряются в различных отраслях промышленности. Этому способствует ряд факторов: отсутствие механического воздействия на материал, высокая скорость работы оборудования, минимальная зона термического влияния, сокращение технологических этапов производства, технологического оборудования (ненадобность применения вакуумных камер). Однако существенным недостатком этой технологии является высокая стоимость оборудования. Также высокотехнологичное и автоматизированное оборудование требует соответствующего уровня квалификации обслуживающего персонала, поскольку имеет сложности в настройке его параметров. Следует не забывать и о недостатках процесса сварки элементов, приводящих к различного рода дефектам поверхности и структуры готового изделия. В связи с этим проводится большое количество исследований процессов лазерной сварки и поиск способов их улучшения. Одним из таковых способов является добавление в процесс лазерной сварки ультразвукового колебания.

Прочность соединения напрямую зависит от возникающих при сварке дефектов: трещин, остаточных напряжений, нежелательных охрупчивающих интерметаллидов и т.п. Сварной шов является слабым местом изделия. Прочностные характеристики шва, как правило, ниже характеристик основного металлоизделия, из-за чего соединение деформируется в первую очередь в месте сварного соединения [4, с. 565-570]. Дополнительное воздействие ультразвука на ванну расплава во время процесса сварки способно снизить количество возникающих дефектов, а следовательно, повысить прочностные характеристики соединения.

Одним из важных показателей является однородность структуры соединения. При сварке без ультразвукового воздействия, как указывается в литературе, возникают нежелательные фазы перлита, поры и неоднородности структуры, которые снижают прочностные характеристики шва, такие как микротвердость, прочность на растяжение и ударная вязкость [5, с. 1-7]. Введение ультразвуковой вибрации способствует лучшему перемешиванию, а также, за счет возникающей при ультразвуке кавитации, развивающиеся дендриты получаются короткими [5, с. 1-7, 6, с. 1-7]. Одновременно с этим уменьшается количество пор и газовых скоплений. Однако авторами не установлена оптимальная мощность ультразвука для получения наилучшего результата сварки.

Для максимального воздействия ультразвука на ванну расплава требуется подбор оптимального способа введения ультразвука: направление генератора, механизм работы (акустический или механический), перемещение (если требуется). А также необходимо подобрать параметры самого ультразвука, такие как частота и мощность.

Параметры, при которых проводилась сварка, сильно влияют на конечный результат. От их выбора зависят прочностные характеристики изделия. К таким параметрам относят: скорость подачи материала, угол падения лазера и материала, скорость сварки, положение лазерного луча, мощность лазера, способ лазерной сварки, наличие или отсутствие защитного газа и др. При точном и грамотном подборе параметров повышается прочность на растяжение, механическая прочность, ударная вязкость и другие характеристики сварного соединения. От параметров зависит конечная кристаллическая структура металла [7, с. 4840-4854, 8, с. 1-7]. При высокой мощности лазера получается широкая ванна расплава, что в свою очередь тоже приводит к изменениям характеристик сварного шва. Диапазон оптимальных параметров узкий. Введение дополнительного ультразвукового воздействия на ванну расплава дает возможность получить высококачественное соединение при большем отклонении от оптимальных параметров сварки [9, с. 151].

Таким образом, введение ультразвуковых колебаний проявляет положительное влияние на качество сварного соединения. Возникающая кавитация внутри ванны расплава делает структуру шва однородной, дендриты меньше, а также уменьшает количество пор и газовых скоплений. При этом шов получается с лучшими прочностными характеристиками. Одновременно с этим ультразвук упрощает процесс настройки системы перед началом сварки расширяя диапазон оптимальных параметров, при которых получается лучшее качество сварного соединения. Однако данная технология требует более подробного изучения для максимального эффективного применения ультразвука.

Полное содержание статьи: https://www.naukaplusj.ru/vypusk1