Лазерный мир

Д.т.н. Люшинский А.В.1, к.т.н. Петровский В.Н.2 // сборник Электронно-лучевая сварка и смежные технологии. Материалы IV международной конференции. Москва, 2021. С. 130-134.

Аннотация.

Рассмотрена возможность снижения температуры процесса диффузионной сварки (при одних и тех же сварочном давлении и времени выдержки) свариваемых образцов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, поверхность которых предварительно подверглась лазерной обработке. В режимах лазерной обработки изменялась только плотность излучения, а также сканирование луча производили, как в одном направлении, так и во взаимно перпендикулярных направлениях. Показано, что предварительная лазерная обработка способствует образованию качественных соединений при пониженных температурах.

Введение

При реализации технологии диффузионной сварки применяются различные методы интенсификации процесса формирования неразъемного соединения [1-3]. Это делается с целью снижения термодеформационного воздействия на свариваемые материалы, сокращения технологического цикла сварки и расширения номенклатуры свариваемых материалов.

В качестве таких основных методов используются [4]:

• промежуточные слои в виде металлических фольг,
• напыленных и гальванических слоев, ультрадисперсных порошков металлов;
• циклическое изменение температуры процесса и/или сварочного давления;
• введение в зону контакта двух поверхностей ультразвуковых колебаний;
• помещение свариваемых деталей в электростатическое поле;
• предварительное воздействие на свариваемые поверхности ионизирующим излучением, облучение нейтронами, α-частицами, γ- лучами и электронами.

В последние годы самым простым по технике исполнения и востребованным по достигаемым результатам является метод активации свариваемых поверхностей лазерным излучением, тем более с учетом относительной дешевизны используемого оборудования и применяемых технологий подготовки поверхностей и обработки.

В работах [5-] показано, что создание на свариваемых поверхностях рельефа определенной формы путем их лазерной обработки приводит к повышению прочностных свойств соединений из сталей 08Х18Н10Т, 09Х17Н-Ш, титанового сплава типа 2В, никелевого сплава ХН55МВЦ, полученных диффузионной сваркой. Авторы этих работ исследуют влияние плотности энергии излучения и скорости сканирования лазерным лучом на формирование субмикронных структур, а также рассматривают источники лазерного излучения. При этом они умалчивают о связи данных структур с процессами их пластической деформации при диффузионной сварке.

Цель работы: рассмотреть особенности диффузионной сварки образцов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т для определения возможности снижения температуры процесса диффузионной сварки, при которой обеспечивается равнопрочность сварного соединения, и насколько.

Методика проведения работы
Торцы образцов из нержавеющей стали (высота 30 мм и диаметр 16 мм) после токарной обработки имели Rz=1,2 мкм.
Свариваемые поверхности предварительно обработаны лазерным излучением на различных режимах плотности излучения (2,1 Дж/см2, 3,2 Дж/см2 и 4,3 Дж/см2, диаметр пятна 220 мкм). Обработку свариваемых торцов осуществляли попарно по двум вариантам: сканирование лазерного луча в одном направлении и сканирование луча в двух взаимно перпендикулярных направлениях. После проведения лазерной обработки производили замер Rz каждого образца на аппарате «Профилограф – профилометр 252», которые показали, что с увеличением плотности излучения высота микронеровностей и их форма изменяются от 13,6 до 45,5 мкм.
Диффузионную сварку образцов производили на специализированной вакуумной установке СДВУ-50 с обеспечением
вакуума не хуже 1,33∙10–4 мм рт. ст. Параметры режима диффузионной сварки: температура Тсв= 800 оС, сварочное давление Рсв= 2 кгс/мм2, время выдержки t = 15 мин. Такие параметры выбраны исходя из того, что равнопрочное соединение (σв ≈ 55 кГс/мм2) образцов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т без какой-либо дополнительной обработки после токарной операции (Rz=1,2 мкм) получали при Т= 1000 оС, Р= 2 кгс/мм2 и t= 15 мин [1].

Из сваренных образцов точили стандартные образцы для механических испытаний на разрыв. Испытания проводили на машине разрывной МР-1У по стандартной методике.
Шлифы сварных соединений для металлографических исследований готовили на оборудовании «Метлаб» по стандартной методике. Металлографические исследования проводили на микроскопе
«Olympus», а фрактографические исследования – на сканирующем электронном микроскопе «Tescan Vega 3».

Результаты
На рисунке 1 представлены некоторые виды поверхностей образцов после лазерной обработки. На рисунке 2 – фрактограммы поверхностей тех же образцов после диффузионной сварки и испытаний на разрыв.

а) б)
Рисунок 1 – Виды поверхностей образцов стали 12Х18Н10Т, обработанных: а) при Е=2,1 Дж/см2; б) при Е=4,3 Дж/см2 со взаимно перпендикулярными
направлениями обработки перед диффузионной сваркой

Проведенные исследования показали, что максимальная прочность сварных соединений (σв = 10,8 кГс/мм2) проявляется у образцов, имеющих Rz = 45,5 мкм, а микронеровности имеют коническую форму,
причем с минимальным углом при вершине. Это полностью согласуется с данными работы [3], в которой показана роль высоты и формы микронеровностей в формировании сварного соединения. Но, с другой стороны, эта прочность гораздо меньше, чем в работе [1].

а) б)
Рисунок 2 – Фрактограммы поверхностей образцов стали 12Х18Н10Т, обработанных: а) при Е=2,1 Дж/см2; б) при Е=4,3 Дж/см2 со взаимно
перпендикулярными направлениями обработки после механических испытаний

Дальнейшие эксперименты показали, что равнопрочность сварных соединений из стали 12Х18Н10Т с предварительной лазерной обработкой свариваемых поверхностей при плотности излучения 4,3 Дж/см2 можно получить при Т= 950оС. Снижение температуры диффузионной сварки на 50оС представляется не таким уж большим достижением, как, например, при использовании ультрадисперсных порошков металлов (там снижение составляет от 300 до 400оС [2,4]), но в ряде случаев может быть применимо.

Заключение
Технология лазерной обработки поверхностей, в дальнейшем подлежащих диффузионному соединению, обеспечивает активацию этих поверхностей и способствует снижению основных параметров диффузионной сварки.