Лазерный мир

Разин Денис Андреевич // Кронос, 2022

Приведен обзор современных решений по сварке термоупрочняемого алюминиевого сплава Д16Т. Выявлены проблемы по сварке данного сплава и представлены решения по их устранению. Сделаны общие выводы по проанализированным источникам.

В современном машиностроении сварка является важнейшим этапом технологического процесса изготовления продукции во многих отраслях, таких как судостроительная, пищевая, строительная, железнодорожная и аэрокосмическая. Задачей выполняемой сваркой является получение неразъемных сварных соединений с достижением свойств близких или выше исходного обрабатываемого материала или нескольких разнородных материалов.

Передовой технологией получения конструкций с высокой повторяемостью параметров продукта является лазерная сварка.

Сварные соединения, получаемые лазерной сваркой, обеспечивают высокое соотношение сторон с меньшим подводом тепла сравнивая их с другими видами сварки. Метод лазерной сварки характеризуется меньшим количеством брака и высокой производительностью.

Рассматриваемый в обзоре сплав Д16Т является прямым аналогом зарубежной марки 2024, твердость и прочность, которого значительно изменяется в процессе сварки в связи с тепловыми нагрузками, возлагаемыми на свариваемые конструкции. [1]

Сплав относится к системе А1-Си-М^, отличительной особенностью сплава является то, что он имеет стабильную структуру, малый удельный вес, относительно высокие прочностные характеристики и хорошо обрабатывается. В сплаве присутствуют компоненты, которые позволяют противодействовать агрессивным средам, также сопротивление коррозии можно усилить нанесением на него защитного покрытия, что позволит использовать его использовать в условиях повышенной с влажностью.

Главным недостатком материала является низкая способность к сварке, но даже при этом условии, сплав пригоден к сварке точечными методами в ряд которых подпадает лазерная сварка.

Вопросы необходимости газовой поддержки для повышения качества сварного соединения алюминиевых сплавов решены во многих научных работах. Для предотвращения образования пор, трещин и размягчения в расплавленной зоне [3] используют защитные газы.

Размягчение в зоне сварного соединения приводят к снижению прочности из-за растворения выделений и потери упрочняющей фазы.

Из-за того, что при сварке дюралюминий претерпевает сложный термомеханический процесс в результате нагрева при получении сварного соединения, следует проводить металлографические и механические испытания после сварки.

При лазерной сварке алюминиевого сплава 2024, возникающее остаточное напряжение в сварном соединении может превышает предел текучести, что существенно влияет на твердость и предел прочности при растяжении.

В исследованиях Ричардсона выявлена закономерность при сварке сплава 2024 показывающая, что предел текучести сварного соединение снижается в результате остаточных напряжений. [2]

Автору статьи [1] удалось построить тепловую модель конечных элементов с комбинированными источниками тепла для прогнозирования времени распределения температуры во время сварки алюминиевого сплава 2024. Модель позволила автору провести анализ влияния остаточного напряжения на механические свойства зоны сварки с помощью теоретически эмпирической модели. Результаты показали, что сварное соединение неоднородно и в нем образуются остаточные напряжения в продольном направлении, которые влияют предел текучести, твердость и микроструктуру, образующуюся после лазерной сварки.

Обобщая представленные выше заключения авторов, можно прийти к следующему, что лазерная сварка алюминиевых сплавов в связи с высокой отражательной способностью и поглощением лазерного излучения требует большей мощности, однако, большая мощность ведет к большему температурному влиянию. Моделирование теплового состояния позволяет балансировать между режимами сварки (температурами влияния), однако, для полноты картины нужно проводить серии экспериментов по сварке конструкций различных геометрических параметров с различными режимами и поддержкой (газовой, флюсовой, присадочной).

Автором статьи [4] была проведена серия экспериментов по лазерной сварке дуралюмина толщиной 2 мм с различными видами обработки, что привело к различным термическим решениям и скоростям охлаждения в процессе застывания свариваемых образцов. Образующуюся при сварке зона термического влияния увеличивается из-за длительного охлаждения, для увеличения скорости охлаждения использовался медный стержень, но скорость охлаждения была недостаточно высокой, более высокая скорость охлаждения позволит предотвратить разупрочнение в начальных зонах и повысить производительность за счет улучшения характеристик новой конструкции.

Проведение оптимизация сварочного процесса лазерной сварки листовых материалов из алюминиевого сплава 2024 способствует повышению температурной стабильности сварочной ванны расплава. На основании проведенного литературного обзора на данную тематику, из-за нестабильности сварного соединения могут возникнуть вопросы с шероховатостью поверхности, высоким тепловложением приводящим к снижению механических характеристик и увеличения пористости, также и с низким тепловложением образуется небольшая сварочная ванна с нестабильными и пористыми участками в сварном соединении. Лазерная сварка при быстром цикле нагрева и охлаждении приводит к снижению микротвёрдости в 1,4 раза [5] по сравнению с основным металлом, также образуется частично расплавленная зона с равноосной дендритной структурной в центральной части сварного соединения и столбчатой дендритной структурой прилегающей к зоне сплавления.

Во избежание или устранения остаточных напряжений используются различные методы, в частности существует метод лазерной обработки упрочнением с использованием фемтосекундных лазерных импульсов повышающие механические свойства образцов полученных лазерной сваркой алюминиевого сплава 2024 с дефектами, такими как пузыри и подрезы, одним из таких произведённых исследований было выполнено рядом исследователей, опубликовавших свои материалы в работе [6]. Авторам удалось восстановить твердость размягченной зоны сварного соединения сплава 2024 до

исходных значений, остаточные растягивающие напряжения в металле шва и околошовной зоны сменились напряжениями сжатия, повысились усталостные характеристики и долговечность.

По проанализированным источникам, можно сделать следующие выводы:

1. Определяющем фактором структуры сплава является температура основного металла в процессе сварки, а остаточные напряжения существенно влияют на механические свойства сварных соединений, получаемых операцией лазерной обработки.

2.Существует необходимость в решении термических задач для лучшего восприятия тепловых процессов протекающих в сварочной ванне расплава при лазерной сварке.

3.Газовая поддержка в процессе лазерной сварки повышает качество сварных соединений, как правило используют аргон, но в более ответственных конструкциях используется гелий.

4.Сплав 2024 (Д16Т) склонен к трещинообразованию, поэтому использование присадочных материалов и регулирование нагрева и охлаждения позволяет предотвратить тенденцию трещинообразования — на начальных этапах зарождения трещин/микротрещин.

5.Регулировка тепловых циклов лазерного излучения позволяет влиять и контролировать микроструктуру получаемых сварных соединений, в том числе используя легирующие добавки в расплав.

Статья написана в рамках программы Минобрнауки России «Содействия занятости выпускников 2020 года на научно-исследовательские позиции в образовательные организации высшего образования и научные организации».

Полное содержание статьи на https://cyberleninka.ru/article/n/obzor-sovremennyh-resheniy-po-svarke-termouprochnyaemyh-alyuminievyh-splavov/pdf