Введение к работе
Актуальность темы исследований. Важными условиями прогресса промышленного производства являются разработка и совершенствование технологических процессов соединения и обработки материалов. Поэтому трудно переоценить значение разработки новых, более эффективных способов сварки, резки и модификации поверхности, основанных на использовании плазмы дугового разряда как наиболее доступного и дешевого источника тепловой энергии.
Другим технологическим средством, получившим значительное развитие за сравнительно короткий срок своего использования для соединения и обработки материалов, является лазерное излучение. Благодаря высокой концентрации энергии в лазерном пучке и возможности локального воздействия на изделие лазер обеспечивает высокую производительность и прецизионность обработки [1].
Однако, несмотря на все эти важные преимущества дуги и лазера, у них также имеется ряд недостатков. Развитие дуговых технологий наталкивается на значительные трудности, связанные с недостаточной концентрацией энергии в плазме электрической дуги, а также с ее неустойчивым горением при большой скорости движения относительно изделия. Возможности лазера как источника тепла, в свою очередь, тоже в значительной степени ограничены. В первую очередь, это связано с низкой эффективностью нагрева металла лазерным излучением, обусловленной его высокой отражательной способностью на частотах излучения, характерных для большинства технологических лазеров.
Новым шагом в решении упомянутых выше проблем может стать использование лазерно-дуговых технологий [2-9]. При гибридной лазерно-дуговой сварке два источника воздействуют одновременно на одну сварочную ванну: лазерный луч и дуга MIG/MAG сварки. В результате этой комбинации высокая скорость и большая глубина проплавлення лазерной сварки
объединяются с повышенным допуском при подготовке кромок при MIG/MAG сварке.
Достоинства лазерно-дугового процесса сварки определяют его широкое промышленное применение, которое в свою очередь обусловлено огромным количеством исследований, проведённых в этой области. Учёные различных стран проводили сравнительные экспериментальные исследования лазерного, дугового и гибридного процессов с позиции механических свойств и геометрии металла шва. Проводились исследования гибридных процессов с применением различных лазерных источников; определялось влияние зазора, формы разделки, типа соединения, а также технологических параметров лазерно-дугового гибридного процесса сварки на геометрию сварного соединения. Рядом авторов описаны технологии лазерно-дуговой сварки сталей различных толщин.
К проведённым теоретическим исследованиям относится разработка модели плавления электрода, исследование характеристик дуги, исследование изменения параметров лазерного излучения при его прохождении через дугу, определение макроскопических свойств плазмы, исследование формирования плазменного факела. Рядом учёных созданы модели для расчёта распределения температуры, скорости и частиц в расплавленном металле, прогнозирования порообразования и геометрии сварного соединения. Наиболее весомым вкладом в теоретические исследования лазерно-дугового процесса являются модели прогнозирования химического состава металла в зоне лучевого воздействия, модели динамического поведения сварочной ванны и модели, прогнозирующие не только размеры и форму сварного соединения, но структуру и свойства металла шва и зоны термического влияния для гибридного лазерно-дугового процесса сварки неплавящимся электродом.
Несмотря на широкий перечень экспериментальных исследований, проводимых в области лазерно-дугового процесса сварки, и множество
моделей, созданных для теоретического описания данного процесса сварки, очевиден недостаток в изучении влияния параметров режима лазерно-дугового процесса сварки на структуру металла шва с использованием мощного волоконного лазера:
Недостаток экспериментальных исследований гибридного лазерно-дугового процесса сварки с использованием в качестве источника лазерного излучения современного мощного волоконного лазера;
Отсутствие исследований, определяющих влияние параметров режима лазерно-дугового процесса сварки на термический цикл сварки, структуру и механические свойства металла шва;
Недостаток в теоретических представлениях о гибридном лазерно-дуговом процессе сварки модели, определяющей влияние параметров режима лазерно-дугового процесса сварки на механические свойства металла шва;
Необходимость дополнения теоретических представлений о гибридном лазерно-дуговом процессе сварки моделью, определяющей параметры режима гибридного лазерно-дугового процесса сварки на базе механических свойств металла шва.
Цель работы: исследование влияния параметров режима гибридного лазерно-дугового процесса сварки на изменение структуры металла шва и создание на базе результатов экспериментального исследования математической модели для определения параметров режима лазерно-дугового процесса сварки на основе механических свойств металла шва.
Задачи работы:
1. Определить марку стали наиболее актуальную для отечественной промышленности, форму разделки свариваемых пластин, тип и марку присадочной проволоки, а также значимость влияния параметров режима гибридного лазерно-дугового процесса сварки на термический цикл,
структуру и механические свойства металла шва и разработать план эксперимента;
Подобрать экспериментальное оборудование для осуществления лазерно-дугового процесса сварки, определиться с методами контроля качества сварных соединений и оценки механических свойств металла шва, произвести выбор исследовательского оборудования, а также габаритных размеров свариваемых пластин;
Разработать технологии гибридной лазерно-дуговой сварки стали со стабильным сквозным проплавлением и исследовать влияние параметров режима лазерно-дугового процесса сварки на структуру металла шва и его механические свойства;
Разработать математическую модель, для определения параметров режима лазерно-дугового процесса сварки на основе механических свойств металла шва.
Объектом исследования является качественный и количественный фазовый состав микроструктуры металла шва и, как следствие, механические свойства металла шва.
Методы исследования. В работе использовались экспериментальные методы исследования: атомно-абсорбционный метод (при исследовании перемешивания легирующих элементов присадочной проволоки по сечению металла шва), металлографический метод, метод скоростной видеосъёмки, метод мониторинга тока и напряжения дуги, визуальный и рентгенный методы оценки качества шва, методы исследования механических свойств металла шва, а также аналитические методы обработки результатов и методы их регрессионного анализа.
Научная новизна.
1. Оптимальная толщина притупления / пластин при использовании лазерно-дугового процесса сварки для получения корневого / основного шва
обусловлена равномерным перемешиванием легирующих элементов присадочного материала по сечению металла шва;
Стабилизация лазерного излучения в кратере дугового процесса обуславливает расположение луча лазера и дуги, а также оптимальное расстояние между осью луча лазера и электродом;
Наибольшее влияние на изменение структуры металла шва при лазерно-дуговом процессе сварки оказывают скорость процесса сварки и температура предварительного подогрева;
Качественное и количественное изменение фазовых составляющих микроструктуры и механических свойств металла шва возможно через количественное изменение параметров режима лазерно-дугового процесса сварки;
На основе линейного уравнения регрессии и результатов экспериментального исследования влияния параметров режима сварки на структуру металла шва составлена математическая модель для определения механических свойств металла шва на базе параметров режима при лазерно-дуговом процессе сварки с погрешностью расчётов около 5%;
По значениям необходимой мощности лазерного излучения при исследовании процесса лазерно-дуговой сварки стали определена зависимость мощности излучения лазера от скорости лазерно-дугового процесса сварки в исследуемом диапазоне, обеспечивающая стабильное сквозное проплавление;
На основе системы уравнений для определения механических свойств металла шва на базе параметров режима лазерно-дугового процесса сварки создана математическая модель, позволяющая определять параметры режима лазерно-дугового процесса сварки на базе механических свойств металла шва с погрешностью 5%.
Практическая ценность. Практическая ценность результатов данной работы заключается в проработке различных вопросов и решении ряда задач,
способствующих снижению себестоимости продукции за счёт сокращения ресурсов и повышения производительности:
Экспериментальные исследования, направленные на выбор оптимальных параметров лазерно-дугового процесса сварки, позволяют получить стабильный процесс с минимальным количеством внешних и внутренних дефектов в сварном соединении;
Результаты экспериментального исследования влияния параметров режима лазерно-дугового процесса сварки на структуру металла шва обуславливают возможность варьирования качественным и количественным фазовым составом микроструктуры и механическими свойствами металла шва при высоких скоростях процесса сварки, актуальных для современной промышленности;
Создание математической модели для определения параметров режима лазерно-дугового процесса сварки на основе механических свойств металла шва сокращает количество затрачиваемых ресурсов при разработке технологии лазерно-дуговой сварки высокопрочной низколегированной стали;
Выбор оптимальной толщины свариваемых пластин при использовании современных волоконных источников лазерного излучения высокой мощности и учёт высокой производительности процесса в промышленности позволяет использовать данные исследования и созданную математическую модель при сварке сталей класса прочности Х80 и её аналогов (L555, К65) любых толщин, начиная с 14 мм и выше, в качестве основного или корневого прохода.
Достоверность полученных результатов обеспечена современным экспериментальным и исследовательским оборудованием, использованием экспериментальных, аналитических и регрессионных методов исследований, а также методами контроля качества сварных соединений. Достоверность
результатов расчёта модели проверена экспериментально при лазерно-дуговой сварке корневого прохода стали Х80.
На защиту выносятся следующие положения:
Результаты экспериментального исследования оптимального расположения луча лазера и электрода;
Результаты экспериментального исследования влияния параметров режима лазерно-дугового процесса сварки на качественное и количественное изменение фазового состава микроструктуры металла шва;
Результаты экспериментального исследования влияния параметров режима лазерно-дугового процесса сварки на количественное изменение механические свойства металла шва;
Математическая модель для определения механических свойств металла шва на базе параметров режима лазерно-дугового процесса сварки;
Математическая модель, позволяющая определять параметры режима лазерно-дугового процесса сварки на базе механических свойств металла шва.
Личный вклад автора. Все выносимые на защиту результаты и положения диссертационной работы получены и разработаны автором лично, либо при его непосредственном участии. Автор участвовал в постановке, проведении и обработке результатов всех экспериментов.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения и включает в себя 158 страниц, 47 рисунков, 17 таблиц и 3 приложения и списка литературы из 129 источника.
Похожие диссертации на Исследование влияния параметров режима гибридного лазерно-дугового процесса сварки на изменение структуры металла шва
