Управление формированием микроструктуры при светолазерной обработке стали

УДК 621.791

Г. А. Туричин, В. А. Лопота, Е. А. Валдайцева, Е. Ю. Поздеева, Е. В. Земляков, К. В. Савельева

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

УПРАВЛЕНИЕ ФОРМИРОВАНИЕМ МИКРОСТРУКТУРЫ ПРИ СВЕТОЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛИ

Исследована возможность управления параметрами ансамблей наноразмерных включений при гибридной сварке. Для этих целей были разработаны тепловая модель комбинированного воздействия лазерного луча и мощной дуговой лампы на материал, а также кинетическая модель, описывающая фазовые превращения в стали при светолазерном воздействии. Полученные результаты подтверждают возможность управления процессом формирования микроструктуры стали путем изменения параметров процесса и комбинированного теплового источника.

Введение. Основной тенденцией в современном машиностроении является снижение массы движущихся элементов конструкций. Для этого все чаще применяются высокопрочные двух- и трехфазные стали нового поколения, свойства которых определяются параметрами ансамблей наноразмерных включений. Однако при этом остается нерешенной проблема достижения необходимой пластичности сварных швов.

Для решения этой проблемы необходима технология сварки, обеспечивающая достаточную пластичность металла сварных швов и качество, не уступающее качеству используемой в настоящее время лазерной сварки. Наиболее перспективным для получения заданной микроструктуры и механических свойств является использование высокоскоростного термоциклиро-вания [1]. Термические циклы с управляемым изменением температуры могут быть получены при использовании двух и более тепловых источников, движущихся друг за другом, например, при „тандемной" лазерной сварке [2]. Но с экономической точки зрения целесообразно использовать более дешевый локальный дополнительный источник нагрева, такой как мощная дуговая лампа. Для выбора параметров технологического режима, обеспечивающего получение заданной микроструктуры и свойств материала, необходимо иметь количественное описание влияния вида термического цикла на фазовые и структурные изменения, протекающие в материале при светолазерном (гибридном) воздействии. Современные термодинамические представления о механизме фазовых превращений в стали вследствие лазерного излучения [3] не принимают во внимание неравновесную природу быстропротекающих процессов, приводящих к формированию в зоне лазерного воздействия метастабильных микроструктур, влияние на температуру превращения скоростей нагрева и охлаждения, взаимное влияние процессов роста новой фазы и нестационарной диффузии, а также начальное состояние материала.

Численная модель изменения микроструктуры с учетом этих факторов может быть сформулирована на основе кинетической теории фазовых превращений в стали [4]. Исходным параметром для анализа является изменение температуры в цикле гибридной сварки, определяющее протекание фазовых превращений. Поэтому для исследования возможности управления параметрами микроструктуры необходимо:

1) разработать тепловую модель сварочного процесса;

2) разработать модель формирования микроструктуры материала в зоне обработки;

3) создать экспериментальную установку;

4) провести необходимые экспериментальные исследования и верификацию моделей.

Модель сварочной ванны и зоны обработки при гибридном воздействии. Математическая модель сварочной ванны при гибридной сварке, позволяющая рассчитывать термические циклы в металле сварного шва и в зоне термического влияния [5], основана на совместном решении взаимосвязанных задач о поглощении излучения, конвективном теплопереносе и гидродинамике расплава, газодинамике разлета паров и кинетике лазер-но-индуцированной плазмы. Для решения поставленной задачи была использована численная модель сварочной ванны с явным определением ее границы. Лазерный источник нагрева для случая сварки с глубоким проплавлением был описан в работе [6]. Существенным отличием гибридной сварки является наличие второго, распределенного по поверхности сварочной ванны теплового источника. Это приводит к тому, что сварочная ванна в верхней части расширяется, и использование предположений о двумерном теп-ломассопереносе, как это было сделано для лазерной сварки, становится невозможным. Поэтому для гибридной сварки были получены трехмерные решения тепловой и гидродинамической задач для сварочной ванны, учитывающие влияние на распределение температур термокапиллярного течения в ней [7].

Нагрев мишени сфокусированным излучением дуговой лампы приводит к формированию на обрабатываемой поверхности движущегося теплового источника, распределение энергии которого обусловлено локальными значениями интенсивности излучения и коэффициентом поглощения излучения, зависящим от температуры поверхности. Поэтому задача нагрева материала с использованием сфокусированного излучения мощной дуговой лампы является нелинейной, так как параметры теплового источника зависят от температуры поверхности. На первом этапе задача рассматривалась как линейная. Для ее решения в подвижной системе координат можно использовать функцию Грина, тогда для теплового поля дополнительного источника нагрева можно записать

T

dx'dy',

где A(T) — коэффициент поглощения; I — интенсивность излучения; v — скорость сварки, а интегрирование ведется по поверхности, освещенной дуговой лампой; X — теплопроводность; R, R' — векторы координаты точки; х — температуропроводность.

При учете зависимости коэффициента поглощения от температуры это выражение является интегральным, для его решения был разработан следующий алгоритм: на первой стадии определяется только температура поверхности. Вычисление интеграла с помощью суммирования по двумерной сетке позволило получить для каждого узла алгебраическое нелинейное уравнение, которое решалось методом итераций. При этом локальная температура была определена в каждом узле, и с ее помощью рассчитывалось локальное значение поглощенной энергии излучения лампы.

На второй стадии тепловое воздействие поверхностного нагрева дополнительным источником суммировалось с температурным полем от лазерного источника. Данная модель была реализована как компьютерная программа, позволяющая рассчитывать размер и форму сварочной ванны, температурное поле и термические циклы в сварном шве и в зоне термического влияния. Сравнение результатов моделирования гибридной сварки стали 08Ю (образец толщиной 0,8 мм) с экспериментальными результатами подтверждает высокую точность разработанной модели (рис. 1, где а — мощность импульса лазерного излучения 2,25 кВт, длительность импульса 7 мс, частота следования импульсов 5 Гц, электрическая мощность дополнительного теплового источника 5,2 кВт, скорость сварки 2 мм/с; б — мощность импульса лазерного излучения 4,5 кВт, длительность импульса

3,5 мс, частота следования импульсов 10 Гц, электрическая мощность дополнительного теплового источника 5,7 кВт, скорость сварки 4 мм/с).

Рис. 1

Формирование микроструктуры при гибридной сварке. Фазовые превращения в стали за счет распада аустенита (при охлаждении) или его формирования (при нагреве), определяющие в итоге структуру металла, состоят из двух этапов. Первый связан с распадом (или формированием) твердого раствора углерода в железе и образованием (растворением) карбида железа, а второй — с перестройками кристаллической решетки ГЦК—ОЦК при охлаждении и нагреве. Для расчета параметров карбидных включений была разработана кинетическая модель формирования и роста включений второй фазы при распаде твердого раствора [4].

Кинетическая модель перестройки кристаллической решетки (а—у-превращение) была построена на тех же принципах, что и модель зарождения и роста включений. Поскольку диффузионное число Пекле в данном случае не является малым, уравнение диффузии (в отличие от задачи о росте карбидов) решалось с учетом конвективного члена. С другой стороны, поскольку размеры зерен на этапе роста значительно превосходят толщину диффузионного слоя, диффузионная задача рассматривалась как одномерная. Совместное решение связанных задач о кинетике роста зерна новой фазы и о диффузии углерода перед его фронтом позволяет рассчитать количество новой фазы в любой момент термического цикла. Таким образом, была получена самосогласованная математическая модель, описывающая как превращение кристаллической решетки, так и распад твердого раствора при высокоскоростном нагреве и охлаждении. В качестве параметров исходной структуры металла при этом учитывались как размер исходных карбидов, так и коэффициент диффузии. Входным параметром модели является термический цикл, определяющийся технологическим режимом обработки. Полученное решение позволяет, решив уравнения модели, непосредственно рассчитать эволюцию фазового состава металла в зоне обработки.

Структура и свойства сварного шва при светолазерной сварке. Экспериментальная проверка разработанных теоретических положений проводилась на экспериментальной све-толазерной установке, состоящей из импульсно-периодического УЛО:Кё-лазера „Квант 15" и дугового лампового излучателя производства фирмы SWAR. Для подачи лазерного излучения использовался зеркальный лучепровод. Конструкция излучателя позволяет изменять состав и давление рабочего газа и взаимное расположение „лазерного" и „светового" пятен на поверхности мишени.

С использованием экспериментальной установки было исследовано влияние параметров термических циклов сложной формы на формирование микроструктуры. Описанная выше самосогласованная кинетическая модель процесса формирования ансамбля карбидных включений позволила смоделировать влияние параметров „гибридного" термического цикла на средний размер формирующихся карбидов. Приведенные примеры результатов расчетов и экспериментов (рис. 2—4) подтверждают, что управлять размером (а) карбидных включений

можно, изменяя параметры термического цикла. На рис. 2 и 3 представлены термический цикл (а) и рост карбидных нановключений (б) для стали 08Ю. Время задержки между температурными пиками 2 (рис. 2) и 1 с (рис. 3); кривая 1 — лазерный процесс, 2 — гибридный. На рис. 4 приведена фотография микроструктуры стали 08Ю после гибридного светолазерного воздействия. Максимальная температура 1200 К, ширина поля 50 мкм, время задержки между температурными пиками: а — 2, б — 1 с.

а)

Т, К 1500

1000

500

а)

Т, К 1500

1000

500

а)

10

10

б) а 110

а, см

4

5-10 -

20 с 0

Рис. 2

б)

а, см

1-10

,-4

5-10-

20 ^ с 0

Рис. 3

б)

10 г, с

1 1

1 —

............

10 /, с

Рис. 4

Таким образом, полученные результаты показывают, что время задержки между пиками гибридного термического цикла является параметром, с помощью которого возможно управлять размерами карбидных нановключений, определяющим свойства материала после луче-

0

5

5

0

5

вой обработки. При этом во всех случаях моделирование показывает снижение химической неоднородности в твердом растворе при переходе от обычного термического цикла к „гибридному".

Анализ распределения средних значений микротвердости показал, что образцы, полученные гибридной сваркой, характеризуются меньшей разницей значений микротвердости металла шва и околошовной зоны в сравнении с образцами, полученными лазерной сваркой. Уменьшение доли мартенсита в сварном шве приводит к повышению пластичности. Проведенные испытания по методу Эриксона показали, что, например, при переходе от лазерной к гибридной сварке легированной стали 30ХГСА технологическая пластичность возрастает более чем на 40 %.

Использование гибридной светолазерной сварки позволяет повысить эффективность проплавления стали и обеспечить стабильность формирования сварного шва при сварке металлов малой толщины. Перемещая пятно лампы по обрабатываемой поверхности относительно пятна лазера, можно управлять формированием микроструктуры сварного шва.

Применение гибридной технологии сварки с сопутствующей термической обработкой позволяет увеличить пластичность сварных швов.

Исследования проводились при поддержке РФФИ (грант 06-08-00609-а) и МНТЦ (грант 2868).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Gyulikhandanov E. L., Khaidorov A. D. Effect of Thermocycling on the Structure and Properties of High-Speed Steel Obtained by Electroslag Remelting // J. Metal Sci. and Heat Treatment. 2002. Vol. 44, N 9—10. P. 426.

2. Glumann C., Rapp J., Dausinger F., Hugel H. Welding with combination of two CO2 lasers-advantages in processing and quality // ICALEO' 93. Orlando, 1993. P. 672—681.

3. Гуреев Д. М., Камашев А. В., Ямщиков С. В. Механизмы фазовых превращений в железе и сталях при лазерном нагреве. Самара: „Самарский университет", 1999. 164 с.

4. Dilthey U., Gumenyuk A., Turichin G. Calculation of the kinetics of diffusion phase transformations in low-alloyed steels in beam welding // Paton Welding J. 2006. N 2. P. 11—16.

5. Fuerst B., Dahmen M., Kaierle S., Kreutz E. W., Poprave R., Turichin G. CALAS — A process model for laser beam welding // Proc. Laser Assisted Net Shape Eng. Maisenbach-Verlag, 1997. P. 193—201.

6. Лопота В. А., Сухов Ю. Т., Туричин Г. А. Компьютерное моделирование лазерной сварки для применений в технологии // Изв. PAH. Сер. физ. 1997. T. 61, № 8. С. 1613—1618.

7. Лопота В. А., Туричин Г. А., Валдайцева Е. А., Бейер Е., Волльмер З. Влияние конвекции Марангони в хвостовой части сварочной ванны при лазерной сварке с глубоким проплавлением // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47, № 10. С. 76—81.

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

лазерных технологий 26.12.07 г.

и экологического приборостроения