Лазерная обработка зоны термического влияния после электродуговой сварки конструкционных сталей

УДК 621.383.8

М.П. Лебедев, И.И. Ноев, П.П. Петров, М.Е. Габышев, К.В. Степанова, А.А. Борисов

ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

Проведены структурные исследования в околошовной зоне низколегированных конструкционных сталей после лазерной обработки. Определено влияние технологических параметров лазерной обработки на структурные изменения исследованных сталей. Показаны факторы, влияющие на изменение механических свойств и прочностных характеристик материалов в зависимости от глубины проникновения лазерного излучения.

Лазерная обработка, фазовые превращения, микротвердость, зона термического влияния

M.P. Lebedev, I.I. Noev, P.P. Petrov, M.E. Gabyshev, K.V. Stepanova, A.A. Borisov LASER TREATMENT OF A HEAT-AFFECTED ZONE AFTER ARC WELDING OF CONSRUCTIONAL STEELS

The change of structure in a heat-affected zone of low-alloyed constructional steels after laser processing is considered. The influence of technological parameters of laser processing on structural changes of the investigated steels is determined. The factors influencing the change of mechanical properties and strength characteristics of materials depending on the depth of penetration of the laser radiation are shown.

Laser treatment; phase changes; microhardness; heat-affected zone

Введение

Лазерная обработка изделий является одним из распространенных методов улучшения физико-механических свойств материалов. Варьирование методов защиты шва, материала электрода, скорости обработки и мощности лазерного излучения с последующим оплавлением их с основой позволяет получить практически новый состав, отвечающий требованиям, предъявляемым к элементам конструкций, работающим в экстремальных условиях эксплуатации.

Изменение формирующихся структур и их фазовые превращения в том или ином материале чаще всего определяется тепловым воздействием проникающего лазерного излучения [1, 2].

Образование структурных изменений в околошовной зоне при лазерном сканировании зависит с одной стороны от элементного состава основного материала, а с другой от параметров лазерной обработки, таких как мощность лазерного излучения, скорость сканирования и положения фокуса над верхней поверхностью обрабатываемого изделия [3, 6, 7].

Выявление связи структурных изменений приповерхностных слоев основного материала с параметрами лазерного сканирования позволит прогнозировать изменения как прочностных характеристик тех или иных материалов, а также их сварных конструкций [4, 5].

Целью предложенной работы является экспериментальное исследование влияния лазерного отпуска в околошовной зоне для материалов используемых в экспериментальных условиях эксплуатации с помощью непрерывного СО2-лазера и сопоставление результатов данной работы с расчетными оценками.

Методика выполнения исследований

В качестве экспериментальных материалов использованы пластины из низкоуглеродистой стали Ст. 3сп толщиной 5 мм после сварки дугой.

Расплавление участков поверхности в околошовной зоне осуществлялось непрерывным СО2-лазером при одном режиме вводимой мощности: Р=2 кВт, луч диаметром 1 мм сканировал со скоростью от 1 до 4 м/мин.

Металлографические исследования проводились на оптическом микроскопе МЕТАМ РВ 21 (Россия).

Микротвердость измерялась на приборе LECO LM 700 при нагрузке 0,1 Н.

Обсуждение результатов

При металлографических исследованиях лазерно-обработанной стали выделяется неоднородность структуры, проявляющаяся в образовании зон оплавления (ЗО) и зоны термического влияния (ЗТВ), формирующихся при нагреве основного металла за счет теплоотвода сфокусированного лазерного луча.

Структура основного металла феррито-перлитная, перлит пластинчатый (рис. 1). Величина зерна соответствует 8 баллам (средний диаметр зерна - 22 мкм) шкалы по ГОСТ 5639-82.

Рис. 1. Структура основного металла и (Ст3). х500.

Место воздействия лазерного луча - клинообразное (кинжальное), с глубины расширяющееся к верху (рис. 2 а, б). Кинжальный характер проплавления объясняется неравномерным распределением теплоты по объему сварочной ванны. Наиболее высокая температура наблюдается в верхней части шва. Неравномерность по значениям температур приводит к образованию в сварочной ванне кинжальной формы проплавления, уширения в верхней части шва [4].

а б

Рис. 2. Место воздействия лазера, а) малый клин; б) большой клин. х500

Размер зоны термического влияния лазерной сварки - примерно 120 мкм (рис. 3а).

а б

Рис. 3. Микроструктура «клинов», а) ЗТВ; б) середина «клина» х800

В местах воздействия лазера наблюдается неравномерная грубозернистая структура (рис. 3,б), так называемая видманштеттова структура, состоящая в доэвтектоидной стали из ферритных кристаллов пластинчатой формы, ориентированных по плоскостям аустенита. Пластины видманштеттова (бокового, реечного) феррита, расчленяя аустенитное зерно на отдельные элементы, вызывают формирование перлитных зерен в виде тонких образований. В зоне ЗТВ сталь обезуглерожена.

На рис. 5 приведено распределение микротвердости от центра сварного шва по трем линиям с шагом 500 мкм в сторону лазерной сварки. Точка 8 (отмечена стрелкой) - место воздействия лазера. Измерения проводились по линии середины «клинов» (Ь/2), на кончиках «клинов» (Ь) и посередине образца (1/2 обр.) (рис. 4).

Рис. 4. Схема измерения микротвердости

Кривые изменения микротвердости имеют монотонный характер с максимальным значением на кончиках лазерных клинков (рис. 5).

1 2 3 4 5 6 7 8 Э 10 11 12 13 14 точки замера по направлению от центра сварного шва к "клинам" с ш агом 0,5 мм

Рис. 5. Распределение микротвердости от центра сварного шва, а) зона около малого «клина»

б) зона около большого «клина»

Повышенное значение микротвердости наблюдается именно в зоне лазерного воздействия на расстоянии около 120 мкм от границы лазерного оплавления. Увеличение микротвердости на глубине Ь/2 (боковая зона) достигает 63% при «малом клине» и 78% при «большом клине».

Увеличение микротвердости на глубине Ь (зона на кончике клина) достигает 57%, при «малом клине» и 58% при «большом клине» (рис. 5).

По результатам распределения величин микротвердости в зоне термического влияния после лазерной обработки происходит процесс разупрочнения. В случае стали Ст 3 сп величина микротвердости снижается на величину 250-300 МПа относительно исходного состояния, т.е. до лазерной обработки;

Исходя из вышесказанного, лазерная обработка параллельно сварному шву для рассмотренных марок конструкционных сталей способствует процессу отпуска в зоне термического влияния, т.е. феррито-перлитные стали, не претерпевая существенных структурных изменений, снижают напряженно-деформированное состояние, приводящее к уменьшению остаточных напряжений.

Выводы

1. Лазерная обработка вблизи зоны термического влияния в сварных соединениях низколегированных конструкционных сталей Ст 3 сп снижает уровень напряженно-деформированного состояния, при этом существенно не изменяя фазовый состав и не внеся дополнительную дефектную микроструктуру.

2. Данный метод еще требует исследований в области подбора режимов для различных типов сталей, толщин и условий нагружения.

3. Данное исследование направлено на создание портативной лазерной установки для обработки деталей элементов конструкций, подвергнутых различным температурным и силовым нагрузкам, а также для повышения долговечности в послеремонтный период эксплуатации дорожно-транспортной техники.

ЛИТЕРАТУРА

1. Веденов А.А., Гладуш Г.Г. Физические процессы при лазерной обработке материалов. М.: Энергоатомиздат, 1985. 208 с.

2. Григорьянц А.Г, Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 663 с.

3. Тепловые процессы и изменение структуры при лазерном легировании поверхностей сталей /

B.П. Ларионов, Н.П. Болотина, В.Г.Винокуров, Т.В. Аргунова // Изв. Сиб. отд-ния Академии наук СССР. Серия технических наук. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1990 г. С. 94-98 .

4. Панченко В.Я. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок. М.: Физматлит, 2009. 664 с.

5. Прочность и структура неразъемного соединения сплава ВТ 1-0 и стали 12Х18Н10Т при различных режимах лазерной сварки / Н.Б. Пугачева, С.В. Смирнов, Д.И. Вичужанин, Ю.В. Афонин,

А.М. Оришич, С.М. Задворкин, Л.С. Горулева // Деформация и разрушение материалов. 2012. №7.

C. 26-32.

6. Генерация излучения с высоким качеством пучка в непрерывном СО2-лазере мощностью 8 кВт / Ю.В Афонин, А.П. Голышев и др. // Квантовая электроника. 2004. Т. 34. №4. С. 307-309.

7. Влияние лазерной обработки на структуру и состав плазменно напыленных покрытий системы №-Сг-В-81 / М.П. Лебедев, В.П. Ларионов, Н.П. Болотина, Т.В. Аргунова // Физика и химия обработки металлов. 1987. № 1. С. 73-77.

Лебедев Михаил Петрович -

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАН, Директор Института Физико-Технических Проблем Севера имени

В.П. Ларионова СО РАН, заведующий кафедрой «Машиноведение» Автодорожного факультета Северо-Восточного Федерального Университета имени М.К. Аммосова

Ноев Иван Иванович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Машиноведение» Северо-Восточного Федерального Университета имени М.К. Аммосова

Петров Петр Петрович -

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института ФизикоТехнических Проблем Севера имени В.П. Ларионова СО РАН

Mikhail P. Lebedev -

Dr. Sc., professor, the corresponding member of RAS, Director of the V.P. Larionov Institute of Physical and Technical Problems of the North SB RAS, head of Department “Science of machines” of Road Faculty of North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov

Ivan I. Noev -

Ph.D., associate professor of Department “Science of machines”,

North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov

Petr P. Petrov -

Ph.D., chief scientific officer of

the V.P. Larionov Institute of Physical and Technical

Problems of the North SB RAS

Габышев Максим Евгеньевич -

заведующий лабораторией Технологического Института Северо-Восточного Федерального Университета имени М.К. Аммосова

Maksim E. Gabyshev -

laboratory manager of Technological Institute, North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov

Степанова Ксения Валерьевна -

научный сотрудник Института Физико-

Технических Проблем Севера имени В.П. Ларионова СО РАН

Борисов Александр Афанасьевич -

старший преподаватель кафедры «Машиноведение» Автодорожного факультета Северо-

Восточного Федерального Университета имени М.К. Аммосова

Kseniya V. Stepanova -

research worker of

the V.P. Larionov Institute of Physical and Technical Problems of the North SB RAS

Aleksandr A. Borisov -

senior lecturer of Department “Science of machines” of Road Faculty of

North-Eastern Federal University named after M.K.Ammosov

Статья поступила в редакцию 03.04.13, принята к опубликованию 30.04.13