On the issue of selecting and optimizing parameters of continuous laser welding of cast iron

OBRABOTKAMETALLOV Vol. 23 No. 3 2021 21 TECHNOLOGY Лазерные технологии обработки чугуна мо - гут быть использованы для получения сварно - литых изделий , ремонта , исправления дефектов , поверхностного микролегирования и улучшения их эксплуатационных характеристик [2]. Чугуны имеют пористую структуру . Вклю - чения графита , нарушающие сплошность его металлической основы , затрудняют процесс сварки , приводят к пористости и дефектам свар - ного шва [3, 4]. При плавлении и последующей кристаллизации в сварочной ванне образуется структура белого чугуна [5–7]. В связи с этим чугуны крайне плохо переносят термические ци - клы сварки : неоднородность структуры , а также местные напряжения приводят к хрупкости [8]. В зависимости от рабочих параметров ла - зера принято различать два характерных ре - жима лазерной сварки : сварка малых толщин ( до 1 мм ) и сварка с глубоким проплавлением ( более 1 мм ). Принципиальным отличием пер - вой группы являются режимы , обеспечивающие только плавление материала без его интенсив - ного испарения . Процессы в сварочной ванне нестационарные и неустойчивые . Сварка с глу - боким проплавлением сопровождается образо - ванием турбулентных течений расплава и паро - газового канала [9]. Геометрические параметры сварочной ванны ( глубина , ширина и их соотношение ) являются одним из показателей качества сварного шва и для двух описанных режимов сварки различают - ся . Основными технологическими параметрами , обеспечивающими заданную геометрию ванны , являются мощность излучения , скорость сварки и параметры фокусирующей системы [1]. При низких скоростях парогазовый канал имеет цилиндрическую форму , соотношение сторон сварочной ванны может быть довольно большим , тогда как при высоких скоростях соот - ношение сторон низкое [10]. Для выбора оптимальных параметров про - цесса сварки , оптимизации структуры чугуна , повышения энергетической эффективности не - обходимы математические модели процесса . Модели , основанные на уравнениях баланса энергии и импульса , позволяют количественно оценить зависимость глубины зоны плавления и других геометрических характеристик швов от основных технологических параметров сварки [11–13]. Однако оптимальная скорость сварки зависит не только от параметров излучения , но и от структуры свариваемых материалов , на - пример , от поведения графитной фазы при свар - ке чугуна . При чрезмерно малых или слишком больших скоростях процесс становится неста - бильным . Так , в работе [14] показано , что при высокой мощности излучения и относитель - но небольшом времени лазерного воздействия значительная часть графита в структуре зоны плавления сохраняется . Увеличение времени лазерного воздействия при высокой мощности приводит к взрывному испарению и сублимации графита , что сопровождается образованием кра - теров на поверхности шва . Данные явления зна - чительно затрудняют математическое описание процесса . В работе [15] показано , что для построения эффективной модели прогнозирования качества сварного шва необходимо рассматривать множе - ство параметров . В качестве примера приведена упрощенная прогностическая модель на основе искусственной нейронной сети , демонстриру - ющая возможные и перспективные показатели прогнозирования качества сварки листа из низ - коуглеродистой оцинкованной стали . В работе [16] приведены качественные дан - ные о влиянии двух параметров процесса на геометрические параметры ванны ( табл . 1, [16]). Кроме того , имеются рекомендации по выбору оптимальных параметров для некоторых сталей и сплавов цветных металлов . В работе [17] показано , что площадь сечения зоны плавления ( геометрия сварочной ванны ) при сварке чугуна нирезист пропорциональна времени лазерного воздействия : при снижении скорости луча убыль массы расплава в результа - те его испарения растет . В работе [18] методом планирования фактор - ного эксперимента построены математические модели , связывающие глубину сварочной ван - ны с мощностью излучения , скоростью сварки и фокусным расстоянием . Показана значительная разница в оценках коэффициентов при сварке сталей двух различных марок . Это указывает на то , что универсальных статистических моделей для оценки геометрии сварочной ванны не суще - ствует : модели применимы только к тому набору данных , на которых они построены . Структура чугуна при одном и том же хими - ческом составе может иметь непредсказуемое и