ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Технологический процесс изготовления изделий из конструкционных сталей зачастую осложняется низким качеством сварных соединений при операциях электродуговой и газопламенной сварки из-за больших остаточных напряжений и деформации, обусловленных высоким уровнем тепловложения в зону сварки. Примером успешного разрешения указанной проблемы является разработка и внедрение таких высокотехнологичных процессов стыкового соединения металлов, как лазерная сварка, которая относится к одному из способов соединения плавлением. Благодаря высокой плотности энергии, высокой скорости процесса и узкой зоне проплавления лазерная сварка обеспечивает минимальную деформацию сварных соединений. Лазерная сварка как передовая технология применяется для получения соединений самых различных металлических материалов. Целью работы является выявление закономерностей формирования кристаллической структуры сварного шва листов конструкционной стали 09Г2С, сформировавшейся в результате лазерной сварки, в том числе при ультразвуковом воздействии в процессе сварки, анализ образующихся дефектов и определение прочности полученных сварных соединений. Результаты и обсуждение. На основании данных оптической и сканирующей электронной микроскопии показано, что структура сварного шва является градиентной, состоящей из зоны сплавления, зоны перегрева, располагающейся на границе с зоной расплавленного металла, но не подвергавшейся плавлению, и зоны нормализации с мелкозернистой структурой. Зона сплавления образована дендритами, ориентированными к центру шва. Внутренняя структура дендритов состоит из пакетов с реечной структурой, образовавшихся в результате γ – α-превращения. Промежутки между рейками разделены прослойками, предположительно остаточного аустенита. Для зоны перегрева характерна крупнозернистая ферритная структура с ферритом видманштеттова типа, иглы которого прорастают от границ в глубь основного зерна. Мелкозернистая ферритно-перлитная структура в зоне нормализации свидетельствует об имевшей место полной фазовой перекристаллизации зерна исходной стали. При варьировании мощностью лазерного излучения и скорости сварки было установлено, что на дефектность сварного шва в большей степени влияет скорость сварки. Применение ультразвукового воздействия в процессе проплавления позволило устранить крупные поры, образующиеся в сварном шве.

1. Sharma R.S., Molian P. Weldability of advanced high strength steels using an Yb:YAG disk laser // Journal of Materials Processing Technology. – 2011. – Vol. 211, iss. 11. – P. 1888–1897. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2011.06.009.

2. Evolution of surface topography in one–dimensional laser machining of structural alumina / H.D. Vora, S. Santhanakrishnan, S.P. Harimkar, S.K.S. Boetcher, N.B. Dahotre // Journal of the European Ceramic Society. – 2012. – Vol. 32. – P. 4205–4218. – doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2012.06.015.

3. Microstructure and mechanical properties of laser beam–welded AA2060 Al–Li alloy / X. Zhang, T. Huang, W. Yang, R. Xiao, Z. Liu, L. Li // Journal of Materials Processing Technology. – 2016. – Vol. 237. – P. 301–308. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2016.06.021.

4. Influence of welding speed on microstructures and properties of ultra–high strength steel sheets in laser welding / Z. Gu, S. Yu, L. Han, X. Li, H. Xu // ISIJ International. – 2012. – Vol. 52, iss. 3. – P. 483–487. – doi: 10.2355/isijinternational.52.483.

5. Structure of widmanstatten crystals of ferrite and cementite / I.A. Bataev, A.A. Bataev, V.G. Burov, Ya.S. Lizunkova, E.E. Zakharevich // Steel in Translation. – 2008. – Vol. 38, iss. 8. – P. 684–687. – doi: 10.3103/S0967091208080251.

6. Farabi N., Chen D.L., Zhou Y. Fatigue properties of laser welded dual–phase steel joints // Procedia Engineering. – 2010. – Vol. 2. – P. 835–843. – doi: 10.1016/j.proeng.2010.03.090.

7. Tensile and fatigue properties of fiber laser welded high strength low alloy and DP980 dual–phase steel joints / W. Xu, D. Westerbaan, S.S. Nayak, D.L. Chen, F. Goodwin, Y. Zhou // Materials & Design. – 2013. – Vol. 43. – P. 373–383. – doi: 10.1016/j.matdes.2012.07.017.

8. Microstructure and mechanical properties of fiber laser welded QP980 steel / W. Guo, Z. Wan, P. Penga, Q. Jia, G. Zou, Y. Peng // Journal of Materials Processing Technology. – 2018. – Vol. 256. – P. 229–238. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2018.02.015.

9. Pores formation in laser–MAG welding of 42CrMo steel / Y. Zhang, G. Chen, C. Zhou, Y. Jiang, P. Zhong, S. Li // Journal of Materials Processing Technology. – 2017. – Vol. 245. – P. 309–317. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2017.02.029.

10. The elimination of pores in laser welds of AISI 304 plate using different shielding gases / J. Sun, P. Nie, K. Fenga, Z. Li, B. Guo, E. Jiang // Journal of Materials Processing Technology. – 2017. – Vol. 248. – P. 56–63. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2017.05.011.

11. Liquation cracking in fiber laser welded joints of inconel 617 / W. Ren, F. Lu, R. Yang, X. Liu, Z. Li // Journal of Materials Processing Technology. – 2015. – Vol. 226. – P. 214–220. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2015.07.004.

12. Seto N., Katayama S., Matsunawa A. High-speed simultaneous observation of plasma and keyhole behavior during high power CO2 laser welding: effect of shielding gas on porosity formation // Journal of Laser Applications. – 2000. – Vol. 12 (6). – P. 245–250. – doi: 10.2351/1.1324717.

13. Tsukamoto S. High speed imaging technique. Part 2 – High speed imaging of power beam welding phenomena // Science and Technology of Welding and Joining. – 2011. – Vol. 16, iss. 1. – P. 44–55.  – doi: 10.1179/136217110X12785889549949.

14. Formation and influence mechanism of keyhole-induced porosity in deep-penetration laser welding based on 3D transient modeling / F. Lu , X. Li , Z. Li , X. Tang, H. Cui // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2015. – Vol. 90. – P. 1143–1152. – doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.07.041.

15. Modeling of keyhole dynamics and porosity formation considering the adaptive keyhole shape and three-phase coupling during deep-penetration laser welding / H. Zhao, W. Niu, B. Zhang, Y. Lei, M. Kodama, T. Ishide // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2011. – Vol. 44. – P. 485302/1–485302/13. – doi: 10.1088/0022–3727/44/48/485302.

16. Смирнова Н.А., Мисюров А.И. Особенности образования структуры при лазерной обработке // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. – 2012. – № 6. – С. 115–129. – doi: 10.18698/2308–6033–2012–6–233.

17. Игнатов А.Г. Лазерная сварка сталей мощными СО₂ лазерами. Ч. 3 // Фотоника. – 2009. – № 4. – С. 12–16.

18. Структура стальных швов, формируемых с использованием источников энергии высокой концентрации / В.Г. Буров, А.П. Алхимов, И.А. Батаев, Е.Д. Головин, Е.Е. Корниенко // Доклады АН ВШ РФ. – 2012. – № 1 (8). – С. 52–60.