Geum.ru
   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ МИХАИЛ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА  ГИБРИДНОГО ЛАЗЕРНО-ДУГОВОГО ПРОЦЕССА СВАРКИ НА ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА ШВА

Специальность 05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (ФГБОУ ВПО СПбГПУ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

  Туричин Глеб Андреевич

ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский

государственный политехнический

университет 

Официальные оппоненты: доктор технических наук, генеральный директор

Карасёв Михаил Валентинович

ЗАО НПФ Инженерный и технический сервис,

Санкт-Петербург

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник 

Вихман Валерий Борисович 

ОАО ЦНИИ Материалов,

Санкт-Петербург

Ведущая организация: ОАО Центр технологии судостроения и

  судоремонта (ОАО ЦТСС), 

  Санкт-Петербург

Защита состоится л29 мая 2012 г. в 16.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.229.26 в ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29, I уч. корп., ауд. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.

Автореферат разослан л27 апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Тисенко В.Н.

Общая характеристика работы

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 воздейстнвуют одновременно на одну сварочную ванну: лазерный луч и дуга MIG/MAG сварки. В результате этой комбинанции высокая скорость и большая глубинна проплавления лазерной сварки объединяются с повыншенным 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:

  1. Недостаток экспериментальных исследований гибридного лазерно-дугового процесса сварки с использованием в качестве источника лазерного излучения современного мощного волоконного лазера;
  2. Отсутствие исследований, определяющих влияние параметров режима лазерно-дугового процесса сварки на термический цикл сварки, структуру и механические свойства металла шва;
  3. Недостаток в теоретических представлениях о гибридном лазерно-дуговом процессе сварки модели, определяющей влияние параметров режима лазерно-дугового процесса сварки на механические свойства металла шва;
  4. 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;
  2. 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;
  3. 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;
  4. 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;
  2. Стабилизация лазерного излучения в кратере дугового процесса обуславливает расположение луча лазера и дуги, а также оптимальное расстояние между осью луча лазера и электродом;
  3. Наибольшее влияние на изменение структуры металла шва при  лазерно-дуговом процессе сварки оказывают скорость процесса сварки и температура предварительного подогрева;
  4. Качественное и количественное изменение фазовых составляющих микроструктуры и механических свойств металла шва возможно через количественное изменение параметров режима лазерно-дугового процесса сварки;
  5. 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%;
  6. 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;
  7. 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:

  1. 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;
  2. 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;
  3. 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;
  4. 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, K65) 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:

  1. Результаты экспериментального исследования оптимального расположения луча лазера и электрода;
  2. Результаты экспериментального исследования влияния параметров режима лазерно-дугового процесса сварки на качественное и количественное изменение фазового состава микроструктуры металла шва;
  3. Результаты экспериментального исследования влияния параметров режима лазерно-дугового процесса сварки на количественное изменение механические свойства металла шва;
  4. Математическая модель для определения механических свойств металла шва на базе параметров режима лазерно-дугового процесса сварки;
  5. Математическая модель, позволяющая определять параметры режима лазерно-дугового процесса сварки на базе механических свойств металла шва.

ичный 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.

Содержание работы.

Во введении даётся краткое описание недостатков традиционных методов сварки. Кратко описывается лазерно-дуговой способ сварки, его достоинства перед лазерным и дуговым способами и области применения. Также приводится краткое описание работы.

В первой главе проводится обзор результатов экспериментальных  исследований лазерно-дугового процесса сварки и теоретических представлений о нём. В качестве источников информации о проводившихся исследованиях используются ведущие международные журналы по сварке: Laser Physics Letters, The Welding Journal, Welding and Cutting, Welding International, Автоматическая сварка и др., а также сборники международных конференций. По результатам обзора определены пробелы исследований в некоторых областях лазерно-дугового процесса сварки, обозначена цель данной работы и поставлены задачи.

Во второй главе под названием Методика эксперимента и создание стенда производится выбор марки стали и области применения результатов, полученных в данной работе, анализ и выбор параметров режима лазерно-дугового процесса сварки с позиции значимости их влияния на структуру металла шва и диапазонов их варьирования. Разрабатывается план эксперимента, позволяющий при минимальном количестве затраченных ресурсов, провести экспериментальное исследование влияния параметров режима лазерно-дуговой сварки на структуру металла шва. Устанавливаются требования к техническим характеристикам экспериментального оборудования, и производится его выбор; определяются исследуемые механические свойства металла шва и производится выбор исследовательского оборудования; определяются методы контроля качества сварных соединений и оценки механических свойств металла шва.

Наиболее интересными результатами экспериментальных исследований данной главы являются расположение луча лазера и электрода при лазерно-дуговой сварке. Исследования, проводимые с использованием высокоскоростной видеосъёмки, показали высокую стабильность лазерно-дугового процесса в случае переднего расположения дуги, рисунок 1 (а). При переднем расположении луча лазера лазерно-дуговой процесс сварки отличался нестабильностью, проявлявшейся в разбрызгивании расплавленного металла, рисунок 1 (б, в).

   

а  б  в

Рисунок 1 - Кадры видеосъёмки лазерно-дуговых процессов сварки:  а - дуга расположена впереди луча лазера; б, в - луч лазера расположен впереди дуги

Металлографические исследования показали в случае переднего расположения дуги большую глубину проплавления и форму сварного соединения, позволяющую говорить о высоком перемешивании присадочного материала, рисунок 2.

а б

Рисунок 2 - Результаты металлографического анализа сварных соединений, полученных при лазерно-дуговой сварке: а - луч лазера располагается впереди дуги; б - дуга располагается впереди луча лазера

Металлографический метод, метод скоростной видеосъёмки и метод мониторинга тока и напряжения дуги в процессе сварки позволили определить также оптимальное расстояние (3,5мм) между осью луча лазера и электродом при лазерно-дуговом процессе сварки с передним расположением дуги, рисунок 3.

Рисунок 3 - Влияние расстояния между электродом и осью луча лазера на значение тока дуги

В третьей главе под названием Результаты эксперимента и его обсуждение проводится экспериментальное исследование влияния параметров режима лазерно-дуговой сварки на структуру металла шва. Так, с использованием метода определения температуры околошовной зоны в процессе сварки было зафиксировано влияние скорости лазерно-дугового процесса и величины предварительного подогрева на изменение жёсткости термического цикла сварки. Металлографические методы исследования позволили определить влияние параметров режима лазерно-дугового процесса сварки на качественное и количественное изменение фазового состава микроструктуры металла шва, а методы исследования механических свойств - на изменение твёрдости, предела прочности и пластичности металла шва.

По результатам экспериментальных исследований делается вывод о влиянии параметров режима лазерно-дугового процесса сварки на скорость охлаждения, жёсткость термического цикла сварки и микроструктуры металла шва:

  1. Увеличение скорости процесса лазерно-дуговой сварки и снижение температуры предварительного подогрева ведёт к повышению скорости охлаждения металла шва и жёсткости термического цикла сварки с повышением прочностных характеристик металла шва;
  2. Снижение скорости процесса лазерно-дуговой сварки и повышение температуры предварительного подогрева ведёт к снижению скорости охлаждения металла шва и жёсткости термического цикла сварки со снижением прочностных характеристик металла шва.

В четвёртой главе на основе линейного уравнения регрессии и результатов экспериментального исследования влияния параметров режима сварки на структуру металла шва составлена система уравнений для определения механических свойств металла шва на базе параметров режима при лазерно-дуговом процессе сварки с погрешностью расчётов около 5%; на основе системы уравнений для определения механических свойств металла шва на базе параметров режима при лазерно-дуговом процессе сварки в системе компьютерной алгебры из класса систем автоматизированного проектирования Mathcad 14 была создана математическая модель, для определения параметров режима лазерно-дугового процесса сварки на базе механических свойств металла шва с погрешностью около 5%. Практическое использование математической модели, для определения параметров режима лазерно-дугового процесса сварки на основе механических свойств металла шва при разработке технологии лазерно-дуговой сварки стали Х80 дало положительные результаты.

Общие вводы и результаты работы.

  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;
  2. Стабилизация лазерного излучения в кратере дугового процесса обуславливает расположение луча лазера и дуги, а также оптимальное расстояния между осью луча лазера и электродом;
  3. Наибольшее влияние на изменение структуры металла шва при лазерно-дуговом процессе сварки оказывают скорость процесса сварки и температура предварительного подогрева;
  4. Качественное и количественное изменение фазовых составляющих микроструктуры и механических свойств металла шва определено экспериментально;
  5. 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%;
  6. 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%.

Основные публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2-е публикации в журнале, входящем в перечень ВАК и 1 научно-технический отчёт (приравнивается к публикации).

  1. Цибульский И.А., Кузнецов М.В., Сомонов В.В. Технология лазерно-дуговой сварки металлов больших толщин // Лучевые технологии и применение лазеров: материалы 6-й межд. конф. / СПбГПУ. - Санкт-Петербург, 2009. - С. 344 - 348.
  2. Кузнецов М.В. Влияние параметров лазерно-дугового процесса на механические свойства сварных соединений при сварке металлов больших толщин // Всероссийская заочная научно-практическая конференция с международным участием Актуальные научные проблемы, - 2010. - С. 53-57.
  3. Туричин Г.А., Цибульский И.А., Кузнецов М.В., Сомонов В.В. / Перспективы внедрения лазерно-дугового процесса для сварки металлов больших толщин // РИТМ. - 2010. - №10. - С. 28 - 31.
  4. М.В. Кузнецов. Гибридная лазерно-дуговая сварка металлов больших толщин / Г.А. Туричин, И.А. Цибульский, М.В. Кузнецов, В.В. Сомонов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2010. Ц  №4. - С. 181 - 187.
  5. Научно-технический отчёт по теме: Решение прямой задачи по обеспечению необходимого распределения энергии для получения требуемых свойств сварного соединения трубной стали 09Г2ФБЮ при гибридной лазерно-дуговой сварке плавящимся электродом, зарегистрированный в Федеральном государственном научном учреждении Центр информационных технологий и систем органов исполнительной власти от 22.03.2011; интернет номер: И110214173544; инвентарный номер: 02201154152.
  6. М.В. Кузнецов. Решение обратной задачи по определению параметров режима гибридной  Laser-MAG сварки для получения требуемых свойств сварного соединения стали 09Г2ФБЮ / Г.А. Туричин, И.А. Цибульский, М.В. Кузнецов, В.В. Сомонов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2011. - №3. - С. 185 - 192.

Список литературы.

  1. И.В. Кривцун Гибридные лазерно-дуговые процессы сварки и обработки материалов, дисс. д.т.н., Киев - 2002. - 393 с.
  2. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Чирков А.М. Гибридные технологии лазерной сварки: Учебное пособие. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 52 с.: ил.
  3. Dilthey, U., Lueder, F., Wieschemann, A. Technical and Economical Advantages by Synergies in Laser Arc Hybrid Welding. // Proc. of the IIW International Conference УThe Human Factor and its EnvironmentФ, Lissabon. - 1999. Ц  P. 141 - 152.
  4. Lahti K. E. Один + одинЦбольше, чем два!!! // Svetsaren. - 2003. - №2. - P. 22Ц24.
  5. Laserhybrid - Schweiben. Fronius mit Lichfgeschwindigkeit voraus // Schweiss & Pruftechnik. - 2001. - №11. - P. 168 - 169.
  6. Hybrid laser-arc processing at TWI // Connect. - 2002. - №116. - P.7.
  7. Dilthey, U., Wieschemann A. Prospects by combining and coupling laser beam and arc welding processes // Proc. of the IIW International Conference УThe Human Factor and its EnvironmentФ, Lissabon. - 1999. - P. 29Ц44.
  8. Hybrid laser welding - an innovative process for high efficiency welding // Australian Welding Journal. - 2005. - Vol. 50. - P. 22.
  9. Robert W., Messler Jr. WhatТs Next for Hybrid Welding? // Welding Journal. - 2004. - March. - P. 30 - 34.
   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям