УДК 621.791
Лазерная ударная обработка как метод послесварочной обработки
Пятаев Дмитрий Александрович – магистрант Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева.
Кайзер Денис Сергеевич – магистрант Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева.
Зимин Максим Алексеевич – магистрант Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева.
Аннотация: Лазерная ударная обработка – это современный и эффективный термомеханический подход к проектированию и изменению поверхностных и подповерхностных свойств материалов, который часто выбирают современные исследователи в области наклепа. Основная цель этой статьи состоит в том, чтобы выделить лазерную ударную обработку как метод обработки после сварки, который может помочь в ее коммерциализации, что до сих пор считалось проблемой. Сочетание лазерной сварки и лазерной ударной обработки может стать альтернативным и многообещающим подходом к улучшению качества сварки по сравнению с другими традиционными методами обработки после сварки. Также обсуждаются заметные эффекты лазерной ударной обработки на механические свойства и микроструктуру различных сварных соединений, а также классификация и важные параметры лазерной ударной обработки. Лазерная ударная обработка действительно может использоваться в качестве эффективного метода послесварочной обработки процессе промышленного производства.
Ключевые слова: сварка, лазерная ударная обработка, механические свойства, микроструктура.
Подтип обработки поверхности и процесс модификации, используемый для придания благоприятного остаточного напряжения сжатия на поверхности металлических компонентов и вблизи нее с помощью лазерного луча высокой энергии, называется лазерной ударной обработкой. Глубокие и большие сжимающие остаточные напряжения, вызванные лазерной ударной обработкой, повышают устойчивость материалов к разрушениям, зависящим от поверхности, таким как усталость и фреттинг-усталость, за счет задержки времени зарождения трещины и ее распространения. Если рассматривать историю человеческой цивилизации в разные эпохи древности, то можно заметить их непрекращающиеся попытки улучшить качество материалов для повседневной жизни. От доспехов до оружия и инструментов до транспортных средств – все требовало постоянного улучшения для увеличения срока службы и получения преимуществ. В этом стремлении были разработаны различные методы, такие как ковка, прокатка, воронение и упрочнение, для изменения связанных свойств (механических, металлургических и микроструктурных). В некоторой литературе эти методы также выделяются как методы предварительного напряжения материалов, поскольку они подвергают материалы напряженному состоянию, вызывая остаточные напряжения. Остаточные напряжения бывают двух видов: растягивающие и сжимающие. Остаточное напряжение при растяжении вредно для металла (поскольку оно может увеличить скорость механизмов разрушения, таких как «чистая» механическая усталость и коррозионная усталость), в то время как остаточное напряжение при сжатии полезно (поскольку оно может замедлить механизмы разрушения).
Сварка – очень сложный процесс с очень сложными для понимания конфигурациями. Из литературы можно получить обзор процесса, параметры процесса, предысторию сварки (особенно сварки лазерным лучом) и различные проблемы, возникающие при сварке, и их решения. Сварку можно определить как «плавление с последующим соединением»; однако на самом деле это довольно сложно. Несмотря на то, что плавление, соединение и затвердевание происходят за очень короткое время, сварное соединение претерпевает различные механические, термические, металлургические и микроструктурные изменения. Лазерная сварка приобрела популярность благодаря различным преимуществам по сравнению с традиционными методами, таким как узкая зона термического влияния, мелкозернистая зона сварного шва, лучшие и статические механические свойства, значительно более высокая скорость сварки, бесконтактное взаимодействие с заготовкой и симметричная геометрия сварного шва. Несмотря на то, что лазерная сварка способна производить сварку хорошего качества, иногда в авиационной, аэрокосмической и автомобильной промышленности требуются гибридные конструкции, и, следовательно, для сварки требуется различное сочетание материалов. Это очень сложная технологическая задача из-за существенного несоответствия физических свойств, ограниченной взаимной растворимости и образования интерметаллических фаз, что в конечном итоге приводит к часто встречающимся дефектам в виде горячих трещин, пористости и разупрочнения зоны сплавления. Термическая обработка после сварки (традиционный подход к упрочнению и снятию напряжений в сварном шве) может улучшить прочность зоны сплавления, но ограничивается только некоторыми материалами, подлежащими термообработке.
Когда лазер срабатывает, он проходит через прозрачную оболочку (удерживающую среду) и достигает поверхности, подлежащей закалке, покрытой непрозрачным слоем или жертвенным слоем. Непрерывная подача лазерных импульсов быстро нагревает и ионизирует испаряемый материал, превращая его в быстро расширяющуюся плазму. В то же время давление, создаваемое расширяющейся плазмой между ограничивающей средой и обрабатываемой поверхностью, входит в поверхность в виде ударной волны высокой амплитуды. Если амплитуда ударной волны выше предела упругости Гюгонио поверхности, материал пластически деформируется при прохождении ударных волн и приводит к возникновению сжимающих остаточных напряжений под поверхностью мишени. Величина остаточного напряжения при сжатии максимальна на поверхности или непосредственно под ней и изменяется в зависимости от глубины.
Список литературы
- Панченко В.Я., Васильцов В.В., Голубев В.С., Ильичев И.Н., Савенков В.А., Шиганов И.Н. Применение лазерных технологий для повышения качества рабочих поверхностей штамповочного инструмента. Proc. SPIE (2000) vol.4644, p.140-147.
- Кайтанов А.Ю., Озерский А.Д., Забелин А.М., Кислов В.С. Статическая и усталостная прочность сварных лазером соединений внахлестку с контролируемым проплавлением. SPIE (2001), vol.4644, p.121-133.
- Рыбаков А.А., Якубовский В.В., Кирьян В.И., Бендер В.С., Кузьменко В.П., Шитова Л.Г., Грезев А.Н. Исследование работоспособности сварных соединений трубной стали 10Г2БТ, выполненных двухпроходной лазерной сваркой. Автоматическая сварка, 1995, №7 (508), с.12-17.