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

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.

Интересная статья? Поделись ей с другими: