Металловедческие основы получения соединений коррозионно-стойкой стали и пористых никелевых материалов лазерным излучением при производстве фильтров
На правах рукописи
БЕЛЯЕВ ЕВГЕНИЙ СЕРГЕЕВИЧ МЕТАЛЛОВЕДЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ КОРРОЗИОННО-СТОЙКОЙ СТАЛИ И ПОРИСТЫХ НИКЕЛЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ФИЛЬТРОВ Специальность 05.16.01 – Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2010 г.
Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева.
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Гаврилов Геннадий Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук., профессор Васильев Виктор Александрович доктор технических наук, профессор, Лясников Владимир Николаевич
Ведущая организация: Московский авиационный институт (Государственный технический университет) г. Москва
Защита состоится «24»декабря 2010 г. В 1300 в ау. 1313 на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 при государственном образовательном учреждении высшего и профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева» по адресу:
603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина 24.
Факс 8 (8312) 436-63-22, e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева»
Автореферат разослан « » 2010г.
Отзывы на автореферат, заверенные печатью организации, в двух экземплярах просим высылать по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.
Ученый секретарь Диссертационного Совета Д 212.165. доктор технических наук, В.А. Ульянов профессор Актуальность работы Актуальной проблемой машиностроительных отраслей промышленности является создание энерго- и ресурсосберегающих технологий, а также повышение эксплуатационной надежности узлов и изделий. Для изготовления и сборки сложных по конструкции узлов из материалов различной пористости в настоящее время все шире применяются лазерные технологии, позволяющие повысить надежность эксплуатации изделий и создать предпосылки для снижения веса за счет упрощения конструкции неразъемных соединений.
Вопросам воздействия лазерного излучения на свойства металлических материалов посвящены труды А.Г. Григорьянца, Г.А.
Абильсиитова, В.С. Коваленко, Н.Н. Рыкалина, А.А. Углова, А.Н.
Сафронова, А.Н. Кокоры, С.А. Астапчика, Л.И. Миркина, А.А. Веденова, Г.Т.
Гладуш, В.С. Крапошина, В.М. Андрияхина, М.Ф. Стельмаха, Д.Н. Гуреева, Г.И. Бровер, Г. Кебнера, Г. Эберхардта, В. Аменде, Дж. Рэди и др.
Лазерная сварка является достаточно перспективным направлением сборки узлов и деталей. В таких сварочных соединениях появляется возможность целенаправленной организации микроструктуры сварочной ванны, структурных состояний и получения нового комплекса физико механических свойств.
В настоящее время лазерная сварка для создания неразъемных соединений из пористых проницаемых листовых материалов применяется весьма ограниченно вследствие недостаточной изученности закономерностей изменения структуры и свойств таких материалов, что сдерживает внедрение высокоэффективных лазерных технологий и разработку рекомендаций прикладного характера.
Работа выполнялась в рамках х/д № 08/1944 «Исследование факторов повышения качества и стабильности свойств изделий для системы жизнеобеспечения космических скафандров» с ОАО «НПП «Звезда», п.
Томилино, Московской области и «Единого Заказ-наряда» Министерства образования и науки РФ «Разработка фундаментальных основ создания новых металлических, неметаллических и композиционных материалов» р/н №1.2. Цель работы Обеспечение высокого уровня стабильности эксплуатационных свойств неразъемных соединений из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т и никелевого проницаемого проката пористостью 35-38% в условиях космического пространства за счет использования высокоэнергетической лазерной обработки в непрерывном режиме излучения.
Для реализации поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
1. Исследование воздействия лазерного излучения на компактную коррозионно-стойкую сталь 12Х18Н10Т и никелевые пористые проницаемые материалы с пористостью 35-38% и производство изделий из таких материалов.
2. Исследование влияния структуры на физико-механические свойства в области совместной и раздельной обработки излучением CO2 - лазера коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т и прокатов из карбонильного и электролитического порошка никеля пористостью 35-38%.
3. Разработка физической качественной модели структурообразования в зоне совместной и раздельной обработки компактной коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т и прокатов из карбонильного и электролитического порошка никеля пористостью 35-38% непрерывным излучением CO2 – лазера;
4. Разработка математической модели сварки тонких листов встык мощным сосредоточенным источником тепла на основе модифицированной функции Бесселя от мнимого аргумента второго рода нулевого порядка, как для компактных, так и для пористых материалов;
5. Разработка и внедрение технологического процесса совместной и раздельной обработки излучением CO2 – лазера компактной коррозионно стойкой стали 12Х18Н10Т и проката из карбонильного и электролитического порошка никеля пористостью 35-38% для изготовления изделий работающих в открытом космосе.
Научная новизна 1. Выявлены закономерности формирования микроструктуры в зоне совместной и раздельной обработки излучением CO2 – лазера компактной коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т и пористых проницаемых прокатов из карбонильного и электролитического никеля пористостью 35-38%.
2. Установлены закономерности изменения физико-механических свойств после совместной и раздельной обработки компактной коррозионно стойкой стали 12Х18Н10Т и проницаемых прокатов из карбонильного и электролитического порошка никеля пористостью до 35-38% излучением CO2 – лазера.
3. Для описания температурного поля с использованием математической модели на основе функции Бесселя от мнимого аргумента второго рода нулевого порядка определены необходимые значения эффективного КПД, определяющие тепловой вклад в процессе лазерной обработки для коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т и пористого проницаемого никелевого проката из карбонильного и электролитического порошка пористостью 35-38%.
Практическая значимость работы Разработаны рекомендации по выбору режимов лазерной обработки никелевых пористых проницаемых листовых материалов пористостью 35 38% на основании проведенных исследований.
Разработаны рекомендации по выбору режимов для совместной лазерной обработки компактной коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т и никелевых пористых проницаемых листовых материалов пористостью 35 38% с учетом проведенных исследований.
Разработана расчетная программа «Isoterms», позволяющая определять температурные поля при лазерной обработке листовой компактной коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т и прокатов из карбонильного и электролитического порошка никеля пористостью 35-38%, и на основании этих данных определять технологические параметры лазерной обработки с учетом теплофизических свойств используемых материалов;
Разработан технологический процесс совместной и раздельной обработки излучением CO2 – лазера листовой компактной коррозионно стойкой стали 12Х18Н10Т и проката из карбонильного и электролитического порошка никеля пористостью 35-38%. Для реализации нового технологического процесса разработана конструкция специальной технологической оснастки, патент на полезную модель №90792 от 20 января 2010;
Материалы исследований в виде разработанной в рамках настоящей диссертации технологии прошли апробирование на ОАО «НПП Звезда» в производстве особо ответственных изделий для узлов теплообменника сублиматора космических скафандров серии «Орлан».
Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Материаловедение и технология новых материалов» НГТУ им. Р.Е.
Алексеева в дисциплине «Технология материалов и покрытий».
Основные положения, выносимые на защиту 1. Закономерности формирования микроструктуры в зоне лазерного облучения листовых пористых проницаемых материалов из карбонильного, электролитического порошка никеля пористостью 35-38%.
2. Закономерности формирования микроструктуры в зоне совместного лазерного облучения компактной коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т и прокатов из карбонильного и электролитического порошка никеля пористостью 35-38%.
3. Результаты исследования процесса формирования микроструктуры в зоне облучения лазером компактной коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т.
4. Влияние излучения CO2 – лазера на фазовые и структурные превращения и механические свойства компактной коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т и прокатов из карбонильного и электролитического порошка никеля пористостью до 35-38% после их совместной или раздельной обработки.
Личный вклад автора Состоит в выборе научно-технического направления исследований, постановке задач исследований, анализе литературных источников, проведении экспериментов и интерпретации полученных результатов, проведение металлографических, физико-механических и прочих исследований. Автор изготовил натурные изделия СПЭ-1, которые прошли с положительным результатом испытания на ОАО «НПП «Звезда».
полученных результатов подтверждается Достоверность корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, большим объемом экспериментальных данных и успешной реализацией разработанных технологий в промышленном производстве.
Апробация работы Основные положения полученных результатов обсуждались на следующих конференциях:
«XIII Нижегородская сессия молодых учёных. Технические науки», г.
Н.Новгород, 15-19 февраля, 2007 г;
«XIV Нижегородская сессия молодых учёных. Технические науки» г. Н.Новгород, 15-19 февраля, 2008 г;
«Научно методические основы повышения качества подготовки специалистов в области материаловедения и технологии конструкционных материалов», г.
Краснодар, 21-23 сентября, 2009 г;
Всероссийская молодежная научно – техническая конференция «Авто – НН - 2009», г. Н.Новгород, 19-20 ноября, 2009 г;
«XV Нижегородская сессия молодых учёных. Технические науки», г.
Н.Новгород, 15-19 февраля, 2010 г;
II-я научно-практическая конференция «Заготовительные производства предприятий Волго-Вятского региона», г.
Н.Новгород, 21-23 октября, 2010г.
Публикации по теме диссертационной работы изложены в 8-ми работах, в том числе из списка рекомендуемых изданий ВАК, а также имеется патент на полезную модель.
Объем работы Работа состоит из введения и 5-ти глав, списка литературы содержащего 92 источника и приложений на 26 листах. Материалы изложены на страницах, текст содержит 11 таблиц и 73 рисунка.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе рассмотрены области применения и существующие технологии получения изделий из пористых и компактных металлов.
Воздействие лазерного излучения на компактные и пористые металлы, физические основы нагрева, плавления и сварки металлов. Влияние технологических параметров на фазовые превращения и формирование структуры металлов при лазерной обработке, вопросы диффузии в металлах и легирования сварных швов, методы моделирования температурных полей при лазерной сварке. В результате проведенного анализа литературных источников установлено, что данные о сварке пористых проницаемых листовых материалов недостаточно полные.
Материалы обобщены и по литературным данным сформулированы задачи исследования Во второй главе дается обоснование выбора материалов и методов проведения исследований.
Для исследований были выбраны пористый проницаемый никелевый прокат из порошка ПНК-УТ3 и ПНЭ-1 пористостью 35 и 38% соответственно и коррозионно-стойкая сталь аустенитного класса 12Х18Н10Т. Данные материалы широко используются в системах жизнеобеспечения космонавтов.
При проведении исследований по изучению формирования микроструктуры и свойств после воздействия непрерывного лазерного излучения для указанных материалов была использована лазерная технологическая установка «Латус-31» на базе компактного молекулярного CO2-лазера «Карат». Диапазон изменения мощности составлял 500-600 Вт.
Скорость перемещения лазерного луча по поверхности составляла 5,0-25, мм/с, диаметр сфокусированного луча d=0,8 мм. При данных энергетических параметрах лазерного излучения реализовывался процесс сварки указанных материалов в различных сочетаниях.
Исследования микроструктуры и фазового состава после различных режимов лазерной сварки проводились с применением металлографических микроскопов МИМ-7, Neophot-21, электронного растрового микроскопа JCM-5700 и входящего в его состав рентгеновского микроспектроанализатора, микротвердометра ПМТ-3;
механические испытания проводились на установке МР-0,5-1 для статических испытаний на растяжение;
рентгеновский анализ проведен на рентгеновском дифрактометре общего назначения ДРОН-2.
Для математической обработки полученных испытаний и программного обеспечения исследовательской работы использована ПЭВМ.
При исследовании и испытаниях использовались стандартные методики, современные приборы и установки, прошедшие метрологическую поверку.
В третьей главе рассмотрены и обсуждены с позиций современных научных положений результаты исследований сварных соединений пористой проницаемой никелевой ленты из порошка ПНК-УТ3 и ПНЭ-1, коррозионно стойкой стали 12Х18Н10Т и их сочетаний.
3.1. Пористая проницаема лента из порошка ПНК-УТ В результате исследований показано, что микроструктура сварных соединений при скорости сварки 5 мм/с состоит из крупных столбчатых дендритов, которые растут от периферии сварочной ванны, где произошло плавление пористого металла, и изгибаются в сторону её движения (рис. 1).
На шлифах изготовленных поперек сварного соединения во всех сечениях при данной скорости сварки наблюдается крупнокристаллическое строение сварочного шва, а также форма сварочной ванны имеет утяжины с двух сторон, образовавшиеся в результате действия сил поверхностного натяжения на расплав во время существования жидкой ванны. Появление утяжин вызвано равномерной усадкой пористого проката под действием высокой температуры с начальной пористости 35% до практически компактного металла.
В микроструктуре отчетливо проявляется пористость шва, которая имеет упорядоченное расположение относительно формы сварочной ванны, в частности ее заднего фронта плавления и направления движения, и локализуется по краям, а также в центре сварочной ванны.
Увеличение скорости сварки, при тех же энергетических параметрах лазерного излучения, приводит к уменьшению подвода тепловой энергии в формируемый сварной шов, а вследствие неизменности теплофизических свойств использованного пористого материала скорость отвода тепла остается постоянной, что ведет к уменьшению объема сварочной ванны и времени её кристаллизации.
Микроструктура сварного соединения полученного при скорости мм/с, представлена на рис. 2. Сварка со скоростью 25 мм/с обеспечивает получение наиболее высокодисперсной дендритной структуры за счет более жесткого термического цикла. Пористость в сварном шве распределена равномерно. Размеры пор уменьшаются и становятся соизмеримыми с порами в основном пористом материале.
На микрошлифе, изготовленном вдоль сварного соединения, видны следы конвективных потоков тепло- и массопереноса, которые зафиксированы порами сварного шва.
Рис.1 – Микроструктура сварного соединения пористого никелевого проката из порошка ПНК-УТ3. Скорость сварки – 5 мм/с (а – по поверхности, б – в торец, в – вдоль шва, г – снизу шва.), х160.
Рис.2 – Микроструктура сварного соединения пористого никелевого проката из порошка ПНК-УТ3. Скорость сварки – 25 мм/с (а – по поверхности, б – в торец, в – вдоль шва, г – снизу шва.), х160.
Оценка дисперсности микроструктуры рассмотрена на модели, основанной на подсчете количестве зерен в сварочной ванне и их площади.
Обобщенные данные для всех использованных материалов приведены на рисунке 3.
а) б) в) г) д) е) Рис.3 - Характеристика структур получаемых после лазерной сварки.
Режим сварки W=1,2·105 Вт/см2 (P=600 Вт;
d=0,8 мм). (а – ширина сварочной ванны, мм;
б – площадь сварочной ванны, мм2;
в – проплавление толщины материала, %;
г – количество зерен на 1 мм2;
д – средняя площадь зерна, мм2;
е – средний размер пор в сварочной ванне, мкм).
Образование в сварочных ваннах равномерной пористости, имеет следующий механизм формирования. Плавление пористого проката от действия лазерного излучения в первый момент времени происходит с большой скоростью, обеспечивающей изменение температуры порошка скачкообразно таким образом, что температурного градиента не наблюдается. Поэтому плавление пористого проката, находящегося в таких условиях, происходит так же скачкообразно. Эта зона расположена непосредственно на поверхности, которая подвергается лазерному облучению При спекании пористого тела происходит его усадка, сближающиеся частицы порошка вытесняют газ, который содержится в порах. Это сближение соответственно должно вызывать увеличение давления газа в порах.
При медленном плавлении газ через поровые каналы имеет возможность беспрепятственно выйти из пористого тела. В случае же скачкообразного плавления, газ не может свободно покинуть пористое тело и остается в расплаве в виде газовых пузырей.
На некотором удалении от зоны скачкообразного плавления, где в каждой частице порошка уже имеется градиент температур, обусловленный уменьшением теплового потока, это приводит к плавлению пористого тела равномерно по всему фронту. Фронт плавления при этом перемещается с определенной скоростью, которая постоянно уменьшается. Очевидно, что отвод газа через поры будет проходить с меньшим сопротивлением, чем через жидкий металл, вязкость которого быстро растет в процессе охлаждения, обусловленного малым временем воздействия лазерного излучения.
Этим можно объяснить наличие «корковой» беспористой зоны по краям ванны. Вероятно, это зона равномерного плавления, в которой газ отводится через поровые каналы.
Одновременно с процессом образования газовых пузырей в жидкой ванне происходит их всплытие на поверхность.
Рис.4 – Распределение пор в дендритах. Скорость сварки 5 мм/с. х500.
Пористость имеет место и в дендритных зернах, что играет положительную роль при кристаллизации металла шва, понижая тем самым объемную усадку (рис. 4).
Исследованиями также установлено, что на поверхности, прилегающей к сварному шву, имеет место, зона пониженной прочности, которая образуется в результате усадочных напряжений при затвердевании расплава ванны.
3.2. Пористая проницаема лента из порошка ПНЭ- Проводились исследования по лазерной сварке пористой проницаемой ленты из электролитического порошка никеля с плотностью мощности лазерного излучения W=1,2·105 Вт/см2 (P=600 Вт;
d=0,8 мм) со скоростями 5, 10, 15, 25 мм/с. Отличие карбонильного и электролитического порошка заключается в форме частиц разветвленной и сферической соответственно.
Пористость у ленты из ПНЭ-1 составляет 38%. Внешний вид поверхности пористой ленты из ПНЭ-1 и ПНК-УТ3 приведены на рисунке 5.
а) б) Рис. 5 - Поверхность пористого проката из ПНК-УТ3(а) и ПНЭ-1(б) Установлено, что закономерности формирования сварного соединения аналогичны с пористой лентой из карбонильного порошка никеля. С повышением скорости сварки изменяется форма, размер дендритов, ширина сварочной ванны, швы так же имеют пористость.
Как видно из представленных микроструктур (рис. 6), при указанных энергетических параметрах лазерного излучения, при скорости сварки 5 мм/с изгиба дендритных зерен не наблюдается, как у ленты из ПНК-УТ3. Вместо этого они ориентированы в сторону теплоотвода. Этот факт в данном случае позволяет предположить, что исходная форма частиц порошка влияет на коэффициент поглощения лазерного излучения, а так же на теплофизические характеристики материала за счет вида контакта частиц порошка. В данном случае лента из сферического порошка сильнее отражает лазерное излучение.
Так же в ленте из электролитического порошка пористость более обширная, а на больших скоростях сварки шов содержит крупные поры, что может быть связано с недостаточным поглощением энергии в связи с большим коэффициентом отражения.
Скорость сварки 5 мм/с, слева направо: вид сверху и поперек сварочной ванны Скорость сварки 15 мм/с, слева направо: вид сверху и поперек сварочной ванны Рис.6 – Микроструктуры сварных соединений пористой ленты из порошка ПНЭ-1, х160.
3.3. Сварные соединения из стали 12Х18Н10Т Микроструктура сварных соединений (рис. 7, 8), полученных лазерной сваркой стали 12Х18Н10Т, состоит из дисперсных дендритов, которые располагаются в середине сварочной ванны и зоны термического влияния, расположенной по краям ванны. В результате нагрева зоны термического влияния до высокой температуры от действия сварочного термического цикла вероятно выделение карбидов в этой зоне. Дендриты в сварочной ванне разориентированы, что положительно влияет на стойкость к образованию холодных трещин.
Структура в стали значительно более высокодисперсная, чем микроструктура пористого металла, обработанного лазерным излучением.
Связано это, как уже отмечалось выше, с более низкими значениями теплопроводности у пористых материалов по сравнению с компактными металлами. Микроструктура сварных швов представлена на рисунках 7 и 8.
На процесс формирования микроструктуры сварного шва и околошовной зоны существенно влияют параметры термического цикла, развивающегося в материале.
Участки зоны термического влияния, примыкающие непосредственно к лазерному сварному шву, имеют, как обычно, крупнозернистую микроструктуру, а места с высокотемпературным нагревом (близких к Ac3) имеют мелкие аустенитные зерна. Вследствие локальности нагрева и ограниченного времени воздействия лазерного излучения наблюдаются отличия, состоящие в большей дисперсности структурных составляющих и меньших размерах всех зон по сравнению с традиционными видами сварки.
Это происходит вследствие того, что развитие тепловых процессов, приводящих к нагреву, начинается непосредственно в зоне фокального пятна лазерного излучения на поверхности обрабатываемых материалов и переноса тепловой энергии от поверхности вглубь материала за счет их теплопроводности.
а) б) Рис.7 - Микроструктура сварного соединения стали 12Х18Н10Т, полученного лазерной сваркой со скоростью 5 мм/с. (а – поверхность шва, х160;
б – торец шва, х500).
а) б) Рис.8 - Микроструктура сварного соединения стали 12Х18Н10Т, полученного лазерной сваркой со скоростью 25 мм/с. (а – поверхность шва, х160;
б – торец шва, х500).
3.4. Сварные соединения из стали 12Х18Н10Т и листового пористого проницаемого никелевого проката из порошка ПНК-УТ При сварке встык сочетания стали 12Х18Н10Т и пористого проницаемого никелевого проката из порошка ПНК-УТ3 образуется сварной шов, микроструктура которого представлена на рисунках 9 и 10. К особенностям микроструктуры таких швов следует отнести наличие зоны капиллярной пропитки расплавом ванны пористого проката (рис. 10) и сварной шов не имеет пористости.
При металлографическом анализе шлифов, изготовленных поперек сварного соединения, выявляются характерные структуры связанные с процессами тепло- и массопереноса в жидкой ванне, что иллюстрирует рис.10.
Данная скорость сварки, 5 мм/с, является предельно малой для получения качественного соединения, а скорость сварки 25 мм/с является максимально возможной. При скорости 25 мм/с полного проплавления по всей длине шва не происходит.
На рис.10 показано, что к сварочной ванне примыкает более темная зона, чем основной пористый металл. Происхождение этой зоны связано с усадочными процессами. Именно в этой области и развивались трещины вдоль сварочного шва у некоторых соединений.
Рис.9 – Сварной шов пористого и компактного металла. Скорость сварки 10 мм/с, х160.
Рис.10 – Зона капиллярной пропитки расплавом ванны пористого металла. Скорость сварки 5 мм/с, х160.
3.5. Исследование свойств полученных сварных соединений В сварочных ваннах из стали и пористого проката из порошка фазовый состав остается постоянным, а в сварных соединениях 12Х18Н10Т+ПНК-УТ3 фазовый состав компонентов суммируется.
Обнаруженные фазы представлены на рис.11.
Изменение концентрации химических элементов по ширине сварного соединения представлено на рис.12.
Рис.11 – Фазовый состав сварного соединения стали 12Х18Н10Т и пористого проката из порошка ПНК-УТ Рис.12 – Распределение химических элементов по ширине сварочной ванны пористого и компактного металла.
Микротвердость в сварочных ваннах из стали 12Х18Н10Т и пористого проката из порошка ПНК-УТ3 остается постоянной на уровне 2000 МПа и 780МПа соответственно. Это объясняется отсутствием фазовых превращений, как в стали, так и в никеле, что подтверждается данными фазового анализа.
В сварных соединениях коррозионно-стойкая сталь 12Х18Н10Т+пористый прокат из порошка никеля марки ПНК-УТ микротвердость монотонно понижается (рис. 13). Такое распределение микротвердости объясняется малым смешиванием компонентов и отсутствием фазовых превращений.
Коррозионные испытания проводили методом АМУ по ГОСТ 6032 2003. Для выявления МКК использовали металлографический метод. В испытаниях использовались все виды исследованных образцов.
Сварные образцы из стали 12Х18Н10Т выдержали коррозионные испытания.
Рис.13 – Распределение микротвердости по торцу шва пористого и компактного металла.
Результаты механических испытаний согласно ГОСТ 11701- представлены на рисунках 14 и 15. Для пористого материала использовались образцы II типа, а для образцов из стали I типа.
Рис.14 - Изменение временного сопротивления при W = 1,2·105 Вт/см (P=600 Вт;
d=0,8 мм) для пористого никелевого проката в зависимости от скорости сварки.
Рис.15 - Изменение временного сопротивления и 2 для стали 12Х18Н10Т в зависимости от скорости сварки (1 – W = 1,2·105 и 2 – W = 1,75·104 Вт/см).
Четвертая глава посвящена разработке программного обеспечения «Isoterms» для автоматизации определения оптимальных режимов лазерной сварки тонколистовых материалов различной пористости на основании построения температурного поля, действующего в процессе сварки.
Для реализации поставленной задачи использована математическая модель на основе функции Бесселя от мнимого аргумента второго рода нулевого порядка. Температурное поле рассматривается в квазистационарном режиме, согласно зависимости:
q v b T, = e K r +, (1) 2s 4a a где Тr,x – значение температуры в зависимости от радиус-вектора r и координаты x;
q – интенсивность линейного источника тепла;
(2) r= x +y, где x – координата «x»;
r – радиус-вектор проведенный из начала координат в точку «х», – коэффициент теплопроводности;
s – толщина пластины;
v – скорость движения источника тепла;
a – коэффициент температуропроводности;
b – коэффициент температуроотдачи;
K0 – функция Бесселя от мнимого аргумента второго рода нулевого порядка.
Интенсивность линейного точечного источника тепла может быть получена из равенства:
q = ЭФ P, (3) где ЭФ – эффективный КПД;
Р – мощность лазерного излучения.
Эффективный КПД характеризует количество теплоты, которая была поглощена материалом за единичный интервал времени. По литературным данным значения эффективного КПД находится в широких пределах от 0, до 0,9 для стали 12Х18Н10Т. Это требует его уточнения по экспериментальным данным. Значение эффективного КПД зависит от скорости сварки, физико-химического состояния поверхности, мощности излучения, материала и его толщины.
Экспериментально определенные значения КПД для компактной стали и пористого проката имеют разные значения. Различный их характер обусловлен различиями в теплофизических параметрах материалов и состоянием поверхности. Эффективный КПД в случае пористого проката разделяется на эффективный КПД в жидкой фазе и эффективный КПД в твердой фазе. Значения экспериментально полученного эффективного КПД приведены на рисунке 16 и 17.
Разделение значений эффективного КПД для пористого проката обусловлено сильным перепадом теплофизических свойств и плотности. В твердой фазе значения эффективного КПД характеризуют теплоту, поглощенную материалом за счет теплопроводности от расплавленного металла сварочной ванны. Таким образом, эффективный КПД, в твердой фазе, характеризует более сложные тепловые процессы в условиях взаимодействия плотного расплавленного металла и пористого проката.
Программное обеспечение «Isoterms» реализует алгоритм подбора температуры по заданным параметрам.
Рис.16 - Значения эффективного КПД лазерной сварки стали 12Х18Н10Т, толщиной 0,5 мм при Р=600 Вт.
Рис.17 - Значения эффективного КПД лазерной сварки пористого проницаемого никелевого проката из порошка марки ПНЭ-1, пористость 35%, толщина 0,59 мм, мощность 600 Вт.
Для повышения точности определения геометрического местоположения точек с заданной температурой теплофизические параметры материалов принимаются при такой же температуре что и определяемая изотерма. Это позволяет считать данную модель нелинейной, т.е.
учитывающей изменение теплофизических свойств материала в зависимости от температуры.
Документы для государственной регистрации программного продукта «Isoterms» направлены в ФГУ «Федеральный институт промышленной собственности».
В пятой главе разработана технология лазерной сварки непрерывным излучением CO2-лазера изделий из пористых и компактных материалов.
Данная технология внедрена на ОАО «НПП «Звезда» при производстве сварного пористого элемента СПЭ-1. СПЭ-1 применяется для отделения влаги из двухфазной среды в условиях невесомости. Акт опытно промышленного внедрения прилагается.
Общие выводы 1. Исследовано воздействие лазерного излучения на компактную коррозионно-стойкую сталь 12Х18Н10Т и никелевый пористый проницаемый прокат из порошков ПНК-УТ3 и ПНЭ-1.
Установлены особенности микроструктуры пористых сварных соединений, к которым относится: утяжина, пористость шва. Выявлено различие в формировании пористости в сварочной ванне для пористой проницаемой ленты из ПНК-УТ3 и ПНЭ-1. Показано, что распределение пор в случае сварки ленты из ПНЭ-1 более благоприятное. Равномерно распределенная пористость компенсирует объемную усадку сварочной ванны, что предотвращает локальное превышение предела прочности.
2. Исследовано влияние структуры на физико-механические свойства в области совместной и раздельной обработки излучением CO2 – лазера коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т и прокатов из карбонильного порошка никеля пористостью 35-38%.
Прочность пористых сварных образцов увеличивается с увеличением скорости сварки до 15 мм/с. Это обусловлено уменьшением объема жидкой ванны и пористостью сварного шва. Эти два фактора уменьшают усадочные явления и уменьшают протяженность зоны пониженной прочности.
Снижение прочности при сварке на скорости выше 15 мм/с связано с уменьшением начальной площади сечения образца для испытаний на растяжение, вследствие неполного проплавления.
Временное сопротивление на растяжение металла шва в случае использовании 12Х18Н10Т практически не зависит от режима сварки до скорости 15 мм/с. При дальнейшем увеличении скорости сварки прочность образцов лимитируется степенью проплавления.
Результаты измерения микротвердости, характер изменения концентрации химических элементов и данные рентгеноструктурного анализа свидетельствуют о незначительном смешивании разнородных материалов и отсутствие фазовых превращений в сварочной ванне.
Распределение микротвердости по ширине сварочной ванны при сварке пористой проницаемой ленты из порошка ПНК-УТ3 и ПНЭ-1 имеет различный характер. Микротвердость сварочной ванны из ПНК-УТ совпадает с основным металлом, а микротвердость, в случае, ПНЭ-1 имеет хорошо различимую переходную зону, что обусловлено различным характером распределения пористости по сечению сварочной ванны.
Незначительное смешивание коррозионно-стойкостй стали 12Х18Н10Т и пористого проката объясняется малым временем существования жидкой ванны вследствие больших скоростей сварки.
3. Разработана физическая качественная модель структурообразования в зоне совместной и раздельной обработки компактной стали 12Х18Н10Т и прокатов из карбонильного и электролитического порошка никеля пористостью 35-38% непрерывным излучением CO2 – лазера.
Показан процесс формирования микроструктуры и пористости в сварном шве. Проведена оценка процесса кристаллизации сварочной ванны по структурным показателям. Выявлены факторы, влияющие на структурообразование в зоне сварного соединения пористого проницаемого никелевого материла, из порошков марок ПНК-УТ3 и ПНЭ-1.
Формирование шва в пористой ленте из карбонильного никеля ведет к формированию зоны пониженной прочности вследствие усадочных явлений, которая видна при металлографическом исследовании.
При исследовании сварочных швов ленты из электролитического никеля наличия зоны пониженной прочности при лазерной сварке не установлено.
Особенностью микроструктуры сварных образцов из пористого и компактного материала является наличие зоны капиллярной пропитки и отсутствие образования интенсивной пористости.
4. Разработана математическая модель сварки тонких листов встык мощным сосредоточенным источником тепла на основе модифицированной функции Бесселя от мнимого аргумента второго рода нулевого порядка, как для компактных материалов, так и для пористых проницаемых никелевых материалов.
Для реализации математической модели разработано программное обеспечение «Isoterms», которое позволяет определять температурное поле в квазистационарном режиме сварки.
5. Разработан технологический процесс изготовления изделий из пористых и компактных материалов, который внедрен на «ОАО «НПП Звезда» при производстве изделия СПЭ-1.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Г.Н. Гаврилов., Исследования структуры и свойств лазерных сварных соединений коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т и пористого проницаемого проката из карбонильного порошка никеля/Г.Н. Гаврилов, В.А. Хренов, Е.С. Беляев// Технология металлов. – 2010. - №10. – С. 30-35.
2. Е.С. Беляев., Формирование микроструктуры контактной зоны разнородных материалов при лазерной сварке//«XIV Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки», материалы XIV Нижегородской сессии молодых ученых. (15-19 февраля 2009 г., Н.Новгород) – Н.Новгород:
«Департамент образования Нижегородской области», 2009. – С. 56-57.
3. Г.Н. Гаврилов., Использование лазерных технологий для изготовления сварных соединений из материалов различной плотности/Г.Н.
Гаврилов, Е.С. Беляев//«Начно-методические основы повышения качества подготовки специалистов в области материаловедения и технологии конструкционных материалов», материалы Всероссийского совещания заведующих кафедрами материаловедения и технологии конструкционных материалов вузов России (21-23 сентября 2009 г., Краснодар) – Краснодар:
КубГТУ, 2009. – С. 57-60.
4. Е.С. Беляев., Структурообразование в зоне сварного соединения пористых и компактных тел после лазерного воздействия/Е.С. Беляев, М.А.
Григорьева, Г.Н. Гаврилов//«АВТО-НН-2009», Тезисы докладов всероссийской молодежной научно-технической конференции (19-20 ноября 2009 г., Н.Новгород) – Н.Новгород: НГТУ им.Р.Е. Алексеева, 2009. – С. 236 238.
5. Е.С. Беляев., Микроструктура и свойства лазерных сварных соединений/Е.С. Беляев, Г.Н. Гаврилов//«XV Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки», материалы XV Нижегородской сессии молодых ученых. Технические науки (15-19 февраля 2010 г., Н.Новгород) – Н.Новгород: «Департамент образования Нижегородской области», 2010. – С.
64.
6. Е.С. Беляев., Особенности моделирования процесса лазерной сварки никелевых пористых проницаемых листовых материалов, коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т/Е.С. Беляев, Г.Н. Гаврилов// «Заготовительные производства предприятий волго-вятского региона», Труды II научно-практической конференции (21-23 октября 2010г., Н.Новгород) – Н.Новгород: НГТУ им.Р.Е. Алексеева, 2010. – С. 243-246.
7. Г.Н. Гаврилов., Научные основы лазерных технологий обработки металлических материалов/Г.Н. Гаврилов, Е.С. Беляев, В. Кастро, И. Брауэр // «Заготовительные производства предприятий волго-вятского региона», Труды II научно-практической конференции (21-23 октября 2010г., Н.Новгород) – Н.Новгород: НГТУ им.Р.Е. Алексеева, 2010. – С. 246-254.
8. Пат. 90792 РФ, МПК С 21 D 1/09, С 21 D 9/32. Лазерная установка для обработки внутренней поверхности изделий.