01
Бумажные моменты
Лазеры сверх-высокой-мощности позволяют сваривать за один-проход детали-толстого сечения, предлагая такие преимущества, как высокая эффективность и низкая стоимость; однако возникновение горбовых дефектов затрудняет их практическое применение. В данном исследовании предложен метод подавления горбатых дефектов, основанный на текстурировании поверхности стыковых-состыковок, позволяющий успешно добиться -качественной однопроходной-сварки нержавеющей стали толщиной 20 мм. Была создана модель вычислительной гидродинамики (CFD), учитывающая особенности микроструктуры поверхности, и результаты ее моделирования продемонстрировали хорошее согласие с экспериментальными данными. Текстурирование поверхности оказывает два основных прямых эффекта: оно способствует расширению расплавленной ванны и усиливает поглощение лазерной энергии, тем самым облегчая переход замочной скважины из не-проникающего состояния в проникающее. Расплавленный металл вблизи стенок замочной скважины демонстрирует более высокие тангенциальные скорости, одновременно препятствуя течению расплава вниз; кроме того, отсутствие зоны низкой-скорости на дне ванны расплава позволяет поверхностному-натяжению-обратному-стороннему сжатию расплава, тем самым подавляя образование горбистых дефектов. Полученные сварные швы имеют более мелкие зерна и большую долю границ зерен с малым углом, что обеспечивает превосходную прочность на разрыв и относительное удлинение. Изменения в микроструктуре сварного шва обусловлены более интенсивными термическими циклами, испытываемыми расплавленной ванной, тогда как улучшение механических свойств в первую очередь связано с повышением качества формирования сварного шва. Этот метод не требует дополнительного вспомогательного оборудования в процессе сварки, что представляет собой весьма перспективное решение для промышленного применения однопроходной-лазерной сварки сверхвысокой-мощности при производстве деталей толстого-секции.
02
**Полный текстовый обзор**
Для решения проблем, связанных со сверх-высоко-лазерной однопроходной-сваркой толстых листов-, в частности, с ее склонностью к "горбящим" дефектам, несмотря на ее высокую эффективность и низкую стоимость, а также с зависимостью существующих методов подавления от дополнительного вспомогательного оборудования,-в этом исследовании предлагается метод поверхностного микро-структурирования для стыковых-соединений поперечных- сечений, использующий 20 В качестве экспериментального материала использовалась аустенитная нержавеющая сталь 316L толщиной мм. Поверхностные микро-структуры с различными параметрами были изготовлены с помощью импульсного лазерного сканирования сетки (обозначены как P-0 для не-контрольной группы, где все параметры были установлены равными нулю; и от P-1 до P-4 для микро-структурированных групп, каждая из которых имеет зазор сканирования 0,1 мм, но различается мощностью лазера и частотой импульсов). Кроме того, была создана CFD-модель, включающая особенности микро-структуры поверхности, и исследование было проведено с использованием комплексного набора методов, включая лазерную конфокальную микроскопию, дифракцию обратного рассеяния электронов (EBSD), испытания на растяжение и высокоскоростную-визуализацию. Результаты экспериментов показывают, что группа параметров P-2 (мощность лазера: 90 Вт; частота импульсов: 100 Гц) эффективно подавляет горбистые дефекты, тем самым обеспечивая высокое-качество одно-сварки. Основной механизм включает микроструктурирование поверхности, способствующее расширению ванны расплава и поглощению лазерной энергии, тем самым облегчая переход замочной скважины из не-проникающего состояния в проникающее. Этот переход приводит к увеличению тангенциальной скорости расплавленного металла вблизи стенок замочной скважины, торможению течения расплава вниз и устранению зон низкой-скорости на дне ванны расплава. Одновременно с этим в микроструктуре сварного шва наблюдается измельчение зерен и уменьшенная доля малоугловых границ зерен; следовательно, предел прочности и относительное удлинение достигают 96% и 65% значений основного металла соответственно. Этот метод не требует дополнительного вспомогательного оборудования, обеспечивает высокую гибкость и универсальность и представляет собой жизнеспособное решение для промышленного применения сверхмощной лазерной сварки толстых листов. Однако в исследовании также признаются определенные ограничения, такие как необходимость дополнительного этапа обработки и отсутствие четко определенной корреляции между конкретными материалами и оптимальной шероховатостью поверхности, что указывает на необходимость дальнейших исследований и усовершенствований в будущем.
03
Визуальный анализ
Из рис. 1 видно, что поверхность образца P-0 (а, е) не имеет каких-либо микроструктур и выглядит совершенно гладкой и плоской. Образец P-1 (b, g)-обработан с использованием малой мощности и высокой скорости сканирования (45 Вт, 150 Гц)-имеет шахматные-чешуйки-подобные лужам расплава (Ra=6.23 мкм). Образец P-2 (c, h)-обработанный при 90 Вт и 100 Гц-имеет непрерывные, пульсирующие-бороздки (Ra=10.43 мкм) без сопутствующих брызг. Образцы П-3 (г, и) и П-4 (д, к), обработанные на более высоком уровне мощности (120 Вт), демонстрируют значения Ra, достигающие 20,48 мкм и 26,43 мкм соответственно, характеризующиеся наличием глубоких канавок и частиц брызг. Эти результаты показывают, что микроструктуры группы П-2 обладают умеренной шероховатостью; такая конфигурация эффективно обеспечивает поглощение лазерной энергии, одновременно избегая чрезмерных зазоров, тем самым закладывая прочную основу для подавления дефектов, связанных с горбом. Напротив, образец P-0, не подвергавшийся обработке для структурирования поверхности, не может достичь такого положительного эффекта.
04
Краткое содержание
В данном исследовании предлагается метод микро-структурирования поверхности стыковых соединений, успешно обеспечивающий подавление «горбовых» дефектов при однопроходной-лазерной сварке сверх-высокой-мощности нержавеющей стали 316L толщиной 20 мм. Такой подход позволяет производить соединения высокого-качества без необходимости использования дополнительного вспомогательного оборудования. В методе импульсным лазером изготавливаются микроструктуры умеренной шероховатости на поверхности соединения (с стыковым зазором от 1/15 до 2/15 диаметра лазерного пятна). С одной стороны, это способствует расширению сварочной ванны и усилению поглощения лазерной энергии, тем самым облегчая переход замочной скважины из закрытого состояния в стабильное, полностью проварное состояние. С другой стороны, используя эффект Марангони, он увеличивает тангенциальную скорость расплавленного металла вблизи стенок замочной скважины, тем самым препятствуя нисходящему течению расплава и устраняя зоны низкой-скорости на дне сварочной ванны, существенно уменьшая скопление расплава у основания. Кроме того, микроструктурирование поверхности подвергает сварной шов воздействию более высоких пиковых температур и увеличивает время выдержки при повышенных температурах, что приводит к измельчению зерна. В конечном итоге это приводит к улучшению механических свойств: предел прочности и относительное удлинение соединения достигают 96% и 65% значений основного металла соответственно. По сравнению с традиционными методами,-такими как методы с применением вакуума-или электромагнитного воздействия-, этот подход обеспечивает превосходную гибкость и широкую применимость; теоретически он подходит для соединения длинных швов и изогнутых поверхностей материалов различной толщины. Однако остаются определенные ограничения, в том числе необходимость дополнительных этапов обработки и отсутствие четко определенных корреляций между конкретными материалами и их оптимальными параметрами шероховатости поверхности; следовательно, будущие исследования должны быть сосредоточены на дальнейшей оптимизации эффективности процесса микро-структурирования.
