Несмотря на появление лазеров для обработки материалов в 1960-х годах, постоянное развитие лазерных устройств также приводит к развитию и расширению областей применения лазерных технологий. Настоящий спецвыпуск представляет собой сборник знаний в области сварки плавлением, изготовления поверхностных слоев и покрытий с повышенной износостойкостью и трибологическими характеристиками, а также коррозионной стойкости и характеристики покрытий и поверхностных слоев. Темы представленных научных статей включают аспекты, связанные с лазерной сваркой, особенности технологических условий, свойства различных типов соединений, а также аналитические и численные аспекты моделирования лазерных источников тепла. Второй доминирующий вопрос касается лазерной наплавки и лазерной обработки поверхности различных черных и цветных металлов и композиционных материалов (шесть статей). Кроме того, интересны результаты исследования сварки плавлением при принудительном охлаждении наплавки или в подводных условиях (четыре статьи), результаты по характеристике износостойких покрытий, полученных по разным технологиям, которые могут быть конкурентоспособны для лазерной наплавки (три статьи). и оригинальное исследование по локальному упрочнению тонкостенной конструкции лазерной обработкой (одна статья).
Производство и обработка материалов — основа современной экономики и прогресса цивилизации. Стремление к устойчивому развитию, а также ограничение вредного воздействия на окружающую среду, в том числе сокращение выбросов СО 2 и снижение энергопотребления, ведет к постоянному повышению эффективности и экономичности технологических процессов, машин, устройств, транспортных средств, инструментов. и строительных конструкций
Поэтому разрабатываются новые материалы с более высокими механическими свойствами, более высокой износостойкостью и, следовательно, более высокими эксплуатационными параметрами. Традиционные методы и технологии сварки обычно не дают удовлетворительных результатов при таких применениях, как соединение и наплавка современных материалов, например высокопрочной стали, цветных металлов и сплавов, композиционных материалов, наноструктурированных и гибридных материалов
Основными недостатками типичных методов сварки и наплавки, таких как обычная дуговая или плазменно-дуговая сварка, являются чрезмерное тепловложение и относительно большой объем расплавленной ванны. Это приводит к перегреву материала, возникновению внутренних напряжений и деформаций, неблагоприятному росту зерен или растворению частиц армирующей фазы, например, карбидов или нитридов. Поэтому внимание исследователей и промышленности сосредоточено на поиске способов соединения и обработки материалов, обеспечивающих минимальное термическое воздействие на материал и возможность точного регулирования количества тепла и термического цикла процесса
Одним из динамично развивающихся направлений технологии обработки материалов в последние годы является технология лазерной обработки материалов. В области соединения материалов лазерная сварка имеет несколько преимуществ, поскольку она обеспечивает высокую плотность мощности и малый диаметр пятна лазерного луча, а значит, большую глубину проплавления, высокую скорость сварки и малое, точное и контролируемое тепловложение. Вышеуказанные особенности особенно важны для соединения современных и усовершенствованных сплавов, таких как сверхвысокопрочные стали (UHSS), усовершенствованные высокопрочные стали (AHSS), современные нержавеющие дуплексные и супердуплексные стали, цветные металлы и легкие металлы. например, сплавы титана и алюминия
Еще одна область применения лазерного луча, которая в настоящее время интенсивно развивается, — это формирование свойств поверхностных слоев и получение покрытий с повышенными характеристиками износа, такими как коррозионная стойкость, трибологические свойства, абразивная стойкость, термическая и механическая усталостная стойкость, стойкость к ударная нагрузка
В области обработки поверхности и плакирования лазерный луч в качестве источника тепла также имеет преимущество. Наиболее существенные преимущества включают низкое и контролируемое тепловложение и, таким образом, ограниченное тепловое воздействие на подложку, снижение внутренних напряжений, минимизацию деформаций, высокие скорости затвердевания и охлаждения, малую глубину проникновения и низкое растворение плакирующего слоя материалом подложки. Низкое тепловложение и связанная с этим высокая скорость охлаждения во время лазерной обработки выгодны во многих случаях обработки поверхности и плакирования, поскольку они обеспечивают высокое качество плакирования и поверхностных слоев. Обычно поверхностные слои характеризуются превосходной металлургической связкой и мелкозернистой и рафинированной микроструктурой, которые имеют решающее значение для обеспечения превосходных трибологических характеристик, высокой стойкости к абразивному или эрозионному износу.
Стоит отметить, что наплавка и поверхностные слои, изготовленные лазером, демонстрируют более высокие функциональные свойства по сравнению с поверхностными слоями, изготовленными с помощью плазменно-дуговой (ПТА) или традиционной дуговой наплавки, даже если применяются те же дополнительные материалы. Это связано с интенсивным измельчением зерна, вызванным очень быстрым охлаждением и затвердеванием расплавленной ванны, обычно на порядок выше, чем плазменная (PTA) и обычная дуговая наплавка (например, GTA-газовая вольфрамовая дуга)
Благодаря упомянутым выше преимуществам лазеры используются в различных процессах обработки поверхности, таких как лазерная поверхностная закалка (LSH), плавление (LSM), ударная обработка (LSS), текстурирование (LST), легирование (LSA), плакирование (LSC), переплав (LSR) и поверхностное осаждение (LSD), а также в процессах аддитивного производства, таких как лазерное осаждение металла (LMD) или селективное лазерное спекание и плавление (SLS/SLM)
Непрерывное совершенствование лазерных генераторов и связанное с этим улучшение характеристик лазерного излучения и лазерного луча обеспечивают дальнейшее развитие в области лазерной обработки материалов, включая лазерную сварку и лазерную обработку поверхности. В дополнение к газообразному CO 2 и твердотельным стержневым генераторам Nd:YAG-лазеров, которые использовались в течение последних нескольких десятилетий, в настоящее время доступны новые поколения твердотельных лазеров, такие как высокомощные диодные лазеры (HPDL), дисковые лазеры и лазеры. волоконные лазеры.
Непрерывное совершенствование лазерных генераторов и связанное с этим улучшение характеристик лазерного излучения и лазерного луча обеспечивают дальнейшее развитие в области лазерной обработки материалов, включая лазерную сварку и лазерную обработку поверхности. В дополнение к газообразному CO 2 и твердотельным стержневым генераторам Nd:YAG-лазеров, которые использовались в течение последних нескольких десятилетий, в настоящее время доступны новые поколения твердотельных лазеров, такие как высокомощные диодные лазеры (HPDL), дисковые лазеры и лазеры. волоконные лазеры. Современные поколения лазерных устройств предлагают новые или расширенные технологические возможности. Например, как показано в литературе, мощные диодные лазеры с квадратным или прямоугольным пятном луча и однородным распределением энергии (многомодовый пучок) подходят для обработки поверхностей. Конструкция диодных лазеров была разработана настолько, что сегодня существуют прямые диодные лазеры (ДЛЛ), излучающие одномодовое излучение мощностью до 8 кВт, пригодные для резки. Более того, одномодовые DDL-лазеры даже конкурентоспособны с газовыми CO 2 -лазерами и дисковыми лазерами, а также с волоконными лазерами.
За последнее десятилетие также был достигнут значительный прогресс в разработке и производстве волоконных генераторов. Современные волоконные лазеры также выгодны благодаря своей компактной конструкции, высокой эффективности штепсельной вилки, низкой расходимости луча и возможности фокусировать луч в очень маленькое пятно даже при относительно высокой мощности. Более того, эти волоконные лазеры могут обеспечить одномодовый пучок мощностью до 20 кВт, тогда как многомодовые промышленные применения достигают уровня мощности 100 кВт. В результате лазеры в настоящее время используются для односторонней или двусторонней сварки даже для толстых стальных листов толщиной до прибл. 30 мм.
Еще одним интересным примером динамичного развития в области технологий обработки материалов являются гибридные процессы. Согласно определению, гибридный процесс объединяет как минимум два различных процесса обработки, которые должны выполняться одновременно и в одной и той же зоне обработки (например, одна сварочная ванна, создаваемая при сварке плавлением). В случае сварки лазерный луч часто комбинируют с дугой, например, лазер + ГМА (газовая дуга), лазер + ГТА (газовая вольфрамовая дуга) или лазер + ПТА (плазменная вольфрамовая дуга). Такие комбинации двух разных источников тепла позволяют использовать преимущества обоих методов сварки. Лазерный луч отвечает за глубокое проникновение в материал, а дуговые процессы обеспечивают дополнительное тепло и материал для заполнения зазора. Следовательно, можно сваривать на высокой скорости и обеспечивать правильную форму шва на большой глубине. Гибридные процессы также разрабатываются в области обработки поверхностей и нанесения покрытий, обеспечивающих более высокие функциональные параметры или возможность получения покрытий с особыми свойствами.
Материалы и методы должны быть описаны достаточно подробно, чтобы другие могли воспроизвести и развить опубликованные результаты. Обратите внимание, что публикация вашей статьи подразумевает, что вы должны сделать все материалы, данные, компьютерный код и протоколы, связанные с публикацией, доступными для читателей. Пожалуйста, сообщайте на этапе подачи любые ограничения на доступность материалов или информации. Новые методы и протоколы должны быть описаны подробно, в то время как хорошо зарекомендовавшие себя методы могут быть описаны кратко и соответствующим образом процитированы.
Этот специальный выпуск под названием «Развитие лазерной сварки и обработки поверхности металлов» является дополнительным и ценным источником знаний в следующих областях:
Изучение технологических режимов лазерной сварки, исследование свойств контрольных соединений
Аналитические и численные модели источников тепла процессов лазерно-лучевой и дуговой сварки
Изучение лазерной наплавки и исследования свойств покрытий и трибологических характеристик
Изучение и разработка процессов сварки плавлением, исследование свойств наплавки, полученной в условиях принудительного охлаждения или в подводных условиях
Изучение процессов наплавки, наплавки и термического напыления износостойких покрытий, характеристика покрытий
Исследование применения локального упрочнения тонкостенной конструкции лазерной обработкой
В работе, представленной Wang et al. пластины из трубопроводной стали Х100 толщиной 12,8 мм были сварены мощным лазером на роботизированной установке. Авторы обеспечили количественную корреляцию между термоциклированием и микроструктурой сварного соединения посредством эмпирического и численного исследования. Они также показали, что влияние аустенитизации более существенно, чем влияние скорости охлаждения на конечную микроструктуру лазерно-сварного соединения исследуемой марки стали. Результаты представленной работы могут служить научным руководством и эталоном для моделирования температурного поля при лазерной сварке, особенно в случае лазерной сварки трубопроводной стали марки Х100. Численный анализ был проведен программным комплексом SYSWELD, и автор показал различия между применяемыми вычислительными методами, а также преимущества и недостатки применяемых вычислительных методов. Представленные результаты численного моделирования могут быть использованы для подготовки эффективной и быстрой оптимизации процессов лазерной и родственной сварки плавлением по критериям минимизации деформаций или выявления потенциальных дефектов конструкций.
Во второй статье Кик представил новые возможности модификации моделей источников тепла при численном моделировании процессов лазерной сварки, проводимых с использованием программного обеспечения VisualWeld (SYSWELD). Предложил модификацию моделей источников тепла и методов определения тепловложения в свариваемые материалы с использованием твердотельных и мощных диодных лазеров. Осуществлял калибровку и валидацию предложенных моделей источников тепла на основе металлографических испытаний и термических циклов; поэтому представленные результаты могут быть полезны для дальнейшего численного анализа лазерной обработки с различной формой луча и распределением энергии.
Исследование, представленное Горкой, было посвящено изучению влияния основных параметров автогенной лазерной сварки листов 700МС толщиной 10,0 мм на их микроструктуру и механические свойства. Он провел всесторонний анализ микроструктуры и подробный анализ фазовых составляющих. Качество испытательного соединения было оценено как соответствующее уровню В, в соответствии со стандартом 13919-1. Он пришел к выводу, что в случае со сталью S700MC анализ фазового превращения аустенита под воздействием термических циклов сварки и значение углеродного эквивалента не могут быть единственными факторами, учитываемыми при оценке свариваемости.
Процесс лазерной сварки также исследовали Даниелевский и Скшипчик. Они представили результаты численного и экспериментального анализа сварки газообразным CO 2 -лазером нахлесточных соединений низкоуглеродистой конструкционной стали. Они определили профили твердости и геометрию сварных швов, выполненных при различных параметрах. Также проведен детальный анализ металлографической структуры зоны сплавления (ЗС) и зоны термического влияния (ЗТВ), а также оценка качества испытанных соединений.
Исследование, представленное Landowski et al. касалась сварки волоконным лазером разнородных стыковых соединений между пластинами из аустенитной 316 L и 2304 тощей дуплексной нержавеющей стали толщиной 8,0 мм. На основании неразрушающих испытаний и металлографических исследований они показали, что испытанные соединения соответствуют критериям приемлемости для уровня B в соответствии со стандартом EN ISO 13919-1. Наконец, они доказали, что разработанная технология может быть применена для сварки пластин из нержавеющей стали 316 L-2304 толщиной 8,0 мм без керамической подложки. Результаты также дают ценное руководство для дальнейших исследований в этой области.
Результаты исследования, представленного Pańcikiewicz et al. также касалась лазерной сварки разнородных соединений мартенситной нержавеющей стали AISI 430F (X12CrMoS17) и аустенитной нержавеющей стали AISI 304 (X5CrNi18-10). Они предоставили подробный анализ микроструктуры основных металлов и разнородного тестового соединения. Тем не менее, тестовое соединение соответствует уровню качества C в соответствии со стандартом ISO 13919-1 из-за газовых пор в металле сварного шва.
Другое исследование лазерной сварки было представлено Tofil et al.. Они провели испытание лазерной сварки тонкостенных труб из стали AISI 316 L диаметром 1,5 и 2,0 мм, используемых в медицинском оборудовании. Они определили диапазон оптимальных параметров лазерной сварки Nd:YAG-лазером SISMA LM-D210. Результаты исследования показали хорошие свойства соединения с прочностью более 75 % в более тонкой трубе, равномерное распределение легирующих элементов и сложную дендритную структуру, характерную для импульсной сварки. Таким образом, представленные результаты также могут служить ориентиром для дальнейших исследований в этой области.
Тема лазерной обработки поверхности и наплавки начинается со статьи Лисецкого об исследовании оптических свойств поверхностных слоев, полученных на подложке из титанового сплава методом поверхностного плавления и азотирования. Целью данного исследования было определение оптических свойств поверхности титанового сплава Ti6Al4V. Зеркальное, диффузное и полное отражение определялись для различных состояний поверхности (шероховатость и оксидный слой) и после лазерной обработки поверхности. Эксперименты проводились для длины волны 808 нм, характерной для диодных лазеров. Основной вывод исследования заключался в том, что отчетливые различия в поглощении повлияли на теплопередачу и тепловые условия лазерного нагрева, а тем самым и на глубину проплавления при лазерном плавлении и азотировании титанового сплава.
Очень интересное исследование лазерной модификации поверхности алюминиевого сплава карбидами бора было проведено Sroka et al. В работе использовался волоконный лазер YLS-4000 с максимальной выходной мощностью 4,0 кВт. Исследовано и определено влияние основных параметров лазерного легирования литейного сплава AlMg9 с частицей B 4 C на микроструктуру и выбранные свойства.
Другое интересное исследование лазерной наплавки было проведено Li et al. В их исследовании покрытие Fe-BC с высоким содержанием алюминия и хрома было получено путем лазерной наплавки на подложку из стали 2Cr13. Они исследовали микроструктуру и трибологические характеристики. Результаты показали, что покрытие показало превосходную износостойкость по сравнению с подложкой. Они пришли к выводу, что результаты могут оказать техническую поддержку в улучшении свойств покрытия на основе Fe с лазерной наплавкой.
Следующее исследование, представленное Majkowska-Marzec et al., относится к исследованию механических и коррозионных свойств обработанного лазером титанового сплава с покрытием из углеродных нанотрубок. Покрытие первоначально формировалось методом электрофоретического осаждения (ЭФО), а затем подвергалось лазерной обработке. Авторы указали на некоторые преимущества такого покрытия. Основными преимуществами были повышенная коррозионная стойкость, отсутствие поверхностных трещин, повышенная прочность и благоприятные краевые углы от 46° до 82° (что приводит к гидрофильным поверхностям, подходящим для адгезии клеток).
Сравнительное исследование лазерной и плазменной наплавки было представлено Czupryński et al. Покрытия Inconel 625 на трубах из стали 16Mo3 были получены с помощью плазменной (PTA) наплавки и наплавки с помощью мощного прямого диодного лазера (HPDDL). Авторы определяли качество покрытия с помощью неразрушающего контроля, металлографических исследований и анализа микроструктуры. Они пришли к выводу, что как испытанные, так и сравниваемые методы могут обеспечить получение высококачественных защитных покрытий, которые можно эксплуатировать при повышенных температурах до 625 °C.
Другое исследование влияния лазерной обработки на трибологические свойства было представлено Lubas et al. Проанализировано влияние различных моторных масел на трибологические параметры пар скольжения с лазерно-борированным поверхностным слоем, изготовленным на образцах из стали AISI 5045 путем лазерного переплава поверхностного слоя, покрытого аморфным бором. Трибологические и износостойкие характеристики исследовались на парах из стали AISI 5045 и подшипникового сплава SAE-48, смазанных моторными маслами типа 5W-40 и 15W-40. Детальный анализ механизмов изнашивания был выявлен и описан.
Тематическая серия по лазерной наплавке и наплавке завершается статьей Лисецкого и Слизака по гибридному лазерному нанесению композиционных покрытий в криогенных условиях. В работе показано влияние принудительного и локализованного охлаждения потоком паров азота в криогенных условиях при лазерном напылении порошка WC-Ni на геометрию и микроструктуру плакирующих слоев и износостойкость покрытий при сухом скольжении. Дополнительно была определена количественная связь между погонной энергией, условиями охлаждения и гранулометрическим составом карбида, а также доля карбида по отношению к матрице. Было показано, что новый продемонстрированный метод локализованного принудительного охлаждения во время лазерной наплавки имеет положительный эффект. Принудительное локализованное охлаждение обеспечивает примерно на 20 % меньшую глубину проплавления и растворение, снижает склонность карбида вольфрама к разрушению,2 карбида C-WC поперек покрытия.
Еще одна очень новая и интересная тема, связанная с процессами дуговой сварки, была представлена Щуцкой-Ласотой и Шимчаком и др. Исследование, представленное в двух статьях, было связано с применением нового и запатентованного метода локализованного охлаждения сварного шва микроструйными потоками. Первая представленная статья посвящена влиянию условий обработки, особенно локализованного охлаждения, на свойства сварного шва стали Докол 1200 М. Они обнаружили, что новый метод охлаждения может обеспечить высокий предел выносливости на уровне не менее 480 МПа. Вторая статья, представленная Szymczak et al. относится к аналогичной проблеме, но с другим типом стали: лист S960MC толщиной 2,0 мм. При этом была определена кривая Вёлера S-N сварного шва, указывающая, что значение предела выносливости испытанного сварного шва составляет 100 МПа. Сварной шов на никель-молибденовой сварочной проволоке Union указан как соединение с наибольшей стойкостью к статическим и усталостным нагрузкам.
Некоторые статьи касались других дуговых процессов и технологий, но представленные решения были очень инновационными. Пример очень интересной темы был представлен Tomków et al. Они исследовали подводную сварку с точки зрения роли последовательности валиков при сварке в таких условиях. Испытательные валики были изготовлены покрытыми электродами из нормализованной стали С355Г10+Н. Они сообщили, что сварка в подводной среде сопряжена со многими проблемами, связанными со стабильностью дуги и, следовательно, со свойствами сварных швов. Кроме того, они выявили эффекты измельчения и отпуска микроструктуры в зонах термического влияния предыдущих валиков, что привело к снижению твердости.
Исследование, представленное Mician et al. было связано с влиянием последовательности валиков на свойства наплавки и околошовной зоны при дуговой наплавке. Процесс, применяемый для наплавки, представлял собой дуговую сварку металлическим электродом в среде защитного газа (GMAW), а пластина-основа представляла собой стальной лист S355. Авторы провели сравнительный анализ структуры и твердости с учетом термического воздействия последовательности валиков. В результате исследования установлена наиболее благоприятная последовательность по структуре и распределению твердости, максимальной твердости и диапазону твердости.
Второе исследование, представленное Czupryński, было сосредоточено на пламенном напылении алюминиевых покрытий, армированных углеродными нанотрубками, в качестве альтернативы технологии лазерной наплавки. Анализировали микроструктуру покрытий, а также стойкость к истиранию и эрозии. Он пришел к выводу, что пламенное напыление алюминиевых покрытий, армированных углеродными нанотрубками, может быть эффективной альтернативой технологии лазерной наплавки. Кроме того, такие покрытия могут быть реализованы в автомобилестроении для производства деталей, характеризующихся высокой прочностью, износостойкостью, хорошей теплопроводностью и малой плотностью.
В следующей статье, предоставленной Czupryński, представлены результаты исследований характеристик абразивного износа износостойких пластин, изготовленных путем плакирования инновационными трубчатыми электродами с металлическим сердечником и экспериментальным химическим составом. Были проведены подробный анализ микроструктуры и испытания на износ различных эталонных пластин. Автор показал высокую металломинеральную абразивную износостойкость наплавки, полученной экспериментальным трубчатым электродом.
Еще один оригинальный вопрос был представлен в исследовании Капустынского. Они сосредоточились на численном и аналитическом исследовании эффектов лазерной обработки поверхности тонколистовой низкоуглеродистой конструкционной стали. Авторы разработали оригинальную аналитическую методику оценки площади поперечного сечения обработанного лазером металла, которую можно применить для выбора разумного расстояния между центрами дорожек лазерной обработки. Результаты экспериментального и конечно-элементного численного и аналитического анализа показали, что лазерная обработка поверхности стального листа увеличивает предел текучести обработанной лазером области, а также осевую и изгибную жесткость листа.
