CC BY
91
-►
МОДЕЛИРОВАНИЕ. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
УДК621.9.048.7
ГЛ. Туричин, ИЛ. Цибульский, М.В. Кузнецов, В.В. Сомонов
ЛАЗЕРНО-ДУГОВАЯ СВАРКА АЛЮМИНИЕВО-МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Высокая концентрация энергии лазерного излучения предопределяет значительную интенсификацию процессов обработки материалов. Концентрированный ввод энергии позволяет обрабатывать материалы с более высокими скоростями, меньшими остаточными тепловыми деформациями. Достижения последних лет в области физики и техники позволили создать новые источники лазерного излучения с существенно более высокой энергетической эффективностью.
При сварке сплавов, особенно легких сплавов на основе алюминия, проблема расчета параметров сварного соединения, предсказания его химического состава и механических свойств достаточно сложна из-за необходимости учитывать испарение легколетучих добавок (магний, литий или цинк), определяющих весь комплекс механических свойств. При сварке часть этих добавок испаряется, в результате чего химический состав и механические свойства металла шва могут отличаться от состава и свойств основного материала.
Система одна из самых перспек-
тивных при разработке свариваемых сплавов. Механические свойства сварных соединений, как и основного металла, в основном зависят от содержания магния в сплаве: увеличением содержания магния прочность сплава возрастает.
Для повышения эффективности разработки технологии лазерно-дуговой сварки применена компьютерная модель данного процесса. Модель построена на основе технологически применимых математических описаний процессов, протекающих при лазерно-дуговой сварке [ 1 ].
Процессы гибридной лазерно-дуговой сварки с глубоким проплавлением часто сопровождают-
ся появлением пористости и формированием корневых пиков в сварных швах [2]. В соответствии с современными представлениями о физической природе процессов лазерной сварки причиной этого считают развитие автоколебаний парогазового канала и сварочной ванны при сварке с глубоким проплавлением [3].
Многочисленные экспериментальные результаты подтверждают, что процесс сварки с глубоким проплавлением нестационарен даже при стабилизации всех внешних факторов, влияющих на сварочную ванну [4]. В частности, высокоскоростная киносъемка лазерной сварки составных образцов из металла и оптически прозрачного материала [5] показала непрерывное изменение формы канала, квазипериодическое движение зоны с максимальной яркостью по глубине канала, а также наличие таких зон на задней стенке канала. Съемка плазменного факела также показывает наличие его квазипериодических флуктуаций [6].
Сравнительные исследования движения жидкого металла на поверхности сварочной ванны и процесса образования корневых пиков подтверждают соответствие между пикообразовани-ем и выплескиванием расплавленного металла из сварочной ванны. Такие же результаты были получены позднее при рентгеновской съемке [7].
Экспериментальная установка для исследования технологического процесса лазерно-дуговой сварки
В экспериментах была использована гибридная лазерно-дуговая сварочная установка, разработанная и собранная в ИЛиСТ СПбГПУ при участии компании «Центр лазерных технологий».
В качестве источника лазерного излучения использовался иттербиевый волоконный лазер JIC-15 с максимальной выходной мощностью 15 кВт. Излучение транспортировалось по волоконному кабелю к оптической сварочной головке лазерно-дугового модуля. Для фокусировки излучения использовалась сварочная головка YW50 ZK фирмы Precitec с фокусным расстоянием 400 мм и фокальным диаметром 0,4 мм, оснащенная однокоординатным сканатором DC-Scanner с максимальной частотой 600 Гц и амплитудой до 10 мм.
Экспериментальная установка также укомплектована источником питания дуги EWM Phoenix 520 RC PULS и ВДУ-1500ДС. Для подачи присадочного материала использовался механизм подачи проволоки PHOENIX DRIVE 4 ROB 2 и ПДГО — 601 соответственно.
В ходе экспериментов проплавлялись и сваривались в стык плоские образцы размерами 100x50 мм из сплавов АМгЗ и АМгб толщиной соответственно 4 и 10 мм. Сварка осуществлялась прямолинейными стыковыми швами в нижнем пространственном положении. Для защиты сварочной ванны и металла шва применялся аргон и смесь аргона с гелием. В качестве присадочного материала в экспериментах использовалась проволока марки AlMg6.Zr.
Качество всех сварных швов оценивалось визуально по их внешнему виду и на основании металлографических исследований поперечных шлифов. Определялись глубина проплавления и микротвердость сварного соединения.
Для определения временных характеристик динамических процессов в зоне гибридного разряда над поверхностью изделия применялись система регистрации плазменного факела, включающая в себя блок оптической регистрации
с объективом, кассетой для светофильтров и ССО матрицей для регистрации сигнала, модуль цифровой обработки сигнала, а также высокоскоростная видеокамера СЕ1МТ1ЖЮ С100, позволяющая производить съемку со скоростью до 100 000 кадров/с. Для исследования спектра оптической эмиссии плазменного факела использовался линзовый спектрограф с компенсацией астигматизма 8Ь100М (рис. 1).
Планирование экспериментов
Кромки зачищались до металлического блеска для удаления грязи, масла и окисного слоя на ширине не менее 10 мм от стыка.
Сборка пластин под сварку осуществлялась с применением сборочных приспособлений.
Прихватки производились с торцов пластин и выполнялись на тех же режимах и по той же технологии, что и сварка. Сварка производилась при комнатной температуре.
Постоянные параметры лазерно-дуговой сварки пластин из сплава АМгЗ следующие:
Наименование параметра Значение
Наклон луча лазера
от вертикали, град 15
Направление сварки Углом луча лазера
назад
Материал присадочной
проволоки А1]^62г
Диаметр присадочной
проволоки, мм 1,2
Фокусное расстояние, мм —9
Вылет проволоки, мм 11
Газовая защита верхнего
и обратного валиков +
Защитный газ Аг
Расход защитного газа, л/мин 25
Варьируемые параметры: Рл — мощность лазерного излучения (от 5 до 15 кВт); Усв — ско-
Рис. 1. Оптический блок системы «Регистратор» (слева), цифровая высокоскоростная камера СЕИТиШО С100 (в центре), линзовый спектрограф БЫООМ (справа)
рость сварки (от40 до 120 мм/с); АЬ — расстояние между дугой и лучом лазера (от 0 до 15 мм); К пр ~~ скорость подачи присадочной проволоки (от2до20,4м/мин).
Результаты экспериментов и моделирования
Результаты компьютерного моделирования, полученные с помощью динамической модели, показывают, что, несмотря на стабилизацию всех параметров технологического режима, процесс высокоскоростной сварки металлов больших толщин существенно нестационарен (рис. 2). При этом наиболее нестабильна прикорневая часть парогазового канала и канала про-плавления. На рис. 2 также представлено фото поперечного сечения сварного шва, выполненного лазерной сваркой при тех же параметрах режима. На фото видно характерное сужение шва, которое может привести к образованию дефекта. Застабилизировать сварочную ванну возможно введением кругового сканирования лазерного луча с небольшими (до 0,5 мм) радиусами и высокой (свыше 300 Гц) частотой сканирования (рис. 3). При отсутствии такой стабилизации в результате коллапса парогазового канала возможно формирование пор большого диаметра и корневых пиков.
Экспериментами показано, что для динамики яркости излучения расплава характерны низкочастотные колебания. Их частоты определялись с помощью компьютерного моделирования с использованием динамической модели, а также экспериментально с помощью фотодиодов, направленных на сварочную ванну. Характерный частотный спектр сигнала с фотодиодов приведен на рис. 4.
Скорость видеосъемки определяется частотой колебаний расплава. Анализ динамического поведения ванны расплава показал, что здесь отсутствуют колебания с частотами более 500 Гц. Таким образом, можно сделать вывод, что для наблюдения за поверхностью сварочной ванны необходимо проводить съемку со скоростью не менее 1000 кадров/с.
Анализ кадров скоростной видеосъемки (рис. 5) позволил определить положение электрода относительно лазерного луча.
Расчет количества легирующих элементов проводился в программе ЬаьегСЛО. Результаты такого расчета для различных толщин и параметров режима для алюминиево-магниевых сплавов приведены на рис. 6.
Уменьшение скорости сварки приводит к увеличению потерь легколетучих легирующих
Рис. 2. Результаты расчетов через 1 мс (N = 15 кВт, Усв = 10 см/с)
Рис. 3. Результаты расчетов через 3 мс (А! =12 кВт, Ксв= 10 см/с)
Частота,/
Рис. 4. Частотный спектр колебаний расплава
0 мс 3 мс 6 MC 9 мс 12 мс 0 мс 3 мс 6 MC 9 мс
- и • Г у 1
15 мс 18 мс 21 мс 21,6 мс 21,9 мс 12 мс 15 мс 18 мс 21 мс
Рис. 5. Видеосъемка процесса формирования и отрыва капли: N = 15 кВт, Vco = 6 м/мин, /св = 120 А; источники питания дуги: EWM Phoenix 520 RC PULS (а) и ВДУ-1500ДС (б)
а)
Содержание магния
Содержание магния
Скорость, см/с
3 4 S
Скорость, см/с
4 4мм —Я— Юмм
Рис. 6. Расчет изменения содержание магния в металле шва на поверхности образца при лазерной сварке: а — N = 3500 Вт, с1 = 0,3 мм; 6 — N = 3000 Вт, с1 = 0,3
элементов, которые обеспечивают высокие эксплуатационные характеристики сплавов, что и приводит к разупрочнению сварного шва.
Содержание примесей в металле шва при сварке на пониженных скоростях за счет испарения существенно отличается от их содержания в основном металле, особенно в верхней части расплавленной зоны, где радиус канала максимален. Поскольку верхняя часть парогазового канала — определяющая для процесса многократных переотражений в канале, испарение примесей приводит к значительному из-
менению формы и размеров зоны проплавления. Пример такого уширения можно увидеть на рис. 7. Увеличение погонной энергии привело к существенному росту ширины зоны проплавления при лазерной сварке с присадочным материалом.
Для определения положения электрода относительно лазерного луча помимо высокоскоростной видеосъемки проводились расчеты термических циклов и измерения микротвердости в зоне лазерного воздействия. Результаты представлены на рис. 8.
• * Ш
£/, Дж/мм 125 250 300 375
iL MM 3 6 10 10
Рис. 7. Результаты лазерного проплавления с присадочной проволокой пластины
из АМгб, У[Ш = 19 м/мин
2.00 0.00 2.00 4,00 мм
б)
II. мм
4.00 2,00 0.00 2,00 4,00 мм
\
Рис. 8. Результаты расчетов формы поперечного сечения и термических циклов
сварного шва и измерений микротвердости после ЛДС сплава АМгЗ: а — расстояние между лазерным лучом и электродом — 15 мм; ц = 100 Дж/мм; б — расстояние между лазерным лучом и электродом — 2 мм, ц = 100 Дж/мм
t Welding Work Table [nonamel] 1
$ File Options DB ' Windows Help About
ЩШ a ±ии 100
11
£и'ш 8,00 4.00 0,00 4,00 8,00 £ил0,0 1,4 2,8 4,2 5,6 |—Hybrid Laser-Arc Welding-
Рис. 9. Рассчитанные поперечное сечение зоны проплавления (а), распределение по глубине шва (б) и термический цикл (в)
Моделирование. Математические методы
Mg, %W
LW HLW-MIG LW-MIG
< . 5. уЭД^Н}
Face 5,293 6,435 3,135
Middle 4,624 5,871 3,274
Root 5,710 5.510 3.279
Base metal 6,442 2,648
Filler v/ire 6,25
Рис. 10. Распределение количества магния по глубине сварного шва при сварке алюминиевых сплавов
Рис. 11. Поперечное сечение сварного шва (а) и микроструктура металла шва (б) при ЛДС сплава АМгб, ц = 175 Дж/мм. Поперечное сечение сварного соединения при ЛДС (в) сплава АМгЗ, толщина — 4 мм, ц = 100 Дж/мм
При гибридной сварке наблюдается однородная по всему сечению металла шва структура, состоящая из мелких дендритов. Увеличенное расстояние между тепловыми источниками приводит к более продолжительному пребыванию металла шва при повышенных температурах и, как следствие , увеличению размеров дендритов в верхней части шва. В случае гибридного процесса микротвердость металла шва приближается к микротвердости основного металла, что обусловлено как его мелкодендритной структурой, так и более высоким содержанием магния.
Дальнейшие эксперименты проводились при максимальных скоростях сварки и расстоянии между лазерным лучом и электродом, равном 2 мм.
Далее приведен пример моделирования гибридной сварки сплава АМгб. На рис. 9 представлены результаты расчета
Результаты микрорентгеноспектрального анализа (рис. 10) подтвердили рассчитанные значения.
Из представленных на рис. 10 результатов видно, что использование присадочного материала позволяет компенсировать потери легирующих.
На рис. 11 показаны поперечное сечение и микроструктура металла шва стыкового сварного шва со сквозным проплавлением пластин из сплава АМгб, и АМгЗ.
В результате проведенных исследований: показана возможность повышения качества сварных швов с помощью сканирования;
установлены требуемые частоты сканирования, соответствующие флуктуациям сварочной ванны;
показана зависимость характера проплавле-ния и свойств металла шва от расстояния «лазерный луч — дуга»;
показано, что количество легирующих элементов в металле шва убывает с уменьшением скорости сварки;
подтверждено, что присадочный материал компенсирует потери легирующих элементов при лазерно-дуговой сварке;
получены сварные соединения сплавов на основе алюминия с высоким отношением глу-
бины к ширине, характеризующиеся высоким качеством и малыми деформациями.
Исследования проводились в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Turichin, G. Model of laser welding for technology application [Текстj / G. Turichin // Proceedings of the Academy of Sciences. Phys. Ser.— 1997. Vol. 61, № 8,- P. 1613-1618.
2. Matsunawa, A. Porosity formation mechanism and its prevention in laser welding [Текст] / A. Matsunawa, M. Mizutani, S. Katayama, N. Seto// Welding International.- 2003. № 17 (6).- P. 431-437.
3. Lopota, V. Theoretical description of the dynamic phenomena in laser welding with deep penetration |Текст| / V. Lopota, G. Turichin, 1. Tzibulsky |и др.| // Bellingham / Wash.: SP1E, 1999 (SP1E Proceedings Series 3688).- P.98-107.
4. Forsman, T. Process instability in laser welding of aluminum alloys at the boundary of complete penetration [Текст] / T. Forsman, J. Powell, C. Magnusson
// Journal of Laser Applications.— 2001. Vol. 13. Issue 5,- P. 193-198.
5. Bashenko, V.V. Peculiarities of heat and mass transfer in welding using high energy density power sources |Текст| / V.V. Bashenko, E.A. Mitkevich, V.A. Lopota // 3-d Int. Coll. on EBW.— Lion.-1983,- P. 61-70.
6. Лопота, B.A. Структура материала и его параметры в зоне действия луча при лазерной сварке с глубоким проплавлением |Текст] / В.А. Лопота, B.C." Смирнов // ФиХОМ,- 1989. № 2,- С. 104115.
7. Matsunawa, A. Dynamics of keyhole and molten pool in laser welding [Текст] / A. Matsunawa, Jong-Do Kim, Naoki Seto |и др.] // Journal of Laser Applications.- 1998. Vol. 10, Issue 6,- P. 247-254.
УДК 004.946
H.H. Шабров, H.H. Куриков
АНАЛИЗ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ С ПОМОЩЬЮ ТЕХНОЛОГИЙ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ
Интерпретация результатов научных исследований — важный этап работы над изучением объекта или процесса. Как процесс преобразования данных к форме, легко воспринимаемой человеком, современные технологии визуализации приобретают особое значение. Стремительно усложняющиеся объекты научных исследований и растущие объемы получаемой информации делают традиционные способы визуализации данных недостаточными для быстрого и полного восприятия и понимания результатов. Технологии виртуальной (Virtual) и дополненной (Augmented) реальности — перспективные средства, позволяющие упростить процесс восприятия и понимания результатов исследований, а также ускорить процесс при-
нятия решений и обезопасить его от возможных ошибок.
В настоящее время в России формируется национальная суперкомпьютерная технологическая платформа по созданию и развитию суперкомпьютерных технологий экзофлопного класса. Обеспечение экзофлопных вычислений — ключевая проблема, решением которой занимается все мировое вычислительное сообщество. При этом предполагается, что объемы данных, генерируемые эк-зофлопными вычислениями, достигают уровня экзобайт. Это означает, что для анализа результатов экзофлопного моделирования в режиме real time системы виртуального окружения типа CAVE 3D — едва ли не единственное эффективное средство осмысления огромного объема данных.
