RU2322513C1 - Method for laser and light thermal treatment of metallic materials at controlled temperature change - Google Patents
Method for laser and light thermal treatment of metallic materials at controlled temperature change Download PDFInfo
- Publication number
- RU2322513C1 RU2322513C1 RU2006125400/02A RU2006125400A RU2322513C1 RU 2322513 C1 RU2322513 C1 RU 2322513C1 RU 2006125400/02 A RU2006125400/02 A RU 2006125400/02A RU 2006125400 A RU2006125400 A RU 2006125400A RU 2322513 C1 RU2322513 C1 RU 2322513C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- spot
- laser
- laser beam
- light beam
- light
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/073—Shaping the laser spot
- B23K26/0736—Shaping the laser spot into an oval shape, e.g. elliptic shape
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
- B23K26/0608—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams in the same heat affected zone [HAZ]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/20—Bonding
- B23K26/21—Bonding by welding
- B23K26/24—Seam welding
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/06—Surface hardening
- C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
- B23K2103/04—Steel or steel alloys
Abstract
Description
Изобретение относится к технике лазерной термической обработки, в частности сварки, тонколистовых металлических материалов, сплавов из них, закаливающихся высокопрочных сталей, имеющих разные теплофизические свойства. Изобретение может найти применение в машиностроении, авиастроении, судостроении.The invention relates to techniques for laser heat treatment, in particular welding, sheet metal materials, alloys thereof, hardening high strength steels having different thermophysical properties. The invention may find application in mechanical engineering, aircraft manufacturing, shipbuilding.
В настоящее время мировая промышленность практически всех направлений использует локальный термический нагрев материалов концентрированным лазерным излучением. Мощные когерентные лазерные пучки при их фокусировке на поверхности материалов обеспечивают высокую концентрацию энергии в пятне нагрева. Это позволяет с высокой производительностью выполнять многие технологические процессы, такие как сварка, разделение материалов (резка), термообработка, наплавка, легирование и другие.Currently, the world industry in almost all areas uses local thermal heating of materials with concentrated laser radiation. Powerful coherent laser beams when focused on the surface of materials provide a high concentration of energy in the heating spot. This allows you to perform many technological processes with high productivity, such as welding, separation of materials (cutting), heat treatment, surfacing, alloying and others.
В качестве лазерного нагревателя широко используются различные типы газовых и твердотельных лазеров, в частности мощные газовые (0,5-20 кВт и более) СО2-лазеры и твердотельные (0,1-5 кВт) Nd: YAG-лазеры.Various types of gas and solid-state lasers are widely used as a laser heater, in particular high-power gas (0.5–20 kW and more) CO 2 lasers and solid-state (0.1–5 kW) Nd: YAG lasers.
Лазерная сварка, обладая определенными преимуществами перед известными классическими методами сварки, в то же время имеет недостатки, которые заключаются в следующем:Laser welding, having certain advantages over the well-known classical welding methods, at the same time has disadvantages, which are as follows:
- низкий коэффициент поглощения лазерного излучения поверхностью, увеличивающий пороговое значение критической плотности мощности;- low absorption coefficient of laser radiation by the surface, increasing the threshold value of the critical power density;
- жесткие термические циклы, которые могут приводить к снижению технологической прочности сварных соединений;- hard thermal cycles, which can lead to a decrease in the technological strength of welded joints;
- высокое значение коэффициента формы шва, снижающее технологическую воспроизводимость процесса лазерной сварки;- a high value of the coefficient of shape of the seam, reducing the technological reproducibility of the laser welding process;
- эффекты брызгообразования, наблюдающиеся при высоких скоростях сварки;- effects of spray formation observed at high welding speeds;
- затруднительное газовыделение из жидкой фазы расплава металла шва при высоких скоростях сварки и, соответственно, повышенное порообразование;- difficult gas evolution from the liquid phase of the weld metal melt at high welding speeds and, consequently, increased pore formation;
- гидродинамическая неустойчивость ванны расплава при высоких скоростях сварки;- hydrodynamic instability of the molten bath at high welding speeds;
- низкое значение полного КПД лазерной сварки;- low value of the total efficiency of laser welding;
- высокая себестоимость сварки погонного метра шва.- high cost of welding per meter weld.
Известно, что наиболее широкое применение для сварки, резки, наплавки, прошивки отверстий и термообработки металлов и сплавов получили источники когерентного излучения.It is known that the most widely used for welding, cutting, surfacing, hole piercing and heat treatment of metals and alloys are sources of coherent radiation.
В книге «Методы поверхностной лазерной обработки», Григорьянц А.Г. и др., М., Высшая школа, 1987, с.89-124 изложены технологические особенности методов термической обработки источниками когерентного излучения.In the book "Methods of surface laser processing", Grigoryants AG et al., Moscow, Vysshaya Shkola, 1987, pp. 89-124, the technological features of the methods of heat treatment by sources of coherent radiation are described.
В публикации «Технология термической обработки стали», Башнин Ю.А. и др., М., Металлургия, 1986, с.412-419 указано, что существует достаточно широкий диапазон условий, когда применение нагрева источниками когерентного излучения обеспечивает технико-экономические преимущества.In the publication "Technology of heat treatment of steel", Bashnin Yu.A. et al., M., Metallurgy, 1986, s.412-419 indicated that there is a fairly wide range of conditions when the use of heating by sources of coherent radiation provides technical and economic advantages.
В качестве источника когерентного излучения для обработки материалов широко используются различные типы газовых и твердотельных лазеров, в частности мощные газовые CO2-лазеры и твердотельные Nd: YAG-лазеры, с длинами волн 10,6 и 1,064 мкм соответственно.Various types of gas and solid-state lasers are widely used as a source of coherent radiation for processing materials, in particular, high-power gas CO 2 lasers and solid-state Nd: YAG lasers with wavelengths of 10.6 and 1.064 μm, respectively.
Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является способ лучевой сварки световым лучом (патент RU 2264901 С1 от 2004.03.09), предназначенный для сварки разнотолщинных и разнородных материалов с помощью луча лазерного излучателя, на котором установлены два стекла с различными теплофизическими свойствами.The closest analogue of the present invention is a method of beam welding with a light beam (patent RU 2264901 C1 from 2004.03.09), intended for welding of different thickness and heterogeneous materials using a laser beam on which two glasses with different thermophysical properties are mounted.
В этом техническом решении световой луч лазерного излучателя, проходя через разные стекла, в силу отличия их теплофизических свойств отдает часть тепловой энергии одному стеклу и полностью проходит через другое стекло.In this technical solution, the light beam of a laser emitter passing through different glasses, due to the difference in their thermophysical properties, gives up part of the thermal energy to one glass and passes completely through another glass.
Недостатками такого способа являютсяThe disadvantages of this method are
- низкое значение полного КПД лазерной сварки;- low value of the total efficiency of laser welding;
- высокая себестоимость сварки погонного метра шва.- high cost of welding per meter weld.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных выше недостатков и создание такого способа лазерно-световой обработки металлических листов, при котором обеспечиваются повышение производительности процесса лазерной обработки за счет синергетического эффекта, снижение уровня требований к точности сборки свариваемых заготовок, упрощение подготовительных операций, увеличение пластических свойств материала и повышение технологической прочности обрабатываемого материала.The objective of the present invention is to eliminate the above drawbacks and create such a method of laser-light processing of metal sheets, which provides an increase in the productivity of the laser processing due to the synergistic effect, reduce the level of accuracy requirements for the assembly of welded workpieces, simplify preparatory operations, increase the plastic properties of the material and increasing the technological strength of the processed material.
Поставленная задача решается тем, что способ лазерной термической обработки металлических листов включает воздействие лазерным лучом на зону указанной обработки, причем в процессе указанной обработки регулируют скорость изменения температуры указанной зоны обработки посредством дополнительного воздействия на нее, по меньшей мере, одним световым лучом, при этом процесс обработки сопровождают взаимосвязанным перемещением пятен лазерного луча и, по меньшей мере, одного светового луча по линии термической обработки.The problem is solved in that the method of laser heat treatment of metal sheets includes the action of a laser beam on the zone of the specified processing, and in the process of said processing, the rate of change of temperature of the specified processing zone is controlled by additional exposure to it by at least one light beam, the process the processing is accompanied by the interconnected movement of the spots of the laser beam and at least one light beam along the heat treatment line.
В частности, лазерная термическая обработка представляет собой лазерную сварку, кроме того, металлические листы сваривают встык.In particular, laser heat treatment is a laser welding, in addition, metal sheets are butt welded.
Предпочтительно, чтобы указанное взаимосвязанное перемещение являлось синхронным, а пятна лазерного и светового лучей могут быть полностью или частично совмещены.Preferably, said interconnected movement is synchronous, and the spots of the laser and light beams can be fully or partially combined.
В частности, регулируют скорость изменения температуры указанной зоны обработки за счет регулирования скорости нагрева указанной зоны, для этого пятно светового луча располагают впереди пятна лазерного луча.In particular, the rate of change of the temperature of the specified processing zone is controlled by controlling the heating rate of the specified zone; for this, a spot of the light beam is placed ahead of the spot of the laser beam.
В частности, регулируют скорость изменения температуры указанной зоны обработки за счет регулирования скорости охлаждения указанной зоны, для этого пятно светового луча располагают сзади пятна лазерного луча.In particular, the rate of change of temperature of the specified processing zone is controlled by adjusting the cooling rate of the specified zone; for this, the spot of the light beam is placed behind the spot of the laser beam.
В частности, регулируют скорость изменения температуры указанной зоны обработки за счет регулирования скоростей охлаждения и нагрева указанной зоны, для этого используют, по меньшей мере, два световых луча, пятно одного из которых располагают сзади пятна лазерного луча, а пятно другого светового луча располагают впереди пятна лазерного луча соответственно.In particular, the rate of change of the temperature of the indicated treatment zone is controlled by controlling the cooling and heating rates of the specified zone. At least two light beams are used for this, one of which is located behind the spot of the laser beam, and another is placed in front of the spot laser beam respectively.
Кроме того, обеспечивают угловое отклонение лазерного луча от нормали к поверхности обработки на угол 0,5-5 градусов, а угловое отклонение светового луча от нормали к поверхности обработки на угол 15-30 градусов.In addition, provide an angular deviation of the laser beam from the normal to the processing surface by an angle of 0.5-5 degrees, and the angular deviation of the light beam from the normal to the processing surface by an angle of 15-30 degrees.
Предпочтительно, чтобы лазерный и световой лучи образовывали между собой острый угол.Preferably, the laser and light beams form an acute angle between themselves.
Кроме того, обеспечивают эллиптическую форму пятен лазерного и светового луча, при этом соотношение размеров продольной и поперечной осей эллипса пятна лазерного луча равно 2:1 при плотности мощности излучения в пятне от 105 до 107 Вт/см2, а соотношение размеров продольной и поперечной осей эллипса пятна светового луча равно 2:1, при размере малой оси в диапазоне от 2 до 10 мм и при плотности мощности излучения в пятне не менее 103 Вт/см2.In addition, they provide an elliptical shape of the spots of the laser and light beam, while the ratio of the longitudinal and transverse axes of the ellipse of the spot of the laser beam is 2: 1 at a radiation power density in the spot of 10 5 to 10 7 W / cm 2 and the ratio of the sizes of longitudinal and the transverse axis of the ellipse of the spot of the light beam is 2: 1, with the size of the minor axis in the range from 2 to 10 mm and when the radiation power density in the spot is at least 10 3 W / cm 2 .
В некоторых случаях для регулировки скорости охлаждения или нагрева указанной зоны обработки используют два световых луча, при этом пятна световых лучей могут располагать асимметрично относительно линии обработки.In some cases, two light beams are used to adjust the cooling or heating rate of the indicated treatment zone, and the spots of light rays may be located asymmetrically relative to the processing line.
Кроме того, световой луч может быть полихроматическим или когерентным монохроматическим.In addition, the light beam may be polychromatic or coherent monochromatic.
Сущность настоящего технического решения заключается в применении для нагрева материалов комбинации, по меньшей мере, двух источников нагрева с использованием различных методы генерации энергии. Это позволяет получить новое качество в виде расширения технологических возможностей.The essence of this technical solution is to use for heating materials a combination of at least two sources of heating using various methods of energy generation. This allows you to get a new quality in the form of enhanced technological capabilities.
Совместное использование разных источников электромагнитного излучения дает возможность получить следующие преимущества:The joint use of different sources of electromagnetic radiation makes it possible to obtain the following advantages:
1. Повысить производительность процесса лазерной обработки за счет синергетического эффекта. Суть его заключается в том, что, например, сварка с использованием более дешевого дополнительного полихроматического источника энергии в комбинации с лазерным излучением ведет к существенному удешевлению процесса лазерной сварки и получению при этом на оптимальных режимах комбинированной сварки параметров сварного шва, характерного для сварки одним более мощным лазером (в частности, по ширине шва и зоне термического влияния), а также увеличению скорости сварки при одновременном снижении погонной энергии.1. To increase the productivity of the laser processing due to the synergistic effect. Its essence lies in the fact that, for example, welding using a cheaper additional polychromatic energy source in combination with laser radiation leads to a significant reduction in the cost of the laser welding process and, at the same time, obtains, at optimal combined welding conditions, the parameters of the weld characteristic of welding with one more powerful laser (in particular, along the width of the seam and the zone of thermal influence), as well as increasing the welding speed while reducing the linear energy.
Подогрев металла дополнительным источником приводит к росту эффективности воздействия другого источника, например, лазерного излучения. Кроме того, происходит сложение (суперпозиция) тепловых полей двух источников тепла. В конечном итоге, это увеличение объема расплава при сварке совмещенными источниками проявляется либо в росте глубины проплавления при постоянной скорости по сравнению со сваркой одним монохроматическим источником тепла, либо в возможном увеличении скорости сварки.Heating the metal with an additional source leads to an increase in the efficiency of the action of another source, for example, laser radiation. In addition, the addition (superposition) of thermal fields of two heat sources occurs. Ultimately, this increase in the melt volume when welding with combined sources is manifested either in an increase in the penetration depth at a constant speed compared to welding with a single monochromatic heat source, or in a possible increase in the welding speed.
Большой эффект дает применение данного способа для сварки металлов с высокими коэффициентами отражения, например алюминиевых сплавов. Установлено, что при использовании СО2-лазера мощностью 600 Вт и, например, маломощной аргоновой дуги с вольфрамовым электродом (ток 60 А) скорость сварки алюминиевого сплава толщиной 1 мм составила около 30 мм в секунду.A great effect is obtained by the application of this method for welding metals with high reflection coefficients, for example, aluminum alloys. It was found that when using a CO 2 laser with a power of 600 W and, for example, a low-power argon arc with a tungsten electrode (current 60 A), the welding speed of an aluminum alloy with a thickness of 1 mm was about 30 mm per second.
2. Снизить уровень требований к точности сборки свариваемых заготовок. Установлено, что при лазерной сварке встык тонколистовых материалов без присадочной проволоки возникают трудности, связанные с ужесточением требований к зазору между свариваемыми кромками заготовок. При зазоре в пределах 0,1 от толщины заготовок (при толщине до 2,0 мм или меньше) размер пятна лазерного луча должен составлять 0,6 мм. Такую точность сборки можно обеспечить только фрезерованием или строганием. При рубке на гильотинных ножницах достигается минимальный зазор 0,5 мм. Для сварки в таких условиях требуется пятно, равное 0,9 мм. Учитывая малый размер фокусного пятна на изделии, вероятность прожогов в сварном соединении возрастает.2. To reduce the level of requirements for the accuracy of assembly of welded workpieces. It has been established that when laser butt welding of sheet materials without filler wire, difficulties arise associated with tightening the requirements for the gap between the welded edges of the workpieces. With a gap within 0.1 of the thickness of the workpieces (with a thickness of up to 2.0 mm or less), the spot size of the laser beam should be 0.6 mm. Such assembly accuracy can only be achieved by milling or planing. When cutting on guillotine shears, a minimum clearance of 0.5 mm is achieved. For welding under such conditions, a spot of 0.9 mm is required. Given the small size of the focal spot on the product, the likelihood of burns in the welded joint increases.
Обычно технологические приемы, обеспечивающие качественное сварное соединение, сводятся либо к расфокусировке излучения, либо к использованию дополнительной присадки. Все эти операции уменьшают эффективность лазерного воздействия и приводят к потере преимуществ, получаемых за счет высокой концентрации энергии в зоне обработки.Usually, technological methods providing a high-quality welded joint come down to either defocusing the radiation or using an additional additive. All these operations reduce the effectiveness of laser exposure and lead to the loss of benefits obtained due to the high concentration of energy in the processing zone.
Требования к точности геометрии сборки и соответственно затраты на подгонку кромок и сварку заготовок можно значительно снизить, используя при лазерной сварке дополнительный источник нагрева. При расположении дополнительного источника тепла перед лазерным лучом прогрев кромок материала обеспечивает температурное расширение кромок, закрывает местные зазоры между свариваемыми кромками и позволяет избежать прожогов при сварке тонколистовых стыков. Так, при лазерной сварке конструкционных сталей толщиной 0,8-1,5 мм зазор не должен превышать 0,10...0,12 мм, а использование светового источника в качестве дополнительного позволяет увеличить местные зазоры до 0,8...1,0 мм.The requirements for the accuracy of the geometry of the assembly and, accordingly, the cost of fitting the edges and welding the workpieces can be significantly reduced by using an additional heating source during laser welding. When an additional heat source is located in front of the laser beam, the heating of the edges of the material provides thermal expansion of the edges, closes the local gaps between the welded edges and avoids burn throughs when welding thin-sheet joints. So, when laser welding structural steel with a thickness of 0.8-1.5 mm, the gap should not exceed 0.10 ... 0.12 mm, and the use of a light source as an additional one can increase local gaps to 0.8 ... 1 , 0 mm.
3. Регулировать скорость охлаждения в диапазоне температур фазовых и структурных превращений. Это особенно существенно при обработке закаливающихся сталей. Лазерная сварка закаливающихся сталей отличается очень высокими скоростями охлаждения (до 500 град/с) и сопряжена с образованием мартенситной структуры в сварном шве и зоне термической обработки, имеющей высокую твердость и низкие пластические свойства. Данное обстоятельство связано с особенностями фазовых и структурных превращений, протекающих в металле при сварке. Использование дополнительного источника нагрева при лазерной сварке позволяет регулировать процесс охлаждения и получать сварные структуры, обладающие высокими пластическими свойствами.3. To regulate the cooling rate in the temperature range of phase and structural transformations. This is especially important when machining hardened steels. Laser welding of hardened steels is characterized by very high cooling rates (up to 500 deg / s) and is associated with the formation of a martensitic structure in the weld and heat treatment zone, which has high hardness and low plastic properties. This circumstance is associated with the features of phase and structural transformations occurring in the metal during welding. The use of an additional heating source during laser welding allows you to adjust the cooling process and obtain welded structures with high plastic properties.
Реализация этих преимуществ достигается при регулировании взаимного положения лазерного и светового лучей, имеющих различную распределенность плотности мощности в пятнах нагрева. Изменение взаимного положения указанных лучей позволяет регулировать тепловую обстановку в свариваемом изделии. Кроме того:The realization of these advantages is achieved by adjusting the relative position of the laser and light rays having different distributions of the power density in the heating spots. Changing the relative position of these beams allows you to adjust the thermal situation in the welded product. Besides:
- величина зазоров между стыками сварных соединений, позволяющих сваривать листы, составляет 25-30% от свариваемой толщины, что позволяет сваривать детали без затратных предварительных подготовительных операций (подготовка кромок, сборка и зажим, прихватка, фиксирующий зажим);- the size of the gaps between the joints of the welded joints, allowing to weld the sheets, is 25-30% of the thickness to be welded, which allows you to weld parts without costly preliminary preparatory operations (edge preparation, assembly and clamping, tacking, clamping clamp);
- происходит увеличение пластических свойств свариваемых деталей;- there is an increase in the plastic properties of the parts to be welded;
- повышается технологическая прочность за счет недопущения холодных и горячих трещин, а также трещин повторного нагрева;- increased technological strength due to the prevention of cold and hot cracks, as well as cracks reheating;
- возможность сварки как однородных, так и разнородных свариваемых материалов;- the ability to weld both homogeneous and heterogeneous materials being welded;
- происходит синергетический эффект. Коэффициент отражения при когерентном излучении составляет 80-90%. С целью снижения коэффициента отражения требуется дополнительный предварительный нагрев, что значительно снижает коэффициент отражения. Благодаря этому возникает синергетический эффект, который заключается в том, что суммарное воздействие оказывается значительно больше, чем простое суммирование этих энергий, примерно в 1,5-1,7 раза. Особенно важное значение это имеет при лазерной обработке алюминиевых сплавов. Вследствие высокой отражательной способности алюминиевые сплавы свариваются лишь при превышении пороговой мощности порядка 1,5-2 кВт, что позволяет снизить мощность используемого источника;- a synergistic effect occurs. The reflection coefficient for coherent radiation is 80-90%. In order to reduce the reflection coefficient, additional preliminary heating is required, which significantly reduces the reflection coefficient. Due to this, a synergistic effect arises, which consists in the fact that the total effect is much larger than a simple summation of these energies, about 1.5-1.7 times. This is especially important in the laser processing of aluminum alloys. Due to the high reflectivity, aluminum alloys are welded only when exceeding a threshold power of the order of 1.5-2 kW, which reduces the power of the source used;
- возможность осуществлять низкий и высокий отпуск с целью снижения остаточных напряжений в сварном соединении;- the ability to carry out low and high tempering in order to reduce residual stresses in the welded joint;
- в закаливающихся сталях и для сталей, закаливаемых в процессе сварки, а также уже закаленных можно избежать образования закалочных структур в зоне распада аустенита (скорость охлаждения и время пребывания в заданном температурном интервале) для свариваемой марки стали;- in hardened steels and for steels hardened during welding, as well as already hardened, it is possible to avoid the formation of hardening structures in the zone of decomposition of austenite (cooling rate and residence time in a given temperature range) for the welded steel grade;
- для мартенситно-стареющих сталей за счет регулирования скорости и времени сварки удается избежать образование карбидов, снижающих или увеличивающих вероятность образования трещин и вероятность коррозийного расстрескивания.- for martensitic-aging steels, by controlling the speed and time of welding, carbide formation can be avoided, reducing or increasing the likelihood of cracking and the likelihood of corrosion cracking.
Для достижения высокой скорости сварки взаимосвязанное перемещение пятен лазерного и светового лучей может быть синхронным.To achieve a high welding speed, the interconnected movement of the spots of the laser and light rays can be synchronous.
Для более полной локализации места термической обработки пятна лазерного и светового лучей полностью или частично совмещают.For a more complete localization of the heat treatment place, the spots of the laser and light rays are fully or partially combined.
В некоторых случаях обрабатываемую зону металлического изделия помещают в фокусное пятно лазерного луча, а в зоне сварки дополнительно совмещают несколько световых пятен в форме эллипса от узконаправленных световых лучей таким образом, чтобы обеспечить разогрев металлического изделия в зоне лазерной сварки перед лазерным лучом с помощью, по меньшей мере, одного светового луча и поддержание заданной скорости охлаждения металлического изделия с помощью, по меньшей мере, одного светового луча после лазерного луча, при этом обеспечиваются взаимозависимые скорости передвижения лазерного и светового лучей вдоль сварного соединения.In some cases, the treated area of the metal product is placed in the focal spot of the laser beam, and in the welding zone, several light spots in the form of an ellipse from narrowly directed light beams are combined in such a way as to ensure heating of the metal product in the laser welding zone in front of the laser beam using at least at least one light beam and maintaining a predetermined cooling rate of the metal product using at least one light beam after the laser beam, while providing I am interdependent speed of movement of the laser and light rays along the welded joint.
После сварки с помощью лазерного луча тонколистовых металлических материалов, обладающих различными теплофизическими свойствами, с помощью разных световых лучей производят постепенный отпуск нагрева металлических деталей, имеющих разные теплофизические свойства. Это позволяет получить качественное сварное соединение между разнородными материалами.After welding with a laser beam of thin-sheet metal materials with different thermophysical properties, using different light beams, a gradual tempering of heating of metal parts having different thermophysical properties is performed. This allows you to get high-quality weld between dissimilar materials.
Как известно, сварка закаливающихся сталей сопряжена с образованием в шве и зоне термического влияния мартенситной структуры (фиг.1), имеющей высокую твердость и низкие пластические свойства.As is known, welding of hardened steels is associated with the formation in the weld and heat-affected zone of a martensitic structure (Fig. 1), which has high hardness and low plastic properties.
В качестве примера на фиг.2а, б показаны анизотермические диаграммы превращений для сталей 20ХГСА и 30ХГСА. На диаграммах буквами обозначены: А - аустенит; М - мартенсит; Б - бейнит; Ф - феррит; W0 - скорость охлаждения; AC1 - температура начала аустенитного превращения; АC3 - температура окончания аустенитного превращения. При нагреве металла в зоне лазерной обработки выше температуры AC1 происходит аустенитное превращение, т.е. металл переходит в аустенитное состояние. В процессе охлаждения протекает обратное превращение. Конечная структура металла зависит от скорости охлаждения W0. Так при W0, равной 100 град/с (фиг.2а), после охлаждения возникает мартенситная (М) структура. При W0=58 град/с в охлажденном металле присутствует бейнит (Б) и мартенсит (М). При W0=32 град/с в конечной структуре содержится феррит (Ф), бейнит (Б) и мартенсит (М). С уменьшением скорости охлаждения возрастает количество ферритной фазы (Ф) и уменьшается содержание бейнита (Б) и мартенсита (М). Чем больше количество ферритной фазы, тем выше пластические свойства металла, тем меньше вероятность появления в сварном шве и зоне термического влияния трещин. Таким образом, для получения благоприятной структуры необходимо уменьшить скорость охлаждения в интервале температур 800-500°С (фиг.2).As an example, FIGS. 2a, b show anisothermal transformation diagrams for 20KhGSA and 30KhGSA steels. On the diagrams the letters indicate: A - austenite; M - martensite; B - bainite; F is ferrite; W 0 - cooling rate; A C1 is the temperature of the onset of the austenitic transformation; And C3 is the temperature of the end of the austenitic transformation. When the metal is heated in the laser treatment zone above temperature A C1 , an austenitic transformation occurs, i.e. the metal goes into an austenitic state. In the process of cooling, the reverse transformation proceeds. The final metal structure depends on the cooling rate W 0 . So at W 0 equal to 100 deg / s (figa), after cooling, a martensitic (M) structure occurs. At W 0 = 58 deg / s, bainite (B) and martensite (M) are present in the cooled metal. At W 0 = 32 deg / s, the final structure contains ferrite (Ф), bainite (B) and martensite (M). With a decrease in the cooling rate, the amount of ferrite phase (Ф) increases and the content of bainite (B) and martensite (M) decreases. The larger the amount of ferrite phase, the higher the plastic properties of the metal, the less likely the appearance of cracks in the weld and the heat affected zone. Thus, to obtain a favorable structure, it is necessary to reduce the cooling rate in the temperature range 800-500 ° C (Fig.2).
Важным преимуществом лазерно-световой сварки является различная распределенность плотности энергии в пятнах нагрева. На фиг.3а, б, в показана возможность управления скоростями охлаждения в свариваемых деталях за счет изменения взаимного положения лучей. Рассматривают следующие варианты взаимного расположения лучей: а) температурный максимум светового источника опережает лазерный; б) температурные максимумы совпадают; в) температурный максимум лазерного источника опережает световой.An important advantage of laser-light welding is the different distribution of energy density in the heating spots. On figa, b, c shows the ability to control the cooling rates in the welded parts by changing the relative position of the rays. The following options for the mutual arrangement of the rays are considered: a) the temperature maximum of the light source is ahead of the laser; b) temperature maxima coincide; c) the temperature maximum of the laser source is ahead of the light.
Расчетная оценка по аналитическим зависимостям показывает, что при расположении дополнительного источника нагрева за лазерным лучом (фиг.4) возможно снижение скорости охлаждения.A calculated estimate of the analytical dependences shows that when the location of an additional heating source behind the laser beam (figure 4), a decrease in the cooling rate is possible.
Использование дополнительного источника нагрева позволяет существенно изменить кривую охлаждения и провести распад аустенита при постоянной температуре. В этом случае возможно получение перлитно-бейнитной структуры или даже чисто перлитной структуры за счет уменьшения скорости охлаждения при расположении дополнительного источника нагрева за лазерным лучом. На фиг.5 представлены два графика охлаждения металла с образованием перлитной (П) структуры, бейнитной (Б) структуры и мартенситной (М) структуры; на верхнем графике с наложением температурного режима охлаждения а) дуговой сварки, б) лазерно-световой сварки и в) лазерной сварки. На нижнем графике - с характеристикой зоны а) лазер + свет = хрупких разрушений нет, б) дуговая сварка = хрупкие разрушения есть; в) лазер = хрупкие разрушения есть.The use of an additional heating source makes it possible to substantially change the cooling curve and carry out the decomposition of austenite at a constant temperature. In this case, it is possible to obtain a pearlite-bainitic structure or even a pure pearlite structure due to a decrease in the cooling rate when an additional heat source is located behind the laser beam. Figure 5 presents two graphs of metal cooling with the formation of a pearlite (P) structure, a bainitic (B) structure, and a martensitic (M) structure; on the upper graph with the superimposition of the temperature regime of cooling a) arc welding, b) laser-light welding and c) laser welding. In the lower graph - with the characteristic of the zone a) laser + light = no brittle fracture, b) arc welding = brittle fracture; c) laser = brittle destruction is.
Пример конкретного использования: сваривались встык заготовки под штамповку кузова автомобиля в виде металлических листов из закаливающихся сталей 30ХГСА толщиной 1,2-1,5 мм.An example of a specific use: butt-welded blanks for stamping a car body in the form of metal sheets of hardened 30HGSA steels 1.2-1.5 mm thick.
Технологический блок обеспечивал размещение, частичное совмещение и синхронное, взаимосвязанное перемещение в зоне сварки трех пятен эллиптической формы, образуемых от двух световых полихроматических источников и одного монохроматического лазерного источника.The technological unit provided placement, partial alignment and synchronous, interconnected movement in the welding zone of three elliptical spots generated from two light polychromatic sources and one monochromatic laser source.
Плотность мощности лазерного луча составляла 106 Вт/см2, а эллипс образованного пятна имел соотношение 2:1 мм. Плотность мощности световых лучей составляла 103 Вт/см2, а эллипсы образованных пятен имели соотношение 3:1,5 мм.The power density of the laser beam was 10 6 W / cm 2 and the ellipse of the formed spot had a ratio of 2: 1 mm. The power density of light rays was 10 3 W / cm 2 , and the ellipses of the formed spots had a ratio of 3: 1.5 mm.
В процессе сварки одно пятно светового луча было расположено впереди пятна лазерного луча, а другое пятно светового луча располагалось сзади пятна лазерного луча. Световой луч, расположенный впереди лазерного на расстоянии центров эллипса 3,5 мм, использовался для температурного расширения кромок и способствовал закрытию местных зазоров величиной до 0,8 мм между свариваемыми кромками, качественного проплавления металла узким швом. Другой световой луч, расположенный на расстоянии 3,0 мм сзади лазерного луча, обеспечивал скорость охлаждения материала после сварки до 40-30 градусов в секунду и использовался для формирования пластичной ферритной структуры, обеспечивающей высокие механические свойства, необходимые для дальнейшей штамповки сварных заготовок. При этом обеспечивалось отклонение лазерного луча на 1 градус и световых лучей на 27 и 26 градусов от нормали к обрабатываемой поверхности, а также образование острого угла между лазерным лучом и каждым из световых лучей.During welding, one spot of the light beam was located in front of the spot of the laser beam, and another spot of the light beam was located behind the spot of the laser beam. The light beam located in front of the laser at a distance of the centers of the ellipse of 3.5 mm was used for thermal expansion of the edges and helped to close local gaps of up to 0.8 mm between the welded edges, high-quality penetration of the metal with a narrow seam. Another light beam, located at a distance of 3.0 mm behind the laser beam, provided a cooling rate of the material after welding to 40-30 degrees per second and was used to form a plastic ferrite structure providing high mechanical properties necessary for further stamping of welded workpieces. This ensured a deviation of the laser beam by 1 degree and light rays by 27 and 26 degrees from the normal to the surface being treated, as well as the formation of an acute angle between the laser beam and each of the light rays.
Скорость лазерно-световой сварки составляла 2,0 м/мин.The laser light welding speed was 2.0 m / min.
Испытания сваренных образцов показали, что прочность сварных соединений составляла 0,8-0,9 от прочности основного металла. Угол загиба составлял 160-180 градусов.Tests of welded samples showed that the strength of welded joints was 0.8-0.9 of the strength of the base metal. The bend angle was 160-180 degrees.
Claims (16)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006125400/02A RU2322513C1 (en) | 2006-07-17 | 2006-07-17 | Method for laser and light thermal treatment of metallic materials at controlled temperature change |
| PCT/RU2007/000375 WO2008010746A2 (en) | 2006-07-17 | 2007-07-10 | Method for laser and light heat treatment of metal materials at a controllable temperature changes |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006125400/02A RU2322513C1 (en) | 2006-07-17 | 2006-07-17 | Method for laser and light thermal treatment of metallic materials at controlled temperature change |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006125400A RU2006125400A (en) | 2008-01-27 |
| RU2322513C1 true RU2322513C1 (en) | 2008-04-20 |
Family
ID=38957221
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006125400/02A RU2322513C1 (en) | 2006-07-17 | 2006-07-17 | Method for laser and light thermal treatment of metallic materials at controlled temperature change |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2322513C1 (en) |
| WO (1) | WO2008010746A2 (en) |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2120365C1 (en) * | 1996-12-10 | 1998-10-20 | Юрий Степанович Комиссарчук | Method of and device for making of pipes by laser welding of longitudinal seams |
| JP3223271B2 (en) * | 1999-06-21 | 2001-10-29 | 経済産業省産業技術総合研究所長 | Laser hybrid heating method |
| RU2185943C1 (en) * | 2000-12-08 | 2002-07-27 | Алексеев Георгий Михайлович | Apparatus for light beam treatment of materials |
| JP2005223151A (en) * | 2004-02-05 | 2005-08-18 | Taiyo Denki Kk | Welded device terminal inspecting apparatus |
| RU2004120751A (en) * | 2004-07-08 | 2006-01-10 | Георгий Михайлович Алексеев (RU) | METHOD FOR LOCAL THERMAL PROCESSING OF MATERIALS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION (OPTIONS) |
-
2006
- 2006-07-17 RU RU2006125400/02A patent/RU2322513C1/en not_active IP Right Cessation
-
2007
- 2007-07-10 WO PCT/RU2007/000375 patent/WO2008010746A2/en active Application Filing
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| АНДРИЯХИН В.М. Процессы лазерной сварки и термообработки. - М.: Наука, 1988, с 50, 53. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2008010746A2 (en) | 2008-01-24 |
| WO2008010746A3 (en) | 2008-03-20 |
| RU2006125400A (en) | 2008-01-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2323265C1 (en) | Method for laser-light thermal treatment of metallic materials at controlled heating | |
| US10780529B2 (en) | Welded blanks made from aluminized steel sheets and having advantageous welded joint characteristics | |
| US20200156185A1 (en) | Methods for joining two blanks and blanks and products obtained | |
| EP2942143B1 (en) | Methods for joining two blanks and blanks and products obtained | |
| Lamikiz et al. | CO2 laser cutting of advanced high strength steels (AHSS) | |
| Yaakob et al. | Optimizing the pulse wave mode low power fibre laser welding parameters of 22Mnb5 boron steel using response surface methodology | |
| CN111107960A (en) | Method for joining two blanks, and blank and product obtained | |
| Kah | Overview of the exploration status of laser-arc hybrid welding processes | |
| JP5088920B2 (en) | Manufacturing method for building components | |
| RU2653396C1 (en) | Method of manufacturing the t-beam with laser beam | |
| RU2323264C1 (en) | Method for laser-light thermal treatment of metallic materials at controlled cooling | |
| RU2492035C1 (en) | Multibeam laser welding | |
| RU2322513C1 (en) | Method for laser and light thermal treatment of metallic materials at controlled temperature change | |
| Šebestová et al. | Microstructure and mechanical properties of hybrid LasTIG welds of HSLA steel | |
| Salleh et al. | Weld geometry investigation on dissimilar boron steel laser welded for TWB application | |
| Poznyakov et al. | Laser-arc welding of high-strength steels with yield strength of more than 700 MPa | |
| Boumerzoug | A Review: Welding by Laser Beam of Dissimilar Metals | |
| EP1870194A1 (en) | Method of producing a continuous metal strip by laser butt welding, with a laser having a multimodal welding power distribution | |
| WO2021230768A1 (en) | Control of thermal cycle of butt joint laser welding | |
| Lamikiz et al. | Cutting parameters for the reduction in material degradation in the laser cutting of advanced high-strength steels | |
| Sánchez-Castillo et al. | Crack-free welding of low weldability carbon steel by high power diode laser |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080718 |
|
| PC4A | Invention patent assignment |
Effective date: 20100302 |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20130422 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160718 |