Способ лазерно-дуговой обработки конструкций из низкоуглеродистой стали
Изобретение относится к лазерно-дуговой обработке и может быть использовано в металлургии и машиностроении для упрочнения сталей. Цель изобретения - увеличение прочностных свойств. При обработке используют луч лазера и электрическую дугу . Совмещают пятно нагрева луча лазера и электрической дуги Коаксиально лучу лазера подают углеродсодержащий газ, а через сопло дуговой горелки подают азот. Смесь имеет следующий состав, об.%: азот 30-40; углеродсодержащий газ остальное. Способ позволяет отказаться от покрытий для увеличения поглощения лазерного излучения. 1 табл.
союз соВетских
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4729009/27 (22) 14.08.89 (46) 07,12.91. Бюл, N 45 (71) Ленинградский политехнический институт им. М.И. Калинина (72) С.Г, Горный, Б.В. Потапов, С.В. Клюйкова, А.Э. Охапкин и А.П, Чекмеэов (53) 621,785.09(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
М 1613497, кл. С 21 D 1/09, 20,01.89. (54) СПОСОБ ЛАЗЕРНО-ДУГОВОЙ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ (57) Изобретение относится к лазерно-дуговой обработке и может быть использовано в
Изобретение относится к лазерно-дуговой обработке в металлургии и машиностроении и может быть использовано для упрочнения и увеличения энергоемкости конструкций, Цель изобретения — увеличение прочностных свойств и энергоемкости конструкции.
Сущность способа заключается в следующем.
Совмещают пятна нагрева луча лазера и электрической дуги, тем самым создаются условия для глубокого проплавления и активного перемешивания жидкого металла в зоне обработки, Азот подают через сопло дуговой горелки, а углеродсодержащий газ коаксиально лазерному лучу. В дуге происходит ионизация атомов азота и разложе„„Ы „„1696504 А1 (5!)5 С 21 0 1/09, В 23 К 26/00 металлургии и машиностроении для упрочнения сталей. Цель изобретения — увеличение прочностных свойств, При обработке используют луч лазера и электрическую дугу. Совмещают пятно нагрева луча лазера и электрической дуги. Коаксиально лучу лазера подают углеродсодержащий гаэ, а через сопло дуговой горелки подают азот, Смесь имеет следующий состав, об.,(,: азот 30 — 40; углеродсодержащий газ остальное. Способ позволяет отказаться от покрытий для увеличения поглощения лазерного излучения, 1 табл. ние углеродсодержащего газа с выделением свободного углерода. Атомы и ионы азота. а 0 также углерода дифундируют в жидкий ме- К ) талл и эа счет активного его перемешивания 0 равномерно распределяются по всей глуби- у не зоны оплавления. Подогрев эоны обработки теплом электрической дуги ведет к увеличению поглощения лазерного излучения. В свою очередь. образование плазменного факела при воздействии луча лазера на металл позволяет стабилизировать горение дуги. В результате взаимного положительного влияния КПД лазерно-дуговой обработки выше, чем в отдельности лазерной и дуговой обработки, что приводит при равной мощности к увеличению как ширины. так и глубины зоны лазерно-дуговой обработки. После кристаллизации зоны распла1696504
40 ва образуется дорожка, насыщенная углеродом и азотом и имеющая вследствие этого повышенную твердость и прочность.
Величина твердости и прочности зоны лазерно-дугового воздействия определяется полученной микроструктурой, При обработке ниэкоуглеродистой стали в атмосфере углеродсодержащих газов происходит ее науглероживание, однако при насыщении жидкого металла углеродом более 0,6% после охлаждения структура состоит не только из мартенсита (твердой составляющей), но и из остаточного аустенита (мягкая фаза).
Для получения максимальной твердости необходимо создать такую смесь, которая не приводила бы к содержанию углерода в стали свыше 0,6%.
В качестве добавки к утлеродсодержащему газу выбирают азот, так как он при внедрении в кристаллическую решетку железа приводит к увеличению твердости и прочности последнего. Однако низкий предел растворимости азота в железе (нескол ько сотых долей процента, в зависимости от условий насыщения) требует для получения существенного увеличения твердости (в 2-3 раза) введения таких легирующих элементов как алюминий, титан, цирконий, храм и др. В этом случае сталь уже относится к легированной, а не к низкоуглеродистой.
Таким образом, в ходе экспериментов установлено, что для достижения в зоне о(работки низкоуглеродистой стали опт«:— мального содержания углерода (0,6%) оплавление должно вестись в атмосфере состоящей на 60-70% из углеродсодержащего газа. Дополнительно увеличить микротвердость на 10 — 20% в зоне оплавления позволяет использование азота в качестве второго компонента газовой смеси вместо инертного газа. Увеличение твердости обьясняется образованием азотистого мартенсита, имеющего более a»»cdtye твердость в сравнении с углеродистым мартенситом.
Увеличение содержания азота в смеси свыше 40% уже не приводит к росту растворимости азота в низкоуглеродистой стали, так как предел насыщения азотом зоны расплава достигается уже при содержании 20% азота в составе смеси, а менее 30% не может быть, так как это связано с превышением содержания углеродсодержащих газов в смеси>70%. Кроме того, уменьшение углеродсодержащего газа менее 60% в атмосфере зоны обработки ведет к уменьшению содержания углерода в мартенсите, что приводит к уменьшению твердости и прочности эон обработки.
Увеличение углеродсодержащего газа более 70% а tсмеси приводит к образованию
30 в структуре зоны обработки остаточного аустенита — мягкой составляющей, что снижает общую твердость легированной зоны.
Пример. Для реализации способа используют сталь Ст3 толщиной 5,0 мм. С обеих сторон листа наносят рисунок из дорожек упрочнения в виде стеки с шагом 2,0;
2,5; 3,0; 3,5; 4,0 мм. После этого из листа вырезают образцы для испытаний на растяжение так, чтобы угол между продольной осью образца и упрочняющими дорожками составлял 45, Обработка ведется на лазерной установке фирмы "Когерент Дженерал" мощность Р = ";,0 кВт, диаметр луча = 1,2 мм, скорость перемещения луча по поверхности образца Ч = 10 мм/с, В качестве источника электрической дуги используют установку УАС-301. Ток дуги составляет"
1 = 50 А, напряжение на дуге Од = 23 Г. В/ качестве плазмообразующего газа используют азот и углеродсодержащие газы. Первоначально зажигают дугу прямого действия в азоте. "Минус" от источника питания подают на электрод. Затем открывают заслонку луча лазера в головке лазерной установки и совмещают пятно нагрева электрической дуги и фокус лазерного излучения. Далее включают подвижку и наносят упрочненную дорожку, причем обработку ведут с образованием парогазового канала, оплавляя поверхность изделия в смеси газов, состоящей из 30 и 70%; 35 и 65%; 40 и
60% соответственно азота и ацетилена, Ацетилен подают коаксиально лучу лазера, а состав смеси регулируют за счет изменения расхода ацетилена. После нанесения дорожки дают возможность листу остыть до исходной температуры. Таким образом, наносят сетку упрочняющих дорожек, Подго-. товленные образцы испытывают на разрывной машине Р10, усредненные результаты испытаний на растяжение приведены в таблице, На каждый режим испытывают по пять образцов, Использование предлагаемого способа лазерной обработки конструкций из низкоуглеродистой стали обеспечивает следующие преимущества. В соответствии с результатами проведенных испытаний лазерно-дуговая обработка листов приводит к увеличению на 29% предела текучести
002, на 18% временного сопротивления разрыву оЬ, т.е, росту прочностных свойств при одновременном снижении относительного удлинения на 11% по отношению к известному способу. Возрастает энергоемкость работы разрушения обрабо1696504
Формула изобретения
30-40
Азот
Способ лазерно-дуговой обработки 15 Углеродконструкций из низкоуглеродистой стали, содержащий газ при котором лучом лазера в углеродсодерОстальное
Механические свойства
Площадь диаграммы растяжения, мм
Шаг между дорожками, мм
Образец
Состав среды, % сор МПа а> МПа
20,8
20,6
20,3
20,9
21,4
702
714
721
706
684
Азот 35
Ацетилен 65
Ацетилен 65
Азот 35
А етилен 65
674
682
691, 678, 662
498
522
538
502
483
2,0
2.5
3,0
3.5
4,0
7
9
679
688
696
682
661
646
652
668
654
641
21,2
20,8
20,6
20,8
21,3
476
502
521
484
469
Азот 30
Ацетилен 70
Ацетилен 7О
Азот 30
Ацетилен 70
2.0
2,5
3.0
3,5
4,0
652
658
661
628
626
21,2
21,1
20;7
21.6
21,8
678
692
698
673
668
481
506
512
481
474
Азот 40
Ацетилен 60
Ацетилен 60
Ацетилен 60
Азот 40
Ацетилен 60
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
11
12
13
14
Составитель Г.Тютченкова
Техред М.Моргентал Корректор Э.Лончакова
Редактор А.Козориз
Заказ 4278 Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 танной стали на 18%, Возможно изготавливать сварные конструкции из деталей, прошедших обработку предлагаемым способом, применять многомодовое лазерное излучение, использовать для обработки деталей заданной толщины лазеры меньшей мощности и заменять части дорогой энергии лазерного излучения более дешевой энергией электрической дуги, а также отказаться от покрытий для увеличения поглощения лазерного излучения. жащем газе создают упрочненные дорожки на поверхности заготовки с двух сторон с определенным шагом и ориентированные под углом к оси нагружения, о т л и ч а ю5 шийся тем, что. с целью увеличения прочностных свойств и энергоемкости конструкции, дополнительно воздействуют на зону обработки электрической дугой, горящей в среде азота, при этом совмещают
10 пятно нагрева лазера и электрической дуги, а нагрев ведут в среде, имеющей следующий состав, об. :
