Совершенствование процесса послойной лазерной сварки металлических деталей за счет управления остаточными напряжениями 

Татьяна Николаевна Иванова, доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник отдела моделирования и синтеза технологических структур, Институт механики, Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук» (Россия, г. Ижевск, ул. им. Татьяны Барамзиной, 34); профессор кафедры автоматизации информационных и инженерных технологий, Чайковский филиал ФГАОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» (Россия, г. Чайковский, ул. Ленина, 73), E-mail: rsg078829@mail.ru
Александр Юрьевич Муйземнек, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и прикладной механики и графики, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), E-mail: muyzemnek@yandex.ru 

Актуальность и цели. Послойная лазерная сварка металлических деталей позволяет получить сварной шов послойно. В результате разогрева поверхности резко возрастают термические напряжения, вызванные нестационарным температурным полем. Цель исследования заключается в совершенствовании процесса послойной лазерной сварки металлических деталей за счет управления остаточными напряжениями с помощью получения прототипа изделия на 3D-принтере. Совмещение технологии быстрого прототипирования с 3D-сканирующим модулем и прогнозирование остаточных напряжений цифровыми технологиями позволяют оперативно вносить изменения в трехмерную компьютерную модель или прокладывать оптимальный путь лазерного луча, анализировать напряженно-деформированное состояние деталей-прототипов, сокращая финансовые затраты при производстве. Материалы и методы. Использованы аналитические и компьютерные методы исследования температурных напряжений в плоских металлических деталях, построены цифровые модели распределения остаточных напряжений по поверхности и по глубине детали. Результаты проверены экспериментально металлографическими опытно-промышленными исследованиями. Результаты. Максимальная нагрузка от термических напряжений при циклическом нагреве приходится на поверхностный слой детали, амплитуда колебаний в глубинных слоях ниже амплитуды колебаний напряжений на поверхности. Чем выше интенсивность теплообмена, тем быстрее деталь разрушится от усталости, тем меньше должно быть значение амплитуды колебания температуры среды, при которой происходит приспособляемость детали к заданному циклу теплового нагружения. Долговечность детали зависит от частоты колебаний температуры. Выводы. При послойной лазерной сварке нагрев металлических деталей лазером может проходить по синусоидальному, прямоугольному, пилообразному циклам с одинаковой длительностью периода охлаждения и периода нагрева. Пределы изменения термических напряжений на поверхности детали существенно зависят от конкретного вида температурного цикла среды. Максимальное значение амплитуды термических напряжений и минимальное значение приспособляющих температурных нагрузок возникает при прямоугольном цикле, минимальные термические напряжения – при пилообразном. При несимметричном периодическом нагреве детали амплитуда колебаний термических напряжений на поверхности х = R не зависит от интенсивности теплообмена на поверхности х = 0 и имеет место лишь при небольших значениях ωR2/a. При большом значении ωR2/a зависимость амплитуды температурных напряжений на поверхности х = R от интенсивности теплообмена на поверхности х = 0 отсутствует. Проведенные опытно-промышленные испытания показали, что аддитивная послойная технология сварки лазерным лучом стального листа и анализ металлографический структуры металла согласуются с полученными данными изменения напряжений по сечению детали. Это подтверждает точность проведения теоретического и цифрового экспериментов. Технологию можно использовать в стационарных и передвижных мобильных установках. 

Ключевые слова

послойная лазерная сварка, сварной шов, термические напряжения, нестационарное температурное поле, быстрое прототипирование, компьютерная модель, металлографический анализ 

 Скачать статью в формате PDF

Для цитирования:

Иванова Т. Н., Муйземнек А. Ю. Совершенствование процесса послойной лазерной сварки металлических деталей за счет управления остаточными напряжениями // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2022. № 2. С. 104–116. doi:10.21685/2072-3059-2022-2-9