Прогнозування результатів гібридного лазерно-плазмового різання вуглецевої сталі

The prospects of hybrid laser-plasma cutting of metals have been justified, a design of an integrated plasmatron for hybrid cutting was proposed and the results of laser-plasma cutting of carbon sheet structural steels using such an integrated plasmatron were forecasted. It was shown that in order to minimize losses of laser radiation and obtain maximum penetration, it is advisable to assemble the integrated plasmatron according to a coaxial scheme with an axial arrangement of laser radiation and a minimum inclination of non-consumable electrodes (one or more), the distance from the working end of which to the axis of the laser beam should lie in the range of 2...3 mm. The diameter of the plasma-forming nozzle should lie within 2–5 mm and depth of focus under the surface of the cut sheet during hybrid cutting should be 1–2 mm. To simulate the processes of laser, plasma, and hybrid cutting, the SYSWELD software package was used which became possible due to taking into account the characteristic for cutting effect of removing sections of molten material in the cutting zone, performed by replacing the maximum overheating temperature during the calculation with the initial temperature (20 °C). The main parameters of the regimes of laser-plasma cutting were established which has made it possible to obtain minimum HAZ size with cut quality approaching that of the laser cut. At the same time, hybrid cutting requires an energy input of approximately half that of the air-plasma one. An increase in the speed of hybrid cutting by increasing the pressure and consumption of working gases makes it possible to compare energy input with the same indicator of gas laser cutting with more than a three-fold increase in the productivity of the processОбоснована перспективность гибридной лазерно-плазменной резки металлов, предложена конструкция интегрированного плазмотрона для гибридной резки, а также спрогнозированы результаты лазерно-плазменной резки листовых углеродистых конструкционных сталей с использованием такого интегрированного плазмотрона. Показано, что для минимизации потерь лазерного излучения и получения максимального проплавления интегрированный плазмотрон целесообразно компоновать по коаксиальной схеме с осевым расположением лазерного излучения и минимальным наклоном неплавящихся электродов (одного или более), расстояние от рабочего конца которых до оси лазерного пучка должно лежать в интервале 2…3 мм. Диаметр плазмообразующего сопла должен лежать в пределах 2–5 мм, а заглубление фокуса под поверхность разрезаемого листа при гибридной резке составлять 1–2 мм. Для моделирования процессов лазерной, плазменной и гибридной резки применяли программный комплекс SYSWELD, что стало возможным благодаря учету характерного для резки эффекта удаления участков расплавленного материала в зоне реза, выполняемого путем замены в ходе расчёта их максимальной температуры перегрева на исходную(20ºС). Установлены основные параметры режимов лазерно-плазменной резки, позволяющие получить минимальный размер ЗТВ при качестве реза, приближающемуся к лазерному. При этом для гибридной резки требуется энерговложение примерно вдвое меньшее, чем для воздушно-плазменной. Повышение скорости гибридной резки за счет увеличения давления и расхода рабочих газов, позволяет ее энерговложению сравнится с аналогичным показателем газолазерной резки при более чем трехкратном повышении производительности процессаОбґрунтовано перспективність гібридного лазерно-плазмового різання металів, запропоновано конструкцію інтегрованого плазмотрона для гібридної різання, а також спрогнозовано результати лазерно-плазмового різання листових вуглецевих конструкційних сталей з використанням такого інтегрованого плазмотрона. Показано, що для мінімізації втрат лазерного випромінювання і отримання максимального проплавлення інтегрований плазмотрон доцільно компонувати за коаксіальною схемою з осьовим розташуванням лазерного випромінювання і мінімальним нахилом неплавких електродів (одного або більше), відстань від робочого кінця яких до осі лазерного пучка повинна лежати в інтервалі 2...3 мм Діаметр плазмоутворюючого сопла повинен лежати в межах 2–5 мм, а заглиблення фокуса під поверхню листа, що розрізається, при гібридному різанні становити 1–2 мм. Для моделювання процесів лазерного, плазмового та гібридного різання застосовували програмний комплекс SYSWELD, що стало можливим завдяки врахуванню характерного для різання ефекту видалення ділянок розплавленого матеріалу в зоні різання, яке виконувалося шляхом заміни в ході їх розрахунку максимальної температури перегріву на початкову (20°С). Встановлені основні параметри режимів лазерно-плазмового різання, що дозволяють отримати мінімальний розмір ЗТВ при якості різу, яка наближається до лазерної. При цьому для гібридного різання потрібно енерговкладення приблизно вдвічі менше, ніж для повітряно-плазмового. Підвищення швидкості гібридного різання за рахунок збільшення тиску і витрати робочих газів дозволяє його енерговкладанню зрівнятися з аналогічним показником газолазерного різання при більш ніж трикратному підвищенню продуктивності процес

Прогнозування результатів гібридного лазерно-плазмового різання вуглецевої сталі

The prospects of hybrid laser-plasma cutting of metals have been justified, a design of an integrated plasmatron for hybrid cutting was proposed and the results of laser-plasma cutting of carbon sheet structural steels using such an integrated plasmatron were forecasted. It was shown that in order to minimize losses of laser radiation and obtain maximum penetration, it is advisable to assemble the integrated plasmatron according to a coaxial scheme with an axial arrangement of laser radiation and a minimum inclination of non-consumable electrodes (one or more), the distance from the working end of which to the axis of the laser beam should lie in the range of 2...3 mm. The diameter of the plasma-forming nozzle should lie within 2–5 mm and depth of focus under the surface of the cut sheet during hybrid cutting should be 1–2 mm. To simulate the processes of laser, plasma, and hybrid cutting, the SYSWELD software package was used which became possible due to taking into account the characteristic for cutting effect of removing sections of molten material in the cutting zone, performed by replacing the maximum overheating temperature during the calculation with the initial temperature (20 °C). The main parameters of the regimes of laser-plasma cutting were established which has made it possible to obtain minimum HAZ size with cut quality approaching that of the laser cut. At the same time, hybrid cutting requires an energy input of approximately half that of the air-plasma one. An increase in the speed of hybrid cutting by increasing the pressure and consumption of working gases makes it possible to compare energy input with the same indicator of gas laser cutting with more than a three-fold increase in the productivity of the processОбоснована перспективность гибридной лазерно-плазменной резки металлов, предложена конструкция интегрированного плазмотрона для гибридной резки, а также спрогнозированы результаты лазерно-плазменной резки листовых углеродистых конструкционных сталей с использованием такого интегрированного плазмотрона. Показано, что для минимизации потерь лазерного излучения и получения максимального проплавления интегрированный плазмотрон целесообразно компоновать по коаксиальной схеме с осевым расположением лазерного излучения и минимальным наклоном неплавящихся электродов (одного или более), расстояние от рабочего конца которых до оси лазерного пучка должно лежать в интервале 2…3 мм. Диаметр плазмообразующего сопла должен лежать в пределах 2–5 мм, а заглубление фокуса под поверхность разрезаемого листа при гибридной резке составлять 1–2 мм. Для моделирования процессов лазерной, плазменной и гибридной резки применяли программный комплекс SYSWELD, что стало возможным благодаря учету характерного для резки эффекта удаления участков расплавленного материала в зоне реза, выполняемого путем замены в ходе расчёта их максимальной температуры перегрева на исходную(20ºС). Установлены основные параметры режимов лазерно-плазменной резки, позволяющие получить минимальный размер ЗТВ при качестве реза, приближающемуся к лазерному. При этом для гибридной резки требуется энерговложение примерно вдвое меньшее, чем для воздушно-плазменной. Повышение скорости гибридной резки за счет увеличения давления и расхода рабочих газов, позволяет ее энерговложению сравнится с аналогичным показателем газолазерной резки при более чем трехкратном повышении производительности процессаОбґрунтовано перспективність гібридного лазерно-плазмового різання металів, запропоновано конструкцію інтегрованого плазмотрона для гібридної різання, а також спрогнозовано результати лазерно-плазмового різання листових вуглецевих конструкційних сталей з використанням такого інтегрованого плазмотрона. Показано, що для мінімізації втрат лазерного випромінювання і отримання максимального проплавлення інтегрований плазмотрон доцільно компонувати за коаксіальною схемою з осьовим розташуванням лазерного випромінювання і мінімальним нахилом неплавких електродів (одного або більше), відстань від робочого кінця яких до осі лазерного пучка повинна лежати в інтервалі 2...3 мм Діаметр плазмоутворюючого сопла повинен лежати в межах 2–5 мм, а заглиблення фокуса під поверхню листа, що розрізається, при гібридному різанні становити 1–2 мм. Для моделювання процесів лазерного, плазмового та гібридного різання застосовували програмний комплекс SYSWELD, що стало можливим завдяки врахуванню характерного для різання ефекту видалення ділянок розплавленого матеріалу в зоні різання, яке виконувалося шляхом заміни в ході їх розрахунку максимальної температури перегріву на початкову (20°С). Встановлені основні параметри режимів лазерно-плазмового різання, що дозволяють отримати мінімальний розмір ЗТВ при якості різу, яка наближається до лазерної. При цьому для гібридного різання потрібно енерговкладення приблизно вдвічі менше, ніж для повітряно-плазмового. Підвищення швидкості гібридного різання за рахунок збільшення тиску і витрати робочих газів дозволяє його енерговкладанню зрівнятися з аналогічним показником газолазерного різання при більш ніж трикратному підвищенню продуктивності процес

Features of Intermetallic Formation in the Solid Phase on a Steel–Titanium Bimetal Interface under the Conditions of Arc Welding

The object of this study is the formation of intermetallic phases (IMPhs) in the heat-affected zone (HAZ) of joints of steel–titanium bimetal plates produced by arc welding. A titanium layer (2 mm) was welded by the plasma method (PAW), a barrier layer of Cusi3Mn1 bronze was deposited on it by the TIG method, the first steel layer was deposited by CMT, and Puls-MAG was used for filling the groove. Here, heating in the solid phase takes place in the HAZ, which may lead to undesirable formation of brittle IMPhs and further welded joint failure. Mathematical modeling was performed and metallurgical features formed during the processes of heating of the HAZ in bimetal steel–titanium plates were studied to identify the risk of IMPh formation. It was found that at a temperature increase from 900 to 1450 °C, a continuous intermetallic layer formed on the steel–titanium interface, which contained FeTi IMPh, and the width of which increased from 1 to 10 μm. In the temperature range 1300…1430 °C, an intermetallic TiFe2-type phase additionally formed from the titanium side. In the temperature range 1430…1450 °C, the TiFe2 phase was replaced by the TiXFe phase, which formed both from the steel side and from the titanium side. This phase consists of intermetallics (73–75% Ti + 27–25% Fe) and (80–85% Ti + 20–15% Fe), and it is close to the Ti2Fe-type phase. The interlayer of intermetallics, formed at temperatures of 900…1300 °C, has a continuous morphology (HV0.01–650…690). At temperatures rising above 1300 °C, the IMPh interlayer became more ramified (HV0.01–590…610) because of the formation of a larger number of pores and microcracks within it. In the temperature range 900…1450 °C, solid-phase diffusion proceeded in the steel–titanium bimetal near the interface of the two metals. A zone of iron diffusion, 5–10 μm to 40–60 μm in width, formed in titanium. In steel, a zone of titanium diffusion 15–20 μm to 120–150 μm in width formed, starting from 1300 °C and higher. It is recommended to perform industrial welding of steel–titanium bimetal in modes, for which the heat input is equal to 200…400 J/mm. Here, during the period 10–12 s, the heating temperature of the HAZ 1.5–3.5 mm in width is equal to 900–1150 °C. It promotes formation of an intermetallic FeTi-type interlayer of up to 1–2 μm width

Розрахунково-експериментальна методика визначення зварювальних деформацій та напружень на основі застосування методу цифрової кореляції зображень

The object of this study is determining the stressed-strained state (SSS) of a welded article by applying quantitative non-destructive testing. The relevance of the study is associated with the need to devise a universal methodology for the non-destructive quantification of SSS using the simplest approaches and means of provision. To solve this task, an estimation-experimental procedure has been developed. This procedure is based on comparing digital stereo images of the individual sections (spatial primitives) of an article before and after its welding, followed by computer processing. To validate the developed procedure, the SSS of a cylindrical article made of aluminum alloy 7005, at the end of which two flanges were welded laserly with ring seams, was determined. It was established that after performing four diametrically opposed point tacks, the residual deformations of the ends of the article can reach 0.02–0.05 mm, and after performing continuous ring seams – to decrease to 0.01–0.02 mm. The calculation showed that the residual deformations of the end of the article after welding a ring seam are at the level of 0.02 mm, and the residual stresses in the same zone – in the range of 50–60 MPa. The deviation in the coincidence of residual deformations is in the range of 10–20 %, which is a satisfactory result and can be considered as an error in the results of determining SSS in general. Based on the developed methodology for determining SSS, an experimental industrial complex has been created that allows TIG and PAW to perform welding of objects from steels and alloys with the ability to determine the resulting stressed-strained state of these objects. The procedure devised and the equipment designed can be used for to non-destructively determine SSS of spatial structures made of steels and alloysОб’єктом дослідження є визначення напружено-деформованого стану (НДС) звареного виробу шляхом застосування кількісного неруйнівного контролю. Актуальність дослідження пов’язана із необхідністю створення універсальної методики неруйнівного кількісного визначення НДС з використанням найпростіших підходів та засобів забезпечення. Для вирішення даної проблеми розробили розрахунково-експериментальну методику. Дана методика базується на порівнянні цифрових стереозображень окремих ділянок (просторових примітивів) виробу до і після його зварювання з подальшою комп'ютерною обробкою. Для апробації розробленої методики провели визначення НДС циліндричного виробу з алюмінієвого сплаву 7005, на торці якого приварювалися лазерним способом кільцевими швами два фланці. Встановлено, що після виконання чотирьох діаметрально протилежних точкових прихваток залишкові деформації торців виробу можуть сягати 0,02–0,05 мм, а після виконання неперервних кільцевих швів – знижуватися до 0,01–0,02 мм. Розрахунок показав, що величини залишкових деформацій торця виробу після зварювання кільцевого шва знаходяться на рівні 0,02 мм, а залишкових напружень у цій же зоні – в межах 50–60 МПа. Відхилення у збігу залишкових деформацій перебуває у межах 10–20 %, що є задовільним результатом і може розглядатися як похибка результатів визначення НДС загалом. На основі розробленої методики визначення НДС створено дослідно-промисловий комплекс, що дозволяє виконувати TIG та PAW зварювання об'єктів зі сталей та сплавів з можливістю визначення одержуваного в результаті напружено-деформованого стану цих об'єктів. Створені методика та обладнання можуть застосовуватися для неруйнівного визначення НДС просторових конструкцій зі сталей і сплаві