eng
Выпуск #3/2018
А. Г. Сухов, М. М. Малыш, М. О. Ледер, С. В. Леднов
Лазерная резка титановых сплавов
Лазерная резка титановых сплавов
Просмотры: 3636
В статье приведены результаты исследований, которые раскрывают возможности применения лазерной резки для изготовления деталей из титановых сплавов сложной формы с элементами малых размеров, а также для резки деталей больших толщин.
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.71.3.270.278
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.71.3.270.278
Теги: gas laser cutting laser cutting microstructure research slanting thermal impact zone titanium alloys газолазерная резка зона термического влияния исследование микроструктуры лазерная резка резка с наклоном титановые сплавы
В настоящее время широко применяются методы резки металла с использованием высококонцентрированных источников энергии [1]. Одним из перспективных процессов является газолазерная резка, основанная на механизме разрушения металлов плавлением или испарением с выдуванием продуктов расплава из зоны реза различными газами. Лазерная резка обладает рядом преимуществ по сравнению с другими способами резки, основными из которых являются следующие:
• возможность резки объемных изделий;
• локальность воздействия, отсутствие контакта с обрабатываемым изделием;
• малая зона термического влияния;
• отсутствие поводок и короблений деталей;
• высокая скорость и точность обработки;
• энергосбережение, минимизация отходов;
• отсутствие потребности в финишных операциях;
• универсальность, возможность обработки различных материалов.
Процессы лазерной резки титановых сплавов мало изучены и касаются в основном резки с использованием инертных газов [2, 3]. Ниже представлены результаты исследования лазерной резки титанового сплава VST‑2 толщиной 3 мм; 6,5 мм; 9 мм и 12 мм. Резка производилась на лазерных комплексах: TRUMPF TruLaser 5030 Classic, оснащенном СО2-лазером мощностью 6 кВт, и TLC1005 с СО2-лазером мощностью 5 кВт. Режущий газ – гелий; сопло с выходным диаметром 2,3 мм. Режимы резки образцов указаны в табл. 1.
Резка осуществлялась по схеме (рис. 1), разработанной с учетом целей оптимизации эксперимента по лазерной резке изделий с различной геометрией и последующих исследований образцов с интересующими зонами.
Для толщин 9 мм и 12 мм отсутствует зона п. 6 – резка с наклоном. На рис. 2 и 3 представлен внешний вид исследуемых образцов: а – поверхность входа лазерного излучения; b – поверхность выхода лазерного излучения. Поверхности входа луча лазера для разных толщин идентичны. Состояние поверхности на выходе луча для разных толщин отличается разной степенью образования грата.
Поверхность реза для образцов толщиной 3 мм; 6 мм и 9 мм ровная без выраженной шероховатости (рис. 4 и 5а), на поверхности реза образца толщиной 12 мм имеются вертикальные штрихи (рис. 5b), образованные струей режущего газа.
Для исследования макро- и микроструктур интересующих зон были вырезаны соответствующие образцы и изготовлены шлифы. Анализ макроструктуры проводился на бинокуляре OLYМPUS SZX 7, анализ микроструктуры проводился на оптическом микроскопе OLYМPUS GX 71, замеры величины зоны термического влияния произведены с помощью программы AnalySIS. Результаты исследования зоны термического влияния (ЗТВ) приведены в табл. 2. Результаты геометрических измерений образцов представлены в табл. 3.
Измерения геометрии реза в исследуемых зонах показали следующие результаты:
• зона № 1: диаметр врезки 0,7 мм, ширина реза от 0,4 до 0,6 мм (зависит от толщины разрезаемого металла);
• зоны № 2 и № 3: техника выполнения лазерной резки минимально возможных радиусов с остановкой и без остановки не оказывает влияния на качество реза. Минимальный радиус реза составляет 0,5 мм (зона № 2);
• зона № 4: минимальная толщина технологической перемычки вырезаемой лазерной резкой составляет: 1 мм для образцов толщиной 3,0 и 6,5 мм; и варьируется в диапазоне от 3 до 4 мм для образцов толщиной 9 и 12 мм (лазерный пучок оказывает термическое влияние на технологическую перемычку по всей толщине);
• зона № 5: минимальный диаметр вырезанного отверстия составляет 2 мм для толщин 3,0 и 6,5 мм, 4,3 мм – для толщины 9,0 мм и 3,3 мм – для толщины 12,0мм.
Типичная микроструктура основного металла образцов разных толщин представлена на рис. 6. Определение величины зоны термического влияния проводилось металлографическим методом и методом измерения микротвердости. Микротвердость измерялась на твердомере DuraScan50 с нагрузкой 100 г с расстояния 50 мкм от поверхности реза с шагом 100 мкм до выхода на основной металл. Микротвердость основного металла образца толщиной 3,0 мм составляет 364–380 HV01; образца толщиной 6,5 мм – 364–386 HV01; образца толщиной 9,0 мм – 390–405 HV01; образца толщиной 12,0 мм – 380–405 HV01. Определение величины зоны термического влияния методом измерения микротвердости проведено выборочно на нескольких образцах, т. к. результаты при измерении величины зоны термического влияния металлографическим методом и методом измерения микротвердости имеют незначительное расхождение (20–60 мкм).
Установлено, что для толщины металла 3 мм грат отсутствует для различных конфигураций резки (см. рис. 2). Грат наблюдается для остальных толщин при вырезке отверстий и технологических перемычек. Поверхность реза не требует какой-либо дополнительной обработки, кроме зачистки от грата. Зона термического влияния (ЗТВ) зависит от толщины металла и составляет 6–8% толщины разрезаемого образца для режимов резания № 1–3. При вырезке отверстий (режим № 5) и технологических перемычек (режим № 4), начиная с толщины 6,5 мм, величина зоны термического влияния увеличивается по мере приближения к поверхности выхода луча лазера. ЗТВ распределена практически равномерна по толщине изделия (рис. 7, 8). При резке титановых сплавов изменения структуры металла в ЗТВ не оказывают влияния на механические свойства вырезанных лазерным лучом деталей при оптимальных режимах. Это подтверждают результаты механических и усталостных испытаний, а также испытаний на общую коррозию, проведенных для деталей, вырезанных лазерным лучом и с помощью гильотинных ножниц.
Ширина реза увеличивается с ростом толщины образца и составляет от 0,4 до 0,6 мм. Качество реза не зависит от радиуса реза и возможной остановки луча (рис. 9). Минимальный радиус реза составил 0,5 мм.
Используя полученные результаты исследований, выполнили опытную лазерную обрезку облоя у двух штампованных поковок из сплава ВТ6: крышки (рис. 10) и лопатки (рис. 11).
Как правило, в качестве технологического газа для газолазерной резки титана используют аргон. Однако при этом качество кромок реза может оказаться неудовлетворительным из-за образования грата, особенно при толщине металла более 3 мм. В нашем случае толщина штамповки по периметру резки изменяется от 6 до 12 мм, поэтому в качестве режущего газа использовали гелий. Работа была выполнена на 5-осевом лазерном технологическом комплексе TRUMPF Laser Cell 1005. Обработка обеих деталей проводилась на мощности лазерного излучения 4,0 кВт соплом диаметром 2,3 мм. При резке детали "Крышка" скорость резки составила 2,1 м / мин, давление режущего газа 17 бар, при обработке "Лопатки", скорость резки – 1,0 м / мин, давление режущего газа 20 бар. Результаты обработки показаны на рис. 12 и 13.
Кроме того, была проведена оценка потенциальных возможностей газолазерной резки титановых сплавов больших толщин. Для этого произвели резку образцов из сплава VST‑2 толщиной 55 и 80 мм (рис. 14). Резка проводилась на роботизированном комплексе FLW‑10-01 на мощности 10 кВт с применением газа гелия. Поверхность реза в обоих случаях имеет удовлетворительное качество и не требует дополнительной обработки.
Таким образом, исследования показали возможность применения лазерной резки для изготовления деталей из титановых сплавов сложной формы с элементами малых размеров, а также применения ее для резки деталей больших толщин.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kuznetsov M.V., Zemlyakov E. V., Babkin K. D. Review of Laser Technological Heads for Implementation of Industrial Laser Technologies of Metal Material Working. – Photonics, 2016, № 6, p.14–33. DOI:10.22184 / 1993–7296.2016.60.6.14.33.
2. Фомин В.М., Ковалев О. Б. Физические основы лазерной резки толстых листовых материалов. – Физматлит, 2013.
Fomin V. M., Kovalev O. B. The physical basis of laser cutting of thick sheet materials. – Fizmatlit, 2013.
3. Научные результаты НИФТИ ННГУ им. Н. И. Лобачевского. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.nifti.unn.ru / science / fizika_metallov / .
Scientific results of NEFT NNSU by. N. I. Lobachevsky. Electronic resource. Access mode: http://www.nifti.unn.ru / science / fizika_metallov / .
• возможность резки объемных изделий;
• локальность воздействия, отсутствие контакта с обрабатываемым изделием;
• малая зона термического влияния;
• отсутствие поводок и короблений деталей;
• высокая скорость и точность обработки;
• энергосбережение, минимизация отходов;
• отсутствие потребности в финишных операциях;
• универсальность, возможность обработки различных материалов.
Процессы лазерной резки титановых сплавов мало изучены и касаются в основном резки с использованием инертных газов [2, 3]. Ниже представлены результаты исследования лазерной резки титанового сплава VST‑2 толщиной 3 мм; 6,5 мм; 9 мм и 12 мм. Резка производилась на лазерных комплексах: TRUMPF TruLaser 5030 Classic, оснащенном СО2-лазером мощностью 6 кВт, и TLC1005 с СО2-лазером мощностью 5 кВт. Режущий газ – гелий; сопло с выходным диаметром 2,3 мм. Режимы резки образцов указаны в табл. 1.
Резка осуществлялась по схеме (рис. 1), разработанной с учетом целей оптимизации эксперимента по лазерной резке изделий с различной геометрией и последующих исследований образцов с интересующими зонами.
Для толщин 9 мм и 12 мм отсутствует зона п. 6 – резка с наклоном. На рис. 2 и 3 представлен внешний вид исследуемых образцов: а – поверхность входа лазерного излучения; b – поверхность выхода лазерного излучения. Поверхности входа луча лазера для разных толщин идентичны. Состояние поверхности на выходе луча для разных толщин отличается разной степенью образования грата.
Поверхность реза для образцов толщиной 3 мм; 6 мм и 9 мм ровная без выраженной шероховатости (рис. 4 и 5а), на поверхности реза образца толщиной 12 мм имеются вертикальные штрихи (рис. 5b), образованные струей режущего газа.
Для исследования макро- и микроструктур интересующих зон были вырезаны соответствующие образцы и изготовлены шлифы. Анализ макроструктуры проводился на бинокуляре OLYМPUS SZX 7, анализ микроструктуры проводился на оптическом микроскопе OLYМPUS GX 71, замеры величины зоны термического влияния произведены с помощью программы AnalySIS. Результаты исследования зоны термического влияния (ЗТВ) приведены в табл. 2. Результаты геометрических измерений образцов представлены в табл. 3.
Измерения геометрии реза в исследуемых зонах показали следующие результаты:
• зона № 1: диаметр врезки 0,7 мм, ширина реза от 0,4 до 0,6 мм (зависит от толщины разрезаемого металла);
• зоны № 2 и № 3: техника выполнения лазерной резки минимально возможных радиусов с остановкой и без остановки не оказывает влияния на качество реза. Минимальный радиус реза составляет 0,5 мм (зона № 2);
• зона № 4: минимальная толщина технологической перемычки вырезаемой лазерной резкой составляет: 1 мм для образцов толщиной 3,0 и 6,5 мм; и варьируется в диапазоне от 3 до 4 мм для образцов толщиной 9 и 12 мм (лазерный пучок оказывает термическое влияние на технологическую перемычку по всей толщине);
• зона № 5: минимальный диаметр вырезанного отверстия составляет 2 мм для толщин 3,0 и 6,5 мм, 4,3 мм – для толщины 9,0 мм и 3,3 мм – для толщины 12,0мм.
Типичная микроструктура основного металла образцов разных толщин представлена на рис. 6. Определение величины зоны термического влияния проводилось металлографическим методом и методом измерения микротвердости. Микротвердость измерялась на твердомере DuraScan50 с нагрузкой 100 г с расстояния 50 мкм от поверхности реза с шагом 100 мкм до выхода на основной металл. Микротвердость основного металла образца толщиной 3,0 мм составляет 364–380 HV01; образца толщиной 6,5 мм – 364–386 HV01; образца толщиной 9,0 мм – 390–405 HV01; образца толщиной 12,0 мм – 380–405 HV01. Определение величины зоны термического влияния методом измерения микротвердости проведено выборочно на нескольких образцах, т. к. результаты при измерении величины зоны термического влияния металлографическим методом и методом измерения микротвердости имеют незначительное расхождение (20–60 мкм).
Установлено, что для толщины металла 3 мм грат отсутствует для различных конфигураций резки (см. рис. 2). Грат наблюдается для остальных толщин при вырезке отверстий и технологических перемычек. Поверхность реза не требует какой-либо дополнительной обработки, кроме зачистки от грата. Зона термического влияния (ЗТВ) зависит от толщины металла и составляет 6–8% толщины разрезаемого образца для режимов резания № 1–3. При вырезке отверстий (режим № 5) и технологических перемычек (режим № 4), начиная с толщины 6,5 мм, величина зоны термического влияния увеличивается по мере приближения к поверхности выхода луча лазера. ЗТВ распределена практически равномерна по толщине изделия (рис. 7, 8). При резке титановых сплавов изменения структуры металла в ЗТВ не оказывают влияния на механические свойства вырезанных лазерным лучом деталей при оптимальных режимах. Это подтверждают результаты механических и усталостных испытаний, а также испытаний на общую коррозию, проведенных для деталей, вырезанных лазерным лучом и с помощью гильотинных ножниц.
Ширина реза увеличивается с ростом толщины образца и составляет от 0,4 до 0,6 мм. Качество реза не зависит от радиуса реза и возможной остановки луча (рис. 9). Минимальный радиус реза составил 0,5 мм.
Используя полученные результаты исследований, выполнили опытную лазерную обрезку облоя у двух штампованных поковок из сплава ВТ6: крышки (рис. 10) и лопатки (рис. 11).
Как правило, в качестве технологического газа для газолазерной резки титана используют аргон. Однако при этом качество кромок реза может оказаться неудовлетворительным из-за образования грата, особенно при толщине металла более 3 мм. В нашем случае толщина штамповки по периметру резки изменяется от 6 до 12 мм, поэтому в качестве режущего газа использовали гелий. Работа была выполнена на 5-осевом лазерном технологическом комплексе TRUMPF Laser Cell 1005. Обработка обеих деталей проводилась на мощности лазерного излучения 4,0 кВт соплом диаметром 2,3 мм. При резке детали "Крышка" скорость резки составила 2,1 м / мин, давление режущего газа 17 бар, при обработке "Лопатки", скорость резки – 1,0 м / мин, давление режущего газа 20 бар. Результаты обработки показаны на рис. 12 и 13.
Кроме того, была проведена оценка потенциальных возможностей газолазерной резки титановых сплавов больших толщин. Для этого произвели резку образцов из сплава VST‑2 толщиной 55 и 80 мм (рис. 14). Резка проводилась на роботизированном комплексе FLW‑10-01 на мощности 10 кВт с применением газа гелия. Поверхность реза в обоих случаях имеет удовлетворительное качество и не требует дополнительной обработки.
Таким образом, исследования показали возможность применения лазерной резки для изготовления деталей из титановых сплавов сложной формы с элементами малых размеров, а также применения ее для резки деталей больших толщин.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kuznetsov M.V., Zemlyakov E. V., Babkin K. D. Review of Laser Technological Heads for Implementation of Industrial Laser Technologies of Metal Material Working. – Photonics, 2016, № 6, p.14–33. DOI:10.22184 / 1993–7296.2016.60.6.14.33.
2. Фомин В.М., Ковалев О. Б. Физические основы лазерной резки толстых листовых материалов. – Физматлит, 2013.
Fomin V. M., Kovalev O. B. The physical basis of laser cutting of thick sheet materials. – Fizmatlit, 2013.
3. Научные результаты НИФТИ ННГУ им. Н. И. Лобачевского. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.nifti.unn.ru / science / fizika_metallov / .
Scientific results of NEFT NNSU by. N. I. Lobachevsky. Electronic resource. Access mode: http://www.nifti.unn.ru / science / fizika_metallov / .
Отзывы читателей
