Неразрушающий контроль сварных соединений

Лазерная сварка стали, например СТ-3 толщиной 8 мм — это сложный процесс, включающий взаимодействие высокоэнергетического лазерного луча с материалом, приводящий к его плавлению и последующему соединению молекул металла. Рассмотрим процесс на молекулярном уровне, с акцентом на неразрушающий контроль сварных соединений.

1. Молекулярное взаимодействие лазерного излучения с поверхностью стали

Когда лазерный луч контактирует с поверхностью стали СТ-3, его энергия быстро поглощается верхним слоем металла. Эта энергия выделяется в форме тепла, вызывая нагревание атомов железа и углерода. На молекулярном уровне лазерное излучение вызывает колебательное и электронное возбуждение атомов железа и углерода.

2. Мощность лазерного излучения и плотность энергии

Мощность лазерного излучения \( P \) определяет количество тепла, подводимого к металлу. Плотность мощности \( I \) на поверхности материала можно выразить как:

\[ I = \frac{P}{A} \]

где \( A = \pi r^2 \) — площадь фокусного пятна с радиусом \( r \).

3. Температурное поле и распределение тепла

Температура \( T \) в точке металла на расстоянии \( r \) от центра фокусного пятна и на глубине \( z \) через время \( t \) можно выразить уравнением теплопроводности:

\[ T(r, z, t) = \frac{P}{4 \pi \lambda t} \exp\left(-\frac{r^2 + z^2}{4 \alpha t}\right) \]

где \( \lambda \) — коэффициент теплопроводности, \( \alpha = \frac{\lambda}{\rho c} \), \( \rho \) — плотность, \( c \) — удельная теплоемкость.

4. Коэффициент поглощения энергии

Для лазерной сварки важно учитывать коэффициент поглощения энергии \( \eta \), так как не вся энергия будет поглощена поверхностью стали. Коэффициент поглощения можно рассчитать как:

\[ \eta = 1 - R \]

где \( R \) — коэффициент отражения, зависящий от длины волны лазера и свойств металла.

5. Глубина плавления (глубина сварочной ванны)

Глубина плавления \( d \) зависит от плотности мощности и времени воздействия:

\[ d = \sqrt{\frac{4 \alpha \eta P t}{\rho c}} \]

где \( t \) — время воздействия лазера.

6. Расчёт ключевой зоны

Глубину ключевой зоны (глубокого канала) можно рассчитать с учетом давления пара и температуры испарения металла. Глубина \( h \) зоны плавления и ключевой зоны рассчитывается через энергию, необходимую для испарения металла:

\[ h = \frac{\eta P}{\rho L_v A} \]

где \( L_v \) — удельная теплота испарения.

Лазерная сварка на молекулярном уровне

1. Молекулярное взаимодействие лазерного излучения с поверхностью стали

Когда лазерный луч контактирует с поверхностью стали СТ-3, его энергия быстро поглощается верхним слоем металла. Эта энергия, в основном, выделяется в форме тепла, приводя к нагреву атомов железа и углерода в стали. На молекулярном уровне лазерное излучение вызывает колебательное и электронное возбуждение атомов железа и углерода.

СТ-3 — это низкоуглеродистая сталь с содержанием углерода до 0,3%, включающая в основном железо (Fe) и небольшое количество углерода (C), с возможными примесями марганца, кремния и других элементов. При лазерной сварке именно структура железа и углерода подвергается наибольшему воздействию.

2. Плавление и образование сварочной ванны

С ростом температуры под воздействием лазерного луча металл начинает плавиться. Температура на поверхности сварочной ванны может достигать температуры плавления стали, около 1500 °C. Поглощенная энергия приводит к разрушению межатомных связей в кристаллической решетке железа, и металл переходит в жидкое состояние.

Сварочная ванна, или жидкая фаза металла, формируется благодаря локальному плавлению. В этом состоянии атомы железа и углерода, а также атомы примесей находятся в свободном движении, что позволяет им взаимодействовать между собой. Жидкое состояние важно для соединения атомов из обеих соединяемых частей, обеспечивая межатомные связи при затвердевании.

3. Формирование ключевой зоны (keyhole effect)

В результате высокоэнергетического воздействия лазера в металле может образоваться так называемая "ключевая зона" или keyhole, представляющая собой узкий глубокий канал в металле, который увеличивает глубину проникновения лазерного луча и обеспечивает более интенсивное плавление. Это явление обусловлено испарением поверхности металла под воздействием высокой температуры, создающим небольшой канал в сварочной ванне. Ключевая зона удерживается капиллярными силами и давлением пара внутри канала.

4. Испарение и выброс атомов

В зоне контакта лазера и металла также происходит частичное испарение, особенно на поверхности и в области "ключевой зоны". Высокая температура вызывает диссоциацию молекул и ионизацию атомов железа и углерода, образуя плазму. Этот плазменный слой иногда называют "плазменным облаком". Испарение сопровождается выбросом части атомов и молекул в атмосферу. Важно отметить, что плазма может снижать эффективность поглощения энергии лазера, и поэтому в промышленных установках применяются системы защиты от плазмы, такие как использование инертных газов.

5. Рекристаллизация и застывание сварочной ванны

После прекращения действия лазерного луча металл начинает остывать, и атомы в сварочной ванне начинают замедляться и уплотняться, восстанавливая кристаллическую решетку. Рекристаллизация начинается от краев сварочной ванны и идет к центру, поскольку края остывают быстрее. При этом атомы железа вновь формируют кристаллическую решетку, и возникают межатомные связи между ранее расплавленными участками металла.

При охлаждении также наблюдается процесс сегрегации углерода и других примесей, которые могут концентрироваться на границах зерен, влияя на механические свойства шва. Важно отметить, что скорость охлаждения определяет структуру полученного шва: при высокой скорости охлаждения может формироваться более мелкозернистая структура, обладающая высокой прочностью и твердостью.

6. Образование дефектов и остаточных напряжений

Остаточные напряжения возникают из-за неравномерного температурного градиента и различной скорости остывания по зонам сварки. На молекулярном уровне это проявляется в виде внутренних напряжений между зернами кристаллической решетки. Эти напряжения могут приводить к образованию микротрещин и других дефектов в сварном шве. Для их устранения часто проводят дополнительные операции, такие как термообработка или механическая обработка.

На молекулярном уровне лазерная сварка стали СТ-3 толщиной 8 мм — это процесс, включающий:

• Поглощение энергии: возбуждение атомов, нагревание и плавление металла.
• Образование сварочной ванны и ключевой зоны: испарение, создание плазмы и глубокого канала в металле.
• Рекристаллизация и застывание: восстановление кристаллической решетки и образование межатомных связей.
• Остаточные напряжения: неравномерное охлаждение вызывает внутренние дефекты, влияющие на свойства шва.

Сравнение лазерной и электродной сварки

Параметр	Лазерная сварка	Электродная сварка
Тип источника энергии	Высокоэнергетический лазерный луч, фокусируемый на поверхность металла	Электрическая дуга, создаваемая за счет разности потенциалов между электродом и заготовкой
Температурный диапазон	До 15,000 °C в ключевой зоне	До 6,000 °C в зоне дуги
Поглощение энергии	Высокое поглощение благодаря высокой плотности энергии лазера; важен коэффициент отражения	Поглощение зависит от стабильности дуги и электродного материала
Тип сварочной ванны	Ключевая зона ("keyhole"), узкая и глубокая, поддерживаемая давлением пара	Широкая и неглубокая сварочная ванна из-за распределения тепла от дуги
Скорость нагрева и охлаждения	Высокая скорость нагрева и охлаждения, формирование мелкозернистой структуры	Ниже по сравнению с лазерной сваркой, возможны крупнозернистые структуры
Молекулярные изменения	Возбуждение атомов, ионизация и создание плазмы, возможна сегрегация углерода на границах зерен	Ионизация атомов в зоне дуги, возможны примеси от электродов
Контроль процесса	Требует высокоточной настройки фокусировки и мощности лазера	Относительно проще, но требует контроля за электрической дугой и параметрами электрода
Остаточные напряжения	Более равномерные благодаря высокой скорости нагрева/охлаждения, меньше деформаций	Могут возникать большие остаточные напряжения из-за медленного охлаждения и неравномерного температурного поля
Применимость для различных материалов	Широко применяется для тонких и сложных деталей, подходит для большинства металлов	Подходит для толстых материалов, но ограничено к металлам с высокой электропроводностью
Область применения	Высокотехнологичные отрасли, включая авиацию, микроэлектронику, медицину	Строительство, тяжелое машиностроение, ремонтные работы

Таким образом, лазерная сварка является сложным и многокомпонентным процессом, в котором важную роль играют как макроскопические, так и молекулярные факторы.

Эти аспекты важны для эффективного неразрушающего контроля сварных соединений и оценки их качества.