Отечественные специалисты разработали технологию лазерной резки и сварки титановых сплавов. Ее внедрение в производство позволяет изготавливать высокоточные крупногабаритные конструкции специального назначения.

Титановые сплавы находят широкое применение для изготовления сварных конструкций разнообразного назначения, они характеризуются сочетанием малой плотности с высокой прочностью и коррозионной стойкостью.
Основные трудности, возникающие при сварке титана и его сплавов, определяются такими свойствами, как высокая химическая активность металла при высокой температуре, особенно в расплавленном состоянии, по отношению к кислороду и водороду, склонность к росту зерна при нагреве до высокой температуры, особенно выше 330°C (в области бета-фазы), повышенная склонность к образованию холодных трещин при увеличении содержания в основном металле и шве примесей газов; трещины такого типа могут возникнуть сразу же после сварки, а также после вылеживания. Для устранения влияния этих особенностей на получение качественных соединений требуется как можно меньшая погонная энергия при сварке. Этого можно достичь путем использования для сварки лазерного излучения.
Технология лазерной сварки высокоточных крупногабаритных конструкций из титановых сплавов была разработана в процессе выполнения ЗАО «Региональный центр лазерных технологий» в 2014 году поставок комплекта изделий для ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт радиотехники» (Москва) в рамках госзаказа на разработку и поставку радиолокационного комплекса 48 Я6‑К1 (рис. 1). Впервые на изделиях такого класса при изготовлении антенной решетки были применены титановые сплавы. На момент подписания контракта в 2013 году технологии не существовало.

Рис. 1. Радиолокационный комплекс 48 Я6‑К1.
Основу объема поставок составляли три типоразмера рам (рис. 2) в комплекте (рис. 3), предназначенные для развертывания фазированной антенной решётки.

Рис. 2. Эскиз «Рамы» в сборе.

Рис. 3. Комплект изделий «Рама».

Комплект изделий «Рама» представляет собой сборно-сварную конструкцию из 34 наименований сборок, изготовленных из титановых сплавов ПТ3‑В, ВТ‑20, ОТ4. Максимальные габариты сборок 3824х1314х287 мм. Допускаемая при изготовлении неплоскостность составляет 0,3 мм на всю длину сборки, неперпендикулярность — 0,2 мм. «Рамы» (рис. 4, 5) являются несущей конструкцией фазированной антенной решетки радиолокационного комплекса и предназначены для развертывания фазированной антенной решетки.

Рис. 4. Рама в сборе.

Рис. 5. Рама в сборе с каркасами.

Рис. 6. Фрагмент поперечной балки.

Рис. 7. Фрагменты продольной балки.

Рис. 8. Опорная «Рама».

Балки, которые составляют основу рам, представляют собой прямоугольные сварные трубы с поперечным сечением 281х30 мм из листового проката титанового сплава ПТ3‑В толщиной 3–5 мм. Длина балок различная: от 850 до 1770 мм (рис. 6, 7).
В комплект поставки входит также опорная рама (рис. 8), предназначенная для подъема и разворота антенной решетки. Рама представляет из себя сборно-сварную конструкцию из 14 наименований сборок, состоящих из 258 деталей 37 наименований, изготовленных из титановых сплавов ПТ3‑В, ВТ‑22. Максимальные габариты сборки 1308х975х206 мм.
Как уже отмечено, все изделия представляют из себя сборно-сварные конструкции с большим количеством сварных соединений и высокими требованиями по соблюдению геометрических размеров. Изготовление крупногабаритных высокоточных конструкций из титана с помощью аргонно-дуговой сварки проблематично, так как титановые сплавы склонны к значительным тепловым деформациям в виду низкой теплопроводности материала. Большое количество сварных соединений приводит к значительным деформациям и напряжениям готовой конструкции. В этом случае повышенные требования к точности изделия приводят к увеличению его металлоемкости и соответственно затрат на последующую механообработку. Для достижения требуемой точности и минимизации короблений конструкции впервые были разработаны и применены технологии лазерной резки и сварки длинномерных деталей из титановых сплавов взамен традиционных способов сварки.
В процессе подготовки производства была переработана чертежно-техническая документации под требования технологий газолазерной резки и лазерной сварки. При этом при изготовлении деталей для последующей сборки и сварки для достижения высокой точности максимально был использован способ соединения шип–паз».
Для организации производства изделий были:
• разработаны технические задания на технологическую оснастку, в том числе: универсальный стенд для сборки и лазерной сварки трубчатых конструкций длиной до 4‑х метров, сопловые устройства для подачи защитных газов, приспособления для сборки конструкций;
• изготовлены более 30 наименований устройств и приспособлений для крепления деталей и конструкций при сборке, создан оригинальный универсальный стенд и оснастка для сборки и лазерной сварки габаритных трубчатых конструкций сложной геометрии с возможностью выполнения разных типов сварных соединений (стыковых, нахлесточных, угловых, тавровых) (рис. 9), стенд для сборки и контроля рам;
• разработана сквозная технология изготовления конструкций, в том числе технология газолазерной резки деталей, технология гибки, технология лазерной сварки деталей из титановых сплавов ПТ3‑В, ВТ1–0, ОТ4, ВТ‑20, ВТ5–1, ВТ6, ВТ‑22, технология сборки и контроля геометрии.

Рис. 9. Кондуктор для сборки и лазерной сварки балок.

Существенное влияние на свойства сварных соединений оказывает качество защиты шва и состав защитной среды. Для получения высокого качества соединения при лазерной сварке необходимо осуществлять защиту как поверхности, так и корня шва. При этом обязательным условием является защита остывающих участков металла шва и околошовной зоны до температуры 400…500°C. Исходя из этого созданы сопловые устройства для подачи защитных газов в лицевую и корневую зоны сварного соединения при лазерной сварке (рис. 10). Сопло для подачи защитного газа в зону сварного шва защищено патентом.

Рис. 10. Сопло для подачи защитного газа в зону сварки.
Титан в расплавленном состоянии является высокоактивным металлом, вступающим в реакцию в том числе с азотом, поэтому в качестве режущего газа для лазерной резки деталей использовался гелий. Кромки деталей после резки гелием не требуют дополнительной зачистки под сварку.
В результате выполненных исследований установлены оптимальные режимы лазерной сварки, обеспечивающие высокое качество сварных соединений титанового сплава толщиной 3–5 мм: мощность лазерного излучения при сварке 5000 Вт, скорость сварки 2–4 м/мин. Для предотвращения окисления поверхности шва во время сварки разработана система защиты зоны сварки с внутренней и вешней стороны. Для защиты сварного соединения в зону шва как в лицевую, так и в корневую части при помощи специальных сопел подается защитный газ. В качестве защитных газов используется гелий высокой чистоты (для защиты лицевой части шва), расход которого составляет 10…12 л/мин. Для защиты остывающей поверхности шва и его корня применяется аргон повышенной чистоты со следующим расходом: для корня шва — 4…5 л/мин, для поверхности шва — 15…18 л/мин.
В конструкции рамы встречаются различные типы сварных швов: стыковые, угловые и нахлёсточные. В зависимости от технологических требований сварные швы выполнялись с присадочной проволокой и без нее.
Для уменьшения термических деформаций разработанная технология лазерной сварки предусматривает проведение процесса сварки длинномерных коробчатых деталей отдельными участками (а не сплошным швом) в определенной последовательности.
При сварке возникает необходимость проводить снятие остаточных сварочных напряжений, так как они снижают запас прочности сплава. Традиционным способом снятия остаточных сварочных напряжений является термический отжиг. Однако для снятия напряжений в сварных крупногабаритных конструкциях из титановых сплавов требуются вакуумные печи большого объема. Учитывая, что при лазерной сварке сварочные напряжения на порядок ниже термических напряжений, возникающих при аргоно-дуговой сварке, снятие остаточных сварочных напряжений осуществляется двумя методами: с помощью ультразвуковых колебаний и виброобработкой на низких частотах. Низкочастотная виброобработка снижает напряжения и стабилизирует геометрические размеры сварной конструкции. Она выполняется с применением технологического комплекса для низкочастотной вибрационной обработки (НВО) марки ВТУ‑01 М.
Ультразвуковая проковка швов методом пластической деформации, как и виброобработка, дает возможность стабилизировать структуру металла и снизить сварочные напряжения. Ультразвуковая обработка выполняется с применением технологического комплекса для ультразвуковой ударной обработки (УУО).
Таким образом, использование технологий лазерной обработки позволило снизить до минимума термические деформации и сварочные напряжения, обеспечить требуемые точности геометрических размеров при сборочно-сварочных операциях и добиться выполнения требований чертежно-технической документации. При изготовлении комплекта изделий антенной решетки радиолокационного комплекса более 70 % сварных соединений выполняется лазерной сваркой. Общая длина сварных швов, выполненных лазерной сваркой одного комплекта изделий, составляет 345 м.
Сварка рам и элементов конструкций из титановых сплавов производится на лазерном комплексе TLC 1005 фирмы TRUMPF мощностью излучения 5 кВт и на роботизированном лазерном комплексе для сварки FLW‑10–01 в составе волоконного лазера мощностью 10 кВт (производство ИРЭ-Полюс) и робота KUKA KR120.
В настоящее время отсутствуют общероссийские нормативные и регламентирующие документы по применению технологии лазерной сварки материалов. В связи с этим ЗАО «РЦЛТ» были разработаны и введены технические условия ТУ 5264–001–46662640–2014 «БАЛКИ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА МАРКИ ПТ3‑В». Одновременно совместно с Уральским федеральным университетом была разработана «Методика оценки качества сварных соединений из титановых сплавов, выполненных лазерной сваркой» и в соответствии с ней проведён комплекс механических испытаний образцов из сплава ПТ3‑В после лазерной сварки (рис. 11).

Рис. 11. Образцы после механических испытаний.
Испытания были проведены в соответствии с ГОСТ 14019 «Материалы металлические. Методы испытаний на изгиб», ГОСТ 1497–84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение» и ГОСТ 6996 «Сварные соединения. Методы определения механических свойств». По каждому виду испытаний оформлен протокол в соответствии с рекомендациями п. 3.7 ГОСТ 6996. Результаты испытаний представлены в таблицах 1–3.

При испытаниях на ударный изгиб при минус 60°С образцов с острым надрезом получены очень высокие абсолютные значения: 81–82 Дж/см² для основного металла и 77–78 Дж/см². для сварных соединений. Ударная вязкость сварных соединений составила более 90% от показателя основного металла, что характеризует высокое качество сварных соединений.
Разрушение образцов при испытаниях на растяжение происходило по основному металлу, что свидетельствует о высоких механических свойствах сварного соединения, выполненных лазерной сваркой. Однако значения относительного удлинения и сужения указывают на некоторое снижение пластичности в образцах со сварным соединением.
Максимальное расхождение результатов сварных образцов и образцов из основного металла по величине предела текучести составляет 2,6 %, по величине временного сопротивления 4,2 %.
Испытания на стойкость против образования холодных трещин были проведены в соответствии с «Методикой оценки качества сварных соединений из титановых сплавов, выполненных лазерной сваркой». Испытания проводились в специальных приспособлениях с использованием прибора ИРТ‑10 (акустико-эмиссионный индикатор развивающихся трещин) — трещин не обнаружено.
Испытания на стойкость против образования горячих трещин допускается не проводить, так как титан и его сплавы не склонны к этому виду разрушений вследствие более высокой пластичности в зоне температур солидуса и меньшей теплопроводностью в сравнении со сталями.
Результаты испытаний показали полное соответствие требованиям к сварным соединениям, заложенным в технической документации на изделия. Внедрение технологии лазерной обработки при изготовлении высокоточных крупногабаритных конструкций из титановых сплавов обеспечило выполнение требований конструкторской документации, освоение серийного производства в короткие сроки. Результатом стало выполнение контракта как по качеству, так и по срокам поставки комплектов изделий.

А. Г. Сухов, М. М. Малыш, С. М. Шанчуров
ЗАО «Региональный центр лазерных технологий»
620027, Екатеринбург, ул. Луначарского, 31
тел (343) 272‑30‑80
e‑mail: mail@ural-lazer.ru, www.rcl.ur.ru