Точечная импульсная лазерная сварка часто применяется для соединения деталей, изготовленных из различных металлов и сплавов толщиной 0,05…1,0 мм. При ее использовании для изделий из тонколистовых металлов в сварных точках могут возникать дефекты в виде сквозных прожогов.
Рассмотрение условий, при которых происходит формирование точечных сварных соединений, показывает, что при воздействии высококонцентрированного импульсного лазерного излучения в зоне его воздействия происходит нагрев металла до высоких температур. Материал проплавляется на всю толщину листа, а поверхностные слои испаряются в результате перегрева металла. Над поверхностью сварочной ванны формируется высокоскоростная газовая струя перегретого пара — парогазовый факел, оказывающий на расплавленный металл газодинамическое давление. Воздействие парогазового фактора на поверхность сварочной ванны может приводить к ее прогибу и образованию в центре сквозного отверстия [1].
При внимательном рассмотрении установлено, что на расплав в основном оказывают силовое воздействие следующие факторы:
— газодинамическое давление парогазового факела;
— давление лазерного излучения (светового потока);
— гидростатическое давление расплавленного металла сварочной ванны;
— давление, обусловленное силами поверхностного натяжения.
Рис. 1. Лазерная сварка тонкостенных листов
Влиянием на сварочную ванну давления лазерного излучения (светового потока) и гидростатического давления расплавленного металла сварочной ванны можно пренебречь ввиду их незначительности. Так как после окончания импульсного нагрева металла газодинамическое давление парогазового факела прекращается, то в сварочной ванне происходят гидродинамические процессы, в основном обусловленные действием на расплав сил поверхностного натяжения
N = σ ( R / (1 – r / l)) (1),
где σ — коэффициент поверхностного натяжения; R, r — радиусы кривизны двух нормальных взаимоперпендикулярных сечений поверхностей. В оценочных расчетах по формуле (1) было принято, что максимальный диаметр отверстия в центре ванны равен диаметру сварной точки dт = 2r, а края отверстия в ванне криволинейны и описываются радиусом R = δ/2, где δ — толщина листового металла.
Поскольку сила N направлена от центра сварной точки, находим
N = [ (δ / 2) / 1 – (dт /2) / 1] (2).
Учитывая, что нагрев металла происходит импульсным лазерным излучением, на последних стадиях которого, образовавшееся отверстие в центре ванны может затягиваться под действием сил поверхностного натяжения, получаем
dт/δ < 1 (3).
Эта зависимость показывает, что формирование сварных точек при условии проплавления листовых материалов импульсным лазерным излучением на всю толщину в основном определяется диаметром сварной точки dт и толщиной листового металла δ. Оценочные расчеты, произведенные по соотношению (3), позволили установить, что получение соединений без прожогов возможно в том случае, если толщина металла значительно превышает диаметр сварной точки. В работе проведены экспериментальные исследования импульсной лазерной сварки различных металлов толщиной 0,05…0,1 мм на технологических лазерах типа Квант 15 и LRS 50. Экспериментально получены соотношения типа (3), которые позволяют назначать основные энергетические параметры режима импульсной лазерной сварки различных тонколистовых материалов, гарантирующие получение сварных соединений без дефектов в виде сквозных прожогов.
Рассмотрим пример решения задачи сварки разнородных материалов для изготовления малогабаритного ответственного изделия.
В конструктивных решениях гироскопов возникает необходимость получения надежных соединений материалов с высокой плотностью на основе вольфрама со сталями различного уровня легирования. Для разработки технологии получения неразъемных соединений на основе вольфрама — ВНЖ 7–3 и титана ВТ1–0, применяемых для изготовления узла ротора гироскопа, нет достаточной информации в справочной и периодической литературе. Нагрузки на сварное соединение, возникающие при запуске и остановке изделия, связаны с инерционным крутящим моментом, причем максимальное ускорение может достигать 100 g, а скорость вращения 60000 об/мин. Величина инерционной силы, вызывающей напряжение среза в сварном соединении, достигает 150 Н при радиусе ротора 16 мм.
Анализ условий формирования соединений на основе описанной модели проплавления показал, что прогнозировать геометрию шва можно, опираясь на величины эффективной мощности излучения — W и α — температуропроводности материала — комплексной характеристики теплофизических свойств
h x T = 3,54 erfc ( h/2 √ a x t ) (4),
где h (мм) — глубина проплавления облучаемого металла, на поверхности которого температура Т (оС), t — длительность импульса (c).
Сравнение глубины проплавления исследуемых металлов при равной длительности импульса показало, что энергия импульса, необходимая для получения одинаковой глубины проплавления — 0,4 мм, для вольфрама в десятки раз больше по сравнению с титаном. Кроме того, удельные затраты энергии на плавление сплава ВНЖ 7–3 значительно больше по сравнению с титаном. Воздействие излучения лазера при сварке на собранные встык детали неизбежно приведет к неравномерному плавлению свариваемых кромок, следовательно, получение симметричного сварного шва практически невозможно. В результате экспериментальных исследований установлено, что при симметричной наводке луча происходит смещение сварной точки в сторону титана на 18–20 % от диаметра сварной точки. Наблюдались выплески титана, глубина проплавления со стороны титана составляла 0,49 мм, тогда как со стороны ВНЖ 7–3 была ничтожно малой. Для увеличения глубины проплавления сплава ВНЖ 7–3 луч наводился под углом (рис. 2).
Рис. 2. Схема наводки луча на стык и макроструктура сварного соединения в поперечном сечении
В ходе работ была изучена техника формирования сварного соединения при сварке и отработан способ наводки луча под углом, обеспечивающий требуемое очертание сварочной ванны и необходимую прочность сварного соединения. Угол наклона поверхности свариваемых встык металлов должен быть в пределах 18–22 градусов к горизонтали. Со стороны сплава ВНЖ 7–3 в образовании сварочной ванны участвует главным образом связующая составляющая Fе-Ni как более легкоплавкая, а зерна вольфрама могут переходить в сварочную ванну, не успев раствориться в жидком расплаве. Состояние микроструктуры на границе сплава ВНЖ 7–3 показывает, что образуется хорошая структурная связь, которая может обеспечить необходимую прочность сварного соединения.
В макро- и микроструктуре сварных образцов видно, что образование сварного шва происходит главным образом за счет ВТ1–0 при наличии заметного переходного слоя между сварной точкой и сплавом BHЖ 7–3. В структуре наблюдаются следы интенсивного перемешивания свариваемых металлов в жидкой ванне. На приведенной фотографии видно хорошее сплавление свариваемых сплавов. Образование сварочной ванны происходит главным образом за счет сплава ВТ1–0. Таким образом, в режимы лазерной сварки титана и сплава ВНЖ рекомендуется ввести новый параметр — угол наклона поверхности свариваемых изделий по отношению к углу наводки луча. При его обеспечении получается наибольшая зона сплавления со сплавом ВНЖ при меньшей глубине его расплавления, но при одинаковой глубине проплавления обоих металлов. Такое соединение очевидно обеспечивает наибольшую прочность при испытании на срез, что и подтвердили механические испытания (прочность на срез 350–370 МПа, прочность на разрыв 540 МПа).
Рентгеноспектральным анализом определен характер распределения основных химических элементов (титана, вольфрама) и их относительное количество в сварном шве. Видно, что в сварном шве содержится оба анализируемых элемента. Следовательно, в процессе сварки происходит перемешивание металла во всем объеме жидкой ванны. При этом тугоплавкий вольфрам получает распространение по всему объему ванны, достигая противоположной границы сварной точки. В распределении титана по поперечному сечению наблюдается более значительная неравномерность, чем у вольфрама. На участке с очень высокой концентрацией вольфрама содержание титана соответственно падает. Характер распределения вольфрама показывает, что в сварном соединении вольфрам присутствует не только в виде отдельных зерен как очень тугоплавкий металл, но и в твердом растворе.
Снижение металлоемкости и уменьшение габаритов при сохранении эксплуатационных характеристик является одной из тенденций приборостроения. Аналогичные рассмотренной задачи возникают при изготовлении и реновации ювелирных изделий, изготовлении хирургических инструментов, датчиков различного назначения и др. Данный пример показывает возможности импульсной лазерной технологии и подходы к ее внедрению.
А. Ю. Албагачиев, Н.И. Минаева, В. И. Привезенцев, Н. Н. Чунихин
Московский технологический университет
e-mail: albagachiev@yandex.ru
Литература
1. Катаяма С. Справочник по лазерной сварке. М.: Техносфера, 2015. C. 704.
2. Ерохин А. А., Ищенко Ю. С. Особенности расчета кривизны ванны и сил поверхностного натяжения при сварке. // Физика и химия обработки материалов. 1967. № 1. C. 39–44.
3. Привезенцев В.И., Минаева Н.И. Особенности формирования сварных соединений при импульсной лазерной сварке узлов приборов из разнородных металлов. Сборник научных трудов МНТК, МТУ, Москва, 2016.
4. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1975.
