Лазерная сварка разнородных металлов

Обновлено: 07.07.2024

Переход к принятию более легких и прочных материалов в повседневной продукции, от автомобилей до бытовой электроники, привел к ряду серьезных проблем при сварке этих конструкций, особенно в условиях больших объемов производства. Примеры в транспортной отрасли включают в себя электрическую транспортную инфраструктуру, где производство батарей часто требует соединения разнородных хорошо отражающих материалов, таких как алюминий и медь.

Еще одним связанным примером является дальнейшее применение высокопрочных сталей, а также алюминиевых и магниевых композитов для снижения веса автомобилей. В бытовой электронике требования к легким конструкциям с высокими индивидуальными тепловыми и электрическими свойствами постоянно вызывают потребность в более сложных конструкциях, часто с использованием тонкой фольги и требующих соединения разнородных металлов, а также алюминия и меди, являющихся сильно отличающимися материалами. Индустрия медицинских устройств также обуславливает необходимость соединения мелких металлических деталей, часто с разнородными материалами.

Рост лазерной сварки продолжается уже более десяти лет, а автомобильная промышленность — самая ранняя по применению технологии отрасль — первая, кто видит преимущества автоматизированного процесса сварки в сочетании с внутренними преимуществами технологии волоконных лазеров. Однако проблемы лазерной сварки многих из описанных ранее материалов оставались значительными и могли объяснить медленную скорость принятия лазерной сварки в некоторых приложениях.

В последнее время внедрение новой, экономичной и простой в использовании технологии, основанной на технике колебаний луча, помогает преодолеть некоторые из этих трудностей в сварочных материалах, таких как медь и алюминий, с мощными волоконными лазерами на длине волны 1 мкм. Этот метод помогает преодолевать пористость и проблемы с горячим растрескиванием при лазерной сварке некоторых материалов, помогая тем самым упростить требования к подгонке деталей при сборке в 3-X раза в некоторых примерах, обсуждаемых в этой статье. Благодаря возможности независимого контроля глубины проплавления, скорости колебания сфокусированного пятна, скорости сварки и ширины шва, техника имеет применение при сварке небольших, чувствительных к температуре узлов (для медицинских деталей), плохо подогнанных деталей, которые могут иметь затруднения при обычной лазерной сварке и могут быть косметически привлекательными при сварке с колебаниями без необходимости последующей обработки.

Технология сварочной головки с колебаниями

РИСУНОК 1 демонстрирует концепцию движения двумерного динамического луча или головки с технологией колебаний, где показаны четыре основные программируемые формы, доступные из стандартной сварочной головки, например, D30 из IPG Photonics. Независимый контроль амплитуды и частоты колебаний достигается с помощью контроллера гальво-зеркал, что обеспечивает большую гибкость в стабилизации расплава канала проплавления в процессе сварки с типичными частотами до 300 Гц, используемыми в большинстве приложений. Мощность обработки коммерческих сварочных головок с колебанием луча теперь доступна до 12 кВт.

РИСУНОК 1. Примеры форм колебаний из имеющихся в продаже сварочных головок с независимой регулируемой амплитудой и частотой до 300 Гц.

Стабильность расплава канала проплавления является критическим фактором, когда лазерная сварка затрудняет использование материалов с высокой отражающей способностью, таких как медь и алюминий. Это отчасти объясняется тенденцией к разбрызгиванию и, в случае некоторых алюминиевых сплавов, демонстрирует высокий уровень пористости из-за вязкости и поверхностного натяжения расплава, что делает эти материалы трудными для сварки с использованием более традиционных методов лазерной сварки. Недавние исследования 3 показали уменьшение или устранение этих проблем методом лучевого колебания, включая недавнее систематическое исследование как с использованием, так и без присадочной проволоки на автомобильных алюминиевых сплавах [2].

В целом, метод колебаний позволяет лучше регулировать температуру детали, поскольку луч проходит несколько раз в любой точке сварного шва. Градиент роста температуры и скорости охлаждения медленнее, чем при традиционной лазерной сварке, что помогает устранить дефекты и управлять брызгами. Кроме того, этот метод сварки совместим с типичными сварочными аксессуарами, такими как вспомогательные газовые порты и коаксиальные сопла, которые обеспечивают подавление плазмы и могут помочь контролировать разбрызгивание, которые не могут быть легко совместимы с сканирующими головами, используемыми при дистанционной сварке.

В дополнение к стабилизации расплава канала проплавления и уменьшению пористости в последующем шве метод качания луча оказался ценным для облегчения требований к подгонке деталей для лазерной сварки, как указано в ТАБЛИЦЕ. Используя одну из программируемых фигур (знак бесконечности в этом случае) и оптимизируя амплитуду и частоту колебаний, видно увеличение допустимого зазора шва 3X, которое достигается при обычной лазерной сварке.

ТАБЛИЦА. Краткое описание сварки вобуляционной головкой с колебаниями в окне процесса для зазора шва и смещения, где коэффициент 2-3 увеличения обоих параметров процесса может быть достигнут по сравнению с обычной лазерной сваркой.

Примеры реализации лазерной сварки

Пример качества сварного шва и его однородности, достигаемого с помощью головки с колебаниями, показан на фиг. 2 для сварки алюминия 6061-T6, качество шва, которое было бы невозможно при обычной лазерной сварке. Метод может устранить пост-обработку сварного шва для достижения косметической отделки конечной детали.

РИСУНОК 2. Примеры алюминиевых сварных швов 6061-T6 с использованием метода лучевых колебаний.

При дальнейших проверках уменьшение пористости, связанное с техникой колебаний луча, очевидно (рис. 3), где поперечное сечение сравнивается с обычной лазерной сваркой на алюминии 6061, показывая отсутствие пор при использовании процесса сварки головкой с колебаниями. Сообщалось об аналогичных улучшениях пористости [2, 4] с использованием техники колебаний с объяснением смешением ванны расплава во время вращения канала проплавления, что происходит при процессе колебаний луча.

РИСУНОК 4. Сварка разнородных металлов, таких как нержавеющая сталь и медь (а), обеспечивается техникой колебаний для управления зоной взаимопроникновения (интерметаллической областью между двумя материалами) (б).

Лазерная сварка разнородных металлов является еще одной сложной технологической областью, где технология головки с колебаниями обладает значительным потенциалом, таким как сварка нержавеющей стали и меди (РИС. 4а). Плавление и затвердевание интерметаллического слоя можно контролировать с помощью технологии колебаний, чтобы значительно улучшить качество сварки между двумя разнородными металлами, как показано на EDS-изображении на фиг. 4b. В этом сварном шве мы использовали образец кругового колебания, показанный в ТАБЛИЦЕ.

Головка с колебаниями для сварки меди

Некоторые из проблем, связанных со сваркой меди с использованием лазеров, работающих на 1 мкм, хорошо известны и описаны ранее [1]. В этом исследовании мы использовали одномодовый волоконный лазер и небольшой размер пятна, чтобы увеличить плотность мощности на заготовке и помочь стабилизировать расплав в канале проплавления. Это было подробно изучено при микросварке тонких фольг [5], но эти особенности применимы к сварке головкой с колебаниями, где мы используем небольшое пятно и более эффективную сварку с каналом проплавления . По нашему опыту, линейные скорости и общий ввод тепла (мощность от лазера) часто сравнимы с традиционной лазерной сваркой. Как правило, при более низких скоростях взаимодействие лазера с материалом более неустойчивое с явным выбросом брызг из канала проплавлениясвязано с высокой отражательной способностью меди и низкой вязкостью и поверхностным натяжением материала. Тенденция на более высоких скоростях — стабильный сварной шов, обеспечиваемый высокой текучестью и небольшим размером пятна от одномодового волоконного лазера. Однако это происходит за счет уменьшения глубины проплавления окончательного шва.

Технология колебаний — это полезный инструмент для преодоления этих проблем (рис. 5 и 6). Используя амплитудную функцию колебаний, верхняя ширина шва может быть систематически увеличена, а функция частоты колебаний используется для стабилизации канала проплавления. Результаты были получены с использованием одномодового волоконного лазера с одинаковой мощностью, а линейная скорость сварки и мощность лазера поддерживались во всем диапазоне параметров.

РИСУНОК 5. Использование одномодового волоконного лазера с независимым управлением функциями амплитудной и частотной регулировки колебаний позволяет использовать сварные швы на меди.

Технология головки с колебаниями полностью совместима с многомодовыми волоконными лазерами, и в наших тестах [1] были продемонстрированы медные швы с использованием мощного (5 кВт) волоконного лазера, работающего вместе с головкой с колебаниями. В случае более высоких уровней мощности достигается большая глубина проплавления (до 4 мм в данном случае), и, как и в предыдущем исследовании, дополнительная гибкость процесса, связанная с технологией колебаний луча, используется для управления каналом проплавления и стабилизации расплав во время процесса.

РИСУНОК 6. Поперечные сечения сварных швов меди с использованием метода колебаний и одномодового волоконного лазера.

Алюминиево-медная сварка для промышленности аккумуляторных батарей является последней заявкой, рассмотренной в этой статье. В этом случае глубина проплавления является критическим параметром для минимизации ширины интерметаллидной прослойки (в идеале менее 10 мкм), которая может контролироваться скоростью процесса при традиционной лазерной сварке. Однако в случае использования техники головки с колебаниями у нас есть дополнительная ширина контрольного шва и проникновение через амплитудные и частотные функции на головке с колебаниями.

В нашем исследовании мы видим эффект увеличения амплитуды колебания (от 0,2 до 1,2 мм). Это достигается за счет увеличения ширины сварного шва, минимизации глубины проплавления и последующего улучшения механических свойств сварного шва между элементами алюминия и меди.

Вывод

Трудности, связанные с лазерной сваркой таких материалов, как алюминий и медь с использованием 1 мкм-лазеров, в значительной степени могут быть преодолены за счет использования мощных волоконных лазеров вместе с новейшей двумерной технологией головки с колебаниями луча для дополнительного управления пучком расплава в канале проплавления во время процесса сварки. В свою очередь, это, как показано, помогает устранить пористость и разбрызгивание, связанные с лазерной сваркой этих материалов с использованием традиционных методов. Дополнительные степени свободы, достигаемые за счет независимой амплитуды и частоты колебаний колебательной головки, в сочетании с высокой мощностью, доступной для волоконного лазера, обеспечивают уровень контроля, необходимый для достижения качественной лазерной сварки в сложных материалах.

Примерами, представленными здесь, являются лазерная сварка сложных материалов, таких как алюминий и медь, а также сварка разнородных материалов, включая контроль области интерметаллического смешивания с технологией колебаний. Кроме того, технология предлагает значительные преимущества в частичной адаптации благодаря увеличенной толерантности к зазору шва и смещению в исследованиях, сравнивающих головку с колебаниями с традиционными процессами лазерной сварки. В исследовании также показана пригодность метода как с одномодовыми, так и с многомодовыми мощными волоконными лазерами. Наконец, технология совместима со стандартными сварочными аксессуарами, такими как вспомогательные порты подачи газа и коаксиальные сопла.

Ссылки

[1] T. Hoult et al., «Welding solutions for challenging metals with ytterbium fiber lasers,» ICALEO 2016 presentation, San Diego, CA (Oct. 2016).

[2] G. Barbieri et al., Mater. Sci. Forum, 879, 1057–1062 (2017).

[3] O. Berend et al., «High frequency beam oscillation to increase the process stability during laser welding with high melt pool dynamics,» Proc. ICALEO, 1041, 1032 (2005).

[4] G. Barbieri et al., Procedia Eng., 109, 427–434 (2015).

[5] I. Miyamoto et al., «Precision microwelding of thin metal foil with single-mode fiber laser,» Proc. SPIE, 5063, 297–302 (2003).

Лазерный мир

Девойно, О. Г. Лапковский, А. С. Луцко, Н. И. Пантелеенко, Ф. И. // Журнал: Наука и техника, Издательство: Белорусский национальный технический университет (Минск), 1/ 2014, с: 7-11, УДК: 621.791.725

Исследовано влияние параметров процесса лазерной сварки с применением волоконных лазеров на процесс формирования сварного соединения, его геометрические и физико-механические свойства при сварке рессорно-пружинной стали и системы «железо — медь — никель».

Описание на английском языке:

Peculiar features of laser welding process for dissimilar materials on ferrum or copper-nickel base

Panteleenko f.I., devoino o.G., lapkovskiy a.S., lutsko n.I., Belarusian National Technical University

The paper presents investigations on influence of laser welding parameters with fiber lasers on formation of a welding joint, its geometrical and physical and mechanical properties while welding spring steel and Fe-Cu-Ni system.

Введение. Среди технологических применений мощных лазеров все более широкое распространение получает лазерная сварка. Это связано со специфическими особенностями указанной технологии, делающими ее привлекательной, а в ряде случаев – незаменимой для решения технических проблем. К таким особенностям относятся [1, 2]: концентрация в зоне воздействия лазерного луча высоких плотностей мощности, что позволяет реализовать механизм «кинжального проплавления», обеспечивающий минимизацию размеров зоны термического влияния; высокий энергетический КПД процесса сварки;
высокий уровень физико-механических свойств сварного шва; возможность точного дозированного подвода энергии в зону сварки.
Последнее обстоятельство определяет перспективность применения лазерной сварки для решения сложной технологической задачи – соединения разнородных материалов. Особенно остро она стоит для соединения материалов, сильно отличающихся между собой по свойствам. Примером такой задачи может служить проблема качественного соединения алмазосодержащих сегментов дисковых пил, изготовленных методом порошковой металлургии, со стальным корпусом. Как правило, связку указанных сегментов изготавливают из железо-медноникелевых сплавов, температура плавления которых (порядка 1200–1300 К) значительно ниже температуры плавления металла корпуса. Известные методы получения соединений (пайка, механическое крепление) не в полной мере удовлетворяют техническим требованиям к таким изделиям либо по неудовлетворительным прочностным характеристикам соединения, либо из-за перегрева сегментов, приводящего к частичному разложению алмазной фазы, либо по критерию сложности и нетехнологичности конструкции дисковой пилы. Предыдущие исследования, касающиеся технологии лазерной сварки сильно разнородных материалов [3, 4], показывают возможность получения соединений методом лазерной сварки при сквозном проплавлении, пути реализации такой технологии, в частности посредством смещения оси сварочной ванны в сторону более тугоплавкой детали. Однако конкретные технологические рекомендации по обеспечению качественного сварного соединения таких материалов отсутствуют.
В настоящей статье представлены исследования влияния технологических параметров лазерной сварки на качество композитного соединения Cu–Ni–Fe со сталью 65Г при сварке с применением оптоволоконного лазера. В качестве защитного газа в процессе сварки применяли аргон. Сварку начинали и заканчивали за пределами сегментов, так как начало либо завершение сварки на сегменте ведет к образованию пор (трещин).
Оптимальным режимом сварки по критерию прочности сварного соединения был принят режим, соответствующий боковому смещению луча 0,1 мм (v = 550 мм/мин; ∆F = –5 мм).
В этом случае, учитывая, что диаметр луча составляет 0,16 мм, предположительно механизм образования сварного шва заключается в следующем. На первом этапе сварочная ванна образуется на стальной части стыка в соответствии со смещением лазерного луча, затем происходит ее углубление и формирование парогазового канала, что подтверждается наличием прямолинейной составляющей по глубине формы сварного шва. Место стыка свариваемых элементов находится в зоне расплава, примыкающей к парогазовому каналу. При этом более интенсивно зона плавления смещена в сторону стального элемента вследствие его низкой теплопроводности.

Аннотация.

В данной статье исследуется вопрос лазерной сварки разнородных материалов, таких как хромистая бронза марки БрХ – 1 и нержавеющая сталь марки 12Х18Н10. В работе рассматривается сварка пластин толщиной 4 мм встык в непрерывном режиме без использования присадочного материала. Для данной цели использовался иттербиевый волоконный лазер «ЛС – 10» c длиной волны 1,07 мкм и мощностью 10 кВт. Для изучения макроструктуры образцов был использован оптический микроскоп «Olympus SZ – 61».

Введение

Сварка разнородных материалов примечательна для многих промышленных отраслей, в частности машиностроение, тем, что свариваемые материалы по отдельности не обладают характерными для таких швов свойствами [1]. Неразъемные соединения бронзы и нержавеющей стали обладают высокими значениями электропроводности, прочности [2].
Традиционные способы сварки, в частности аргоно-дуговая сварка, не всегда способны обеспечить бездефектный сварной шов между разнородными материалами. В публикации [3] авторы использовали дуговую сварку неплавящимся электродом для получения медно-стального сварного соединения, однако были обнаружены такие дефекты, как поры в шве, непровары и трещины в ЗТВ меди.
Условия эксперимента и оборудование Для проведения эксперимента был использован комплекс для сварки «LaserWeld10R120» на базе иттербиевого волоконного лазера «ЛС – 10», с
длиной волны 1,07 мкм и обеспечивает выходную мощность до 10 кВт.

Для разработки технологии сварки:

1) были выбраны диапазоны варьирования режимов: мощности лазера от 3 до 4 кВт, скорости сварки от 25 до 45 мм/с (табл. 1);
2) выставили фокальную плоскость лазерного излучения так, чтобы она совпадала с поверхностью пластин [4];
3) использовали теоретическое предположение в [2] о смещении пятна лазера в сторону бронзовой пластины, величину смещения приняли 2 мм;
4) обеспечили подачу аргона в зону сварочной ванны со скоростью истечения 20 л/мин для защиты от окисления;
5) разработали оснастку для крепления и обеспечения допустимого зазора свариваемых поверхностей, определенный ГОСТом 28915 – 91.

Результаты
В процессе сварки разнородных материалов, в частности бронзы и нержавеющей стали, могут возникнуть следующие проблемы:

– ограниченная растворимость бронзы в стали, порядка 1-2 % [2];

– различные теплофизические свойства свариваемых материалов;
– трещинообразование в ЗТВ бронзы из-за склонности ее зерна к росту и связанную с этим охрупчиванием под влиянием источника нагрева [4];
– трещинообразование при совместных действиях жидкой меди, проникающей в микронадрывы, которые возникают из-за кристаллизации матричной фазы – стали, и термических напряжений [1].

Список литературы

1. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. – 2-е изд., стереотип. –
М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 664 с.
2. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн. 5 Лазерная сварка металлов: Учеб. Пособие для вузов / А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов; Под ред. А.Г. Григорьянца. – М.: Высш.шк., 1988 – 207 с.
3. Y. Poo-arporn, S Duangnil, D. Bamrungkoh, P. Klangkaew, C. Huasranoi, P. Pruekthaisong, S. Boonsuya, J Chaiprapa, A. Ruangvittayanon, C. Saisombat: Gas tungsten arc welding of copper to stainless steel for ultra-high vacuum applications, Journal of Materials Processing Tech. (2019), 116490.
4. Справочник по лазерной сварке. Редактор оригинального издания С. Катаяма – Москва: ТЕХНОСФЕРА, 2015. – 704 с.

Общая характеристика и особенности лазерной сварки для различных металлов, типы лазеров и специфика их применения

Лазерная сварка – сварка плавлением, при которой энергетическим источником является лазер. Главной особенностью является высокая концентрация энергии. Такой тип сварки используется для соединения одинаковых и разнородных металлов.

Лазерное излучение фокусируется при помощи направляющих зеркал. Преобразованный уменьшенный пучок энергии нагревает и плавит свариваемые детали.

Выделяют следующие типы лазерной сварки:

микросварка – плавит детали не толще 100 мкм;
минисварка – применяется на глубине от 0,1 до 1 мм;
макросварка – работает с толщиной свыше 1 мм.

Закреплённые стандарты

В 2019 году действуют следующие государственные стандарты, предъявляющие требования к лазерной сварке:

ГОСТ ISO 15609-4-2017 – содержит технические требования к аттестации процедур сварки металлических материалов. Часть 4 данного документа посвящена лазерной сварке;
ГОСТ 28915-91 – описывает основные типы лазерной импульсной сварки, конструктивные элементы и размеры.

Основные сферы применения

Лазерная сварка имеет широкое применение:

Ремонт ювелирных изделий. Благодаря высокой точности возможен ремонт ювелирных изделий из золота и серебра. Из-за того, что предмет нагревается не полностью, а лишь отдельные его участки, удаётся избежать деформации мягких металлов. В результате ремонта остаётся чистый шов, не загрязнённый частицами припоя. Его можно легко сгладить с помощью шлифовки.
Соединение алюминия. Лазерная сварка упрощает процесс сварки алюминия, так как нет необходимости создавать вакуум. Необходима только тщательная зачистка места сварки от оксидной плёнки и остатков лакокрасочных покрытий.
Сварка стали. Использование лазера при сварке стали позволяет получить аккуратный шов, высокую прочность соединений и минимизировать коррозию свариваемых участков.

Плюсы и минусы технологии

Распространение лазерная сварка получила, благодаря следующим положительным качествам:

высокая прочность соединения;
отсутствие необходимости в дополнительной механической обработке;
скорость выполнения работы;
минимальная зона нагревания;
возможность высокоточного фигурного соединения.

Несмотря на все положительные стороны, лазерная сварка является узконаправленной в силу следующих причин:

высокая стоимость оборудования;
сложность в подборе специалистов;
наличие вибрации при работе аппаратом;
невысокий КПД оборудования.

Особенности технологического процесса

Лазерная сварка действует по следующему принципу: лазерное излучение проходит через фокусирующую систему, сконцентрированный пучок энергии направляется на свариваемые детали, где частично отражается. Значительная часть энергии проникает вглубь материала, тем самым нагревает и расплавляет его. Такой метод сварки позволяет проводить работу в любом положении и под любым углом.

Лазерный луч необходимо корректировать в зависимости от толщины материала. Чем толще материал, тем большую фокусировку нужно использовать.

Оборудование, используемое при сварке лазером

Комплект оборудования для лазерной сварки включает в себя: лазер, газовую защиту, системы фокусировки и перемещения луча. Так как существуют разные типы установок, то для каждой из них есть свои особые элементы.

В газовых лазерах активным элементом является смесь газов. Предельная мощность такого вида установок может достигать 20 кВт. Это позволяет работать с материалами толщиной до 2 см. Одними из самых мощных являются газодинамические лазеры. Скорость работы при их использовании достигает 60 м/ч.

Мощность твердотельных лазерных установок – 1-6 кВт. Активными компонентам в них являются рубин или стекло с присадкой ионов. С помощью таких установок соединяются самые маленькие и тонкие детали.

Типы установок для лазерной сварки металла:

Твердотельные лазерные установки содержат в себе стержень из активного элемента рубина с нанесённым на его концах серебром. При нагревании стержня находящиеся в нём ионы хрома начинают своё движение. Проходя через прозрачные и полупрозрачные зеркала, они движутся по спирали вокруг рубинового стержня. Высвобождаемая энергия проходит через полупрозрачное стекло и с помощью линзы собирается в одной точке сварочного аппарата. Главная особенность – работает исключительно в беспрерывном режиме.
Газовые лазерные установки стандартно представлены в виде герметичной круглой трубки с газообразной функциональной средой и установленным оптическим резонатором. Для активации лазерного луча применяются следующие газы: углекислый газ, азот и гелий.

Газовые лазеры эффективнее твердотельных, так как имеют большую мощность и повышенный КПД. Большим плюсом является то, что они могут применяться и в импульсном, и непрерывном режиме.

Лазерные установки могут проводить сварку двумя способами:

импульсным – производится накопление значительного объёма энергии, а затем в короткое время обрабатывается место сварки;
непрерывным – применяется в процессе создания сплошных швов независимо от глубины сварки.

Особенности лазерной сварки различных металлов

При сваривании стали предварительно необходимо провести механическую очистку деталей. Нужно избавиться от коррозии и окалины для предотвращения появления оксидных соединений. Зачистку можно проводить с помощью обычных нержавеющих щёток, захватывая 10-15 см от будущего места сварки. Место сваривания стальных деталей необходимо обезжирить.

Алюминий

При сварке алюминия возникает возможность окисления поверхности и испарения летучих элементов. Металл необходимо механически обработать, произвести травление и перед сваркой зачистить шабером.

Титан

Во избежание трудностей при сварке титана нужно осуществить зачистку, при этом можно применить пескоструйную обработку. Позже химически затравить, промыть и обработать гелием.

Специфика ручной лазерной сварки

Уже не существует преград для покупки лазерного станка для работы в домашних условиях. С его помощью можно решить некоторые хозяйственные проблемы:

Необходимо помнить о технике безопасности при работе вручную: во избежание попадания лазерного луча в глаза и на кожу необходимо, чтобы аппарат был оснащён крышками безопасности.

При ручной работе достигается высокая скорость сварки, а сварочный шов более высокого качества.

способ лазерной сварки деталей из разнородных металлов

Изобретение относится к способам сварки разнородных металлов лазерным излучением и может быть использовано, в том числе, в области машиностроения. Плоскость стыкового соединения деталей из разнородных металлов выполняют наклонной по касательной к сегменту зоны термического влияния сварного шва. Лазерное излучение фокусируют на более тугоплавкий материал на расстоянии от стыковой плоскости. Угол наклона плоскости стыкового соединения и расстояние фокусировки рассчитывают из условия обеспечения отсутствия испарения легкоплавкого металла. На свариваемые поверхности из разнородных металлов подают лазерное излучение, которое нагревает зону сварки до температуры плавления, после остывания которой получается сварной шов. В результате обеспечения возможности сварки разнородных металлов с учетом их теплофизических и физико-химических характеристик получают качественное сварное соединение. 3 ил.

Формула изобретения

Способ лазерной сварки деталей из разнородных материалов, отличающийся тем, что плоскость стыкового соединения деталей выполняют наклонной по касательной к сегменту зоны термического влияния сварного шва, а лазерное излучение фокусируют на более тугоплавкий материал на расстоянии от стыковой плоскости, при этом угол наклона плоскости стыкового соединения и расстояние фокусировки рассчитывают из условия обеспечения отсутствия испарения легкоплавкого металла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам сварки разнородных металлов лазерным излучением и может быть использовано, в том числе, в области машиностроения.

Способ заключается в том, что на свариваемые поверхности из разнородных металлов подается лазерное излучение, которое нагревает зону сварки до температуры плавления, после остывания (затвердевания) которой получается сварной шов.

Известны аналоги, конструкция узла подготовки кромок под сварку меди и ее сплавов со сталью [1] и способ электронно-лучевой сварки труб [2]. Их недостатком является отсутствие учета характеристик свариваемых металлов в случае обработки разнородных материалов, что может привести к более интенсивному испарению легкоплавкого металла по сравнению с более тугоплавким.

Заявляемое изобретение направлено на исправление этого недостатка и получение возможности сваривать разнородные металлы лазерным излучением с учетом их теплофизических и физико-химических характеристик. Это достигается путем выполнения формы стыковой поверхности свариваемых деталей в виде плоскости, наклоненной на определенный угол по касательной к сегменту зоны термического влияния и подачи лазерного излучения на более тугоплавкий материал. Тогда сначала расплавляется тугоплавкий материал, затем за счет теплопередачи происходит расплав легкоплавкого материала.

Способ осуществляется путем расчета необходимого угла наклона стыковой поверхности и смещения зоны подачи лазерного излучения относительно этого стыка.

Металлографические исследования зоны взаимодействия ЛИ с металлами показали, что зона имеет в сечении сегментную форму. В результате экспериментальных исследований влияния ЛИ (лазерного излучения) на фазовые превращения в металлах выявлено, что форма зоны воздействия ЛИ мощностью 1 кВт при скорости перемещения 1200 мм/мин в стали У8 и цирконии имеет сегментный характер с центром круга O 1 и малую сегментную зону с центром круга О 2 (фиг.1). Наличие второй сегментной зоны можно объяснить либо началом возникновения кинжального проплавления в металле, либо возникновением вторичного источника энергии за счет окислительных процессов с выделением теплоты. Характер зон термического воздействия не зависит от энергии ЛИ, а величина второй зоны зависит от физико-химических свойств металлов. Цирконий является химически активным металлом.

Из анализа характера зоны термического воздействия ЛИ следует, что сварка разнородных металлов должна осуществляться подачей энергии на тугоплавкий металл и форма стыковой поверхности должна повторять форму ЗТВ. На практике целесообразней стыковую поверхность делать плоской, исходя из экономических соображений. Это связано с различием температур плавления, в частности температура плавления молибдена равна 2620°С, а стали равна 1510°С. Поэтому для получения сварного шва необходимо поднять плотность энергии, чтобы расплавить молибден, при этом происходит испарение стали. Для исключения этого эффекта необходимо использовать наклон стыковой плоскости свариваемых деталей. Плоскость сварного шва наклоняется на угол по касательной к сегменту зоны термического воздействия (фиг.2). Тогда расплавляется тугоплавкий металл, и за счет теплопередачи происходит расплав легкоплавкого металла.

На фиг.2 представлена геометрия стыкового соединения при сварке молибдена и стали. Лазерное излучение (ЛИ) подается на более тугоплавкий молибден (Т пл =2620°С). Температура плавления стали составляет 1510°С, h - толщина деталей. Угол и смещение лазерного излучения должны быть подобраны таким образом, чтобы соблюдалось равенство площадей S 1 =S 2 , а температура в середине по глубине стыкового соединения была равна температуре плавления второго свариваемого металла, в данном случае - стали (Т пл =1510°С). Равенство площадей S 1 =S 2 обеспечит равномерный проплав стали.

На фиг.3 представлена схема расчета угла наклона стыкового соединения и смещения лазерного излучения L. Вектор скорости сварки v cв направлен перпендикулярно плоскости рисунка. Расчет производится следующим образом.

1. Глубина проплавленной зоны h пропл равна [3]:

Р - мощность излучения,

R л - радиус сфокусированного излучения,

- коэффициент температуропроводности тугоплавкого металла,

v св - скорость сварки,

Т - коэффициент теплопроводности тугоплавкого металла,

T k - температура кипения тугоплавкого металла.

2. Имеем прямоугольный треугольник со сторонами R и К. Угол наклона стыка определяется как

здесь h дет - толщина свариваемых деталей, R л - радиус лазерного излучения.

3. Смещение лазерного излучения от стыка на поверхности деталей, обозначенное L, определяется как сумма

4. Таким образом, подставив (1), (3), (4) в (2), а (6), (7) в (5), получим

По формулам (8) и (9) можно рассчитать необходимые для обработки предложенным способом угол наклона поверхности стыка и смещение лазерного излучения L.

1. Патент на полезную модель RU 67002.

2. Патент на изобретение RU 2285599.

Читайте также: