Технологии лазерной сварки
Внедрение технологий лазерной сварки позволяет повысить качество сварных соединений, уменьшить тепловложение и уровень остаточных напряжений и деформаций сварной конструкции, снизить трудозатраты на последующую обработку конструкции, повысить производительность сварочного процесса.
Локальность нагрева и высокие скорости обработки, характерные для лазерной сварки позволяют получать сварные швы с минимальной зоной термического влияния. Высокие скорости нагрева и охлаждения материала при лазерной сварке обеспечивают возможность получения равнопрочных сварных соединений не только однородных, но и разнородных материалов. Наличие глубокого проплавления снижает количество проходов при сварке толстостенных конструкций и позволяет проводить сварку без разделки кромок. При этом необходимо учитывать повышение требований к качеству сборки конструкций под сварку. Возможность транспортировки лазерного излучения с помощью зеркал и оптических волокон позволяет осуществлять сварку в труднодоступных местах.
Институтом лазерных и сварочных технологий разработаны и применяются технологии лазерной сварки нержавеющих сталей, лазерной сварки алюминиевых, титановых сплавов и разнородных соединений, лазерной сварки пластмасс.
Лазерная сварка нержавеющих сталей
Технология сварки нержавеющих сталей отличается от сварки углеродистых рядом особенностей. Практически все нержавеющие стали являются высоколегированными сплавами и обладают другими физико-химическими свойствами. У нержавеющих сталей удельное электрическое сопротивление практически в 6 раз больше, температура плавления на 100 градусов меньше, чем у низколегированного и углеродистого проката. Теплопроводность практически в два раза меньше, что приводит к концентрации теплоты и увеличению области проплавления в зоне сварки. Также у нержавеющих сталей термический коэффициент линейного расширения выше практически на 20%, что способствует существенной деформации во время сварки. Указанные факторы могут способствовать появлению существенных остаточных напряжений, которые могут привести к значительному короблению металлоконструкции и образованию трещин, а неправильный термический режим также может снизить коррозионные свойства сварного соединения.
Классические виды сварки преимущественно осуществляются с существенным перегревом. Перспективные методы лучевой обработки позволяют избежать подобных последствий. Лазерные и лазерно-дуговые методы сварки также позволяют существенно снизить затраты присадочных материалов. Локальный нагрев позволяет получить зону термического влияния толщиной не более 2-3 мм, и избежать коробления конструкции. Высокая скорость сварки позволяет уменьшить остаточные напряжения и, в итоге, избежать образование трещин при сварке и исключить негативное влияние перегрева на коррозионные свойства металла.
Институтом лазерных и сварочных разработана специальная система газовой защиты для сварки высоколегированных сталей толщиной от 0,4 – 15мм. Экспериментальные исследования показали получение качественного сварного соединения, при значениях скоростей сварки в диапазоне от 1 до 5 м/мин., обеспечивающих стабильное формирование сварного шва при отсутствии дефектов. Для определения технологических параметров сварки на базе института была разработана математическая модель процесса сварки в различных пространственных положениях, которая была экспериментально верифицирована. Разработанная модель процесса формирования шва при лазерной сварке является эффективным средством анализа нестационарных процессов и может обоснованно применяться для отбора стабильных технологических режимов для сварки нержавеющих сталей.
Лазерная сварка алюминиевых, титановых сплавов и разнородных соединений
В авиакосмической промышленности, судостроении, транспортном машиностроении и других отраслях промышленности при изготовлении целого ряда ответственных изделий часто бывает необходимо применять сварку разнородных материалов: подобные соединения возникают при изготовлении несущих алюминиевых элементов фюзеляжа, крыльев самолетов, судовой и топливной арматуры из алюминия со стальным корпусом, топливных баков, соединения медно-никелевого сплава с углеродистой сталью при изготовлении холодильных установок, испарителей, сосудов давления и т.п.
Задача сварки разнородных материалов технологически достаточна сложна. Это связано с металлургическими особенностями формирования швов таких соединений при сварке плавлением. Многие сочетания разнородных металлов: медь/алюминий, алюминий/сталь, алюминий/титан, титан/сталь, железо/ниобий и др. имеют ограниченную взаимную растворимость.
В авиастроении требуется применять сварку алюминиевых сплавов со сталями и сплавами на основе титана и меди. Сварка алюминиевых сплавов с другими материалами сопровождается рядом трудностей: большая разница в теплопроводности ведет к интенсивному теплоотводу в сторону алюминия, что препятствует образованию качественного сварного соединения. Металлургические особенности формирования соединения разнородных материалов, одним из которых является алюминиевый сплав, приводят к образованию в зоне сплавления хрупких интерметаллидов, что негативно влияет на свойства сварного соединения. В связи с указанными трудностями только некоторые виды сварки подходят для соединения таких разнородных материалов.
Лазерная сварка является одним из наиболее перспективных методов. В сравнении с другими методами сварки разнородных материалов, данный метод не требует применения дополнительных материалов, специальной обработки кромок, а также обладает высокой скоростью сварки (до 4 м/мин). Данный метод позволяет получить ультратонкую диффузионную зону и избежать появления дефектов. Главной особенностью лазерной сварки и математической модели, разработанной для данного метода сварки, является возможность прогнозирования скоростей диффузионного обмена, которые зависят от регулируемых температурно-временных условий взаимодействия металлов при сварке. Путем варьирования скорости сварки, величины смещения фокуса лазерного пучка в сторону одного из свариваемых металлов, мощности излучения, можно получить требуемую структуру сварного соединения.
Экспериментальные исследования, проведенные в ИЛИСТ с использованием соответствующего технологического и исследовательского оборудования показали, что при варьировании вышеперечисленных параметров можно получить ультратонкую диффузионную зону без непрерывных интерметаллидных прослоек. При этом, в сварном шве отсутствуют такие дефекты, как трещины и поры, а механические свойства сварного соединения соответствуют свойствам используемого алюминиевого сплава.
Лазерная сварка пластмасс
Лазерная сварка является актуальной технологией для соединения термопластов в промышленности. Несмотря на то, что большинство пластиков прозрачны для лазерного излучения диодного лазера, сварка возможна за счет комбинации прозрачных и непрозрачных пластиков, при этом зона высоких температур ограничена областью контакта. При этом поверхность прозрачного пластика не подвержена деструкции. При сварке прозрачных пластиков необходимо использовать поглощающие добавки. Дополнительный контроль температуры активной зоны обеспечивает высокое качество технологического процесса.