Лазерная сварка титановых сплавов

Научная библиотека Комментарии к записи Лазерная сварка титановых сплавов отключены

Бабко Александр Павлович,Бахматов Павел Вячеславович, кандидат технических наук, доцент, Комсомольский-на-Амуре государственный университет // // Тип: тезисы доклада на конференции Год издания: 2018 Страницы: 10-13, Издательство: Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет (Комсомольск-на-Амуре), НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ТВОРЧЕСТВО АСПИРАНТОВ И СТУДЕНТОВ материалы всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов. 2018

 

Аннотация. Рассмотрен принцип лазерной сварки по титану. Описываются все проблемы в проведении процесса, а также пути решения поставленных проблем.

Annotation. The principle of laser welding in titanium is considered. Describe all the problems in the process, as well as ways to solve the problems.

 

Сварка титановых сплавов при помощи лазерных технологий имеет довольно большое преимущество по сравнению с традиционными видами в виде её мобильности и меньшего получения количества дефектов.

О титановых сплавах можно сказать, что, из-за своей плотности в 4,51 г/см3, они довольно легкие, а также обладают хорошей прочностью и пластичностью. Титановые сплавы является тугоплавкими материалами (температура плавления свыше 1660Cо) и при этом обладают низкой теплопроводностью. Титан славится также своей высокой коррозийной стойкостью при нормальных температурах [3].

В идеальных условиях титан, как и железо, должен хорошо свариваться, а с преимуществом материала в виде низкой теплопроводности и самого лазера, который при концентрации энергии не дает высоких напряжений и тепловыделения при самом процессе [3]. Но вся проблема заключается в том, что, при повышении температуры материала свыше 250-300Cо, начинается химическая реакция с внешней средой, а низкая теплопроводность титана становится недостатком, при которой сварочная ванна остывает гораздо медленней, а в виду химической активности материала, титан начинает поглощать окружающие его газы, а именно кислород, углерод, азот, водород, которые приводят к ухудшению механических свойств в сварном шве и к возможному образованию трещин в околошовной зоне [3].

Первым решением, является вакуумная камера, убирающая все вредные примеси, но данный метод является дорогим и трудоемким, не дающий явного преимущества по сравнению с электронно-лучевой сваркой [1].

Второе же решение, которое намного эффективнее – это подвод инертных газов, как и при аргонно-дуговой сварке, т.е. создание защитного сопла. Суть заключается в том, что при начале сварочного процесса, между кромками основного металла поступает гелий, который вытесняет все вредные примеси в зоне предполагаемого шва. В виду своей неактивности и весу, не дает вредным примесям попасть внутрь сварного шва. После завершения процесса, предлагается впускать подвод аргона в районе поверхностного проплавления основного металла во время его охлаждения и не дает образоваться нитридной пленки на поверхности. Главная задача при этом способе, это правильный подвод инертных газов, выполняющие защитную функцию во время химической активности титана [5].

Вся проблема лазерной сварки титана заключается и в выборе самого титана, ведь титан делится на три группы: α, α + β, β + α и β сплавы. Различия заключается в процентном наличии примесей и легирующих элементов, которые термически упрочняют металл. И чем больше этих легирующих элементов и примесей, тем сложнее происходит процесс сварки [1].

Из изученных опытов следует [5], что титаны β и β + α – фазы, которые имеют в себе огромное количество легирующих элементов таких как: Мо, V, Fe, Cr и Al – при сварке подвергаются серьезным нагрузкам и теряют одно из главных преимуществ материала – пластичность. Отжиг для снятия нагрузок не помогает. Микроструктура самого шва представляет собой дисперсную внутризеренную структуру, которая и даёт снижение пластичности сварного шва. К этим титановым сплавам относятся ВТ22, ВТ15, ВТ32, ВТ19, Т110, ВТ23 и др [2].

При титане α + β – фазы, во время испытаний на вязкость, сварной шов сохраняет примерно 70-80% вязкости от основного металла. Причиной, не дающей получить вязкость основного металла, заключаются остаточные напряжения из-за легирующих элементов в металле. Поэтому с риском незначительного уменьшения пластичности, проводится отжиг, который

упрочняет сварную конструкцию и не даёт появится трещинам на границе сварного шва. Структура при этом сохраняется грубоигольчатойсо столбчатыми кристаллами. К этим титановым сплавам относят ВТ6, ВТ3, ВТ4, ВТ8 и др [2][5].

С титанами α – фазы все намного проще. Технически чистый титан практически не обладает никакими легирующими элементами (разве что Al), а лишь примесями, поэтому материал сваривается также хорошо, как и титаны α + β – фазы, но без проведения отжига после сварочного процесса. Обладают пластинчатой структурой, которая сохраняет в себе все преимущества титана. К этим титановым сплавам относятся ВТ1 и ВТ5 [2][5].

Также во время сварки необходимо знать о входных параметрах сварочного процесса. Первым из них является скорость сварки, которая зависит от глубины самого проплавления – чем глубже, тем медленней идет процесс. Сварка также зависит от мощности лазерного излучения, которую стараются брать в диапазоне Е=106…107 Вт/см2. При Е < 105 Вт/см2 лазерное излучение начинает терять свое основное достоинство — высокую концентрацию энергии, что следует учитывать. Также подающаяся мощность и фокусное расстояние тоже является входными параметрами [4]. Примерные параметры для некоторых материалах при определенных толщинах записаны в таблице 1 [5].

Также перед проведением лазерной сварки в любом способе необходимо подготовить саму деталь. Подготовка заключается в полной отчистке контрольной поверхности (полировании и травлении), ибо поверхность не должна иметь какую-либо грязь и поверхностную прослойку, которые могут стать главной проблемой после охлаждения сварного шва, в виду образования большого скопления примесей в сварном шве, которые при резком охлаждение могут привести к трещинам [1].

В заключении можно сказать, что лучше всего во время сварочного процесса показывают себя титаны α – фазы, к которым относятся ВТ1, ВТ5, применяемые для изготовления труб, прокатных листов, прутков, применяемые

в машиностроении, авиационной и космической промышленности, судостроении, автомобилестроении, а также в пищевой промышленности в виду своей легкости, прочности и безвредности.

К сожалению, вся проблема, заключается в дороговизне лазерного оборудования, которая отпугивает производителей, использующие более дешевые методы сварки, но при этом эти они имеют множество недостатков, в виде огромного количества допускаемых дефектов или невозможности использовать сварочный процесс в открытой среде.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Катаяма, С. Мир физики и техники / С. Катаяма, Н.Л. Истоминой – М.: Техносфера 2015. – 697 с.

2. Григорьянц А.Г. Лазерная сварка металлов: пособие для вузов / А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов – М.: Высш. Шк., 1988. – 207 с.

3. Гуляев, А. П. Металловедение: учебник для вузов / А. П. Гуляев. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.

4. Сварка и резка материалов : учеб. пособие для нач. проф. образования / [М. Д. Банов, Ю. В. Казаков, М. Г. Козулин и др.] ; под ред. Ю. В. Казакова. — 9-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2010. — 400 с.

5. Патон, Б.Е. Лазерная сварка титановых сплавов / Б.Е. Патон [и др.]// Автоматическая сварка. Производственный раздел. – 2009. – №10. – С. 35-39.

Источник: https://elibrary.ru/item.asp?id=35277397

Видео по теме: Лазерная резка титановой пластины для имплантации // RX-150

Рекомендуем для Вас


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.rf.mail@yandex.ru

Back to Top