Лазерный мир

Бабко Александр Павлович, Клешнина Оксана Николаевна // В сборнике: Молодежь и наука: актуальные проблемы фундаментальных и прикладных исследований материалы II Всероссийской национальной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. 2019. С. 24-26.

Аннотация. Рассмотрен принцип лазерной сварки титановых и титановых сплавов. Описывается особенности проведения технологического процесса и преимущества по сравнению с аргонодуговым методом.

Summary. The principle of laser welding of titanium and titanium alloys is considered. Describes the features of the process and the advantages compared with the argon-arc method.

В сварочном производстве, технологический процесс может включать в себя сварку материала различного рода толщин. При сварке малых толщин, используя присадочный материал, не всегда можно сохранить геометрические и механические свойства, используя традиционный вид сварки, из-за большего термического воздействия в зоне сварки.

Лазерная сварка позволяет решить эту проблему, в виду высокой концентрации луча, который уменьшает зону термического влияния (ЗТВ) (рисунок 1). Высокая точность и концентрация позволяют сваривать детали малых толщин намного качественней, чем при традиционных видах, а также не использовать присадочный материал, повышая экономический показатель при производстве. На сегодняшний день развитие лазеров перешло на новый уровень, позволяя сваривать различные материалы без особых ограничений по толщине [1].

Цель данной работы рассмотреть особенности лазерной сварки титана и его сплавов. Титан в производстве является достаточно передовым материалом, активно применяющийся в авиастроении, ракетостроении, судостроении, в химической и в газовой промышленности. Во многих из этих областей, в виду своей высокой удельной прочности, которая в 2 раза выше, чем у Fe, он используется в малых толщинах из-за высокой стоимости самого материала и обеспечению легкости самой конструкции. Некоторые из этих конструкций подвергаются сварочным процессам, но не всегда можно сохранить свойства основного металла и поддержать геометрические параметры конструкции. Из-за достаточно низкой теплопроводности, которая в 4 раза ниже, чем у Fe, титан сохраняется в жидкой фазе достаточно длительное время, и, следовательно, сохраняется химическая активность самого материала, который при достижении температуры в 300-400оС начинает поглощать вредные примеси из окружающей среды такие как  кислород,  водород и азот, увеличивающие хрупкость титана и приводящие к образованию на поверхности холодных трещин. При традиционных методах сварки, концентрация сварочной дуги намного ниже, а тепловое воздействие на кромки основного металла гораздо выше, что приводит к образованию большой ЗТВ, способствующая структурным изменениям, а, следовательно, и изменением физико-химических свойств в зоне сварного шва. При учете того, что сварка производится при малых толщинах, может произойти проплавление кромок, приводящее к деформации и изменение геометрических параметров сварного шва [3][4].

Рисунок 1 – Сварные швы, выполненные при помощи аргонодуговой сварки (а); лазерной сварки (б); лазерной с использованием присадочного материала (в).

Говоря о способе проведения сварочных работ по титанам и его сплавам, следует упираться из особенностей проведения при традиционных методах, где активно применяются устройство для подачи защитного газа такие как аргон или гелий, а также применение медных пластин или радиаторов для лучшего теплоотвода и более ускоренного охлаждения материала во время сварки [4].

Следует также учитывать и особенности материала, так титан делится на следующие аллотропические модификация: a-сплавы, псевдо a-сплавы, (a + b)-славы, псевдо b-сплавы, b-сплавы. У каждой аллотропической модификации свои особенности и свойства, но особое применение в сварочном производстве применимы псевдо a-сплавы (титаны марок ВТ-20 и ОТ-4), обладая высокой пластичностью, прочностью и хорошей свариваемостью, но соблюдая условия полного отжига при 600-700оС с периодом в 1-2 часа перед (если это требует технология) и после сварки для сохранение пластичных свойств [3].

Для начала проведения технологического процесса, необходимо наличие входных параметров, показанные в таблице 1, которые были основаны на основе научных работ и экспериментов [2][4]. Примечательно, что для проведения сварки используется достаточно высокая скорость прохождения, которая не позволяет перегреть или расплавить кромки основного металла.

Таблица 1 – Входные параметры для сварки трубопроводного участка, выполненного из титанового сплава ОТ-4

S, мм Р, Вт Vсв, м/ч F, мм

1,5 900 38 236

1000 40 1200 42 1500 50

Среди особенностей сварки применима использование манипуляторов, которые также улучшает качества сварного шва в связи с отсутствием

человеческого фактора. Манипулятор, на который непосредственно установлено лазерное оборудование, позволяет при помощи заданной программы перемещать лазерное луч, требуемый для сплавления кромок, по заданной траектории [2].

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

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

2. Игнатов, А. Г. Особенности сварки волоконными лазерами/ А. Г. Игнатов [и др.]// РИТМ машиностроение. – 2017. №3. – С. 30-35.

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

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

Источник: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41132271