Лазерный мир

Б. Е. Патон, В. Д. Шелягин, С. В. Ахонин, В. Ф. Топольский , В. Ю. Хаскин, И. К. Петриченко, А. В. Бернацкий, Р. Н. Мищенко, А. В. Сиора // Автоматическая сварка, 10/2009, с: 35-39, УДК 621.791.72

Выбрана оптимальная схема газовой защиты при лазерной сварке, с использованием которой получены соединения ВТ1-0, ВТ6, СП15, ВТ22, ВТ23 и Т110. Установлена возможность лазерной сварки низко- и среднелегированных сплавов. Показано, что для высоколегированных титановых сплавов необходимо провести дальнейшее усовершенствование технологии лазерной сварки.

Титановые сплавы широко применяются в авиационной и космической технике, судостроении, химическом машиностроении, энергетике и многих других областях современной промышленности [1]. Так, в самолетостроении используют стрингерные панели, которые получают путем приваривания прорезными швами ребер жесткости к цельному полотнищу. Для ответственных длинномерных конструкций морских судов применяют сварные тавровые балки из титанового сплава. Решение указанных задач усложняется большими размерами и малой толщиной стенок свариваемых деталей. В связи с этим для изготовления тонколистовых конструкций из титановых сплавов обычно применяют электронно-лучевую сварку (ЭЛС) [2]. Однако такой способ
сварки не всегда приемлем для крупногабаритных конструкций в связи с необходимостью применения вакуумных камер. Традиционные дуговые способы сварки зачастую имеют невысокую производительность и могут приводить к образованию значительных поводок и короблению сварных конструкций [3].

Лазерная сварка позволяет получать узкие швы с малой зоной термического влияния (ЗТВ) без использования сложных вакуумных камер со скоростью, в 2…3 раза (и более) превышающую скорость дуговой сварки [4].
Первые попытки применения лазерного излучения для сварки титановых сплавов предпринимались еще в начале 1970-х годов, в частности, в ИЭС им. Е. О. Патона [5]. Было определено, что в связи с активным химическим взаимодействием жидкого металла сварочной ванны с окружающей средой необходима надежная защита инертным газом. Из работы [5] следует, что для защиты металла ванны применение гелия вместо аргона позволяет повысить глубину проплавления металла более чем на 50 %.

В начале 1980-х годов уже были предприняты первые попытки внедрения в промышленность технологии лазерной сварки для изготовления титановых изделий. В этом плане следует отметить работы ФИАЭ им. И. В. Курчатова. В 1983 г. на ВО «Балтийский завод» была внедрена промышленная технология лазерной сварки специального теплообменного модуля из титанового сплава. С помощью лазера выполняли вваривание трубок с толщиной стенки до 2,5 мм в трубную доску [6]. В работе [7] также отмечена возможность применения лазерного излучения для сварки титановых изделий.

Цель настоящей работы заключалась в оптимизации технологического процесса лазерной сварки по критериям механических характеристик сварных соединений титановых сплавов путем подбора скорости процесса сварки при фиксированной мощности лазерного излучения. Для достижения этой цели создана система газовой защиты сварочной ванны и той ее хвостовой части,
в которой металл имел температуру свыше 200 °С, поскольку именно при такой температуре возможно насыщение верхнего слоя металла шва и основного металла азотом воздуха [1]. В качестве материала образцов выбраны технический титан ВТ1-0, среднелегированный β-стабилизаторами сплав ВТ6, и высоколегированные сплавы СП15, ВТ22, ВТ23, Т110 толщиной b = 5,0…7,5 мм. Химический состав этих сплавов приведен в табл. 1.

В ходе экспериментов сваривали стыковые соединения пластин размером 30050b мм с применением Nd:YAG-лазера модели DY 044 (фирмы «Rofin Sinar», Германия) мощностью до 4,4 кВт и входящий в состав сварочной головки объектив с фокусным расстоянием F = 300 мм. Излучение от лазера к объективу передавалось по оптическому волокну диаметром 600 мкм.

После сварки все образцы проходили рентгеноскопический контроль, который показал, что в металле швов, выполненных по оптимальной схеме и на оптимальных режимах, присутствуют только единичные поры (рис. 4, а). Отклонение от оптимальной технологии сварки приводит к появлению сплошной цепочки пор, расположенной по оси шва (рис. 4, б).

Если металл сварного шва и ЗТВ сварного соединения ВТ1-0 и ВТ6, выполненного лазерной сваркой, отличается грубоигольчатой структурой (рис. 5, а), то аналогичные зоны сварных соединений высоколегированных сплавов имеют очень дисперсную внутризеренную структуру (рис. 5, б, в).

Выводы
1. Выбраны оптимальные схемы защиты металла шва и состав защитной среды при лазерной сварке титановых сплавов, а для технического титана ВТ1-0 и сплава ВТ6 — оптимальные режимы лазерной сварки. Определено, что при лазерной сварке технического титана ВТ1-0 и сплава ВТ6 для защиты металла шва необходимо применять гелий, а для корня шва и остывающих участков основного металла — аргон.
2. Прочность сварных соединений сплава ВТ6, полученных лазерной сваркой, находится на уровне основного металла, а ударная вязкость металла швов и ЗТВ составляет 70 % от KCV ОМ.
3. Сварные соединения сплава ВТ6, полученные по усовершенствованным технологиям АДС по флюсу, ЭЛС, лазерной сварки, отвечают требованиям нормативных документов и являются стойкими к коррозионному растрескиванию под напряжением, хотя их коррозионная стойкость уступает основному металлу.
4. Необходимо дальнейшее усовершенствование технологии лазерной сварки и оптимизация режимов термической обработки сварных соединений высоколегированных титановых сплавов.

Полное содержание статьи: http://patonpublishinghouse.com/as/pdf/2009/pdfarticles/10/7.pdf