Лазерный мир

С. В. Курынцев, И. Н. Шиганов // Журна Фотоника, 6, 2020

ВВЕДЕНИЕ
Основным трендом современного конструкционного машиностроения является снижение веса конечного изделия за счет использования материалов и конструкций, имеющих высокую прочность и низкий удельный вес [1]. Примером таких материалов являются композиционные материалы на основе углеволокна, высокопрочные дуплексные стали, пористые или полые материалы [2, 3], полученные с применением аддитивных технологий и с учетом топологической оптимизации. Также к таким материалам можно отнести мульти-­материалы или гибридные структуры, состоящие из нескольких разнородных материалов, соединенных между собой ­каким-либо способом, например сваркой, болтовыми или клепаными соединениями, склеиванием, пайкой и т. д. [4].

Как правило, наибольшую прочность и герметичность соединений обеспечивают сварные, паяные или клееные соединения. Склеиваемость, свариваемость и паяемость разнородных материалов, может быть осложнена различием физических и термомеханических свой­ств соединяемых материалов и их поверхностей [5, 6]. Что требует необходимости применения сложных гибридных технологий, основанных на термическом, механическом, химическом воздействии на соединяемые заготовки, к таким технологиям относятся сварка-­пайка, сварка-­склеивание, клинч-­соединения [7] и прочие. Например, кузов современного легкового автомобиля по массе состоит, примерно, из 96 кг алюминия, 66 кг стали, 11 кг магния, 7 кг пластика [4], поэтому вопрос соединения разнородных материалов является актуальной и перспективной наукоемкой технологической задачей.

Понимание физических, химических и металлургических процессов, происходящих при сварке и пайке разнородных материалов, является основой для выбора вида и способа сварки, техник и технологии сварки с целью получения соединения с требуемыми характеристиками. При сварке плавлением разнородных металлов необходимо рассматривать как физические свой­ства соединяемых материалов, так и металлургию их взаимодействия в жидком состоянии, препятствующих образованию качественного сварного соединении [5].

В связи с тем, что сварка плавлением подразумевает непременное расплавление материала в зоне шва и нагрев до температур Т = 0,8 Тпл в околошовной зоне, необходимо рассматривать процессы взаимодействия соединяемых материалов при плавлении и кристаллизации. Все процессы плавления и кристаллизации, а также образование интерметаллидных соединений отражаются диаграммами состояния двой­ных систем [8]. По типу диаграммы состояния двух свариваемых материалов можно предусмотреть образование той или иной структуры. При этом следует различать влияние на структуру механизма кристаллизации с одной стороны и последующих фазовых превращений в твердом состоянии с другой. Диаграммы состояния эвтектического и перетектического типов, компоненты которых при плавлении образуют однородную жидкость с ограниченной растворимостью, а в твердом состоянии практически не растворимы друг в друге, наиболее благоприятны. При плавлении и кристаллизации таких материалов в шве получается однородная гетерогенная структура с чередующимися частицами составляющих элементов.
Сварка плавлением подобных материалов возможна без особых трудностей. Если же компоненты свариваемых материалов при расплавлении и кристаллизации обладают ограниченной или неограниченной взаимной растворимостью, то при сварке таких материалов в шве будут образовываться твердые растворы с плавно изменяющейся от линии сплавления концентрацией. Прочность шва таких соединений может быть достаточно высока. При сварке материалов с ограниченной растворимостью компонентов в шве будет присутствовать наряду с твердыми растворами эвтектика или перетектика, в зависимости от диаграммы состояния.

Однако существуют материалы, которые не смешиваются в жидком состоянии и образуют диаграммы состояния с полным отсутствием взаимодействия. При расплавлении в шве таких материалов они расслаиваются, не обеспечивая нужных механических свой­ств. Таким образом, приступая к разработке технологии сварки разнородных материалов необходимо в первую очередь выяснить тип их диаграммы состояния при плавлении и кристаллизации.

На практике основной проблемой, снижающей механические и эксплуатационные свой­ства сварных соединений из разнородных сплавов, является образование интерметаллидного слоя (ИМС), являющегося очень твердым и хрупким [9]. Интерметаллическая фаза может быть полезной для сплава, являться дисперсным упрочнителем, тормозящим дислокации, в том случае, когда она равномерно распределена между зернами в объеме металла [5]. Однако, если ИМС будет присутствовать в виде непрерывной полосы на границе или на линии сплавления двух металлов, то в этом случае она будет нести угрозу разрушению соединения, слабой областью будет являться линия перехода или ЗТВ от ИМС к основному металлу.

В табл. 1 приведены характеристики возможности сварки некоторых пар металлов. Как видно из таблицы отличной свариваемостью обладают только медь и никель. Это связано с тем, что эти материалы обладают химическим сродством, образовывают твердый раствор замещения неограниченной растворимости. Остальные пары металлов в основном обладают удовлетворительной свариваемостью. Поэтому важной задачей является обеспечение равномерности диффузионных процессов по толщине свариваемых встык материалов.

Одним из эффективных методов сварки разнородных материалов является лазерная сварка [10–12]. При сварке разнородных металлов основным преимуществом является высокая скорость сварки и концентрированность энергии, позволяющие, минимизировать время взаимодействия соединяемых металлов, как правило, имеющих разную температуру плавления, ограниченную взаимную растворимость, коэффициенты теплоемкости и теплопроводности. Минимизация времени взаимодействия приводит к минимизации образования интерметаллидов между свариваемыми металлами, которые обычно имеют высокую твердость и хрупкость, низкую тепло- и электропроводность.

Цель работы – ​количественный и качественный анализ мировых тенденций лазерной сварки разнородных металлов, обзор мировых трендов, способов и техник соединения.

АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ МИРОВЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Как показывает анализ публикаций по реферативной базе данных Scopus за последние 4 года по теме лазерная сварка разнородных металлов опубликовано около 270 статей, 70% из которых в высокорейтинговых журналах, остальные в материалах конференций и переводных журналах. На рис. 1 представлено распределение количества статей по лазерной сварке различных пар металлов за 2016–2019 года включительно. Как видно, наибольшее количество публикаций посвящено соединению стали с алюминием (26%), данные соединения широко применяются в автостроении, поэтому в данных работах, в основном, описываются технологии сварки или сварки-­пайки листовых заготовок малых толщин (до 2–3 мм). На втором месте среди пар металлов находится пара титан + алюминий (9%), данные соединения широко применяются в авиа- и ракетостроении, изделиях космического назначения, в которых основным требованием является минимизация веса.

Полное содержание статьи: https://www.photonics.su/files/article_pdf/8/article_8440_649.pdf