ИМПУЛЬСНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА ТОНКОЛИСТОВЫХ МЕТАЛЛОВ

ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПОЛУЧЕНИЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МОГУТ БЫТЬ УСПЕШНО ПРИМЕНЕНЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ. ОПЫТ ИХ ВНЕДРЕНИЯ ПОКАЗЫВАЕТ ШИРОКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ СОЕДИНЕНИЙ В ИЗДЕЛИЯХ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ.

Точечная импульсная лазерная сварка часто приме няется для соединения деталей, изготовленных из раз личных металлов и сплавов толщиной 0,05…1,0 мм. При ее использовании для изделий из тонколистовых метал лов в сварных точках могут возникать дефекты в виде сквозных прожогов.

Рассмотрение условий, при которых происходит фор мирование точечных сварных соединений, показывает, что при воздействии высококонцентрированного импуль сного лазерного излучения в зоне его воздействия проис ходит нагрев металла до высоких температур. Материал проплавляется на всю толщину листа, а поверхностные слои испаряются в результате перегрева металла. Над поверхностью сварочной ванны формируется высокоско ростная газовая струя перегретого пара — парогазовый факел, оказывающий на расплавленный металл газоди намическое давление. Воздействие парогазового фак тора на поверхность сварочной ванны может приводить к ее прогибу и образованию в центре сквозного отвер стия [1]. При внимательном рассмотрении установлено, что на расплав в основном оказывают силовое воздействие следующие факторы:

• газодинамическое давление парогазового факела;
• давление лазерного излучения (светового потока);
• гидростатическое давление расплавленного ме талла сварочной ванны;
• давление, обусловленное силами поверхностного натяжения.

Сравнение глубины проплавления исследуемых ме таллов при равной длительности импульса показало, что энергия импульса, необходимая для получения одина ковой глубины проплавления — 0,4 мм, для вольфрама в десятки раз больше по сравнению с титаном. Кроме того, удельные затраты энергии на плавление сплава ВНЖ 7–3 значительно больше по сравнению с титаном.

Воздействие излучения лазера при сварке на собран ные встык детали неизбежно приведет к неравномер ному плавлению свариваемых кромок, следовательно, получение симметричного сварного шва практически невозможно. В результате экспериментальных исследо ваний установлено, что при симметричной наводке луча происходит смещение сварной точки в сторону титана на 18–20 % от диаметра сварной точки. Наблюдались вы плески титана, глубина проплавления со стороны титана составляла 0,49 мм, тогда как со стороны ВНЖ 7–3 была ничтожно малой. Для увеличения глубины проплавления сплава ВНЖ 7–3 луч наводился под углом (рис. 2).

В ходе работ была изучена техника формирова ния сварного соединения при сварке и отработан спо соб наводки луча под углом, обеспечивающий тре буемое очертание сварочной ванны и необходимую прочность сварного соединения. Угол наклона поверхно сти свариваемых встык металлов должен быть в преде лах 18–22 градусов к горизонтали. Со стороны сплава ВНЖ 7–3 в образовании сварочной ванны участвует главным образом связующая составляющая Fе-Ni как более легкоплавкая, а зерна вольфрама могут перехо дить в сварочную ванну, не успев раствориться в жидком расплаве. Состояние микроструктуры на границе сплава ВНЖ 7–3 показывает, что образуется хорошая структур ная связь, которая может обеспечить необходимую проч ность сварного соединения. В макро- и микроструктуре сварных образцов видно, что образование сварного шва происходит главным об разом за счет ВТ1–0 при наличии заметного переходного слоя между сварной точкой и сплавом BHЖ 7–3.

В струк туре наблюдаются следы интенсивного перемешивания свариваемых металлов в жидкой ванне. На приведен ной фотографии видно хорошее сплавление сваривае мых сплавов. Образование сварочной ванны происходит главным образом за счет сплава ВТ1–0. Таким образом, в режимы лазерной сварки титана и сплава ВНЖ реко мендуется ввести новый параметр — угол наклона по верхности свариваемых изделий по отношению к углу наводки луча. При его обеспечении получается наиболь шая зона сплавления со сплавом ВНЖ при меньшей глубине его расплавления, но при одинаковой глубине проплавления обоих металлов. Такое соединение оче видно обеспечивает наибольшую прочность при испыта нии на срез, что и подтвердили механические испытания (прочность на срез 350–370 МПа, прочность на разрыв 540 МПа).

Рентгеноспектральным анализом определен характер распределения основных химических элементов (титана, вольфрама) и их относительное количество в сварном шве. Видно, что в сварном шве содержится оба анали зируемых элемента. Следовательно, в процессе сварки происходит перемешивание металла во всем объеме жидкой ванны. При этом тугоплавкий вольфрам получает распространение по всему объему ванны, достигая проти воположной границы сварной точки. В распределении ти тана по поперечному сечению наблюдается более значи тельная неравномерность, чем у вольфрама. На участке с очень высокой концентрацией вольфрама содержание титана соответственно падает. Характер распределения вольфрама показывает, что в сварном соединении воль фрам присутствует не только в виде отдельных зерен как очень тугоплавкий металл, но и в твердом растворе.

Снижение металлоемкости и уменьшение габаритов при сохранении эксплуатационных характеристик явля ется одной из тенденций приборостроения. Аналогич ные рассмотренной задачи возникают при изготовлении и реновации ювелирных изделий, изготовлении хирурги ческих инструментов, датчиков различного назначения и др. Данный пример показывает возможности импуль сной лазерной технологии и подходы к ее внедрению.

А. Ю. Албагачиев, Н.И. Минаева,
В. И. Привезенцев, Н. Н. Чунихин
Московский технологический университет