Новости

Исследовано влияние ультрадисперсных частиц активирующих флюсов на процесс лазерной сварки.

Дата публикации: 23/09/2011
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

Приведены результаты исследования влияния ультрадисперсных активирующих флюсов на изменение процесса проплавления стали S235JR и качества сварных соединений, выполненных при низких скоростях лазерной сварки.
Стремительное развитие лазерной техники и лазерных технологий позволяет решить множество инженерных задач в области обработки материалов и изготовления ответственных конструкций из сталей, алюминиевых и титановых сплавов. Мощное лазерное излучение обеспечивает сварку за один проход без разделки кромок и присадочного материала с образованием узкого шва с большим отношением глубины проплавления к ширине шва. Вместе с этим лазерная сварка имеет определенные недостатки.
Высокая концентрация энергии при высокой скорости сварки увеличивает скорость охлаждения ЗТВ, что приводит к появлению мартенсита и образованию холодных трещин при сварке низколегированных сталей.
При лазерной сварке со скоростью 14—27 мм/с скорость охлаждения ЗТВ в интервале температур 773—873 К составляет 373—553 К/с, что намного больше оптимальной скорости охлаждения (274—298 К/с). Другие недостатки лазерной сварки — высокие требования к точности сборки деталей и движения оси луча по стыку соединения деталей.
Поэтому лазерная сварка крупногабаритных конструкций осуществляется с применением дорогостоящего оборудования и гибридных способов сварки.
При сварке алюминиевых и титановых сплавов основной проблемой является высокая химическая активность сплавов, которая требует тщательной защиты шва и ЗТВ аргоном и гелием.
В составе инертных газов имеются примеси О2, N2, Н2, которые строго ограничивают.
Однако малого количества примесей может быть достаточно для ухудшения качества шва химически активных сплавов. Результаты исследований кинетики взаимодействия титана с примесями аргона показали, что примеси кислорода до 0,005 % активно окисляют титан с образованием рутила ТiO2, а наличие примесей азота до 0,008 % приводит к образованию нитридов титана TiN.
Лазерная сварка ответственных изделий из сталей, алюминиевых и титановых сплавов осложняется из-за поглощения водорода расплавленным металлом: источником водорода при сварке является влага, которая содержится в атмосфере плазменного факела, защитном газе, ржавчине, оксидных пленках и загрязнениях.
Молекулы воды Н2О и водорода Н2 являются устойчивыми соединениями, которые диссоциируют при температуре плазмы более 2000 — 3500 К.
Для удаления воды и водорода эффективно применение активирующих флюсов, которые связывают молекулы Н2О, Н2. В результате реакций количество водорода в зоне плазмы и расплавленном металле резко снижается, что предупреждает возникновение газовых пор и холодных трещин в сварных швах. Кроме того, активирующие флюсы способствуют раскислению и микролегированию шва, что увеличивает пластичность и работоспособность сварных соединений.
Другим эффектом галогенидных флюсов является возможность целенаправленного изменения границ оптического разряда и коэффициента поглощения плазмы за счет образования вокруг лазерного луча паровой фазы флюса со способностью галогенов к образованию отрицательных ионов.
Цель данной работы д.т.н. Паршина С.Г., студента Паршина С.С. (Ульяновский государственный технический университет), Buerkner G. и Hoenig T. (Германия) — исследование влияния ультрадисперсных активирующих флюсов на изменение процесса проплавления стали S235JR и качества сварных соединений, выполненных при низких скоростях лазерной сварки. Сварку пластин размером 300 х 100 мм толщиной 4 и 6 мм производили с применением Nd:YAG-лазера с максимальной мощностью 2200 Вт.
Осаждение активирующих флюсов на поверхность пластин производили из коллоидных растворов с ультрадисперсными частицами флюса размером 0,1 — 1,0 мкм.
Пластины из стали S235JR толщиной 4 и 6 мм очищали, обезжиривали, прихватывали и наносили активирующий флюс. Затем пластины собирали в нижнем положении в приспособлении без скоса кромок и без зазора и производили автоматическую сварку.
При скорости сварки 10—50 см/мин и мощности лазера 2000 Вт ширина шва при сварке по флюсу СаF2—ВаF2—SrF2 увеличилась на 4,3—8 %, а при сварке по флюсу Li3АlF6—ТiO2—SiO2 —-уменьшилась на 8,7—12 %.
Глубина проплавления при сварке по флюсу СаF2—ВаF2—SrF2 увеличилась на 12,9—18,3 %, а при сварке по флюсу Li3АlF6—ТiO2—SiO2 — на 7,4—13,6 %.
При мощности лазера 1000—2000 Вт и скорости сварки 10 см/мин ширина шва при сварке по флюсу СаF2—ВаF2—SrF2 увеличилась на 5—20 %, а при сварке по флюсу Li3АlF6—ТiO2—SiO2 — на 9—35 %. Глубина проплавления при сварке по флюсу СаF2—ВаF2—SrF2 увеличилась на 7,4—33,3 %, а при сварке по флюсу Li3АlF6—ТiO2—SiO2 — на 18,2—6,6%. Применение активирующих флюсов позволило получить узкие сварные швы пластин толщиной 4 и 6 мм без скоса кромок за один проход.
Сварные швы имели благоприятную мелкозернистую микроструктуру с хорошим формированием корневого шва. Эффективность влияния активирующих флюсов зависит от химического состава и погонной энергии сварки. С увеличением скорости сварки увеличивалась эффективность солевого флюса, а влияние оксидно-солевого флюса уменьшалось.
Это можно объяснить снижением испарения тугоплавких компонентов флюса Li3АlF6—ТiO2—SiO2 и интенсификацией испарения солевого флюса СаF2—ВаF2—SrF2, приводящей к образованию газовой фазы вокруг оптического разряда. Одной из причин влияния активирующих флюсов на формирование швов и проплавление металла может быть изменение эффективного потенциала ионизации газовой смеси вокруг оптического разряда.
При введении галогенидных солей в аргон происходит снижение эффективного потенциала ионизации Uiэф, который определяется в основном потенциалом ионизации Ui металла, входящего в галогенидное соединение. При этом влияние галогенов и аргона на эффективный потенциал ионизации Uiэф меньше в 102 —105 раз.
Уменьшение эффективного потенциала ионизации Uiэф газовой смеси приводит к увеличению коэффициента поглощения лазерного излучения.
Это способствует экранированию граничных зон непрерывного оптического разряда, что увеличивает фокусирование лазерного луча и глубину проплавления металла. Из полученных сварных соединений вырезали образцы по DIN ЕN 10002 для механических испытаний. Среднеарифметические значения механических характеристик сварных соединений определяли по результатам испытаний четырех поперечных образцов, вырезанных из каждого сварного соединения. Сварные соединения, выполненные с активирующим флюсом, имели высокие пластичность и прочность.
Среднее значение предела текучести сварных соединений увеличилось на 3,4—5,3 %, предела прочности — на 1,2—2,4 %, пластичности — на 3,5 %.
Таким образом:
- Применение ультрадисперсных активирующих флюсов при лазерной сварке сталей позволяет улучшить качество сварных соединений, уменьшить ширину сварного шва и увеличить глубину проплавления металла. При этом производительность процесса лазерной сварки в исследованном диапазоне скорости лазера и мощности излучения увеличивается на 7—45 %.
- Основными причинами улучшения процесса лазерной сварки сталей при введении ультрадисперсных частиц активирующих флюсов может являться улучшение фокусировки лазерного излучения за счет экранирования граничных зон оптического разряда при образовании газовой смеси с низким эффективным потенциалом ионизации.
Улучшение качества сварных соединений возможно при удалении вредных примесей в результате металлургических реакций с газовой фазой активирующего флюса.

Источник: «Сварочное производство», 2011, №8, с.45-48

Статьи по теме:

страницы: 1