Исследованы технологические особенности лазерной сварки алюминиевых сплавов.

Дата публикации: 12/12/2010
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

Рассмотрены технологические особенности лазерной сварки конструкций из алюминиевых сплавов. Приведены результаты исследования МГТУ им. Н. Э. Баумана и ФГУП "ВИАМ" (И.Н. ШИГАНОВ, д.т.н., А.А. ХОЛОПОВ, инж., Е.Н. ЙОДА, инж.) наиболее перспективных деформируемых алюминиевых сплавов. Применение сплавов на основе алюминия при изготовлении ответственных изделий авиационной техники обусловливает высокие требования к материалам, качеству изготовления и надежности сварных соединений.
Актуальная задача современного самолетостроения — увеличение доли сварных соединений по отношению к клепаным, что повышает аэродинамические свойства планера и снижает массу самолета, затраты на материалы, трудоемкость и сроки изготовления летательных аппаратов.
Эффективное применение сварки обусловлено совершенствованием ее технологии при создании самолетов нового поколения.
Хорошо отработанные и экономически эффективные технологии дуговой сварки плавлением имеют ряд недостатков применительно к сварным авиационным конструкциям из алюминиевых сплавов.
В первую очередь это значительные деформации в процессе сварки, существенное тепловложение в сварное соединение, склонность к образованию горячих трещин у отдельных материалов.
Особые трудности возникают при сварке материалов средних и больших толщин.
В связи с этим более эффективными являются высококонцентрированные сварочные источники нагрева, такие как электронный и лазерный лучи.
Последний источник более предпочтителен.
Известно, что лазерная сварка характеризуется наименьшим тепловложением по сравнению с другими методами сварки. Поэтому ее применение должно быть целесообразно с точки зрения как остаточных напряжений и деформаций, так и уменьшения размеров зоны разупрочнения в термоупрочняемых сплавах.
Для авиационной промышленности лазерная сварка имеет следующие преимущества:
— снижение коробления деталей после сварки;
— повышение технологичности изготовления деталей;
— высокую степень автоматизации;
— в отличие от электронно-лучевой сварки позволяет осуществлять процесс без применения вакуумных камер, что особенно важно для крупногабаритных конструкций.
В авиастроении выбор марки сплава определяется характером нагрузок элементов конструкции.
Так как алюминиевые сплавы применяют в различных элементах планера самолета, имеющих разную нагрузку и условия работы, то и их состав может существенно отличаться. Для сварных авиационных конструкций используют деформируемые сплавы двух основных групп: термически неупрочняемые и термически упрочняемые.
В данной работе исследовали наиболее перспективные деформируемые алюминиевые сплавы указанных групп, созданные отечественной металлургической промышленностью.
Из группы деформируемых нетермоупрочняемых алюминиевых сплавов исследовали свариваемость сплава АМг6 системы Аl—Мg—Мn, а также сплава 01570 системы Аl—Мg—Sc—Zr. Во второй группе термически упрочняемых деформируемых сплавов были выбраны сплавы 1370 (система Аl—Сu—Мg—Si), 1913 (Аl—Мg—Сu—Zn), 1424 (Аl—Мg—Li) и В-1461 (Аl—СuLi) как наиболее перспективные с точки зрения свариваемости и сочетания физических и механических свойств для изготовления авиационных конструкций.
Для выполнения лазерной сварки требуется высокая мощность лазерного излучения, что обусловливает выбор соответствующего оборудования, способного работать в непрерывном режиме с мощностью более 2,0 кВт.
Отличительной особенностью лазерной сварки алюминиевых сплавов является пороговый характер проплавления, который заключается в том, что расплавление металла начинается только при определенном уровне плотности мощности (около 1 х 10м⁶ Вт/см²).
Этот эффект объясняется сочетанием высокого коэффициента отражения, теплопроводности и теплоемкости алюминия. После начала процесса плавления коэффициент отражения резко снижается и происходит интенсивное проплавление металла с образованием парогазового канала.
Указанный порог плотности мощности зависит от длины волны излучения, параметров фокусировки, скорости сварки, толщины и состояния поверхности пластин, а также состава материала. В качестве промышленных источников для лазерной сварки и резки обычно применяют лазерные установки двух типов: быстропоточные газовые СО2-лазеры и мощные твердотельные лазеры на основе Nd:YАG кристаллов.
Для сварки алюминия и его сплавов с точки зрения их поглощающей способности твердотельные лазеры с длиной волны 1,064 мкм более предпочтительны, чем газовые (10,6 мкм). В настоящее время в промышленности активно применяют новейший тип лазеров — волоконный.
В этих лазерах рабочим телом служит оптоволокно, легированное редкоземельными металлами, а накачка выполняется лазерными диодами.
Луч к фокусирующей системе передается по гибкому оптическому кабелю длиной от 10 до 200 м, что значительно расширяет технологические возможности.
Высокие кпд (около 35 %) и качество излучения в сочетании с длиной волны 1,07 мкм волоконных лазеров позволяют говорить о целесообразности применения данного типа лазеров для сварки алюминиевых сплавов.
Для проведения экспериментов использовали комплекс на основе волоконного иттербиевого лазера фирмы "ИРЭ-Полюс" ЛС-3,5 мощностью 3,5 кВт.
Исследования показали, что уровень плотности мощности, необходимой для начала проплавления, при использовании волоконного лазера примерно в 2 раза меньше чем при использовании СО2-лазера.
Видно, что погонная энергия, необходимая для сварки листа толщиной 2,0 мм волоконным лазером, на 30 % ниже, чем при сварке СО2-лазером.
Сварка алюминиевых сплавов лазерным лучом подразумевает тщательную подготовку поверхности деталей, включающую геометрическую и химико-механическую составляющие. Геометрические требования к подготовке поверхностей определяются максимально допустимым зазором между кромками свариваемых деталей, который составляет 0,1 мм.
Для снижения этих требований отработана технология лазерной сварки с присадочной проволокой. Применение соответствующей присадочной проволоки позволяет снизить требования к зазору до уровня 0,6—1,0 мм.
Для получения качественного сварного соединения шов необходимо защищать от попадания атмосферного воздуха в зону расплава.
В противном случае при сварке алюминиевых сплавов активно образуются оксидные включения, которые являются концентраторами напряжений и источниками разнообразных дефектов. Для защиты сварного шва от окисления можно использовать различные защитные газы (Не, Аr, СО2, N2), а также их смеси.
С точки зрения газовой защиты в зоне лазерного излучения целесообразно применять газы с высоким потенциалом ионизации.
Рекомендуется следующая схема газовой защиты сварного шва: защита поверхности шва — Не с расходом 8—10 л/мин, а корня — Аr (5—8 л/мин).
Сварку образцов для механических испытаний проводили как на СО2-лазере, так и с использованием волоконного лазера. Сварные соединения, полученные излучением СО2- и волоконного лазеров, практически не отличаются по внешнему виду и макроструктуре.
На всех исследованных сплавах наблюдали малые ширину шва и объем сварочной ванны.
В большинстве случаев сечение проплава имеет параллельные стенки.
Анализ внешнего вида сварных соединений показывает, что на всех режимах сварки наблюдается так называемая "чешуйчатость".
Это связано с тем, что процесс лазерной сварки сопровождается кипением, испарением и резким волнообразным охлаждением материала в сварочной ванне.
Результаты исследований показывают, что при скорости сварки до 1,0 м/мин чешуйчатость менее выражена, чем при скорости 2,0—8,0 м/мин.
Варьирование режимами сварки не устраняет чешуйчатость ни на одном из исследованных сплавов. Одним из эффективных технологических приемов является повторный проход по поверхности шва расфокусированным лучом, что позволяет загладить шероховатость поверхности.
Для устранения занижения шва и снижения шероховатости применили метод сварки с присадочной проволокой.
Диаметр и скорость подачи проволоки подбирают исходя из толщины свариваемого материала и скорости сварки, диаметр проволоки при лазерной сварке составляет 0,6—1,2 мм.
Оптимальный угол подачи 25—35 °С.
При сварке с присадочной проволокой принципиально возможны два способа подачи проволоки — перед и за излучением. Направление подачи проволоки может существенно повлиять на эффективность и стабильность процесса.
На скоростях подачи свыше 4 м/мин сварочная ванна более стабильна, когда подача проволоки осуществляется в хвост ванны.
- Металлографические исследования показали, что в ЗТВ при лазерной сварке с плотностью мощности (0,4—0,7)10⁶ Вт/см и погонной энергии ниже 60 кДж/м на всех сплавах практически полностью отсутствует фаза оплавленных эвтектик и укрупнение зерна за счет снижения в десятки раз по сравнению с АрДС времени пребывания металла ОШЗ в области температур выше 400 °С.
ЗТВ составляет 300—400 мкм, что на порядок ниже, чем при АрДС.
Замеры микротвердости по сечению сварного соединения показывают, что в этой зоне микротвердость соответствует основному материалу, причем это не зависит от состава свариваемого материала.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что термоупрочняемые сплавы систем Аl—Мg—Li—Sc, Аl—Мg—Si—Сu и Аl—Zn—Мg—Сu менее подвержены разупрочнению в ЗТВ при лазерной сварке в отличие от АрДС.
Кроме того, по результатам металлографического и рентгеновского контроля в ЗТВ не выявлено образование большого количества легкоплавких эвтектик, пористости, расслоений и кристаллизационных трещин, характерных для АрДС.
Исследование химического состава шва показало, что выгорание таких элементов, как Мg и Li, не превышает 2% от состава основного материала, более тяжелые элементы Сu, Si, Sc, Zr практически не выгорают.
При исследовании литого металла шва установлены особенности изменения схем кристаллизации в зависимости от химического состава материала и погонной энергии.
Испарительный механизм и наличие канала проплавления при лазерной сварке с плотностью мощности (0,4—0,7)10⁶ Вт/см и погонной энергии ниже 24,7—27,3 кДж/м приводит к появлению специфической схемы кристаллизации сварного шва сплавов систем Аl—Мg—Sс—Zr и Аl—Мg—Li—Sc, содержащих Sc, Li и Zr. При этом механизме жидкий металл переносится вокруг парогазового канала с передней стенки на заднюю порциями с частотой 50—60 Гц.
Движущими силами переноса жидкого металла являются силы реакции паров, термокапиллярные силы и силы поверхностного натяжения.
В результате переноса при скорости кристаллизации до 3500 °С/с и особых теплофизических свойств рассматриваемых алюминиевых сплавов, застывание жидкого металла происходит следующим образом.
В периферийной зоне при кристаллизации формируется последовательное чередование слоев мелких, столбчатых кристаллов.
Такие слои, вероятно, образуются в результате сверхскоростного охлаждения первого слоя и невозможностью его прорастания в связи с поступлением новой порции горячего металла, который останавливает рост зерна. В свою очередь в этом слое начинается процесс кристаллизации, тормозящийся последующей порцией жидкого металла.
В центральной части шва после накопления на задней стенке достаточного количества жидкой фазы происходит процесс объемной кристаллизации с образованием мелкодисперсной структуры с равномерным распределением зерен размером 5—15 мкм.
Это обусловлено высокими скоростями кристаллизации в центре шва и значительным термоконцентрационным переохлаждением. Подобная комбинированная структура является специфичной для данных материалов, имеющих низкую температуру плавления и кристаллизации, легированных элементами Sc, Li и Zr в большом количестве.
Эти элементы обеспечивают дополнительные центры кристаллизации и способствуют быстрому выпадению большого количества мелких кристаллов.
Для испытания на механические свойства сваривали пластины размером 200 х 200 мм, из которых были вырезаны образцы без обработки поверхности и корня шва.
Испытания проводили в соответствии с ГОСТ 6996—66 на статическое растяжение, статический изгиб и ударную вязкость.
Тип образцов и соответственно условия проведения испытания выбирали исходя из условия максимального приближения размеров имеющегося образца к регламентированному ГОСТом типоразмеру.
Анализ результатов механических испытаний показал следующее.
Сварка без присадочной проволоки приводит к разрушению материалов независимо от их химического состава по зоне сварного шва.
При этом прочность на разрыв материалов, не подвергавшихся термической обработке перед сваркой, составляла 0,7—0,97 прочности основного материала, а материалов, которые перед сваркой были термически обработаны, — от 0,58 для высокопрочного сплава 1461 до 0,69 для сплавов 1424 и АД37. Применение присадочной проволоки существенно повышает прочность сварных соединений. Практически во всех случаях разрушение происходило по ЗТВ или в непосредственной близости от нее.
В частности, прочность сварных соединений сплава 1424 увеличилась от 292 до 342 МПа и составила 0,8 прочности основного материала, а для сплава АМг6 — от 281 до 300 МПа, что составило 0,84 прочности основного материала. При этом следует отметить, что в данной работе не проводили оптимизацию состава присадочной проволоки. При проведении такой оптимизации возможно дополнительное повышение прочности сварных соединений.
Исследовали влияние зазора при сборке на прочность сварного соединения из сплава АМг6. Установили, что при использовании присадочной проволоки увеличение зазора до 0,5 мм снижает прочность соединения на 4,0 %, а при зазоре 1,0 мм — на 5,0 % по отношению к прочности, достигаемой с зазором 0,1 мм и менее.
Таким образом, для сплава АМг6 при сборке с допустимым зазором до 1,0 мм возможно получение прочности сварного соединения 0,8 прочности основного материала.
Эти результаты существенно расширяют возможности применения лазерной сварки для соединения авиационных конструкций, при сборке которых крайне трудно достичь минимальных зазоров.
Таким образом:
- Применение волоконного лазера для сварки алюминиевых сплавов на 25—30 % эффективнее, чем СО2-лазеров.
- Лазерная сварка обеспечивает формирование мелкодисперсной структуры с размером зерна 5—15 мкм и минимальной ЗТВ не более 300—400 мкм на всех исследованных марках сплавов.
- Применение присадочной проволоки позволяет обеспечить уровень прочности сварных соединений до 0,84 прочности основного металла.
- Сварка с присадочной проволокой, в частности сплава АМг6, снижает требования по сборке стыковых соединений и допускает использование зазоров до 1,0 мм без существенного снижения их прочности.

Источник: «Сварочное производство», 2010, №10, с.32-37

Статьи по теме: