Испарение легирующих элементов в материалах, свариваемых с применением лазерного излучения

Хаскин Владислав Юрьевич

доктор технических наук, сотрудник Китайско-украинского института сварки им. Е. О.Патона (Гуандунский Генеральный Институт промышленных технологий (Гуанчжоусский научно-исследовательский

институт цветных металов)), КНР, старший научный сотрудник Института электросварки им. Е.О.Патона НАН Украины, Украина

Коржик Владимир Николаевич

доктор технических наук, директор Китайско-украинского института сварки им. Е. О.Патона (Гуандунский Генеральный Институт промышленных технологий (Гуанчжоусский научно-исследовательский

институт цветных металов)), КНР, руководитель отдела Института электросварки им. Е.О.Патона НАН Украины, Украина

Пелешенко Святослав Игоревич,

инженер, сотрудник Южно-Китайского технологического университета, Китай

Ву Бой

инженер, научный сотрудник Китайско-украинского института сварки им. Е.О.Патона (Гуандунский Генеральный Институт промышленных технологий (Гуанчжоусский научно-исследовательский институт

цветных металлов)), Китай

ИСПАРЕНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ В МАТЕРИАЛАХ, СВАРИВАЕМЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

EVAPORATION OF ALLOYING ELEMENTS IN THE MATERIAL TO BE WELDED USING LASER RADIATION Аннотация: в работе проведено определение влияния погонной энергии лазерной и лазерно-дуговой сварки на изменение литом металле шва доли легирующих основной металл элементов.

Ключевые слова: лазерное излучение, лазерно-дуговая сварка, стали, алюминиевые и титановые сплавы, погонная энергия, легирующие элементы, содержание в основном металле.

Abstract: This paper conducted to determine the effect of heat input laser and laser-arc welding to change the cast weld metal alloying proportion of base metal elements.

Key words: laser light, laser-arc welding, steel, aluminum and titanium alloys, heat input, alloying elements, the content in the base metal.

Khaskin Vladyslav Yuryiovich

doctor of sciences, an employee of the E.O.Paton Chinese-Ukrainian Institute of Welding (Guangdong General Research Institute of Industrial Technology (Guangzhou Research Institute of Non-ferrous Metals)), China,

senior research staff, E.O.Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Science of Ukraine, Ukraine

Korzhyk Volodymyr Mykolayovych

doctor of sciences, director of the E.O.Paton Chinese-Ukrainian Institute of Welding (Guangdong General Research Institute of Industrial Technology (Guangzhou Research Institute of Non-ferrous Metals)), China,

head of the department of the E.O.Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Science of Ukraine, Ukraine

Peleshenko Sviatoslav Yhorevych,

engineer, researcher, South China University of Technology, China Wu Boyi

engineer, research staff, E.O. Paton Chinese-Ukrainian Institute of Welding of the Guangdong General Research Institute of Industrial technology (Guangzhou Research Institute of Non-ferrous metals), China

Постановка проблемы. В последние годы основным ориентиром прогрессивных мировых разработок является ресурсосбережение. Одним из путей его достижения являются снижение металлоемкости сварных конструкций и повышение их эксплуатационных характеристик. Этим задачам отвечают лазерные технологии, отличающиеся, также, меньшим количеством выбросов вредных сварочных аэрозолей в атмосферу. Внедрение технологий лазерной и лазерно-дуговой (гибридной) сварки с гарантированным уровнем содержания легирующих элементов позволяет снизить вес сварных конструкций

из высокопрочных материалов за счет уменьшения размеров швов при сохранении их прочности и надежности, а также дает возможность создавать новые облегченные конструкции (например, сотовые панели в кораблестроении [1]). Кроме того, получение неразъемных соединений с сохранением количества легирующих элементов на уровне основного металла позволяет повышать эксплуатационный ресурс изготовленных конструкций, что делает их более долговечными и надежными.

Основным условием лазерной и лазерно-дуговой сварки является образование парогазового

канала, существующего за сет испарения свариваемого материала. Поскольку парциальное давление паров различных химических элементов, входящих в свариваемые сплавы, различно, часть их может оседать на стенках канала и возвращаться в сварочную ванну, а часть - безвозвратно испаряться. Это делает актуальной задачу определения такого диапазона технологических режимов лазерной и гибридной сварки, который позволит получать соединения с повышенными эксплуатационными характеристиками за счет содержания легирующих элементов в швах и ЗТВ на уровне основного металла (или большем, за счет дополнительного легирования).

Анализ последних исследований и публикаций. Основными трудностями расчета скорости испарения легирующих элементов являются оценка скорости конденсации испарений на поверхности ванны [2, 3] и определение влияния плазмы, образующейся над парогазовым каналом, на замедление скорости испарения [4, 5]. При действии на металл лазерного излучения с высокой плотностью теплового потока, может иметь место значительная степень конденсации пара, поэтому кинетика конденсации паров должна учитываться при расчете суммарной скорости испарения.

Анисимов и Рахматулина (Anisimov, Rakhmatulina) [2], а также Найт (Knight) [3], вывели уравнение для расчета скорости конденсации паров чистых металлов при помощи решения уравнений сохранения массы, импульса и энергии в тонком пограничном слое между жидкостью и паром, известном как слой Кнудсена. В последующих исследованиях акцент был сделан на расчет скорости испарения с учетом конденсации паров. DebRoy и др. [6] синтезировали принципы расчета испарения чистых металлов под влиянием лазерного излучения на основе учета явлений переноса в сварочной ванне и газодинамических явлений в парогазовой фазе. Расчетные скорости оказались хорошо согласованными с экспериментальными данными. Однако, во всех этих работах влияние образующейся над парогазовым каналом плазмы [7, 5] не учитывалось, и не делались попытки спрогнозировать изменения состава сварного шва в зависимости от испарения тех или иных элементов.

В работах [4, 8, 9] суммарную скорость испарения легирующих элементов определяли по измеренным значениям потер веса в образце и времени взаимодействия лазерного излучения с материалом. Состав конденсата определялся атомно-абсорбционной спектроскопией. Скорость испарения отдельных легирующих элементов определяли по общей скорости испарения и составу конденсата при прямом измерении количества испарившихся легирующих элементов при помощи эмиссионной спектроскопии.

Было установлено, что во время сварки нержавеющих сталей, в парогазовой фазе доминируют железо, марганец, никель и хром. Рассчитанные в работе [10] по уравнению Ленгмюра значения относительных скоростей испарения различных легирующих элементов оказались значительно большими, чем фактические скорости испарения при

общепринятых сварочных режимах. Даже при низких давлениях, порядка 0,2 мм. рт. ст., скорость испарения капель чистого металла была приблизительно на порядок меньшей, чем ее значение, рассчитанное по уравнениям Ленгмюра [9]. Это свидетельствует о перспективности пути проведения физических (технологических) экспериментов.

Эксперименты по определению испарения отдельных легирующих элементов при дуговой сварке алюминиевых сплавов проводились в ИЭС им. Е.О.Патона в 1980-1990 годы [11-13]. Они показали склонность к уменьшению содержания магния в металле электродной проволоки и сварного шва в зависимости от роста средней температуры электродных капель и сварочной ванны. Вероятно, при лазерно-дуговой сварке можно ожидать проявления подобного эффекта.

Таким образом, целесообразно проверять склонность к снижению содержания магния, марганца, никеля и хрома в сталях, алюминиевых и титановых сплавах, свариваемых лазерным и гибридным способом.

Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы. Для получения сварных швов с улучшенными физико-химическими

характеристиками целесообразно минимизировать долю испарившихся составляющих. Этого можно достичь путем снижения средней температуры сварочной ванны. При этом, для сохранения необходимой глубины проплавления, целесообразно модифицировать термический цикл определенным образом. Такая модификация термического цикла должна позволить одновременно повысить эффективный КПД процесса сварки. Примером может быть гибридная лазерно-дуговая сварка организованная таким образом, чтоб достичь «кинжального» проплавления не только за счет действия лазерного излучения, а преимущественно путем применения электродинамических сил сварочной дуги, сжатой этим излучением. Другим примером является применение импульсной модуляции лазерного излучения и дуги с определенными формами импульсов.

Для проведения исследований мы выбрали методику определения распределения легирующих элементов в сваренных образцах по поперечным и продольным сечениям швов. В том числе, перпендикулярно линии сплавления от литого металлу шва через ЗТВ к основному металлу. Такая методика позволит установить зависимость доли (в процентах) выгорания того или другого элемента от плотности мощности излучения, скорости и погонной энергии сварки.

Цель статьи. Определение влияния погонной энергии лазерной и лазерно-дуговой сварки на изменение доли легирующих основной металл элементов в литом металле шва, что позволит создать новый подход к выбору параметров технологических режимов, обеспечивающих получение сварных соединений с повышенными функциональными характеристиками.

Изложение основного материала. Лазерную и лазерно-дуговую сварку проводили в защитных газах

(Аг, СО2 и их смесь 82%Ar+18%CO2) согласно схемам, описанным в [14]. Расход газов составлял 14...20 л/мин. Использовали волоконный и Nd:YAG-лазеры мощностью 400 и 4400 Вт, соответственно. Плотность мощности излучения волоконного лазера составляла 2-107 Вт/см2, а Nd:YAG-лазера - 3,5-106 Вт/см2. Для питания дуги использовали источники ВДУ-601 и ПСГ-500. При лазерно-микроплазменной сварке алюминиевого сплава использовали микроплазменный источник разработки ИЭС им. Е.О.Патона. В качестве материала образцов использовали стали 09Г2С (толщиной 5=10 мм), 14ХГН2МДАФБ (5=4 и 6 мм), алюминиевый сплав АМг6 (5=1,2 мм), титановый сплав Т110 (5=12 мм).

Сначала на образцах из стали 09Г2С (5=10 мм) выполнялись наплавки лазерным и гибридным лазер-ТЮ способами. Режимы сварки приведены в табл.1. Затем, по продольным и поперечным шлифам методом

спектрального анализа определяли содержание углерода, кремния и марганца (в массовых %). Получившиеся результаты представлены на рис.1. Эти результаты позволяют утверждать, что при лазерной и гибридной сварке происходит незначительное уменьшение содержания кремния и марганца. При гибридной сварке этот эффект проявляется сильнее, чем при лазерной, что связано с большей погонной энергией.

Еще одна серия экспериментов была проведена на образцах из высокопрочной стали 14ХГН2МДАФБ (5=4 и 6 мм). Наплавки на листовых образцах выполнялись лазерным и гибридным лазер-ТЮ способами. Режимы приведены в табл.2. Результаты спектральных исследований содержания легирующих элементов в полученных наплавках приведены на рис.2.

№ п/п Тип сварки Мощность Р, кВт Заглубление фокуса ДБ, мм Скорость сварки V, м/ч Сварочный ток I, А Напряжение и, В Погонная энергия -Елог^ Дж/мм

1. Лазерная 4,4 кВт -3 60 - - 270

2. Гибридная 4,4 кВт -3 48 400 20 930

Таблица 1. Режимы лазерной и гибридной лазер-ТЮ сварки стали 09Г2С.

1 2 3

Рис. 1. Влияние вида сварки на содержание легирующих элементов %Э [масс. %] в литом металле шва: 1

- лазерная сварка; 2 - гибридная сварка; 3 - основной металл сталь 09Г2С (8=10 мм).

Для сравнения с полученными гибридным лазер-ТЮ способом результатами повели гибридную лазер-MАG сварку образцов из стали 14ХГН2МДАФБ (5=6 мм). Для повышения точности сравнения параллельно с гибридной, проводили как лазерную сварку, так и с лазерную сварку присадочной

проволокой Св-10ХН2ГСМФТЮ (диаметр 1,2 мм), на режимах, приведенных в табл.3. Результаты спектральных исследований содержания легирующих элементов в полученных этими способами наплавках приведены на рис.3.

Таблица 2. Режимы лазерной и гибридной лазер-ТЮ сварки стали 14ХГН2МДАФБ.

№ Тип сварки Мощность Заглубление Скорость Сварочный Напряжение Погонная

п/п Р, кВт фокуса ДБ, мм сварки V, ток I, А и, В энергия

м/ч Епог, Дж/мм

1. Лазерная 4,4 кВт -2 27 - - 590

2. Гибридная 4,4 кВт -2 42 200 17 670

2,5

1,5

0,5

0

/ /

н

ъь

О Ряд1 В Ряд2  Ряд3

С Мп Сг N

Рис.2. Влияние вида сварки на содержание легирующих элементов %Э [масс. %] в литом металле шва из стали

14ХГН2МДАФБ (8=6 мм): 1 - лазерная сварка; 2 - гибридная сварка; 3 - основной металл.

Из сравнения данных рис.2 и рис.3 видно, что в случае лазер-ТЮ сварки наблюдается некоторое снижение содержания углерода, марганца, хрома и никеля (рис.2). Это объясняется большей, по сравнению с лазерной сваркой, погонной энергией. В

случае лазер-МАG сварки снижение содержания легирующих элементов значительно меньше (рис.3). Повышенное, по сравнению с основным металлом, содержание никеля можно объяснить его попаданием в шов из электродной проволоки.

Таблица 3. Режимы лазерной и гибридной лазер-МАG сварки стали 14ХГН2МДАФБ

№ п/ п Тип сварки Мощност ь Р, кВт Заглублени е фокуса ДБ, мм Скорост ь сварки V, м/ч Скорость подачи проволоки , м/ч Сварочны й ток I, А Напряжени е и, В Погонна я энергия Епог> Дж/мм

1. Лазерная 4,4 кВт -1 45 - - - 350

Лазерная с проволоко й 4,4 кВт -1 66 180 240

2. Гибридная 4,4 кВт -1 60 180 120 4 300

2

2,5-

1,5

о го

0,5

0

Ряд1 0 Ряд2

Ряд3

Ряд4

С Мп Сг N Мо

Рис.3. Влияние вида сварки на содержание легирующих элементов %Э [масс. %] в литом металле шва из

стали 14ХГН2МДАФБ (8=6мм): 1 - лазерная сварка; 2 - лазерная сварка с присадочной проволокой Св-10ХН2ГСМФТЮ; 3 - гибридная сварка с использованием плавящегося электрода Св-10ХН2ГСМФТЮ; 4 - основной металл.

2

1

Провары в Тьсплаве Т110 (5=12 мм) выполнялись лазерным, гибридным лазер-ТЮ и дуговым способами. Режимы приведены в табл.4. Спектральному анализу подвергали верхние слои литого металла швов. Их результаты приведены на рис.4. Эти результаты позволяют утверждать, что при всех видах сварки легированных титановых сплавов наблюдается снижение содержания в литом металле швов таких элементов, как алюминий и ванадий. Молибден может диффундировать или из ЗТВ в метал шва, или из нижних слоев литого металла в верхние.

Таблица 4. Режимы лазерной и гибридной лазер-ТЮ сварки сплава Т110.

№ Тип сварки Мощность Заглубление Скорость Сварочный Напряжение Погонная

п/п Р, кВт фокуса ДБ, мм сварки V, ток I, А и, В энергия

м/ч Епог>

Дж/мм

1. Лазерная 4,4 кВт -3 24 - - 660

2. Гибридная 4,4 кВт -3 24 200 18 1200

3. Дуговая - - 12 200 18 1080

Слабее всего эти тенденции выражены при лазерной сварке, а более интенсивно - при дуговой. Гибридная сварка занимает промежуточное положение.

Сварка алюминиевого сплаву АМг6 (5=1,2 мм) торцевым швом выполнялась лазерным и гибридным лазерно-микроплазменным способами. Режимы сварки приведены в табл.5. Результаты спектрального анализа уровня содержания Mg и Мп в литом металле швов и основном металле, приведены на рис.5.

5-

4-"

НЫЛ

А1  V

Мо

12 3 4

Рис.4. Влияние вида сварки на содержание легирующих элементов %Э [масс. %] в литом металле шва: 1 - лазерная сварка; 2 - гибридная сварка; 3 - дуговая сварка; 4 - основной металл сплав Т 110 (8=12 мм).

Таблица 5. Режимы лазерной и гибридной лазерно-микроплазменной сварки сплава АМг6

№ п/п

Тип сварки

Мощность Р, кВт

Заглубление фокуса ДБ, мм

Скорость сварки V,

м/ч

Сварочный ток I, А

Напряжение и, В

Погонная энергия

Епог, Дж/мм

1.

Лазерная

0,4 кВт

-5

30

50

2.

Гибридная

0,4 кВт

-5

30

30/15

22

120

6

" 3

2

0

о

Мд Мп

Рис. 5. Влияние погонной энергии лазерной и лазерно-микроплазменной сварки на содержание легирующих элементов %Э [масс. %] в литом металле шва из сплава АМг6 (8=1,2 мм): 1 - лазерная сварка с погонной энергией Епог=50 Дж/мм; 2 - лазерно-микроплазменная сварка с погонной

энергией Епог=120 Дж/мм; 3 - основной метал.

Анализ полученных результатов. Основным показателем интенсивности испарения из сварочной ванны является ее средняя температура. В литературе (например, [11-13]) установлено, что чем меньше масса сварочной ванны, тем выше ее средняя температура. Поэтому можно предположить, что увеличение размера сварочной ванны за счет введения

дополнительного теплового источника в случае гибридного процесса (смена термического цикла) способно, при помощи конвективного перемешивания потоков жидкого металла в сварочной ванне, снизить ее среднюю температуру и уменьшить интенсивность испарения легкоплавких легирующих элементов.

7

6

5

4

3

2

0

На основании исследования особенностей процессов лазерной и гибридной сварки можно предложить следующие технологические приемы минимизации эффекта испарения легирующих элементов из свариваемого сплава: введение в сварочную ванну дополнительного количества легирующих элементов путем применения присадочных материалов; замена непрерывного лазерного излучения импульсно-периодическим.

Для аппаратной реализации приемов минимизации эффекта испарения легирующих элементов из свариваемого сплава предлагается конструирование следующего технологического оборудования: для подачи присадочных материалов (в виде проволок - механизмов подачи проволок, в виде порошков - дозаторов для подачи порошков); для модуляции импульсов лазерного излучения; гибридных сварочных лазерно-дуговых головок.

Выводы.

1. При лазерной сварке сталей и титановых сплавов с такими режимами, для которых погонная энергия находится в пределах 150...1100 Дж/мм, а плотность мощности излучения не превышает 106...107 Вт/см2, потери легирующих свариваемый материал элементов лежат в границах марочных стандартов для соответствующих материалов. Для других режимов сварки предложены следующие технологические приемы минимизации потерь легирующих элементов:

- использование гибридной лазерно-дуговой сварки с такими режимами, которые позволяют повышать скорость процесса, модифицировать его термический цикл и одновременно вводить в сварочную ванну необходимые легирующие элементы;

- снижение тепловложения за счет замены непрерывного лазерного излучения импульсно-периодическим с определенными формами импульсов и частотами;

- снижение погонной энергии процесса путем повышения скорости (при отсутствии угрозы образования закалочных структур).

2. При сварке алюминиевых сплавов со снижением погонной энергии и, соответственно, повышением скорости охлаждения, содержание магния и марганца в металле швов возрастает. Этому способствует снижение испарения этих элементов.

3. В случаях лазерной, гибридной и дуговой сварки легированных титановых сплавов происходит выгорание таких элементов, как алюминий и ванадий. Молибден диффундирует или из ЗТВ в металл шва, или из нижних слоев литого металла в верхние. Слабее всего эти тенденции выражены при лазерной сварке, а наиболее интенсивно - при дуговой. Гибридная сварка занимает промежуточное положение.

Примечание. Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках программы иностранных экспертов в КНР N0^020124400119,

проекта R&D инновационной группы провинции Гуандун (KHP)No .201101C0104901263 и

международного проекта Министерства науки и техники KHPNo.2013DFR70160.

Список литературы:

1. Kristensen J. K. State of art in shipbuilding applications of hybrid laser-arc welding / Jens Klsstrup Kristensen // Force technology, Denmark, NOLAMP 12 -Copenhagen, August 2009. - P. 1-13.

2. Anisimov S.I. The dynamics of the expansion of a vapor when evaporated into a vacuum / S.I. Anisimov, A. Kh. Rakhmatulina // Soviet Physics-JETP, 1973, vol.37, pp. 441-444.

3. Найт Ч. Дж. Теоретическое моделирование быстрого поверхностного испарения при наличии противодавления / Ч. Дж. Найт // Ракетная техника и космонавтика. - 1979. - № 5. - C. 81-86.

4. Miller R. Energy absorption by metal vapor dominated plasma during carbon dioxide laser welding of steels / R. Miller, T. DebRoy // J. Appl. Phys., 1990, vol.68, pp. 2045-2050.

5. Sahoo P. Effect of low pressure argon plasma on metal vaporization rates / P. Sahoo, T. DebRoy // Mater. Lett., 1988, vol.6. - pp. 406-408.

6. DebRoy T. Probing laser induced metal vaporization by gas dynamics and liquid pool transport phenomenon / T. DebRoy, S. Basu, K. Mundra // J. Appl. Phys., 1991, vol.70. - pp. 1313-1319.

7. Sahoo P. Effects of oxygen and sulfur on alloying element vaporization rates during laser welding / P. Sahoo, M.M. Collur, T. DebRoy // Metall. Trans. B., 1988, vol. 19B. - pp. 967-972.

8. Collur M.M. Emission spectroscopy of plasma during laser welding of AISI 201 stainless steel / M.M. Collur, T.

DebRoy // Metall. Trans. B., 1989, vol. 20B. - pp. 277286.

9. Dunn G.J. Metal vapors in gas tungsten arcs. Part I: Spectroscopy and monochromatic photography / G.J. Dunn, C.D. Allemand, T.W. Eagar // Metall. Trans. A., 1986, vol. 17A. - pp. 1851-1863.

10. Block-Bolten A. Metal Vaporization From Weld Pools / A. Block-Bolten, T.W. Eagar // Metall. Trans. B., 1984, vol. 15B. - pp. 461-469.

11. Гетманец С.М. Устройство для измерения теплосодержания электродных капель / С.М. Гетманец, В.М. Духно, В.С. Машин // Автомат. сварка. - 1986. - №4. - С. 72-74.

12. Средняя температура металла электродных капель при сварке алюминиевых сплавов в инертных газах / Ищенко А.Я., Машин В.С., Довбищенко И.В. и др. // Автомат. сварка. - 1994. - №1. - С. 48-49.

13. Средняя температура металла ванны при дуговой сварке алюминиевых сплавов в инертных газах / Ищенко А.Я., Машин В.С., Довбищенко И.В. и др. // Автомат. сварка. - 1994. - №11. - С. 15-19.

14. Гибридная лазерно-дуговая сварка углеродистых сталей и алюминиевых сплавов / В.Д.Шелягин, Т.Н.Набок, А.В. Бернацкий, А.В.Сиора // Доповщ НАН Украши. - №7, 2005. - С. 97-102.