Способ сварки-пайки разнородных металлических сплавов лазерным лучом
METHOD OF WELDING AND SOLDERING OF DISSIMILAR METAL ALLOYS WITH A LASER BEAM

Изобретение относится к области сварочного производства, в частности к технологии лазерной сварки заготовок из разнородных металлических сплавов.
Известен способ лазерной сварки с колебанием луча (патент №2004137808, МПК В23К 26/00(2000.01), опубл. 14.05.2018). Способ сварки металлических компонентов содержит следующие этапы: перемещение луча лазера в первом направлении вдоль границы перехода между парой металлических компонентов так, что в непосредственной близости к лучу лазера металл каждого из компонентов плавится и испаряется, и образуется соединительное углубление в лунке расплавленного металла; и колебание лазерного луча в направлении, отличающимся от первого направления так, что соединительное углубление выполняет колебание через лунку расплавленного металла, и расплавленный металл заполняет соединительное углубление по мере того, как положение соединительного углубления перемещается.
Однако в известном способе предлагается осуществлять колебания луча, поперечные направлению сварки (перемещению луча вдоль стыка). При этом поперечные колебания луча приведут к раскачиванию ванны расплавленного металла и образованию V-образной ванны расплава (ширина верхней части расплава будет в 1.5-3 раза больше ширины нижней части расплава) ввиду того, что во фронтальных областях поперечного колебания луча проплав металла соединяемых заготовок будет иметь меньшую глубину, чем в центральной части. Это объясняется тем, что воздействие лазерного луча на фронтальные области ванны расплава в два раза меньше по времени, чем на центральную часть. Если, при постоянной частоте колебаний лазерного луча, принять время воздействия на центральную область расплавляемого металла за 50%, то время воздействия на две фронтальные области будет равно 50% / 2, что и приведет к меньшей глубине проплава фронтальных областей. Также в известном способе не применяется смещение лазерного луча на одну из свариваемых заготовок для сварки разнородных металлов.
2
1
2
1
1
2
1
2
Известен способ сварки деталей разной толщины из разнородных металлов (патент №2552823, МПК В23К 26/232, В23К 33/00, В23К 26/60, В23К 26/70, опубл. 10.04.2011). Способ заключается в том, что для сварки деталей разной толщины из разнородных металлов в среде инертных газов, формируют технологический бурт на тонкостенной детали с высотой бурта в 3-4 раза больше ее толщины, а бурт на толстостенной детали формируют с высотой, равной высоте бурта тонкостенной детали, и с толщиной, выбираемой в зависимости от коэффициента отражения свариваемых деталей по формуле S=(1+Δ)⋅S, где Δ=R-R, R - коэффициент отражения толстостенной детали, R - коэффициент отражения тонкостенной детали, S - толщина бурта тонкостенной детали, S - толщина бурта толстостенной детали, при этом детали сваривают лазерным лучом, который направляют на стык упомянутых буртов.
Однако в известном способе не будут обеспечены металлические связи свариваемых заготовок по всей площади. Как видно на фотографиях микроструктуры, представленных в описании способа, монолитное соединение наблюдается только на торцах заготовок, образованных буртами, что не будет обеспечивать равнопрочного соединения. Также недостатком данного способа является необходимость изготовления технологического бурта механической обработкой.
Известен способ лазерной сварки деталей из разнородных металлов (патент №2415739, МПК В23К 26/40, В23К 9/23, В23К 33/00, опубл. 10.04.2011), наиболее близкий к заявляемому изобретению и принятый за прототип. Способ заключается в том, что плоскость стыкового соединения деталей из разнородных металлов выполняют наклонной по касательной к сегменту зоны термического влияния сварного шва. Лазерное излучение фокусируют на более тугоплавкий материал на расстоянии от стыковой плоскости. Угол наклона плоскости стыкового соединения и расстояние фокусировки рассчитывают из условия обеспечения отсутствия испарения легкоплавкого материала.
Однако в известном способе необходимо производить предварительную механическую обработку для обеспечения угла наклона плоскости стыкового соединения. Ввиду воздействия лазерным излучением для нагрева и плавления на более тугоплавкий материал, взаимодействующий с менее тугоплавким под определенным углом, существует вероятность неравномерного нагрева свариваемых заготовок. С учетом различного коэффициента термического расширения свариваемых сплавов данное обстоятельство может привести к неравномерному охлаждению и появлению остаточных напряжений в сварном соединении, что приведет к снижению прочностных свойств образованного сварного соединения.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение качественного, равнопрочного, надежного стыкового сварного соединения заготовок из разнородных металлов.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении прочности и надежности сварного соединения из разнородных металлов.
Технический результат достигается тем, что в способе сварки-пайки разнородных металлических сплавов лазерным лучом, включающем перемещение лазерного луча вдоль стыка между соединяемыми заготовками, новым является то, что лазерный луч смещают на одну из соединяемых заготовок на расстояние 0.5-5.0 мм от линии стыка при этом осуществляют лазерным лучом круговые колебательные движения по диаметру 1-2 мм, интенсифицируя взаимодействие жидкого металла расплавляемой заготовки со второй заготовкой, смачивая ее, что приводит к образованию металлических связей между заготовками.
Лазерный луч смещают на заготовку из более жидкотекучего сплава.
Лазерный луч смещают на заготовку из сплава, с большей поглощающей способностью излучения используемой длины волны лазера.
Лазерный луч смещают на заготовку из сплава, имеющего наименьшую смачиваемость металлом другой свариваемой заготовки.
Скорость вращения луча находится в пределах 10-100 об/сек.
На фигуре 1 представлена принципиальная схема сварки-пайки заготовок из разнородных сплавов со смещением лазерного луча на расплавляемую заготовку.
На фигуре 2 представлен вид сверху соединяемых заготовок и показана траектория круговых колебаний луча.
Позиции на фигурах: 1 - расплавляемая заготовка, 2 - нерасплавляемая заготовка, 3 - лазерный луч, 4 - расстояние отступа лазерного луча от плоскости стыка, 5 - плоскость стыка, 6 - поперечное сечение сфокусированного лазерного луча, 7 - положение лазерного луча на траектории круговых колебаний, 8 - направление сварки, 9 - траектория прямолинейного перемещения луча, 10 - радиус траектории колебаний луча, 11 - траектория круговых колебаний луча, 12 - направление круговых колебаний луча (по или против часовой стрелки).
Сущность способа заключается в следующем.
Механической и (или) химической обработкой подготавливают заготовки из разнородных сплавов для сварки встык. Совмещают заготовки торцами образовывая плоскость стыка, фиксируют заготовки. Направляют лазерный луч 3 на заготовку либо из сплава, с большей поглощающей способностью излучения используемой длины волны лазера, либо из сплава, имеющего наименьшую смачиваемость в жидком состоянии металлом втор ой свариваемой заготовки. Включают подачу защитного газа, через 10-15 секунд одновременно включают систему круговых колебаний луча и лазерное излучение, перемещают лазерный луч 3 по траектории 9, параллельной плоскости стыка 5. При этом лазерный луч 3 смещают на расстояние 4 (0.5-5.0 мм) от края расплавляемой заготовки 1, контактирующего с нерасплавляемой заготовкой 2. Лазерный луч 3 перемещают до конца стыка заготовок, либо на необходимое расстояние, выключают лазерное излучение и через 20-30 секунд выключают систему подачи защитного газа.
Круговые движения лазерным лучом, по или против часовой стрелки, осуществляют таким образом, чтобы обеспечить направление потока и натекание расплавляемого металла в сторону второй нерасплавляемой заготовки. Предполагается, что таким образом будут создаваться условия образования минимального интерметаллидного слоя за счет плавления лазерным лучом кромки только одной из свариваемых заготовок, смачивания металлом расплавленной заготовки кромки нерасплавленной заготовки, гидродинамически благоприятного течения металла расплавляемой заготовки, создаваемого круговыми колебаниями лазерного луча, обеспечивающего равномерность формы сварочной ванны по всей толщине свариваемых заготовок.
Режимы сварки-пайки зависят от толщины листа, требуемой глубины проплавления. Основными параметрами режимов сварки-пайки являются линейная скорость перемещения лазерного луча, мощность лазерного излучения, расстояние смещения лазерного луча на расплавляемую заготовку, радиус траектории круговых колебаний лазерного луча, скорость вращений лазерного луча, направление колебаний луча по или против часовой стрелки в плоскости нормали к направлению лазерного луча. Основные параметры режимов задаются программой роботизированного или автоматизированного комплекса.
При сварке-пайке заготовок больших толщин (≥5 мм) используется плавное нарастание и убывание мощности лазерного луча, с целью обеспечения стабильности процесса плавления заготовки, т.е. недопущения разбрызгивания, спокойного поведения расплавленного металла и улучшения косметических характеристик свариваемых заготовок.
Таким образом, за счет минимизации ширины хрупкого интерметаллидного слоя посредством смещения и вращения лазерного луча достигается повышение прочности и снижение хрупкости сварно-паянного соединения заготовок из разнородных металлических сплавов.
Обоснование технического результата заключается в следующем. Металл расплавляемой лазерным лучом заготовки переходя в жидкое состояние смачивает кромку нерасплавляемой заготовки, в результате чего на границе твердый металл - жидкий металл образуются металлические связи между твердым и жидким металлами свариваемых заготовок. Так как заготовка, на которую будет направлен лазерный луч, будет расплавляться, то для этой заготовки процесс будет классифицирован как сварка, для нерасплавляемой заготовки процесс будет классифицирован как пайка. При перемещении лазерного луча по прямой, параллельной плоскости стыка, жидкий металл расплавляемой заготовки после взаимодействия с кромкой нерасплавляемой заготовки кристаллизуется и переходит в твердое состояние, в результате чего образуется монолитное неразъемное соединение разнородных металлов. При этом параметры круговых колебаний луча (радиус вращения и скорость вращения) подбираются таким образом, чтобы положительно влиять на гидродинамику ванны расплава, создавая набегающий поток жидкого расплавляемого металла на кромку металла нерасплавляемой заготовки, что способствует равномерному по глубине смачиванию кромки металла нерасплавляемой заготовки. Как было сказано ранее, поперечные колебания луча приведут образованию V-образной ванны расплава (ширина верхней части расплава будет в 1.5-3 раза больше ширины нижней части расплава) ввиду того, что в фронтальных областях поперечного колебания луча проплав металла соединяемых заготовок будет иметь меньшую глубину, чем в центральной части. Тогда как в случае круговых колебаний будет образовываться цилиндрообразная сварочная ванна, с приближенными к параллельным, противоположными стенками, что также будет способствовать равномерному по глубине смачиванию и взаимодействию металла расплавляемой заготовки с кромкой металла нерасплавляемой заготовки.
Скорость вращения и расстояние смещения лазерного луча существенно влияют на скорость и объем диффузионных процессов между металлом расплавляемой заготовки и металлом нерасплавляемой заготовки, что будет влиять на ширину образовывающегося интерметаллидного слоя его химический и фазовый состав. В свою очередь минимизация хрупкого интерметаллидного слоя будет способствовать уменьшению хрупкости соединения и повышению его прочности.