Способ лазерной сварки разнородных металлических сплавов
METHOD FOR LASER WELDING OF DISSIMILAR METAL ALLOYS

Изобретение относится к лазерной сварке разнородных металлических сплавов с контролем формирования состава металла сварного шва, может быть использовано в различных отраслях машиностроения для стыковых, нахлесточных и тавровых типов соединений. Повышение качества достигается за счет своевременного распознавания отклонения лазерного луча от заданной траектории и корректировки его траектории, что минимизирует количество брака и несплавлений.
Изобретение может быть использовано в машиностроении, автомобилестроении, изделиях и аппаратуре теплоэнергетики и теплообменной техники.
Анализ отечественных и мировых тенденций производства аппаратуры теплообменной техники и изделий машиностроения, демонстрирует, что использование разнородных металлических материалов и сплавов, с существенно отличающимися теплофизическими свойствами, имеет несомненные перспективы. Немаловажным является разработка систем контроля и диагностики соединений из разнородных сплавов, особенно, непосредственного контроля формирования состава металла шва в процессе сварки высококонцентрированными источниками энергии, такими как лазерный и электронный луч.
Известен способ сварки-пайки разнородных металлических сплавов лазерным лучом (патент 2732303 МПК B23K 26/346 (2014.01), В23К 31/02 (2006.01), B23K 1/005 (2006.01), B23K 9/23 (2006.01), B23K 33/00 (2006.01) опубликовано 15.09.2020 Бюл. № 26), включающий перемещение луча лазера вдоль стыка между соединяемыми заготовками, отличающийся тем, что лазерный луч смещают на одну из соединяемых заготовок на расстояние 0,5 - 5,0 мм от линии стыка, при этом интенсифицируют взаимодействие жидкого металла расплавляемой заготовки со второй заготовкой и смачивают ее путем осуществления круговых колебательных движений лазерного луча по диаметру 1 - 2 мм с образованием металлических связей между заготовками.
Данный способ предназначен для лазерной сварки-пайки стыковых соединений из разнородных сплавов. В данном способе высокое качество сварно-паянного соединения обеспечивается за счет смещения лазерного луча на один из соединяемых компонентов. Однако, в данном способе не предусмотрена система контроля смещения лазерного луча и процесса сварки-пайки в реальном времени.
Известно устройство для адаптивного управления процессом прямого лазерного выращивания изделия (патент 185518, опубл. 07.12.2018 Бюл. № 34, B33Y 30/00 (2015.01), B22F 3/105 (2006.01), содержащее видеокамеру, оснащенную узкополосным оптическим фильтром, и блок управления, включающий в себя вычислительное устройство с программным ПИД алгоритмом регулирования мощности лазерного луча, при этом видеокамера связана с блоком управления посредством интерфейса Ethernet, отличающееся тем, что оно снабжено триангуляционным лазерным датчиком для измерения размеров изготавливаемого изделия, связанным с блоком управления по интерфейсу Ethernet.
Однако, данное устройство предназначено для регулирования мощности лазерного луча и обеспечения высокой точности управления геометрическими размерами получаемых трехмерных изделий.
Известен способ лазерной сварки с контролем процесса формирования сварного шва (патент 2723493, опубл. 11.06.2020 Бюл. № 17, B23К 26/21 (2019.08), B23К 26/0622 (2019.08)), включающий сварку лазерным лучом с контролем процесса формирования сварного шва, отличающийся тем, что процесс сварки проводят в вакууме, в процессе сварки управляют удельной мощностью лазерного луча, при этом измеряют амплитуду и/или частоту вторично-эмиссионного электронного тока в плазме, образующейся над зоной воздействия лазерного луча на металл свариваемого изделия, для чего устанавливают над зоной сварки коллектор заряженных частиц, подают на коллектор положительный потенциал относительно свариваемого изделия и создают внешнюю цепь для зарядов плазмы, а в процессе сварки поддерживают амплитуду и/или частоту полученного сигнала на заданном уровне.
Однако, данный способ предназначен для лазерной сварки с глубоким проплавлением однородных металлических сплавов. Также технологической сложностью указанного способа является необходимость ведения процесса лазерной сварки в вакуумной камере, что уменьшает производительность и ограничивает размеры обрабатываемых заготовок.
Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в разработке способа лазерной сварки разнородных металлических сплавов с контролем формирования состава металла сварного шва, обеспечивающего повышение качества сварного соединения.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении повышения качества, уменьшения брака и повышения прочности сварного соединения за счет применения системы контроля и распознавания отклонения лазерного луча от заданной траектории.
Технический результат достигается тем, что в способе лазерной сварки разнородных металлических сплавов, с контролем процесса формирования сварного шва, включающим сварку лазерным лучом с одновременным контролем качества сварного шва, отличающимся тем, что сварку проводят на открытом воздухе, либо в атмосфере защитных газов, в процессе сварки контролируют смещение лазерного луча от заданной траектории по изменению длины волны излучения плазменного факела парогазового канала, для чего над точкой взаимодействия лазерного луча с металлическим сплавом устанавливают фотодиоды, оснащенные интерференционными узкополосными оптическими светофильтрами, с возможностью синхронного перемещения с лазерным лучом, по отклонению значения длины волны излучения плазменного факела от значения, соответствующего свариваемым металлическим сплавам, в результате смещения лазерного луча, судят о качестве сварного шва и фиксируют место возможного дефекта.
При сварке листов толщиной от 3 мм, для защиты фотодиодов и узкополосных светофильтров от брызг и капель расплавленного металла, применяется «воздушный нож».
Расстояние смещения лазерного луча выбирают исходя из характеристик смачиваемости и взаимной растворимости соединяемых металлических сплавов.
На фигуре 1 представлены заготовки из разнородных материалов перед сваркой и установленные интерференционные узкополосные светофильтры и фотодиоды.
На фигуре 2 представлен процесс лазерной сварки, в результате которого формируется плазменный факел парогазового канала и испускаемое им излучение определенной длины волны.
Позиции на фигурах: 1 - первый свариваемый сплав; 2 - второй свариваемый сплав; 3 - полость стыка заготовок; 4 - лазерный луч; 5 - интерференционный узкополосный светофильтр, направленный на первый сплав; 6 - фотодиод, направленный на первый сплав, 7 - интерференционный узкополосный светофильтр, направленный на второй сплав; 8 - фотодиод, направленный на второй сплав, 9 - плазменный факел парогазового канала, 10 - излучение соответствующей длины волны от металла первого сплава.
Сущность способа заключается в следующем.
Изобретение относится к лазерной сварке разнородных металлических сплавов с контролем процесса формирования сварного шва, может быть использовано в различных отраслях машиностроения для стыковых, угловых и тавровых типов соединений. В способе контролируют процесс лазерной сварки, посредством наблюдения в реальном времени за излучаемым световым потоком плазменного факела парогазового канала, образованного в результате взаимодействия лазерного луча и металлического сплава. Производят механическую и (или) химическую подготовку листовых заготовок из разнородных сплавов 1 и 2, устанавливают их на сварочный стол или полету портальной установки, образуя между заготовками минимальный зазор, наводят лазерный луч 4 на один из разнородных сплавов, задавая отступ от полости стыка 3 в диапазоне 0.1 - 2 мм, определяемый сварщиком-технологом, устанавливают и фиксируют фотодиоды 6 и 8 для первого и для второго свариваемых сплавов в области на 50 - 300 мм выше точки взаимодействия лазерного луча со свариваемой заготовкой, на которую смещен лазерный луч, направляя их на данную точку, перед фотодиодами устанавливают интерференционные узкополосные светофильтры (ИУПСФ) 5 и 7, пропускающие излучение соответствующей длины волны для каждого из разнородных сплавов. Обеспечивают движение фотодиодов с соответствующими интерференционными светофильтрами синхронно с точкой взаимодействия лазерного луча со свариваемой заготовкой выдерживая заданное расстояние вне зависимости от изменения пространственного положения. Расстояние смещения лазерного луча на одну из свариваемых заготовок зависит от толщины свариваемых заготовок, природы сплава, необходимых эксплуатационных свойств соединения. Фотодиод для первого свариваемого сплава оснащается ИУПСФ выбранным таким образом, чтобы его пропускающая способность соответствовала длине волны излучаемого характеристического светового спектра плазменного факела парогазового канала свариваемого сплава 1. Аналогичным образом подбирается ИУПСФ, устанавливаемый перед фотодиодом, направленным на свариваемый сплав 2. Наблюдение за плазменным факелом и распознавание отклонения лазерного луча продолжается до момента прекращения действия лазерного излучения.
Устройство для контроля смещения лазерного луча при сварке разнородных сплавов состоит из вычислительного устройства, оснащенного программным обеспечением с алгоритмом выключения лазерного луча или регулирования траектории лазерного луча посредством подачи команды на блок управления роботизированного комплекса. Система наблюдения за плазменным факелом и распознавания отклонения лазерного луча состоит из минимум одного фотодиода, оснащенного ИУПСФ определенной длины волны, или может включать несколько фотодиодов со светофильтрами для каждого из свариваемых разнородных сплавов, системы крепления, фиксации и наведения на место сварки. Система крепления устанавливается на фланце последней руки робота совместно с лазерной головкой, либо используется система синхронного движения с лазерной головкой автономно от роботизированного комплекса, с помощью которого осуществляют перемещение лазерной головки.
При лазерной сварке разнородных сплавов лазерный луч наводится на стык соединяемых листовых заготовок, либо смещается на одну из заготовок с точностью 0.1 мм с целью улучшения свариваемости за счет минимизации или отсутствия плавления одного из компонентов и образования сварно-паянного соединения, как описано в патенте 2732303. При этом смещение от заданной траектории на 0.1 мм и более может привести к ухудшению качества сварного соединения за счет нарушения выбранного соотношения плавления соединяемых заготовок (50/50, 90/10, 70/30 и т.д.). Результатом нарушения соотношения плавления соединяемых заготовок являются нежелательные процессы несмачиваемости и взаимной нерастворимости свариваемых разнородных сплавов, металлургические процессы, в результате которых будет образовываться хрупкий интерметаллидный слой большой толщины и объема или нежелательный фазовый состав металла сварного шва.
В процессе лазерной сварки разнородных металлических сплавов фотодиоды, оснащенные соответствующими ИУПСФ, для первого и для второго свариваемых сплавов направлены в область на 50 - 300 мм выше точки взаимодействия лазерного луча со свариваемыми заготовками и двигаются синхронно с данной точкой выдерживая заданное расстояние, вне зависимости от изменения пространственного положения. В результате взаимодействия лазерного излучения с металлическим материалом формируется вышеупомянутый плазменный факел, испускающий световые волны определенной длины характеристического светового спектра для обрабатываемого металлического сплава, на который направлен лазерный луч. Излучение данного светового спектра попадает на ИУПСФ фотодиодов первого и второго свариваемых сплавов.
В случае если лазерный луч направлен на первый сплав, образовавшееся излучение плазменного факела будет проходить через ИУПСФ первого сплава и попадать на фотодиод, который будет передавать сигнал в блок управления. В это же время образовавшееся излучение плазменного факела от первого сплава не будет проходить через ИУПСФ второго сплава, попадать на фотодиод для второго сплава и, соответственно, не будет передавать сигнал в блок управления.
В случае смещения лазерного луча с заданной траектории с первого сплава, в результате сбоя или ошибки управляющей команды роботизированного или автоматизированного комплекса лазерной сварки, либо в результате смещения стыка заготовок в результате некачественной сборки, излучение световых волн определенной длины плазменного факела от первого сплава изменится или пропадет. Это приведет к потере передаваемого сигнала в блок управления от фотодиода первого сплава, что, в соответствии с программой управления, приведет к сигналу об ошибке и остановит процесс лазерной сварки. Также посредством подачи сигнала в блок управления вычислительное устройство может скорректировать траекторию движения лазерного луча до появления потерянного сигнала, в другом случае процесс лазерной сварки продолжится с фиксацией места сигнала, с целью уточнения места возможного дефекта.
Ввиду того, что при лазерной сварке заготовок из металлических сплавов толщиной более 3 мм возможно разбрызгивание жидкого металла из сварочной ванны и попадание брызг и капель жидкого металла на фотодиоды и ИУПСФ, применяется защита в виде «воздушного ножа». «Воздушный нож» - это поток воздушной массы, направленный под давлением через отверстие прямоугольной формы перпендикулярно направлению движения брызг и капель. «Воздушный нож» устанавливается перед ИУПСФ на расстоянии 20 - 100 мм. Геометрические размеры поперечного сечения отверстия прямоугольной формы находятся в диапазоне 30 - 100 мм × 0.5 - 2 мм.
Обоснование технического результата заключается в следующем.
Из физики процесса обработки лазерным лучом (Григорянц А.Г. Технологические процессы лазерной обработки / А.Г. Григорянц, И.Н. Шиганов, А.И. Мисюров // Учебн. пособие для ВУЗов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э Баумана, 2006. 664 с.; Шиганов И.Н., Курынцев С.В. Современные тенденции лазерной сварки (Обзор часть 1). Наукоемкие технологии в машиностроении. 2015, № 6, 35 - 42.; Курынцев С.В., Шиганов И.Н., Исхаков Ф.Р., Гильмутдинов А.Х. Контроль параметров ванны расплава при лазерной сварке с использованием скоростной видеокамеры. Наукоемкие технологии в машиностроении 2017. № 3, 31 - 37) известно, что в результате взаимодействия лазерного излучения определённой мощности с металлическим материалом в результате лавинной ионизации происходит образование парогазового канала, сопровождаемое формированием плазменного факела над поверхностью металлического материала, либо, при меньшей мощности лазерного излучения, будет происходить образования паров металла. Данный плазменный факел состоит из испаряющегося металла в смеси с окружающей атмосферой или защитного газа.
Каждый металл, и каждая система сплавов, при взаимодействии с высококонцентрированными источниками энергии (электрической или плазменной дугой, электронным или лазерным лучом) переходят в газообразное состояние и излучают спектр определенной длины волны и интенсивности. По количественным характеристикам длины волны излучения и интенсивности можно определить качественный и количественный химический состав, обрабатываемого лазерным лучом металлического сплава. Однако, в данном изобретении предлагается не определять химический состав свариваемых сплавов, а использовать интерференционный узкополосный светофильтр для конкретного сплава. То есть, зная марку свариваемых разнородных сплавов установить на основе какого химического элемента состоит каждый из сплавов (железо, алюминий, титан, медь, магний, никель). Далее, для каждого из известных, свариваемого сплава 1 и для свариваемого сплава 2 подобрать интерференционный узкополосный светофильтр определенной длины волны. Интерференционный светофильтр отражает одну и пропускает другую часть спектра, падающего на него излучения благодаря явлению многолучевой интерференции в диэлектрических пленках, и может обеспечивать ширину полосы пропускания или подавления до 0,1 - 0,15 нм из диапазона 500 нм. В процессе лазерной сварки через ИУПСФ для свариваемого сплава 1 будет пропускаться только излучение, характерное для свариваемого сплава 1, через ИУПСФ для свариваемого сплава 2, соответственно, будет пропускаться только излучение, характерное для свариваемого сплава 2. Данное излучение, попадая на фотодиод будет преобразовываться в сигнал, передаваемый в блок управления.
Автором заявляемого изобретения проводились опытные работы по исследованию процесса переплава лазерным лучом пластин из стали марки 12Х18Н10Т (Курынцев С.В., Шиганов И.Н., Исхаков Ф.Р., Гильмутдинов А.Х. Контроль параметров ванны расплава при лазерной сварке с использованием скоростной видеокамеры. Наукоемкие технологии в машиностроении 2017. № 3, 31 - 37). При проведении данных исследований применялась высокоскоростная видеокамера, оснащенная интерференционным светофильтром. Видеосъёмка велась на частоте 3000 к/с с разрешением 1280×960 точек, максимум пропускания полосового интерференционного светофильтра, использующегося для подавления излучения плазменного факела, составлял 810±20 нм. Полученные результаты, в том числе, показывают, что разработанную методику с применением интерференционного светофильтра, подавляющего излучение плазменного факела, можно использовать для наблюдения за динамикой расплавленного металла сварочной ванны в реальном времени.