Результат интеллектуальной деятельности: Способ лазерной сварки алюминиевых сплавов

Изобретение относится к области металлургии и, в частности, к лазерной сварке алюминиевых сплавов.

Известен способ увеличения глубины проплавления сварного соединения при лазерной сварке алюминиевых сплавов, включающий нанесение слоя порошка магния или цинка толщиною 1÷20 мкм и последующее нанесение слоя порошка алюминия толщиною 10÷100 мкм методом термического напыления. Вследствие шероховатости поверхностного слоя алюминия, характерной для термических способов нанесения покрытий, обеспечивается более высокая поглощающая способность лазерного излучения. Промежуточный слой магния и цинка при воздействии нагрева испаряется и за счет отсутствия плотности напыленного слоя создает «замочную скважину», что также увеличивает поглощение лазерного излучения и глубину проплавления основного металла (патент КНР №102861990).

Известен способ лазерной сварки алюминиевых сплавов, включающий предварительное нанесение на поверхность свариваемых деталей нанослоя оксида различных металлов, в частности иттрия, для увеличения поглощающей способности лазерного излучения и последующую сварку (патент КНР №102079013).

Недостатком данных способов является сложность нанесения многослойного покрытия и нанометрового слоя оксида металлов, что приводит к увеличению стоимости изготовления изделий и трудоемкости.

Известен способ лазерной сварки алюминиевых сплавов с нанесенным слоем никелевого покрытия, который обеспечивает меньшее отражение лазерного излучения и большую глубину проплавления (А.А. Малащенко, А.В. Мезенов «Лазерная сварка металлов». М.: Машиностроение, 1984. - 44 с), прототип.

Недостатком данного способа является отсутствие упрочняющего эффекта в металле шва и получение соединений с более низкими, по сравнению с основным материалом, механическими свойствами.

Задачей изобретения является повышение прочностных характеристик сварных швов и соединений из алюминиевых сплавов, выполненных лазерной сваркой, причем прочность сварных швов принимается равной или выше прочности основного материала: σ_{в шва} ≥ σ_{в ом}.

Технический результат заключается в возможности получения конструкций с улучшенными механическими свойствами, и как следствие, в повышении эксплуатационной стойкости изделий.

Для достижения названного технического результата предлагается способ лазерной сварки алюминиевых сплавов, включающий нанесение никелевого покрытия на поверхности свариваемых кромок и сварку, при этом никелевое покрытие наносят гальваническим методом, а толщину никелевого покрытия устанавливают с учетом обеспечения объема нанесенного покрытия равного 0,4÷0,6% от объема сварочной ванны.

Кроме этого, кромки сварных соединений могут быть выполнены под углом 5÷15°.

Применение никелевого покрытия при лазерной сварке алюминиевых сплавов позволяет существенно снизить потери мощности лазерного излучения за счет отражения от чистой алюминиевой поверхности.

Известно, что для увеличения прочности неразъемных соединений из алюминиевых сплавов сварной шов можно дополнительно легировать никелем. Никель имеет ограниченную растворимость в фазах, содержащих алюминий, кремний, марганец и медь, повышая их прочностные свойства.

Вместе с этим, наличие никеля в сплаве позволяет связывать примеси железа, которые всегда присутствуют в алюминиевых сплавах и снижают обрабатываемость резанием и давлением в более пластичные фазы Al₉FeNi.

Однако при этом соотношение никеля к железу в сплаве должно составлять примерно 1:1. При большем содержании железа происходит увеличение

твердости сплава и существенное снижение его пластических свойств. При большем содержании никеля возможно выделение никеля в виде отдельных фаз и образование интерметаллидов при взаимодействии с легирующими компонентами сплава, что также может охрупчивать сварное соединение.

Для обеспечения заданного содержания железа и никеля в сварном соединении необходимо выбирать такую толщину никелевого покрытия, чтобы массовая доля никеля, переходящая в сварочную ванну, примерно соответствовала массовой доли железа. Поскольку в большинстве промышленно выпускаемых алюминиевых сплавах процентное содержание железа составляет 0,4÷0,6 масс. %, то аналогичное процентное содержание должно обеспечивать и никелевое покрытие.

Для уменьшения потерь мощности лазерного излучения возможно также использовать разделку кромок под небольшими углами. Разделка кромок под углом 5÷15° позволит обеспечить минимальную потерю мощности и увеличить глубину проплавления основного металла.

Пример.

Изготавливался корпус из листов сплава АМц толщиною 2 мм. Предварительно на свариваемые кромки гальваническим методом наносилось никелевое покрытие толщиною 6÷9 мкм. Толщина покрытия выбиралась (при условии, что объем покрытия равен 0,4÷0,6% от объема сварочной ванны) по формуле:

,

где V_покр. - объем покрытия,

S_покр. - суммарная площадь покрытия.

Объем сварочной ванны оценивался на основании расчетной площади сечения сварного соединения (для стыкового соединения) по формуле:

,

где S_шва - площадь сечения шва,

l_шва - длина шва,

δ_м - толщина свариваемого металла,

е и e₁ - ширина шва и проплавления соответственно,

g и g₁ - высота валика шва и корня шва соответственно.

В результате расчетов определено, что объем покрытия равен 0,48% от объема сварочной ванны.

Сварка осуществлялась на лазерном комплексе LRS-300AU на автоматизированном столе в импульсном режиме. Режимы сварки: энергия импульса 40 Дж, диаметр сфокусированного луча 0,3÷0,4 мм, длительность импульса 0,2÷0,3 мс, прямоугольная форма импульса, фокусное расстояние 12 мм.

После сварки из образцов вырезались макетные образцы для испытаний на механическую прочность. Испытания проводились на стандартизованной разрывной машине. В результате исследований было установлено, что разрушение всех образцов происходит по основному материалу, и предел прочности образцов составлял 136÷143 МПа.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить получение сварных соединений с гарантированной прочностью сварных швов выше прочности основного материала, что позволит обеспечить более высокие механические свойства сварных конструкций.