СПОСОБ СВАРКИ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к области сварки материалов высокоэнергетическими источниками излучения, например лазерным, плазменным, или электроннолучевым методом, и может быть использовано для лазерной сварки изделий различного назначения из тонколистовых материалов в химической, электронной и радиотехнической промышленности, а также при производстве труб. Может использоваться для непосредственного соединения двух однородных или разнородных металлов или сплавов между собой.

Техническая задача сварки металлов состоит в повышении качества сварного соединения и увеличении производительности. Для достижения этих результатов используют, например присадочные материалы или промежуточные вставки, обеспечивающие те или иные свойства сварному шву. Успешному решению этой проблемы может способствовать развитие новых технологий, связанных с воздействием, направленным на формирование внутренней структуры материалов и свойств сварных соединений.

Известен способ лазерной сварки металлов с высокой теплопроводностью и высокой отражающей способностью, в котором на поверхность свариваемого металла со стороны лазерного луча наносят предварительно слой присадочного материала с меньшей отражающей способностью и с более высокой температурой плавления /1/.

Основной недостаток способа заключается в нерегламентированных размерах слоя присадочного материала, в результате чего при некоторых режимах сварки его эффективность невелика и может иметь место снижение коэффициента полезного действия (КПД) сварки и появление дефектов в сварном шве.

Известен способ сварки нержавеющей стали (Х15Н5Д2Т) с титановым сплавом ОТ4 с применением промежуточной вставки, в качестве которой используется ванадиевый сплав, легированный вольфрамом /В кн.: Лекции по сварке разнородных разноименных металлов. М.: МДНТП, 1973. С 46-51/.

Недостатком метода является необходимость управлять составом металла шва и применять технику сварки, надежно обеспечивающую получение сварных соединений заданного химического состава, т.к. механические свойства таких соединений определяются соотношением легирующих элементов в металле шва.

Задачей предлагаемого способа сварки материалов является повышение качества сварных швов и высокопрочных поверхностных слоев. При выполнении поставленной задачи должны быть учтены все требования, такие как локальный характер теплового воздействия, минимальная термическая деформация, широкий диапазон регулирования энергетических характеристик луча, обеспечивающих жесткий термический режим с высокими скоростями нагрева и охлаждения.

Перспективным направлением развития высокоэнергетических технологий сварки материалов, например лазерной, является совмещение высокоэнергетического воздействия на свариваемые материалы с насыщением их поверхностного слоя легирующими и модифицирующими добавками и создание упрочненного модифицированного слоя с помощью введения в зону сварки, например, тугоплавких наноразмерных частиц порошка. Такие модифицирующие добавки в металлургии называют нанопорошковые иннокуляторы (НПИ).

Поставленная задача выполняется благодаря тому, что способ сварки материалов высокоэнергетическими источниками излучения, например лазерным, плазменным или электроннолучевым, по которому перед сваркой осуществляют предварительное проплавление свариваемой зоны материалов, а сварку ведут с одновременным добавлением в зону плавления модификаторов в виде нанопорошковых материалов, выбранных из числа тугоплавких соединений, например нитридов, карбонитридов, оксидов, при этом концентрация нанопорошкового материала составляет менее 0,1% по массе сварочной ванны. Нанопорошковые материалы в зону сварки могут быть нанесены в виде суспензии. Способ позволяет осуществлять сварку однородных материалов или разнородных материалов со вставками или без них, а также композиционных материалов со вставками или без них.

Совокупность существенных отличительных признаков не выявлена из существующего уровня техники, позволяет решить поставленную задачу, а также сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображена микроструктура сварного шва стали марки Ст 20: а) без добавления нанопорошковых материалов; б) с добавлением нанопорошковых материалов TiN+Y₂O₃. На фиг.2 - механические характеристики сварного соединения сплава ВТ5 без добавок НПИ и с добавлением НПИ тугоплавких соединений: а) относительное удлинение δ; б) предел прочности σ_b и в) предел текучести σ_0,2.

Способ сварки материалов осуществляется следующим образом.

Рассмотрим способ лазерной сварки. Вначале подготавливают свариваемые поверхности. При подготовке свариваемых пластин удаляют пленку оксидов на ширине 20-25 мм по всей длине соединения травлением в растворе NaOH (50 г на 1 л Н₂О) с последующим осветлением в 30% растворе HNO₃. После травления детали промывают в горячей воде. Непосредственно перед сваркой соединяемые поверхности зачищают шабером до блеска. Это позволит избежать дефектов при сварке и в первую очередь пористости. В качестве защитной среды при лазерной сварке используют гелий как наиболее эффективный для достижения наибольшего эффекта проплавления либо гелий используют для защиты верхней поверхности сварочной ванны, а нижнюю - защищают аргоном. При этом защита обеих поверхностей при лазерной сварке алюминиевых и титановых сплавов обязательна. Расход гелия не менее 7-8 л/мин, аргона - 5-6 л/мин.

Массовый расход нанопорошкового материала на единицу длины обрабатываемой поверхности составляет M_p=pρdh, кг/м, где р - массовая доля порошка; d - ширина сварочного шва, h - толщина пластин, ρ - плотность жидкого металла.

Пример 1

Рассмотрим сварку материала с параметрами: ρ=7800 кг/м³, d=0,004 м, h=0,0015 м, тогда M_p=p7800·0,004·0,0015=0,0468р. Значение величины р примем аналогично к процессу модифицирования сплавов нанопорошковыми материалами, равным 0,0005. В результате получим m_p=0,0468·0,0005=2,34·10^-5 кг/м=0,0234 г/м. Поскольку в процессе сварки возможно выгорание нанопорошкового материала, то значение этой величины может быть установлено экспериментально.

Пример 2

Были проведены экспериментальные исследования влияния тугоплавких механоактивированных нанопорошковых материалов на качество сварных соединений, формирующихся при воздействии на металл лазерного излучения. Обработку образцов из сплавов на основе алюминия, титана и железа проводили на непрерывном СО₂-лазере в атмосфере гелия. Скорость пермещения луча по обрабатываемой поверхности варьировалась в интервале (2-4) м/мин, мощность излучения - от 2 до 3,5 кВт. Специально подготовленные нанопорошковые материалы и их композиции в виде суспензии наносились на предварительно обработанные поверхности пластин в количестве менее 0,1% по массе сварочной ванны (проплавляемого металла) в расчете на тугоплавкие соединения. В качестве нанопорошковых материалов использовались различные порошковые композиции с наночастицами TiN, Y₂O₃, TiC, плакированные соответствующим металлом (хромом, никелем, титаном и др.).

На фиг.1 в качестве примера приведены фотографии шлифов сварного соединения стальных пластин, не содержащего нанопорошковые добавки и модифицированного нанопорошковым материалом TiC_xN_y+Ст3.

Видно, что применение модификатора из нанопорошкового материала изменило как морфологию сварного шва, так и микроструктуру соединения. Размеры кристаллов видманштеттова феррита в сварном шве без модификатора достигают 100÷150 мкм в длину, тогда как в шве с модифицированными добавками не превышают 30÷40 мкм.

Следует отметить, что нанесение нанопорошковых материалов в зону сварки в виде суспензии значительно повышает коэффициент поглощения энергии излучения, что позволяет при той же мощности излучения в 1.5-2 раза увеличить скорость сварки детали.

Пример 3

Был выполнен цикл исследований влияния модификаторов в виде нанопорошковых материалов на качество сварного соединения титанового сплава ВТ5. В качестве нанопорошковых материалов использовались тугоплавкие соединения: нитрид титана (TiN), а также их смесь нитрида титана (TiN) с оксидом иттрия (Y₂O₃), плакированные хромом. Концентрация модифицирующей композиции, вводимой в сварочную ванну, составляла менее 0,1% по массе. Подготовленная композиция наносилась в виде суспензии на поверхность свариваемых пластин, толщина которых составляла 2 мм; мощность лазерного луча 2,0 кВт, а скорость сварки 2 м/мин. Было установлено, что применение модификаторов позволяет повысить скорость сварки при той же мощности луча за счет увеличения коэффициента поглощения интенсивности лазерного излучения. При этом повысилось качество соединения (морфология и структура шва), существенно возросли его механические характеристики (прочность на разрыв, предел текучести) как при использовании первой, так и второй модифицирующей добавки (см. фиг.2).

Проведенные эксперименты показали положительное воздействие модификаторов в виде нанопорошковых материалов, выбранных из числа тугоплавких соединений, на макро- и микроструктуру металла и его механические свойства в зоне высокоэнергетического воздействия. Существенно увеличивается коэффициент поглощения, что позволяет в полтора-два раза повысить скорость обработки, уменьшилась зона термического влияния, возросли дисперсность кристаллической структуры и плотность сварного шва.

Источники информации

1. Патент RU №2133662, В23К 26/00, 1998 г.

2. Кн.: Лекции по сварке разнородных разноименных металлов. М.: МДНТП, 1973, с.46-51 - прототип.