Способ лазерной сварки листов из разнородных металлов встык Российский патент 2022 года по МПК B23K26/21 B23K26/40 

Изобретение относится к технологическим процессам, а именно к изготовлению биметаллических листов сваркой встык, из конструкционных разнородных металлических сплавов, в том числе из алюминиевых сплавов, титановых сплавов, магниевых сплавов, медных сплавов, никелевых сплавов, сталей различных классов, для повышения эффективности за счет использования преимуществ эксплуатационных свойств разнородных материалов.

Анализ отечественных и мировых тенденций производства несущих конструкций, аппаратуры теплообменной техники, изготовленных из разнородных сплавов, демонстрирует, что применение монолитных сварных соединений является более эффективным. Эффективность повышается за счет того, что монолитное сварное соединение разнородных сплавов обеспечивает контакт на уровне атомно-кристаллического строения, в отличии от клепанных или болтовых соединений, которые с течением времени окисляются, что уменьшает прочность, тепло и электропроводность соединений.

Применение пайки для соединения разнородных сплавов также имеет недостатки металлургического и технологического характера. Пайка разнородных листов встык, особенно, малой толщины (до 1 мм) осложнена необходимостью равномерного распределения припоя и заполнения припоем стыка соединения, что сложно сделать с конструкциями, имеющими низкую жесткость, необходимо применение сложной оснастки и последующее удаление излишек припоя. Недостатки металлургического характера заключаются в необходимости использования припоя, который является третьим компонентом при соединении двух разнородных сплавов, что также может снизить эксплуатационные и прочностные свойства соединения. Недорогие и широко распространенные припои на основе олова и свинца системы ПОС, имеют достаточно низкую температуру плавления (300 – 400 ⁰С), что ограничивает область применения соединений, полученных с их использованием. Применение припоев на основе палладия и серебра позволяет получить соединения с высокими эксплуатационными и прочностными характеристиками, однако, они имеют достаточно высокую стоимость.

Применение лазерных технологий для сварки разнородных сплавов имеет ряд преимуществ перед пайкой, электронно-лучевой, дуговой или плазменной сваркой (см. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. М.: издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006, - 664 с., Курынцев С.В., Шиганов И.Н., Морушкин А.Е. Сварка разнородных сплавов на основе титана и алюминия лазерным излучением. Сварочное производство № 2 2019. С. 16 – 21, Никулина А.А., Смирнов А.И., Туричин Г.А., Климова-Корсмик О.Г., Бабкин К.Д. Особенности строения стыковых сварных швов, сформированных лазерной сваркой разнородных сплавов на основе титана и алюминия. Металловедение и термическая обработка металлов. 2017, 8(746): 62 – 67., Курынцев С. В., Шиганов И. Н. Сварка аустенитной стали с медью расфокусированным излучением волоконного лазера. Сварочное производство. 2017, 4: 7 – 11, Люхтер А.Б., Шлегель А.Н., Леонтьев А.А., Гусев Д.С. Результаты механических испытаний корпусных элементов автобусов, полученных лазерной сваркой стального профиля Ст3 с алюминиевой облицовкой АМг2М. Цветные металлы. 2017, 10: 85 – 89.).

Применение лазерной сварки при изготовлении различных видов теплообменного оборудования показало, что данный вид сварки обеспечивает надёжное и герметичное соединение, это в свою очередь позволяет повысить производительность и эффективность производства (см. Сухов А.Г., Малыш М.М., Шанчуров С.М. Применение лазерных технологий при изготовлении теплообменного оборудования. Сварочное производство № 1 2018. С. 34 – 38).

Известен способ изготовления ребристых панелей из разнородных сплавов (патент 2761841 МПК B23K 26/323 (2014.01), В23К 26/26 (2014.01), B23K 33/00 (2006.01) опубликовано 13.12.2021 Бюл. № 35), включающий в себя выполнение ребра и панели из разнородных сплавов, установку и закрепление панели на опорной поверхности, фиксацию ребра на панели и сварку лазерным лучом, отличающийся тем, что ребро выполняют шириной не более 50 % от толщины панели и высотой не менее 100 % от толщины панели, на поверхности панели выполняют паз для размещения в нем ребра с допуском на посадку ребра в паз, равным 0,05 – 0,1 мм с каждой стороны и глубиной не менее 50 – 70 % от толщины панели, при этом панель устанавливают на опорную поверхность вниз стороной, на которой не выполнен паз, ребро фиксируют в пазу, и осуществляют воздействие лазерным лучом на панель вдоль паза с противоположной стороны, на которой не выполнен паз, при этом металл торца ребра, размещенного в пазу, нагревают до температуры, равной 0,5 – 0,8 от температуры плавления материала ребра, с обеспечением сжатия ребра в стенках паза за счет тепловой деформации и образование сварно-паяного соединения металла полости паза панели с металлом торцевой стороны ребра.

Однако данный способ предназначен для изготовления ребристых панелей, предполагает применение для таврового вида соединения и высокоточное выполнение паза и ребра с обеспечением допуска на посадку 0,05 – 0,1 мм с каждой стороны.

Известен способ сварки-пайки разнородных металлических сплавов лазерным лучом (патент 2732303 МПК B23K 26/346 (2014.01), В23К 31/02 (K 33/00 (2006.01), B23K 1/005 (2006.01), B23K 9/23 (2006.01), B232006.01) 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.

Однако, данный способ предназначен для сварки-пайки стыковых соединений в горизонтальном положении, предполагает применение одного лазерного луча с одной стороны, а для обеспечения равномерного, по всей толщине свариваемых заготовок, взаимодействия расплавленного металла применение круговых колебательных движений лазерного луча по диаметру 1 - 2 мм.

Известен способ соединения лучевой сваркой стрингеров с обшивкой при изготовлении стрингерных панелей (патент 2614358 МПК В23К 26/242 (2014.01), B23K 15/00 (2006.01) опубликовано 24.03.2017 Бюл. №7), включающий установку стрингера на бурт, выполненный на обшивке по месту расположения стрингера, и его прихватку, позиционирование и прижим стрингера в зоне сварки посредством головки с направляющими роликами, сварку стрингера с буртом обшивки одновременно двумя лучами, направленными с двух противоположных сторон стрингера и перемещаемыми вдоль сварного стыка стрингера, при этом головку с направляющими роликами перемещают вдоль стрингера синхронно с перемещением лучей, отличающийся тем, что сварку с одной стороны стрингера осуществляют первым лучом с обеспечением проплавления на глубину 0,8 – 0,9 толщины стрингера, а с другой стороны стрингера производят сварку вторым лучом с обеспечением проплавления на глубину 0,2 – 0,3 толщины стрингера, при этом первый луч перемещают перед вторым лучом на расстоянии, превышающем длину сварочной ванны первого луча.

Однако данный способ предназначен для изготовления ребристых панелей, предполагает применение для таврового типа соединения, высокоточное изготовление бурта на обшивке по месту расположения стрингера, перемещение первого луча перед вторым на расстоянии, превышающем длину сварочной ванны, создаваемой первым лучом. Что представляет собой процесс подварки непроплава, образованного первым лучом, глубина которого может являться не стабильной + – 10%.

Известен способ лазерной сварки оребренных панелей (патент 2732304 МПК В23К 31/02 (2006.01), B23K 26/08 (2014.01) опубликовано 15.09.2020 Бюл. № 26), наиболее близкий к заявляемому изобретению и принятый за прототип, включающий установку и закрепление на опорной поверхности подготовленной панели, расположение на ней и фиксацию ребра с помощью фиксирующего прижимного устройства, сварку ребра и панели лазерным лучом, направленным под углом к плоскости стыка панели и ребра, отличающийся тем, что сварку ребра и панели осуществляют одновременно двумя лазерными лучами с двух сторон, при этом направляют лучи в место стыка панели и ребра под одинаковыми углами, составляющими 5 – 60 градусов относительно плоскости панели, и создают общую сварочную ванну дугообразной формы, причем фиксацию ребра осуществляют в процессе сварки синхронно с движением сварочных лазерных головок.

Технологической сложностью указанного способа является то, что для сварки ребра и панели применяется сложное фиксирующее устройство, выполненное в виде жесткой массивной продольной балки либо в виде фиксирующего и прижимного устройства выполненное в виде ролика, на торце которого выполнен паз. Также данный способ предполагает применение для таврового вида соединения и предназначен для изготовления оребренных панелей.

Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение заключается получении качественного соединения из разнородных сплавов с минимальным интерметаллидным слоем.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении высокой производительности, повышении эксплуатационных характеристик, прочности и надежности соединения из разнородных материалов минимизации сварочных деформаций и интерметаллидного слоя.

Технический результат достигается тем, что в способе лазерной сварки листов из разнородных сплавов встык, включающим установку, сборку, позиционирование, жесткое закрепление листов из разнородных сплавов, отличающимся тем, что свариваемые листы собирают в стыковой конфигурации в вертикальном положении, одновременно с двух противоположных сторон, относительно плоскости стыка листов, воздействуют двумя лазерными лучами, мощность которых может находиться в соотношении 1:1, 1:4, 2:3, в точки, лежащие на одной прямой, перпендикулярной направлению сварки, при этом перед лучами синхронно на расстоянии 10 – 35 мм с двух противоположных сторон движутся прижимные ролики равномерно воздействуя на оба листа относительно плоскости стыка с усилием 30 – 100 Н на 1 мм толщины листа.

Лучи смещают на свариваемый сплав, который лучше смачивает второй свариваемый сплав.

Угол, образованный между лазерными лучами в плоскости, перпендикулярной направлению сварки, варьируют от 135 до 215 градусов.

Плоскость стыка может находится в вертикальном или горизонтальном положении относительно длины листа.

При сварке в вертикальном положении относительно длины листа, сварка может производиться на подъем или вниз.

Поверхности стыка обеих заготовок должны иметь шероховатость R_a 0.10 – R_a 2.5 и параллельность 0,5 градуса на один метр длины.

При необходимости применяют продольные или поперечные колебания лазерными лучами относительно направления сварки.

На фигуре 1 представлена схема стыковой синхронной двухсторонней лазерной сварки.

На фигуре 2 представлена принципиальная схема сварочной ванны, образованной синхронной двухсторонней лазерной сваркой и соответствующим интерметаллидным слоем.

На фигуре 3 представлена принципиальная схема сварочной ванны, образованной односторонней лазерной сваркой заготовок аналогичных толщин и соответствующим интерметаллидным слоем.

Позиции на фигурах: 1 – свариваемый лист 1; 2 – свариваемый лист 2; 3 – лазерный луч 1; 4 – лазерный луч 2; 5, 6, 7, 8 – трубки для подачи защитного газа; 9 – сварочная ванна, образованная синхронной двухсторонней лазерной сваркой; 10 – сварочная ванна, образованная односторонней лазерной сваркой; 11 – интерметаллидный слой, образованный лазерным лучом 1, 12 – интерметаллидный слой, образованный лазерным лучом 2; 13 – интерметаллидный слой, образованный лазерным лучом при односторонней лазерной сварке.

Сущность способа заключается в следующем. Изобретение относится к области машиностроения, а в частности к изготовлению биметаллических листов сваркой встык, из конструкционных разнородных металлических сплавов. В способе синхронной двухсторонней лазерной сварки листов из разнородных сплавов встык, свариваемый лист 1 устанавливают на сварочный стол или полету вертикально (на торец) относительно горизонтальной плоскости стола, жестко фиксируют обеспечивая его неподвижность во всех направлениях. При необходимости производят механическую и (или) химическую подготовку поверхностей свариваемых листов 1 и 2, в зависимости от свариваемых сплавов. На торец свариваемого листа 1 устанавливают и жестко фиксируют свариваемый лист 2 торцом, образовывая таким образом стыковое соединение между листом 1 и листом 2. Сборку и фиксацию также можно осуществить в горизонтальном положении и перед сваркой повернуть в вертикальное положение. Подводят прижимные ролики (на фигуре не показано), трубки для подачи защитного газа 5, 6, 7, 8, лазерные головы (на фигуре не показано) симметрично к противоположным сторонам плоскости стыка свариваемых листов 1 и 2, так, чтобы точки воздействия лазерных лучей 3 и 4 находились на одной прямой, лежащей в плоскости перпендикулярной направлению сварки и в плоскости стыка. Выставляют угол, образованный между направлениями лазерных лучей 3 и 4 в плоскости, перпендикулярной направлению сварки, в диапазоне 135⁰ – 215⁰. Угол, образованный между направлениями лазерных лучей в плоскости, перпендикулярной направлению сварки зависит от толщины листов и природы свариваемых сплавов, обычно, составляет 180⁰. Отклонение от угла равного 180⁰ зависит от толщины листов и природы свариваемых сплавов, плоскости стыка (вертикальной или горизонтальной), направления сварки в вертикальном положении (на подъем или вниз), находится в диапазоне 135⁰ – 215⁰, устанавливается экспериментально. Для избегания смещений торцов свариваемых листов 1 и 2 используются прижимные ролики (на фигуре не показано), находящиеся на расстоянии 10 – 35 мм перед точкой воздействия лазерного луча на стык листов, прижимающие равномерно с двух противоположных сторон оба листа относительно плоскости стыка с усилием 30 – 100 Н на 1 мм толщины листа. Лазерные лучи смещают на сплав, который, в расплавленном состоянии, лучше смачивает второй свариваемый сплав. Расстояние смещения зависит от толщины листов и природы свариваемых сплавов, находится в диапазоне 0.1 – 3 мм и устанавливается экспериментально. Выбор указанных выше параметров зависит от гидродинамического поведения расплавляемого металла, толщины свариваемых листов и режимов сварки. Также, для влияния на гидродинамическое поведение расплавленного металла возможно применение колебаний лазерными лучами в поперечном направлении, или в продольном направлении, или круговых колебаний. Как правило, для минимизации толщины интерметаллидного слоя соотношение мощности лазерного излучения и другие основные параметры режимов лазерной сварки с обеих сторон выбираются одинаковыми, однако, в некоторых случаях выбираются в соотношениях 1:4, 2:3, либо в других более узких соотношениях. После выбора параметров режимов лазерной сварки и установления всех основных технологических приемов, таких как смещения лазерного луча, усилие прижима, угол между направлениями лазерных лучей, включается подача защитного газа, через 10 – 20 секунд включается лазерное излучение заданной мощности и одновременно с этим начинается синхронное движение сварочных головок вдоль плоскости стыка по заданной траектории.

Обоснование технического результата заключается в следующем. Сварное монолитное соединение образуется за счет одновременного плавления лазерными лучами свариваемых листов из разнородных сплавов, либо за счет плавления металла одного листа и смачивания расплавленным металлом второго свариваемого листа. Особенностью способа является то, что на свариваемые заготовки, собранные в вертикальном положении, с двух сторон в одну точку воздействуют двумя лазерными лучами (фигура 1). При сварке разнородных сплавов, обладающих плохой свариваемостью и образующих хрупкий интерметаллидный слой, данный способ позволяет минимизировать перегрев области взаимодействия разнородных металлов, находящейся ближе к точке воздействия лазерного луча (фигура 3). Несмотря на высокую концентрацию энергии при лазерной сварке, как правило, в области воздействия лазерного луча на поверхность металла, тепловложение больше, чем в корневой части шва. Это приводит к неоднородности нагрева по глубине и более длительному взаимодействию металлов в расплавленном состоянии, образованию, неравномерной по глубине, сварочной ванны 10, в результате чего толщина, образующегося хрупкого интерметаллидного слоя 13 в области воздействия лазерного луча будет увеличиваться, либо будет ограничена глубина проплавления. Двухсторонняя синхронная лазерная сварка позволяет образовать общую сварочную ванну 9 при воздействии лазерных лучей 3 и 4 с противоположных сторон, что приведет к увеличению глубины проплава при меньшем перегреве металла приповерхностных слоев заготовок, находящегося в области воздействия лазерного луча. В отличие от изобретения по патенту 2732304 (МПК В23К 31/02 (2006.01), B23K 26/08 (2014.01) опубликовано 15.09.2020 Бюл. № 26) форма сварочной ванны, образованной двумя лазерными лучами с противоположных сторон, должна быть не дугуобразной формы, а иметь форму с максимально параллельными стенками ванны расплава (фигура 2), что позволит максимально минимизировать неоднородность расплавляемого металла листов по толщине и тем самым минимизировать толщину хрупкого интерметаллидного слоя 11, образованного лазерным лучом 3 и толщину хрупкого интерметаллидного слоя 12, образованного лазерным лучом 4.

Важную роль в металлургическом взаимодействии разнородных сплавов в расплавленном состоянии играет смещение лазерных лучей на один из свариваемых листов и то, что листы необходимо сваривать в вертикальном положении, что будет уменьшать влияние гравитации на растекание жидкого металла. При сварке в горизонтальном положении, несмотря на использование двух лазерных лучей (снизу и сверху) расплавленный металл будет стремиться стекать вниз, что приведет к неравномерности образовывающегося сварного соединения. Синхронное смещение обоих лазерных лучей может повлиять на соотношение объемов расплавляемого металла свариваемого листа 1 и свариваемого листа 2, а при полном смещении и плавлении только одного листа на смачиваемость одного металла другим.

Расплавляемый металл свариваемого листа 1, на который смещены лазерные лучи при переходе в жидкое состояние будет смачивать кромку не расплавляемого свариваемого листа 2, в результате чего на границе твёрдый металл – жидкий металл образуются металлические связи между твердым и жидким разнородными металлами свариваемых листов 1 и 2. При перемещении лазерного луча по прямой, параллельной плоскости стыка, жидкий металл расплавляемого листа после взаимодействия с кромкой не расплавляемого листа кристаллизуется и переходит в твёрдое состояние, в результате чего образуется монолитное неразъёмное соединение разнородных металлов. При этом параметры режимов лазерной сварки, угол между направлениями лазерных лучей, расстояние смещения точек воздействия лазерных лучей на расплавляемый лист подбираются таким образом, чтобы положительно влиять на гидродинамику расплавленного металла, обеспечивая минимальное взаимодействие жидкого металла с твердым, что уменьшит толщину образующегося интерметаллидного слоя.

Дополнительно возможно применение колебаний лазерными лучами в поперечном направлении, или в продольном направлении, относительно направления сварки, или круговых колебаний, что также окажет влияние на гидродинамическое поведение расплавляемого металла. Ведение процесса лазерной сварки в вертикальном положении или под определенным углом (на подъем или вниз) также будет влиять на гидродинамическое поведение металла, на смачиваемость и жидкотекучесть и как результат на толщину образующегося интерметаллидного слоя.

Главным требованием к параметрам расплавляемого металла (в случае плавления только свариваемого листа 1) и параметрам сварочной ванны (в случае плавления свариваемого листа 1 и свариваемого листа 2) является необходимость образования максимальной параллельности противоположных стенок ванны расплава и зоны термического влияния. Что будет способствовать минимизации толщины образующегося интерметаллидного слоя и, соответственно, повышению механических свойств, прочности и надежности.

Изобретение относится к способу лазерной сварки листов встык из разнородных металлических сплавов. Осуществляют синхронную двухстороннюю лазерную сварку. Свариваемый лист (1) устанавливают вертикально (на торец) относительно горизонтальной плоскости стола, жестко фиксируют, обеспечивая его неподвижность во всех направлениях, образовывая таким образом стыковое соединение между листом (1) и листом (2). При необходимости производят механическую и (или) химическую подготовку поверхностей свариваемых листов. Подводят прижимные ролики, трубки для подачи защитного газа (5, 6, 7, 8), лазерные головы симметрично к противоположным сторонам плоскости стыка свариваемых листов (1) и (2). Выставляют угол, образованный между направлениями лазерных лучей в плоскости, перпендикулярной направлению сварки. Прижимные ролики устанавливают на расстоянии 10–35 мм перед точкой воздействия лазерного луча на стык листов с усилием 30–100 Н на 1 мм толщины листа. Лазерные лучи смещают в сторону сплава, который в расплавленном состоянии лучше смачивает второй свариваемый сплав. Технический результат состоит в том, что за счет минимизирования перегрева области взаимодействия разнородных металлов, находящейся ближе к точке воздействия лазерного луча, минимизации сварочных деформаций и интерметаллидного слоя достигается повышение качества сварного соединения, повышение эксплуатационных характеристик, прочности и надежности соединения из разнородных материалов. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ лазерной сварки встык листов из разнородных сплавов, включающий установку, сборку, позиционирование и жесткое закрепление листов из разнородных сплавов, отличающийся тем, что свариваемые листы собирают встык в вертикальном положении, при этом лазерную сварку осуществляют путем воздействия одновременно с двух противоположных сторон относительно плоскости стыка листов двумя лазерными лучами с мощностью 1:1, или 1:4, или 2:3 в точки, лежащие на одной прямой, перпендикулярной направлению сварки, при этом перед лучами синхронно на расстоянии 10–35 мм с двух противоположных сторон перемещают прижимные ролики, равномерно воздействуя на оба листа относительно плоскости стыка с усилием 30–100 Н на 1 мм толщины листа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что лучи смещают на свариваемый сплав, который лучше смачивает второй свариваемый сплав.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол, образованный между лазерными лучами в плоскости, перпендикулярной направлению сварки, варьируют от 135 до 215 градусов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что плоскость стыка располагают в вертикальном или горизонтальном положении относительно длины листа.

5. Способ по п.1, отличающийся я тем, что сварку в вертикальном положении плоскости стыка относительно длины листа осуществляют на подъем или спуск.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхность стыка обеих заготовок листов выполняют с шероховатостью R_a 0,10 – R_a 2,5 и параллельностью 0,5 градуса на один метр длины.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что сварку осуществляют с продольными или поперечными колебаниями лазерных лучей относительно направления сварки.