Лазерная сварка разнородных металлов и сплавов

В этой статье мы расскажем, почему проще всего сваривать разнородные материалы лазером, а также рассмотрим особенности этого процесса и основные приёмы лазерной сварки

Оглавление

Почему сварка разнородных металлов лазером?

При традиционной сварке обрабатываемая зона перегревается, и материалы из-за этого слегка деформируются. Лазер же нагревает исключительно место сплавки — поэтому металл искажается куда меньше. Это особенно полезно для тех, кому требуется аккуратная сварка. А возможно это благодаря высокой концентрации энергии лазерного излучения.

Особенности технологии лазерной сварки разнородных материалов

Для обеспечения равномерного нагрева веществ и прочности, долговечности шва при сварке разнородных предметов учитывают:

  • физические свойства материалов;
  • металлургию их взаимодействия в жидком состоянии. Она может воспрепятствовать образованию соединения.

Сварка — это нагревание до 0,8 температуры плавления (Тпл) вещества в зоне около шва и последующее расплавление

Температура плавления разных у металлов отличается, как и их поведение при термической обработке. Из-за этого не все материалы друг с другом можно сварить.

Понять, как будут взаимодействовать между собой металлы можно с помощью диаграмм состояния двойных систем. Диаграммы, в которых элементы образуют однородную жидкость при нагревании, и в твёрдом состоянии становятся практически не растворимы друг в друге — наиболее благоприятны.

Ключ к успешной сварке

Во-первых, это мощность лазера. Ее необходимо тщательно подбирать в зависимости от толщины и теплопроводности материалов. При этом скорость сварки должна быть оптимизирована, чтобы обеспечить достаточное количество тепла для расплавления материалов и не вызвать чрезмерное искажение или пористость.

Например, для сварки металлов толщиной до 3-мм достаточно лазера мощностью 1 кВт, а для толщин 3-4 мм нужно уже 1,5 кВт. Далее же мощность источника должна увеличиваться из расчета 1000 Вт на каждый миллиметр толщины.

Однако, следует учитывать, что сварочные системы с мощностью лазерного источника свыше 1,5 кВт обычно являются роботизированными и оснащены средствами автоматизации

Информацию же по нержавеющей стали, алюминию и меди можно посмотреть в этой таблице:

Настройки сварка разных металлов

Во-вторых, фокусное положение лазерного луча также имеет решающее значение. 

Это расстояние между линзой и точкой, в которой лучи света сходятся и образуют максимально четкое изображение. Очень важно найти правильный баланс между глубиной проникновения и размером зоны термического влияния.

Измерение фокуса — сложная задача, но есть косвенные методы. Простейшим из них является метод изотермического профиля. В этом случае фокусное пятно и диаметр перфорации измеряется после обжига полипропиленовой пластины с толстой бумагой и проникновения. Так или иначе, всё сводится к практике и опытным путям.

Суть фокусного положения у сварки, резки и чистки одинаковая, и подробности вы можете узнать из этой статьи

Пример сварка разных металлов

В-третьих, выбор формы лазерного луча также влияет на параметры сварки. Лучи гауссовой формы обеспечивают большую глубину проникновения, в то время как лучи в форме шапочки обеспечивают более широкую зону сварки.

Кроме того, выбор присадочного материала играет решающую роль в успехе лазерной сварки. Он должен иметь схожие свойства с основными веществами и быть совместимым с процессом лазерной сварки.

На лазерной сварке не всегда обязательно использовать проволоку: детали можно сваривать встык за счет плавления. Но если нужно заварить зазор, то тогда без проволоки не обойтись. Например, для алюминия используют СвАМг61, для нержавейки — ER308Lsi, для черной стали пойдет и омедненная. По же диаметру можно использовать от 0.8 до 1.2. 

Также можно сказать, что медные проволоки из-за своей высокой теплопроводности и текучести во время производства облегчают работу с медными деталями. Они обеспечивают качество шва вне зависимости от размера элемента. А алюминиевые нужны для… алюминия.

Зачастую в состав этих проволок для присадки входит дополнительный металл, такой как кремний, магний или цирконий

Два приёма лазерной сварки разнородных материалов

1. Смещение лазерного луча на один из свариваемых металлов

Выбор металла, на который смещается лазерный луч, зависит от:

  • степени поглощения металлом лазерного излучения;
  • температуры плавления;
  • смачиваемости компонента другим;
  • взаимной растворимости компонентов на кристаллическом уровне;
  • отличия теплоёмкости и теплопроводности.

Например, если сваривается медь и нержавеющая сталь, то лазерный луч смещают на сталь. Тогда сталь плавится, смачивает и нагревает медь и образует металлические связи. Если направить луч на медь, то почти всё излучение отразится, передаваемое тепло — рассеется. Ведь её теплопроводность в 5 раз больше, чем у стали.

Если же мы работаем со сталью и алюминием, которые считаются ограниченно свариваемыми, то луч направляется на алюминий. У него теплопроводность выше, чем у стали, однако смачиваемость у стали в разы больше. Нагревание же стали в этом случае привело бы к кипению алюминия — а это гарант образования дефектов.

Посредством смещения лазерного луча в диапазоне 0,1-2 мм в зависимости от скорости и толщины свариваемых заготовок можно управлять толщиной образования

2. Применение промежуточных металлов или нанесение покрытий

Они применяются в том случае, если материалы, с которыми ведётся работа, плохо свариваемые между собой. Промежуточный металл может расплавляться лазером напрямую, а может из-за смещения луча на один из основных металлов.

Важно знать, хорошо или плохо свариваемая у вас сталь, а также, диаграммы состояния, температуры плавления и другие параметры, чтобы подобрать нужный вам приём и понять, на какой из материалов воздействовать в первую очередь. Например, у Алюминия температура плавления 660,32°С, и он ограниченно свариваемый.

Лазерная сварка даёт надёжное соединение благодаря диффузии материалов, которая возникает в процессе. В результате образуется пластичный шов, лишенный дефектов структуры и хрупких фаз.

Вывод

Лазерная сварка позволяет избежать перегрева обрабатываемой зоны и деформации материала, которые возникают при традиционной сварке. Чтобы добиться успешной сварки разных металлов, нужно учитывать их физические свойства и металлургию взаимодействия в жидком состоянии.

Понять, как будут взаимодействовать металлы, могут помочь диаграммы состояния двойных систем. Диаграммы, в которых элементы образуют однородную жидкость при нагревании, и в твёрдом состоянии становятся практически не растворимы друг в друге — наиболее благоприятны.

Процесс сварки — сложный и требующий точного контроля различных параметров. Некоторые из них, например, фокусное расстояние, можно правильно настроить только опытным путём.

Наши акции