Спосіб лазерного зварювання

Реферат: Винахід належить до зварювального виробництва і може бути використаний при виготовленні виробів зі зварюваними елементами різної товщини. Згідно способу лазерного зварювання, що включає нагрівання і проплавлювання стику сфокусованим у поверхневому шарі лазерним випромінюванням, зварювання завершують проходами з винесенням фокусу випромінювання за межі поверхневого шару і зменшенням швидкості зварювання, подаванні інертного газу в зону зварювання. Цим поліпшується формування зварного з'єднання з лицьової поверхні, досягається зменшення твердості загартованого металу зварного з'єднання. Досягається поліпшення якості стикових з'єднань, отримуваних лазерним зварюванням. UA 99523 C2 (12) UA 99523 C2 UA 99523 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до зварювального виробництва і може бути використаний при виготовленні виробів зі зварюваними елементами із сталей, зокрема гартівних, різної товщини. Відомо спосіб лазерного зварювання безперервним швом або окремими точками, який полягає у проплавленні металу імпульсним або безперервним лазерним випромінюванням (Григорянц А.Г., Жиганов И.Н. Лазерная сварка металлов. Лазерная техника и технология. - М.: Высшая школа, 1988, 177 с.). Відомо спосіб лазерного легування сплавів на основі заліза (згідно патенту України № 26467, В23К 26/00, Бюл. № 15, 2009), який включає лазерну обробку у режимі оплавлення поверхні матеріалів після створення на ній надлишкової концентрації вуглецевих фаз вибірковим, відносно складових фаз, травленням поверхні. Відомо також спосіб поновлення деталей, що мають тріщини у поверхневому шарі, який полягає у застосуванні лазерного переплаву в режимі глибокого проплавлення на глибину, що дорівнює глибині тріщини (заявка РФ 93049421/08, В23К 26/00, Бюл. № 20, 1996). Ці способи є аналогами. За прототип прийнято спосіб лазерного зварювання металічних деталей згідно патенту РФ № 2063853, В23К 26/00, БИ № 20, 1996, при якому стик зварюваних деталей нагрівають лазерним випромінюванням до розплавлення, зокрема в режимі з випаровуванням та утворенням парогазового каналу у зварювальній ванні, і на розплав діють проникливим обертальним магнітним полем, утворюючи заглиблення в розплаві та оголюючи дно зварювальної ванни. Інтенсивне випаровування металу і утворення парогазового каналу відбувається, коли лазерне випромінювання фокусується у поверхневому шарі металу. Недоліком прототипу є недостатньо якісне формування стикового з'єднання з утворенням підрізів, заниження, лускатості поверхні, порожнистості шва, різких переходів від шва до основного металу, що може призводити до передчасного руйнування зварного з'єднання з металом високої твердості, низької пластичності та в'язкості. Здійснення цього способу потребує додаткового спеціального пристрою і джерела живлення для утворення обертального магнітного поля, параметри якого необхідно узгоджувати з режимом, власне, самого лазерного зварювання. В основу винаходу поставлено задачу поліпшити якість стикових з'єднань із сталей, зокрема гартівних, виконаних лазерним зварюванням. Суть винаходу полягає в тому, що в способі лазерного зварювання, що включає нагрівання і проплавлювання стику сфокусованим у поверхневому шарі лазерним випромінюванням, зварювання завершують проходами зі збільшенням ширини і зменшенням глибини проплавлювання при винесенні фокусу лазерного випромінювання за межі поверхневого шару металу, зменшенні швидкості зварювання, подаванні інертного газу в зону зварювання. Відмінністю запропонованого способу лазерного зварювання є заявлені змінення сполучення і особливості виконання технологічних операцій. При одно- і двосторонньому зварюванні лазерним випромінюванням, сфокусованим у поверхневому шарі стику, має місце неусталене розплавлювання з інтенсивним рухом та випаровуванням зварюваного металу, утворення глибокої лунки і парогазового каналу, більше у середовищі вуглекислого газу, витиснення і викидання рідкого металу. За час відносно короткочасної кристалізації рухливої зварювальної ванни формується з'єднання з підрізами, порожнинами у шві, місцевими зміненнями його товщини. Наскрізне і глибоке проплавлювання без розплавлювання присаджуваного металу супроводжується неприйнятним для гартівних сталей провисанням і заниженням (прогинанням лицевої поверхні) шва внаслідок заповнювання зазору стику рідким металом та просідання зварювальної ванни. При суміщенні проплавлювання стику з розплавлюванням присаджуваного металу для запобігання заниження шва погіршується стабільність зварювального процесу і формування з'єднання. Розфокусування лазерного випромінювання при виконанні завершувальних проходів зварювання призводить до зменшення щільності теплового потоку, зниження інтенсивності випаровування і реактивного тиску парів металу, уникнення утворення парогазового каналу, збільшення ширини і зменшення глибини проплавлення. Послаблення при цьому рухливості зварювальної ванни сприяє поліпшенню формування зварного з'єднання з утворенням плавних переходів від шва до основного металу. Збільшення ширини шва та покращення якості формування зварного з'єднання досягається також зменшенням швидкості зварювання та подаванням в зону зварювання інертного газу. Завершальними проходами зварювання з неглибоким більш широким проплавлюванням зварного з'єднання без розплавлювання присаджуваного металу зменшують та усувають (за принципом автоопресування) заниження шва, а проходами з розплавлюванням присаджуваного металу регулюють висоту підсилення шва. Під час їх виконання метал зварного з'єднання нагрівають, розплавляють та охолоджують за параметрами, відмінними від тих, що мають місце при лазерному зварюванні з глибоким і наскрізним проплавлюванням, чим досягають 1 UA 99523 C2 5 10 15 20 25 30 цілеспрямованого змінення структури і властивостей металу зварного з'єднання, переважно того, що загартовується. Одностороннє лазерне зварювання виконують з одним завершувальним проходом зварювання, двостороннє - з двома завершувальними проходами. Прикладом запропонованого способу є двопрохідне одностороннє лазерне зварювання встик низьколегованої 08Г2С і середньовуглецевої легованої 30ХГСА сталей товщиною 3 і ~10 мм Nd: YAG - лазером ДУ 044 з оптичним волокном діаметром 400 мкм. Перший прохід зварювання без і з розплавлюванням присаджуваного дроту діаметром 1 мм, що забезпечує наскрізне проплавлювання, виконують при розміщенні фокусу лазерного випромінювання на поверхні та на глибині 1-2 мм стику. Другий прохід зварювання без і з розплавлюванням присаджуваного дроту здійснюють при розміщенні фокусу лазерного променю на відстані 4,5-5 мм над і 20 мм під поверхнею шва, зменшенні швидкості зварювання, подаванні аргону в зону зварювання. Параметри режиму і утворюваних з'єднань наведено в таблиці. Як видно із таблиці, після 1-го проходу зварювання з наскрізним проплавлюванням лазерним випромінюванням, сфокусованим у поверхневому шарі стику, спостерігається недостатньо якісне формування зварного з'єднання. Метал швів сталі 30ХГСА товщиною 3,1 і 10,4 мм загартовується і набуває твердість HV-0,2-(440-470 і 270-330) підвищену відносно HV0,2-(200-220 і 240-260) основного металу, що свідчить про відносне зниження пластичності та в'язкості. При виконанні 2-го проходу зварювання з розфокусуванням лазерного випромінювання, зменшенням швидкості зварювання, подаванням інертного газу в зону зварювання має місце ненаскрізне більшої ширини проплавлювання стикового з'єднання з охоплюванням шва від 1-го проходу зварювання та прилеглих ділянок сталі. Воно усуває заниження, зменшує зайву висоту підсилення, вирівнює поверхню шва, збільшує кут і радіус сполучення шва з основним металом зі зниженням концентрації напружень. А розплавлюванням присаджуваного дроту під час ненаскрізного проплавлювання регулюють висоту підсилення шва. Нагрівання нерозплавлюваної частини шва до температур 460-590 °C і вище зумовлює повторне загартування від менших температур і короткочасне відпускання при змінюваних температурах зі зниженням твердості металу швів сталі 30ХГСА до HV-0,2-(400-450 і 210-290), підвищенням його пластичності та стійкості утворенню холодних тріщин у зварному з'єднанні. Поліпшення формування та властивостей металу зварних з'єднань забезпечує покращення їх роботоспроможності при циклічних, ударних навантаженнях тощо. Таблиця Vпп, B, F, Р, V3B, мм кВт м/год. м/год. мм Товщина стику, мм № проходу зварювання Захисний газ 30ХГСА 3,1 1 2 Аr -“ 0 2,8 +4,5 -“ 60 18 120 08Г2С 9,9 1 2 СО2 Аr -2,0 - 4,4 20,0 -“ 12,0 -“ 30ХГСА 10,4 1 2 СО2 -“ -1,0 4,4 +5,0 4,0 10,2 -“ 30ХГСА 10,4 1 2 CO2 -“ -1,0 4,4 +5,0 4,2 10,2 -“ 72 Сталь H, G, мм мм Tн, °C 2,5+(0,23,1 3,0 0,6) не визн. 1,84,5+(0,3- не визн. 2,0 4,8 0,4) 4,85,0 8,08,5 5,35,5 5,86,0 5,35,5 5,86,0 9,9 -(1,8~1500 5,0- 2,2) 460 5,5 -(0-0,1) -(0,110,4 0,5) не визн. 2,0+(0,2- не визн. 2,5 0,4) -(0,110,4 0,5) ~1500 2,0+(1,0590 2,5 1,4) Формування з'єднання Наявність підрізів, луската поверхня шва Відсутні підрізи, гладка поверхня шва Заниження поверхні шва Усунення заниження шва Заниження поверхні шва по краях Потовщення шва з лицевої сторони Заниження шва по краях Істотне підсилення шва Примітка: F - положення фокусу лазерного променю над (+) і під (-) поверхнею металу; Р - потужність лазерного випромінювання; Vзв і Vпп - швидкість зварювання і подавання присаджуваного дроту; В і Н - ширина і глибина проплавлювання; G - висота підсилення (+) і заниження (-) поверхні шва; Тн - температура нагрівання зі зворотної сторони стику. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 Спосіб лазерного зварювання, що включає нагрівання і проплавлювання стику сфокусованим у поверхневому шарі лазерним випромінюванням, який відрізняється тим, що зварювання завершують проходами зі збільшенням ширини і зменшенням глибини проплавлювання при 2 UA 99523 C2 винесенні фокусу лазерного випромінювання за межі поверхневого шару, зменшенні швидкості зварювання, подаванні інертного газу в зону зварювання. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3